EP2265911A2 - Verfahren zur überwachung einer elektrodynamischen maschine - Google Patents

Verfahren zur überwachung einer elektrodynamischen maschine

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Publication number
EP2265911A2
EP2265911A2 EP09753716A EP09753716A EP2265911A2 EP 2265911 A2 EP2265911 A2 EP 2265911A2 EP 09753716 A EP09753716 A EP 09753716A EP 09753716 A EP09753716 A EP 09753716A EP 2265911 A2 EP2265911 A2 EP 2265911A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
measurement signals
phase
detected
fluctuations
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09753716A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Hobelsberger
Bernhard Mark
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP2265911A2 publication Critical patent/EP2265911A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring an electrodynamic machine, in particular a generator, having a rotor assembly mounted within a stator along a rotatable shaft and including an air gap with the stator in which at least one is disposed within the air gap or within the stator Sensor measurement signals are detected and evaluated, which depend on a magnetic field generated by the electrodynamic machine.
  • Electrodynamic machines convert mechanical energy into electrical energy (generator operation) or electrical energy into mechanical energy (electric motor operation).
  • the transformation is based on the Lorentz force, which acts on moving charges in a magnetic field.
  • the embodiments relate to large-scale installations, e.g. large synchronous generators, such as those used in industrial power generation.
  • the generator has a rotor mounted on a shaft which rotates within a fixed stator at a rotor rotational frequency.
  • the rotor generates a circulating magnetic DC field, which in the stator windings produces a sinusoidal electrical voltage and thus a sinusoidal current induced.
  • the DC field of the rotor is generated by current-carrying windings, which are arranged in grooves which extend parallel to the axis of rotation.
  • the windings exist in large-scale systems, for example, hollow metal bands whose outer surfaces are electrically insulated from each other by means of a plastic layer. Inside the hollow metal bands circulates mostly a cooling medium.
  • Electrodynamic machines in particular large generators, are monitored during operation in order to be able to detect, in particular, vibrations of the shaft or their causes at an early stage and in order to avoid damage to the machine.
  • the vibrations of the shaft preferably occur in the form of torsional vibrations, pendulum vibrations and / or bending vibrations.
  • Torsional vibrations are vibrations that lead to a non-uniform rotational frequency along the shaft and thus to a torsion of the shaft. For example, they can be caused by sudden load changes.
  • the torsional vibrations are very small vibrations, usually with a phase amplitude in the range of 0.01 °, but can still lead to a very high load on the shaft.
  • the frequencies with which torsional vibrations occur depend on the nature of the material and the thickness of the shaft, the masses connected to the shaft and the size of the system.
  • pendulum oscillations quasi-periodically damped changes in the rotational frequency of the shaft to the mains frequency are called, which are caused for example by shock-like interference from the network and also have a torsional effect on the shaft.
  • pendulum oscillations result in significantly slower changes in the instantaneous angular velocity at which the shaft is rotating, or the instantaneous phase of the rotational motion, than the aforementioned torsional vibrations.
  • a large-scale generator for industrial power generation which has a nominal rotor rotational frequency of typically 50 or 60 Hz
  • Torsional vibrations with typical frequencies between 100 and 300 Hz and pendulum oscillations with typical frequencies of 5 to 10 Hz are examples of 5 to 10 Hz.
  • vibrations may also be caused by rotor winding closures or may be due to non-uniform pole arrangements of the magnetic field generated by the rotor.
  • US Pat. No. 3,506,914 discloses a method by which rotor windings can be detected which, as mentioned above, can lead to vibrations.
  • the so-called stray field measurement is used, in which with the help of air gap sensors, which are mounted in the air gap between the rotor and stator, the rotor generated, running tangentially to the rotor surface magnetic stray field is measured. It is exploited that Windungs say cause measurable in the air gap modification of the stray field.
  • JP 52110449 Another possibility for determining torsional vibrations along a generator shaft is described in JP 52110449. It is based on the measurement and evaluation of phase-terminal currents of the generator. This method is also relatively inaccurate and also requires current transformers for higher frequencies.
  • the above-mentioned methods relate exclusively to the measurement of torsional vibrations, but not to the detection of bending vibrations.
  • EP 1 537 390 B1 shows a method with which, in addition to torsional oscillations, pendulum and bending oscillations can also be detected. For this purpose, wave currents occurring on the shaft and / or shaft voltages outside the generator are tapped and evaluated.
  • the invention is based on the object of developing a method for monitoring an electrodynamic machine, in particular a generator, in such a way that reliable detection of substantially all oscillation forms occurring along the shaft becomes possible. For this purpose, the most cost-effective and retrofittable even in already operating generators measures should be required.
  • the solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1.
  • the solution according to the method for monitoring an electrodynamic machine advantageously further developing features are the subject of the dependent claims and the further description in particular with reference to the embodiment refer.
  • the method for monitoring an electrodynamic machine with a rotor assembly mounted within a stator along a rotatable shaft which includes an air gap with the stator, in which detected by at least one within the air gap (17) or within the stator sensor arranged measuring signals and are evaluated, which depend on a magnetic field generated by the electrodynamic machine, characterized in that the measurement signals obtained with the sensors arranged in the air gap or within the stator are used for detecting vibrations of the shaft.
  • vibrations are, in particular, torsional vibrations, pendulum vibrations and / or bending vibrations.
  • the measurement signals for determining the natural frequencies of the shaft oscillation are evaluated accordingly.
  • the measurement signals to be evaluated are detected by already existing sensors, which are also provided for the detection of rotor windings.
  • sensors preferably detect the tangential and / or radial magnetic field generated by the electrodynamic machine in the air gap between the rotor assembly and the stator.
  • the main magnetic flux in the stator laminated core is also detected.
  • Magnetic field-sensitive sensors are preferably used in the manner of a coil, a conductor loop, a Hall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • the sensory detected measurement signals are preferably detected in the time domain and / or in the frequency domain, for example by Fourier transformation of in the time domain Analyzes measured signals, wherein the detected measurement signals are evaluated at a nominal rotor rotational frequency and / or a multiple of the nominal rotor rotational frequency with respect to the phase, frequency and / or amplitude behavior.
  • the detected measurement signals are examined with respect to frequency, phase and / or amplitude modulations contained therein. These can be seen in the spectrum as secondary lines of the nominal rotor rotational frequency or their harmonics or as broadening of the spectral lines belonging to the nominal rotor rotational frequency or its harmonics.
  • the phase or frequency response is preferably analyzed by demodulation techniques known from radio technology. These include both analogous methods, e.g. Frequency shift methods or digital methods, e.g. Sampling method with temporally periodic sampling times.
  • the detected measurement signals or signals derived therefrom are sampled at a sampling rate equal to the nominal rotor rotational frequency or an integer multiple, i. a harmonic, approximately equal to this frequency.
  • the phase or frequency fluctuations of the detected measurement signals at the nominal rotor rotational frequency and / or the multiples of the nominal rotor rotational frequency are preferably determined based on a respective reference phase or reference frequency profile.
  • the phase or frequency fluctuations of the detected measurement signals are subsequently used as a basis for evaluating the rotor rotational movement at nominal rotor rotational frequency and serve as a measure for the expression of the torsional vibrations and / or the pendulum oscillations of the shaft.
  • the Referenzphasen- or frequency response is obtained from a reference signal having a larger phase constancy. Suitable is in particular a signal derived from the mains voltage.
  • limit values for the phase or frequency fluctuations are specified. If exceeding the limit values is detected by the acquired measured values, a signal is generated or a shutdown of the electrodynamic machine is performed.
  • the limits are determined for each frequency band, i. for the nominal rotor rotational frequency and its multiples, indicated and compared with the respective associated values of the phase fluctuation.
  • determined amplitude fluctuations can be evaluated as a measure of bending vibrations in a suitable manner.
  • several frequency bands of the detected measurement signals are simultaneously analyzed and examined for correlated amplitude fluctuations.
  • a value for evaluating the rotor movement is determined exclusively on the basis of the correlated amplitude fluctuations.
  • a limit value for the amplitude fluctuations is predetermined and, when the limit value is exceeded, a signal is generated or a switch-off of the electrodynamic machine is forced.
  • an inductive air coil can be used as the sensor, which is acted upon by a higher-frequency current or voltage signal.
  • this signal has a frequency above 500 Hz.
  • the impedance fluctuations of the inductive air coil are evaluated.
  • the sensor coil which occur for example due to eddy current losses or inductance changes, bending vibrations can be detected. This corresponds to the functional principle of an eddy current sensor.
  • Particularly advantageous is the combination of field sensor and vibration sensor in a sensor head.
  • the torsional, pendular and / or bending vibrations are detected, which are triggered by transient processes, for example by sudden load changes or shock-like disturbances in the network.
  • the transient process manifests itself in a sudden change in the phase, frequency and / or amplitude behavior of the acquired measurement signals, in particular in transient phase, frequency and / or amplitude modulations.
  • the excited torsional, pendular and / or bending vibrations cancel again after the transient excitation with characteristic time constants. From the information obtained during the excited state information about the phase, frequency and / or amplitude fluctuation, in particular from their spectra, it can be concluded on the torsional or Biegeschwingungs- natural frequencies of the wave. Above all, however, transient phase modulations that occur at harmonics of the nominal rotor rotational frequency indicate torsional vibrations of the shaft.
  • the inventive method is used in particular for continuous monitoring of an electrodynamic machine.
  • Fig. 1 shows a schematic section through a generator with a within the
  • FIG. 1 shows a schematic section through a generator arrangement 1 for displaying details for magnetic field generation.
  • the rotor 1 1 is rotatably mounted within the stator 12 on a shaft 10 along a rotational axis 14.
  • the rotor 1 1 has in grooves 15 extending current-carrying rotor windings 16 which generate the magnetic main field 2.
  • the course of the magnetic field lines of the main field 2 is illustrated by arrows within the rotor 1 1, the air gap 17 and by the dashed lines in the stator 12.
  • an air gap scattering field 3 forms in the air gap 17 with tangential to the rotor surface and radial field components, which is measured with one or more so-called air gap sensors 18.
  • the air gap sensor 18 was used exclusively for detecting rotor windings, which is manifested by a clear change in the amplitude of the measured stray field 3 at a specific angular position of the rotor arrangement.
  • the solution according to the method provides for a further analysis of the output signal of the air gap sensor 18.
  • the output signal of the air gap sensor 18 is therefore a periodic alternating signal with pronounced harmonics of the nominal rotor rotational frequency.
  • the output signal has a harmonic in the range of the number of slots N, ie, a spectral component at N times the rated rotor rotational frequency.
  • Torsional movements or rotational fluctuations of the rotor 1 1, and thus of the shaft 10 are expressed in fluctuations of the phase angle of this signal or in fluctuations of the phase angle of the individual harmonics of this signal, a phenomenon that equals a phase or frequency modulation.
  • the output signals of the air gap sensor 18 are therefore demodulated in order to separate the phase change, which is to be expected from the nominal rotational movement of the rotor assembly, from the phase fluctuations due to torsional movements.
  • the output signal is preferably examined simultaneously in different frequency ranges, in particular at the harmonics of the nominal rotor rotational frequency.
  • the harmonics of the time function s k (t) of the stray field can be formulated by the following relationship:

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Generators (1), mit einer innerhalb eines Stators (12) längs einer drehbaren Welle (10) gelagerten Rotoranordnung (11), die mit dem Stator (12) einen Luftspalt (17) einschließt, bei dem mittels wenigstens eines innerhalb des Luftspalts (17) oder innerhalb des Stators (12) angeordneten Sensors (18) Messsignale erfasst und ausgewertet werden, die von einem von der elektrodynamischen Maschine erzeugten Magnetfeld abhängen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Messsignale zur Beurteilung der dynamischen Belastung der Welle (10) zugrunde gelegt werden.

Description

Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Generators, mit einer innerhalb eines Stators längs einer drehbaren Welle gelagerten Rotoranordnung, die mit dem Stator einen Luftspalt einschließt, bei dem mittels wenigstens eines innerhalb des Luftspalts oder innerhalb des Stators angeordneten Sensors Messsignale erfasst und ausgewertet werden, die von einem von der elektrodynamischen Maschine erzeugten Magnetfeld abhängen.
Stand der Technik
Elektrodynamische Maschinen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie (Generatorbetrieb) beziehungsweise elektrische Energie in mechanische Energie (Elektromotorbetrieb) um. Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte Ladungen in einem Magnetfeld wirkt.
Im Nachfolgenden wird beispielhaft, ohne eine Einschränkung vorzunehmen, auf elektrodynamische Maschinen, die als Generatoren arbeiten, eingegangen. Insbesondere beziehen sich die Ausführungen auf grosstechnische Anlagen, z.B. grosse Synchrongeneratoren, wie sie beispielsweise bei der industriellen Stromerzeugung eingesetzt werden.
Der Generator weist einen auf einer Welle gelagerten Rotor auf, der sich innerhalb eines feststehenden Stators mit einer Rotor-Drehfrequenz dreht. Der Rotor erzeugt bei Rotation ein umlaufendes magnetisches Gleichfeld, das in den Statorwicklungen eine sinusförmige elektrische Spannung und damit einen sinusförmigen Strom induziert. Das Gleichfeld des Rotors wird durch stromdurchflossene Wicklungen erzeugt, die in Nuten, die parallel zur Drehachse verlaufen, angeordnet sind. Die Wicklungen bestehen bei grosstechnischen Anlagen beispielsweise aus hohlen Metallbändern, deren äussere Oberflächen mittels einer Kunststoffschicht untereinander elektrisch isoliert sind. Im Inneren der hohlen Metallbänder zirkuliert zumeist ein Kühlmedium.
Elektrodynamische Maschinen, insbesondere grosse Generatoren, werden während des Betriebs überwacht, um insbesondere Vibrationen der Welle oder deren Ursachen frühzeitig zu erkennen und um somit Schäden an der Maschine vermeiden zu können.
Die Vibrationen der Welle treten vorzugsweise in Form von Torsionsschwingungen, Pendelschwingungen und/oder auch Biegeschwingungen auf. Torsionsschwingungen sind Schwingungen, die zu einer uneinheitlichen Rotationsfrequenz entlang der Welle und damit zu einer Torsion der Welle führen. Sie können beispielsweise durch plötzliche Lastwechsel verursacht werden. Bei den Torsionsschwingungen handelt es sich um sehr kleine Schwingungen, üblicherweise mit einer Phasenamplitude im Bereich von 0,01 °, die aber dennoch zu einer sehr hohen Belastung der Welle führen können. Die Frequenzen, mit denen Torsionsschwingungen auftreten, hängen von der Materialbeschaffenheit und der Dicke der Welle, der mit der Welle verbundenen Massen und der Grosse der Anlage ab.
Als Pendelschwingungen werden quasi-periodisch-gedämpfte Änderungen der Dreh- Frequenz der Welle um die Netzfrequenz (typisch 50 oder 60 Hz) bezeichnet, die beispielsweise durch stossartige Störungen aus dem Netz hervorgerufen werden und die ebenfalls eine torsionale Wirkung auf die Welle besitzen. Typischerweise führen jedoch Pendelschwingungen zu deutlich langsameren Änderungen der momentanen Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Welle dreht, bzw. der momentanen Phase der Drehbewegung als die erwähnten Torsionsschwingungen. Beispielsweise treten bei einem grosstechnischen Generator zur industriellen Stromerzeugung, der eine Nenn-Rotordrehfrequenz von typischerweise 50 oder 60 Hz hat, Torsionsschwingungen mit typischen Frequenzen zwischen 100 und 300 Hz und Pendelschwingungen mit typischen Frequenzen von 5 bis 10 Hz auf.
Darüber hinaus können Vibrationen auch durch Rotorwindungsschlüsse verursacht werden oder auch durch ungleichmäßige Polanordnungen des durch den Rotor erzeugten Magnetfeldes bedingt sein.
Zum Schutz der elektrodynamischen Maschine vor Beschädigung wird diese bei Auftreten von zu grossen Vibrationen abgeschaltet.
Aus der US 3,506,914 geht eine Methode hervor, mit der Rotorwindungsschlüsse detektiert werden können, die wie oben erwähnt zu Vibrationen führen können. Zur Detektion von Rotorwindungsschlüssen wird die sogenannte Streufeldmessung eingesetzt, bei der mit Hilfe von Luftspaltsensoren, die im Luftspalt zwischen Rotor und Stator angebracht sind, das vom Rotor erzeugte, tangential zur Rotoroberfläche verlaufende magnetische Streufeld gemessen wird. Dabei wird ausgenutzt, dass Windungsschlüsse eine im Luftspalt messbare Modifikation des Streufeldes bewirken.
Ein anderer Ansatz zur Bestimmung von Wellenschwingungen, der aus verschiedenen Druckschriften, wie bspw. US 3,934,459, US 3,885,420, US 4,148,222, US 4,137,780, US 4,317,371 hervorgeht, besteht darin, dass zur Erfassung von Torsionsschwingungen der Welle ausserhalb von Rotor und Stator ein Zahnrad mit der Welle verbunden ist, das während der Rotation der Welle in einem oder mehreren umliegenden Sensoren periodische Messsignale erzeugt, wobei die Periode von der Anzahl der Zähne sowie der Drehfrequenz der Welle abhängt. Torsionsschwingungen der Welle bewirken eine Phasen- bzw. Frequenzmodulation der erfassten Signale. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht jedoch darin, dass ein Zahnrad als Signalgeber vorgesehen sein muss. Eine nachträgliche Installation kann unmöglich bzw. schwierig und mit entsprechend hohen Kosten verbunden sein. Eine aus US 4,444,064 bekannte Methode zur Erfassung von Torsionsschwingungen besteht darin, zuerst ein magnetisches Muster in die Welle einzuprägen, das im Betrieb als Impulsgeber wirkt.
Aus der US 4,793,186 ist ein Messgerät zur Torsionsmessung bekannt, das an die Phasenwicklungsklemmen eines Permanentmagnet-Generators angeschlossen wird, der mit der Welle eines Generators gekoppelt ist. Durch Auswertung, d.h. durch Frequenzdemodulation mittels PLL-Technik, der erzeugten Spannungen wird auf die Torsionsschwingungen geschlossen. Das Verfahren ist nur bei Systemen mit Permanentmagnet-Generator einsetzbar und darüber hinaus relativ ungenau.
Eine weitere Möglichkeit zur Feststellung von Torsionsschwingungen längs einer Generatorwelle beschreibt die JP 52110449. Sie basiert auf der Messung und Auswertung von Phasenklemmenströmen des Generators. Auch diese Methode ist relativ ungenau und erfordert darüber hinaus Stromwandler für höhere Frequenzen.
Die vorstehend genannten Verfahren beziehen sich ausschließlich auf die Messung von Torsionsschwingungen, jedoch nicht auf die Erfassung von Biegeschwingungen.
Die EP 1 537 390 B1 zeigt dagegen ein Verfahren, mit dem neben Torsionsschwingungen auch Pendel- und Biegeschwingungen erfasst werden können. Hierzu werden auf der Welle auftretende Wellenströme und/oder Wellenspannungen außerhalb des Generators abgegriffen und ausgewertet.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Generators, derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige Erfassung weitgehend sämtlicher längs der Welle auftretenden Schwingungsformen möglich wird. Hierzu sollen möglichst kostengünstige und auch bei bereits in Betrieb befindlichen Generatoren nachrüstbare Massnahmen erforderlich sein. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Das lösungsgemässe Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Lösungsgemäss zeichnet sich das Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine mit einer innerhalb eines Stators längs einer drehbaren Welle gelagerten Rotoranordnung , die mit dem Stator einen Luftspalt einschließt, bei dem mittels wenigstens eines innerhalb des Luftspalts (17) oder innerhalb des Stators angeordneten Sensors Messsignale erfasst und ausgewertet werden, die von einem von der elektrodynamischen Maschine erzeugten Magnetfeld abhängen, dadurch aus, dass die mit den im Luftspalt oder innerhalb des Stators angeordneten Sensoren gewonnenen Messsignale zur Erfassung von Schwingungen der Welle zugrunde gelegt werden. Dabei handelt es sich bei den Schwingungen insbesondere um Torsionsschwingungen, Pendelschwingungen und/oder Biegeschwingungen. In besonders vorteilhafter Weise werden die Messsignale zur Bestimmung der Eigenfrequenzen der Wellenschwingung entsprechend ausgewertet.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die auszuwertenden Messsignale durch bereits vorhandene Sensoren erfasst werden, die auch zur Detektion von Rotor-Windungsschlüssen vorgesehen sind. Solche Sensoren erfassen vorzugsweise das tangentiale und/oder radiale magnetische Feld, das von der elektrodynamischen Maschine im Luftspalt zwischen Rotoranordnung und Stator erzeugt wird. Alternativ oder in Kombination hierzu wird auch der magnetische Hauptfluss im Stator-Blechpaket erfasst. Eingesetzt werden vorzugsweise magnetfeldsensible Sensoren in Art einer Spule, einer Leiterschleife, eines Hallsensors oder eines magnetoresistiven Messaufnehmers.
Die sensorisch erfassten Messsignale werden vorzugsweise im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich, bspw. durch Fouriertransformation von im Zeitbereich erfassten Messsignale analysiert, wobei die erfassten Messsignale bei einer Nenn- Rotordrehfrequenz und/oder einer Vielfachen der Nenn-Rotordrehfrequenz hinsichtlich des Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenverhaltens ausgewertet werden.
Insbesondere werden die erfassten Messsignale in Bezug auf darin enthaltene Frequenz-, Phasen- und/oder Amplitudenmodulationen untersucht. Diese sind im Spektrum als Nebenlinien der Nenn-Rotordrehfrequenz bzw. ihrer Harmonischen zu erkennen bzw. als Verbreiterung der zu der Nenn-Rotordrehfrequenz bzw. ihrer Harmonischen gehörenden Spektrallinien. Das Phasen- oder Frequenzverhalten wird bevorzugt durch aus der Funktechnik bekannte Demodulationsverfahren analysiert. Darunter zählen sowohl analoge Verfahren, z.B. Methoden zur Frequenzverschiebung oder digitale Verfahren, z.B. Abtastverfahren mit zeitlich periodischen Tastzeitpunkten.
Zur Analyse des Amplitudenverhaltens werden vorzugsweise bekannte analoge oder digitale Verfahren der Amplitudendemodulation eingesetzt.
Insbesondere werden bei den digitalen Demodulationsverfahren die erfassten Messsignale oder hiervon abgeleitete Signale mit einer Abtastrate abgetastet, die der Nenn-Rotordrehfrequenz oder einer ganzzahligen Vielfachen, d.h. einer Harmonischen, dieser Frequenz annähernd entspricht.
Vorzugsweise werden die Phasen- oder Frequenzschwankungen der erfassten Messsignale bei der Nenn-Rotordrehfrequenz und/oder der Vielfachen der Nenn- Rotordrehfrequenz bezogen auf einen jeweiligen Referenzphasen- oder Referenzfrequenzverlauf ermittelt. Die Phasen- oder Frequenzschwankungen der erfassten Messsignale werden nachfolgend zur Bewertung der Rotordrehbewegung bei Nenn-Rotordrehfrequenz zu Grunde gelegt und dienen als Mass für die Ausprägung der Torsionsschwingungen und/oder die Pendelschwingungen der Welle. Der Referenzphasen- bzw. Frequenzverlauf wird dabei aus einem Referenzsignal gewonnen, das eine grossere Phasenkonstanz aufweist. Geeignet ist insbesondere ein aus der Netzspannung abgeleitetes Signal.
Um die tatsächliche, zeitlich veränderliche Torsion der Welle möglichst exakt bestimmen zu können, die sich in einer Abweichung von einem linearen Phasenverlauf der Drehbewegung bezogen auf die Zeit äußert, werden vorzugsweise mehrere Frequenzbänder der erfassten Messsignale simultan analysiert. Dabei wird untersucht, ob die Phasenschwankungen in den unterschiedlichen Frequenzbändern miteinander korreliert sind. Zur weiteren Bewertung werden aus der Menge der erfassten Phasenschwankungen der Messsignale vorzugsweise nur jene herangezogen, die eine Korrelation aufweisen.
In einer vorteilhaften Vorgehensweise werden Grenzwerte für die Phasen- oder Frequenzschwankungen vorgegeben. Wird ein Überschreiten der Grenzwerte durch die erfassten Messwerte festgestellt, wird ein Signal generiert oder eine Abschaltung der elektrodynamischen Maschine durchgeführt. Insbesondere werden die Grenzwerte jeweils für jedes Frequenzband, d.h. für die Nenn-Rotordrehfrequenz und deren Vielfache, angegeben und mit den jeweiligen zugeordneten Werten der Phasenschwankung verglichen.
Weiterhin ist erkannt worden, dass ermittelte Amplitudenschwankungen als Mass für Biegeschwingungen in geeigneter weise gewertet werden können. Dabei werden vorzugsweise gleichsam mehrere Frequenzbänder der erfassten Messsignale simultan analysiert und auf korrelierte Amplitudenschwankungen untersucht. Besonders bevorzugt wird ausschliesslich auf Grundlage der korrelierten Amplitudenschwankungen ein Wert für die Bewertung der Rotorbewegung ermittelt.
Insbesondere wird ein Grenzwert für die Amplitudenschwankungen vorgegeben und bei Überschreiten des Grenzwertes ein Signal generiert oder eine Abschaltung der elektrodynamischen Maschine erzwungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Detektion von Biegeschwingungen kann als Sensor eine induktive Luftspule eingesetzt werden, die mit einem höherfrequenten Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt wird. Insbesondere weist dieses Signal eine Frequenz oberhalb von 500 Hz auf. Ausgewertet werden Impedanzschwankungen der induktiven Luftspule. Durch die Messung der Impedanzschwankungen bzw. der Strom- oder Spannungsschwankungen, der Sensorspule, die beispielsweise aufgrund von Wirbelstromverlusten oder Induktivitätsänderungen auftreten, können Biegeschwingungen erfasst werden. Dies entspricht dem Funktionsprinzip eines Wirbelstromsensors. Besonders vorteilhaft ist dabei die Kombination von Feldsensor und Vibrationssensor in einem Sensorkopf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Torsions-, Pendel- und/oder Biegeschwingungen erfasst, die durch transiente Vorgänge, beispielsweise durch plötzlich auftretende Lastwechsel oder stossartige Störungen im Netz, ausgelöst werden. Der transiente Vorgang äussert sich in einer plötzlichen Veränderung des Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenverhaltens der erfassten Messsignale, insbesondere in transienten Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulationen. Die angeregten Torsions-, Pendel- und/oder Biegeschwingungen klingen nach der transienten Anregung mit charakteristischen Zeitkonstanten wieder ab. Aus den während des Anregungszustands gewonnenen Informationen über die Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenschwankung, insbesondere aus deren Spektren, kann auf die Torsions- oder Biegeschwingungs- Eigenfrequenzen der Welle geschlossen werden. Vor allem aber weisen transiente Phasenmodulationen, die bei Harmonischen der Nenn-Rotordrehfrequenz auftreten, auf Torsionsschwingungen der Welle hin.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Dauer-Überwachung einer elektrodynamischen Maschine eingesetzt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Es zeigt:
Fig. 1 schematischer Schnitt durch einen Generator mit einem innerhalb des
Luftspaltes angebrachten Sensor
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Generatoranordnung 1 zur Darstellung von Details zur Magnetfelderzeugung. Der Rotor 1 1 ist innerhalb des Stators 12 auf einer Welle 10 längs einer Drehachse 14 drehbar gelagert angeordnet. Der Rotor 1 1 weist in Nuten 15 verlaufende stromdurchflossene Rotorwicklungen 16 auf, die das magnetische Hauptfeld 2 erzeugen. Der Verlauf der Magnetfeldlinien des Hauptfeldes 2 ist durch Pfeile innerhalb des Rotors 1 1 , des Luftspaltes 17 sowie durch die strichlierte Linienführung im Statorbereich 12 veranschaulicht. Neben dem Hauptfeld 2, dessen Feldlinien im Wesentlichen orthogonal zur Rotoroberfläche austreten, bildet sich im Luftspalt 17 ein Luftspaltstreufeld 3 mit zur Rotoroberfläche tangentialen und radialen Feldkomponenten aus, das bei mit einem oder mehreren so genannten Luftspaltsensoren 18 vermessen wird. Der Luftspaltsensor 18 diente bisher ausschliesslich zur Detektion von Rotor-Windungsschlüssen, die sich durch eine deutliche Änderung der Amplitude des gemessenen Streufeldes 3 bei einer bestimmten Winkelstellung der Rotoranordnung zeigt.
Das lösungsgemässe Verfahren sieht eine darüber hinaus gehende Analyse des Ausgangssignals des Luftspaltsensors 18 vor.
Das Ausgangssignal des Luftspaltsensors 18, das durch das Streufeld 3 erzeugt wird, ändert sich während der Rotation der Rotoranordnung, bestehend aus Rotor 1 1 und Welle 10, wobei typischerweise jede Nut 15 des Rotors 1 1 eine lokalisierbare Signaländerung, beispielsweise in Form einer sinusförmigen Signalspitze, erzeugt. Das Ausgangssignal des Luftspaltsensors 18 ist demzufolge ein periodisches Wechselsignal mit ausgeprägten Harmonischen der Nenn-Rotordrehfrequenz. Insbesondere weist das Ausgangssignal eine Harmonische im Bereich der Nutanzahl N auf, d.h. einen Spektralanteil bei dem N-fachen der Nenn-Rotordrehfrequenz.
Torsionale Bewegungen bzw. Drehschwankungen des Rotors 1 1 , und damit der Welle 10, drücken sich in Schwankungen des Phasenwinkels dieses Signals bzw. in Schwankungen der Phasenwinkel der einzelnen Harmonischen dieses Signals aus, ein Erscheinung, die einer Phasen- bzw. Frequenzmodulation gleichkommt.
Zur Bestimmung von torsionalen Bewegungen, also Torsionsschwingungen oder Pendelschwingungen, werden die Ausgangssignale des Luftspaltsensors 18 daher demoduliert, um die Phasenänderung, die durch die Nenn-Drehbewegung der Rotoranordnung zu erwarten ist, von den Phasenschwankungen aufgrund von torsionalen Bewegungen zu trennen.
Dabei wird das Ausgangssignal bevorzugt simultan in verschiedenen Frequenzbereichen, insbesondere bei den Harmonischen der Nenn- Rotordrehfrequenz untersucht. Das Ausgangssignal oder ein hiervon abgeleitetes Signal - das beispielsweise durch Filterung und Vorverstärkung generiert wird - wird beispielsweise zunächst gesplittet, um es parallel verschiedenen Demodulationsstufen zuzuführen. In den verschiedenen Demodulationsstufen werden dann die einzelnen Spektralanteile des Ausgangssignals oder des hiervon abgeleiteten Signals, demoduliert.
Die Rotorbewegung teilt sich simultan in fast allen Streufeld-Harmonischen mit. So lassen sich die Harmonischen der Zeitfunktion sk(t) des Streufeldes durch folgenden Zusammenhang formulieren:
sk(t) = Ck ■ cos(kωt + Φk + ΔΦk) Im Idealfall stehen die einzelnen Phasenschwankungswinkel ΔΦ, zueinander in folgendem Verhältnis:
ΔΦ, / ΔΦj = i/j.
Dabei sind: i, j, k Ordnungszahlen der Harmonischen, ω Nenn-Rotordrehfrequenz Sk(t) Zeitfunktion der k-ten Harmonischen Ck Amplitude der k-ten Harmonischen Φk Phasenoffset der k-ten Harmonischen ΔΦk zeitlich veränderliche Phasenschwankung der k-ten Harmonischen.
Aus der Menge der simultan erfassten Phasenschwankungswinkel werden durch geeignete Filterung diejenigen ausgewählt, die miteinander bzw. stark mit der Rotorbewegung (und damit der Wellenbewegung) korreliert sind, um hieraus die tatsächliche Rotorbewegung und damit die tatsächliche torsionale Bewegung zu ermitteln. Harmonische, deren Phasenschwankungen nicht stark mit den Rotorbewegungen korreliert sind, wie z.B. die Harmonische mit der Netz- Grundfrequenz, werden hingegen aus der Berechnung ausgeblendet. Im Gegensatz zur Analyse eines einzigen Spektralanteils ist hierdurch eine höhere Störfestigkeit des Messergebnisses gewährleistet.
Biegeschwingungen längs der Welle führen zu einer Variation des Abstandes von Rotor 1 1 und Luftspaltsensor 18, so dass sich die Amplitude des Ausgangssignals des Luftspaltsensors 18 verändert. Entsprechend kann mit Methoden der Amplitudendemodulation auf die Amplitude und die Frequenz der Biegeschwingungen zurück geschlossen werden.
Die im Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahrensschritte können analog auch in einem Verfahren eingesetzt werden, das das magnetische Feld mittels im Stator- Blechpaket angeordneten Sensoren erfasst, da auch hier eine rotationswinkelabhängige Änderung des Magnetfelds auswertbar ist. Bezugszeichenliste
Generator
Hauptfeld
Luftspaltfeld
Streufeld
Fundament
Welle
Rotor
Stator
Gehäuse
Rotor-Drehachse
Nut
Rotorwicklungen
Luftspalt
Luftspaltsensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Generators (1 ), mit einer innerhalb eines Stators (12) längs einer drehbaren Welle (10) gelagerten Rotoranordnung (1 1 ), die mit dem Stator (12) einen Luftspalt (17) einschließt, bei dem mittels wenigstens eines innerhalb des Luftspalts (17) oder innerhalb des Stators (12) angeordneten Sensors (18) Messsignale erfasst und ausgewertet werden, die von einem von der elektrodynamischen Maschine erzeugten Magnetfeld abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale zur Erfassung von Schwingungen der Welle (10) zugrunde gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schwingungen der Welle (10) in Form von Torsionsschwingungen und/oder Pendelschwingungen und/oder Biegeschwingungen ausbilden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messsignale oder von den Messsignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung von Eigenfrequenzen der Schwingungen der Welle (10) ausgewertet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale von wenigstens einem Sensor (18) erfasst werden, der auch zur Detektion von Rotor-Windungsschlüssen eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Messsignale ein magnetfeldsensibler Sensor (18) in Art einer Spule, einer Leiterschleife, eines Hallsensors oder eines magnetoresistiven Messaufnehmers eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messsignale im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich analysiert werden, und dass die erfassten Messsignale bei einer Nenn- Rotordrehfrequenz und/oder einer Vielfachen der Nenn-Rotordrehfrequenz hinsichtlich ihres Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenverhaltens analysiert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messsignale in Bezug auf darin enthaltene Frequenzmodulationen und/oder Amplitudenmodulationen untersucht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messsignale mit einer Abtastrate abgetastet werden, die der Nenn-Rotordrehfrequenz oder einer ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Phasen- oder Frequenzschwankungen der erfassten Messsignale bei der Nenn- Rotordrehfrequenz und/oder der Vielfachen der Nenn-Rotordrehfrequenz ermittelt werden, und dass die Phasen- oder Frequenzschwankungen der erfassten Messsignale zur Bewertung der Rotordrehbewegung bei Nenn- Rotordrehfrequenz zu Grunde gelegt werden und als Maß für die Torsionsschwingungen und/oder die Pendelschwingungen der Welle dienen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Frequenzbänder der erfassten Messsignale simultan analysiert und auf korrelierte Phasenschwankungen untersucht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich auf Grundlage der korrelierten Phasenschwankungen ein Wert für die Bewertung der Rotorbewegung ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzwerte für die Phasen- oder Frequenzschwankungen vorgegeben werden, und dass bei Überschreiten der Grenzwerte ein Signal generiert wird oder eine Abschaltung der elektrodynamischen Maschine erfolgt
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Amplitudenschwankungen als Mass für Biegeschwingungen gewertet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 6 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Frequenzbänder der erfassten Messsignale simultan analysiert und auf korrelierte Amplitudenschwankungen untersucht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich auf Grundlage der korrelierten Amplitudenschwankungen ein Wert für die Bewertung der Rotorbewegung ermittelt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzwert für die Amplitudenschwankungen vorgegeben wird, und dass bei Überschreiten des Grenzwertes ein Signal generiert wird oder eine Abschaltung der elektrischen Maschine erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Biegeschwingungen eine induktive Luftspule als Sensor (18) verwendet wird, die mit einem höherfrequenten Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt wird, und dass Impedanzänderungen der induktiven Luftspule ausgewertet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass transiente Vorgänge Torsions-, Pendel- und/oder Biegeschwingungen der Welle (10) auslösen, und dass in einem Spektrum der erfassten Messsignale oder in einem Spektrum demodulierter Signale transiente Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulationen auftreten.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die transienten Phasenmodulationen der Harmonischen der Nenn-Rotordrehfrequenz als Hinweis auf Torsionsschwingungen gewertet werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Eigenfrequenzen der Schwingungen der Welle ein Teil des Spektrums der erfassten Messsignale und/oder ein Teil des Spektrums der demodulierten Signale ausgewertet werden, in denen die transienten Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulationen auftreten.
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