EP3004904A1 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen von kontaktfehlern an einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erkennen von kontaktfehlern an einer elektrischen maschine

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EP3004904A1
EP3004904A1 EP14734715.7A EP14734715A EP3004904A1 EP 3004904 A1 EP3004904 A1 EP 3004904A1 EP 14734715 A EP14734715 A EP 14734715A EP 3004904 A1 EP3004904 A1 EP 3004904A1
Authority
EP
European Patent Office
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resistance
machine
phase
voltage
current
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14734715.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wolbank
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.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP3004904A1 publication Critical patent/EP3004904A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/66—Testing of connections, e.g. of plugs or non-disconnectable joints
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0061—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electrical 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
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies

Definitions

  • this invention relates to the field of inverter powered electric machines, and more particularly to a method and apparatus for detecting contact faults on an electrical machine powered by an inverter.
  • load changes may result in different mechanical pressures or forces in the area of the contact parts, such as bolts and clamps, wherein thermal expansions of different materials are problematic. For example, if one of the contact materials is twice as high
  • a further object of the invention is to detect such contact errors early even in the case of multiphase machines, in particular three-phase machines, in particular if they are also present in only one phase and can assign them to the respective phase, as a result of asymmetries can be reduced or avoided in the phase voltages on the stator windings, so as to prevent as possible a machine failure due to a faulty stator winding.
  • the invention provides a method for detecting contact errors on an electrical machine, which is fed by a converter, characterized in that with the aid of the inverter temporally successively a first and a second, compared to the first increased voltage applied and thereby caused associated machine currents are measured, and from the quotient of the difference of the two voltages by the difference of the two currents, a value for the resistance is averaged.
  • the invention further relates to a device for detecting contact errors on an electrical machine fed by a converter, having at least one current sensor for detecting a machine current caused by the converter when a voltage is applied to the machine, characterized by a measuring arrangement connected to the current sensor with inverter voltage detecting means and with a resistance detecting unit for generating voltage by quotient of successively applying two different voltages, the second voltage being increased from the first one and causing two different currents Current difference to determine a machine connection resistance value.
  • the invention is based on the recognition that in an electrical machine immediately after starting the temperature in contact areas will still be equal to the ambient temperature; An increase in the resistance will tend to be negligible or barely detectable in this starting phase. However, as the current through contact increases, perhaps as a result of a corresponding machine load, the resistance will also increase. Now, if a connection or contact point is faulty, the resistance will rise faster here than in contacts. Such a failure is also referred to as a Hot Contact Point (HCP), and the detection of such HCP faults enables it to respond quickly and avoid impacts and failure.
  • HCP Hot Contact Point
  • the present technique is thus based on the measurement of current responses to voltage levels generated by the inverter.
  • An advantage here is that usually in a converter circuit already standard current sensors are provided so that in this regard no additional components (hardware) are required.
  • the set by the inverter to ⁇ respective voltage from the activation of the converter here is known, and then when the resulting current is measured, the resistance in accordance with the Ohm can see 'law to be calculated.
  • the scale from one drive to the electric Ma ⁇ machine voltage is affected by a non-ideal behavior of the converter, and it would actually be necessary, in addition, the output voltages of the inverter to capture with its own voltage sensors.
  • the output voltage of the converter is generated by the switching thereof according to the known pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the measurements are preferably carried out before each commissioning of the machine; in principle, be signed ⁇ resistance determination can also be in operation, but only in specific operating phases, namely when the machine will be carried out.
  • the present technology is particularly advantageous in multi- ⁇ -phase machines, in particular three-phase machines, to apply, in which case the measurements and resistivity determinations and comparisons are performed individually for each phase.
  • the resistance values obtained for the individual phases are then evaluated not only isolated for each phase in isolation, but also advantageously compared with one another with regard to any asymmetrical increase in resistance.
  • the (three) current sensors already present in the individual phases are preferably used directly for the current measurement; However, it is also conceivable to use only two phase current sensors, in combination with a current sum detection, to determine the individual, three phase currents and, subsequently, the three phase resistances. teln.
  • a complex pointer can also be formed directly by measuring all the sensors (or at least two sensors), ie.
  • three complex pointers are obtained for the phase values of the resistors.
  • the directions of the three hands can also be different from the phase directions (0 °, 120 °, 240 °) in an asymmetric arrangement.
  • a vector transformation unit which is adapted to the respective phases of resistors in a link form to transformie ⁇ ren.
  • phase-related resistance pointer can then be spatially added, to which a suitable Addi ⁇ tion unit with the vector transformation unit can be connected, and then resulting single vector - which is ideally zero - can then as an error Indicator are used.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a system with Um ⁇ judge and electrical machine (induction machine), and with a control (regulation) and measuring system.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a device for detecting contact failures in a system approximately according to FIG. 1;
  • Fig. 4 is a corresponding illustration of a fault indicator in a complex plane, in the case of a contact failure in a single phase;
  • Fig. 5 in part charts A, B and C, the profile of the temperature (Fig. 5A) and the course of a phase current (Fig. 5B), in each case for the case of a properly functioning Ma ⁇ machine in solid line and in the case a contact error, dashed line; and - in Figure 5C - the course of the current difference at a contact error, each for the duration of a measurement interval.
  • FIG. 6 is a graph showing the magnitude of an error indicator, in a first section without filtering and in a second section with low-pass filtering;
  • Fig. 8 in a corresponding to Fig. 7 graph, the magnitude of the fault indicator (in arbitrary units) over time, with a dotted line in the event of a properly func ⁇ alternating system (in solid line in case of contact failure HCP error), and dashed line in the case of an earlier on a test connector deliberately for the particular phase increased resistance value.
  • Fig. 1 is generally an engine plant 1 with a three ⁇ polyphase induction machine 2 (hereinafter referred to briefly machine 2 be ⁇ records), with three only schematically illustrated windings 3 for phases U, V and W are illustrated.
  • the machine 2 is fed by a converter 4, the corresponding phase voltages Vu, V v and V w with appropriate control by a control unit 5, which is part of a control (control) and measuring system 6 outputs.
  • the control takes place, ie the Switch, the inverter 4 by means of PWM.
  • phase currents iu, i v and i w are provided übli ⁇ cher manner.
  • a regulation for example for regulating the power or the current consumption of the machine 2 can also be carried out with the aid of the system 6 instead of a mere activation of the converter 4.
  • a first clamping ⁇ voltage Vi of the converter 4 leads to a first current ii and a two ⁇ te, higher voltage V 2 to a current i. 2
  • FIG. 1 the resistance measurement according to FIG. 1 will now be described with a measuring arrangement 7 belonging to the control and measuring system 6, which is to be explained in more detail below with reference to FIG. 2 and which is connected to the current sensors Su, S v and S w above principle for all three phases U, V and W.
  • a voltage in the phase U is applied to the machine 2, and the current response is measured using the sensor Su.
  • the sensor Su In principle, all three current sensors S can also be used for the current measurement in order to reduce measurement tolerances in the individual sensors S.
  • a second, higher voltage vector is applied in the same phase direction, and the current is detected again.
  • FIG. 2 illustrates in more detail, schematically showing the U-phase, the Ge ⁇ nertechnik the voltage phasor at V ux and V u2 by appropriate control of the inverter 4 and generally detection means 5 'for the predetermined drive voltages is shown and are.
  • the voltage pointers are thus those as they are generated by the on ⁇ control of the inverter 4 as target voltages.
  • the corresponding currents in and i u2 are measured with the aid of the measuring arrangement 7.
  • the power obtained ⁇ values are filtered in subsequent low pass filters 8 in, iu 2 and thereafter supplied to a resistance detection unit 9U, where the aforementioned difference and quotient formation takes place to obtain, as output value, the resistance r u in the phase U.
  • a spatial addition of the resistance pointers r n , r v and r w is carried out with the aid of an addition unit 11, wherein in the ideal case, if all the line and con ⁇ tact resistors in the system 1 are the same, so the phases are symmetrical in this regard, according to this addition, a zero vector is obtained.
  • This zero vector thus indicates a proper state of the system 1, independent of symmetrical changes in resistance, for example as a result of temperature changes in the stator windings.
  • connection module 13 wherein the phase resistances r u , r v and r w are represented symbolically in a summarized manner.
  • connection or connection module 13 has actually been implemented, and for the W phase of the connection or contact resistance ⁇ stand r was changed w, will be explained in more detail below, so a contact failure (by way of example for all stages) in the phase W to simulate.
  • the control or (control) and measuring system 6 has been realized with egg ⁇ NEM computer system in MATLAB / Simulink
  • connection module 13 copper conductors with the same electrical resistance were initially attached to the realization of phase resistors r u , r v and r w
  • This measurement can be used as the reference, serving as the initial value for ord ⁇ voltage according functioning plant.
  • this first measurement was performed with a small amplitude of the voltage phasors, wherein the second voltage V 2 was exemplarily four times as large as the first voltage Vi.
  • the copper compound for phase W in terminal module 13 was then exchanged for a compound with a higher resistance value, namely 18 mu m, which means an increase in the resistance value in phase W of about 60%.
  • the error indicator 12 'in this case was correspondingly shifted in the complex plane in the direction of the W phase, s. Fig. 4 (in Fig. 4, the individual resistance pointers were not illustrated in detail for the sake of simplicity, but only the individual phase directions U, V and W).
  • the shift of the error indicator 12 from the zero point, error indicator 12, to the third quadrant point 12 'clearly indicates an increased resistance in the phase W.
  • this error resulted from the replacement of the original copper interconnecting line with a higher resistance line in phase W, at comparatively low voltages, and with a measuring time of 5 s.
  • the copper conductor in the connection module 13 in phase W was replaced by a tin strip connection.
  • the temperature of this "tin bridge" 13 w with the variable phase resistance r w was measured by means of a temperature sensor. See also the temperature measuring unit 14 schematically illustrated in Fig. 1.
  • the tin bridge in phase W had an ohmic resistance at ambient temperature equal to one of the copper conductors in the other phases, ie 10.8 mu.
  • the measurement duration ie the step voltage, after switching from the voltage Vi, the first voltage, to the second voltage V 2 in each phase U, V and W, was 120 s by way of example.
  • FIG. 5C illustrates the difference of the currents, Ai w , for the case of the contact fault simulated in the phase W (tin bridge in the connection module 13), wherein it can be seen that the magnitude of this current difference A i w during the measurement interval is relative strong increase; this also explains the large shift of the error indicator 12 'in Fig. 4 compared to the zero error indicator 12 in this diagram.
  • a voltage step duration of 30 s was provided, and the current measurement was carried out within this measurement period in each case with a sampling frequency of 5 kHz.
  • a low-pass filter has generally been used, as also illustrated in Fig. 2 with the filters 8 in the measuring arrangement.
  • a software solution ie a digital filter that performed a running averaging, was implemented here, specifically a 2FIR filter (Finite Impulse Response - non-recursive filter) with a window length of 1000 was used.
  • the result of this Fil ⁇ esterification can be seen from Fig. 6, in which the amount of the error indicator is recorded over time, initially the amount is illustrated without filtering, and the filter was switched 8 at the time Ti, wherein then a more or less constant mean.
  • Fig. 7 in a 3D representation of the error indicator on the complex plane is (where arbitrary units WUR basis ⁇ ) and illustrated as a function of time, namely on the one hand, at 12, for a properly working system, and at 12 'in the case of a "contact error", namely the Case where the resistor 13W has been replaced by a tin strip instead of a copper wire with the same resistance as in the other phases U and V (see Fig. 1).
  • the height in the time axis T corresponds approximately to the pulse duration of 30 s.
  • the two error indicators 12, 12 ' are illustrated on the one hand in the complex base plane comparable to the diagrams of FIGS. 3 and 4 and the progression in time is shown at 12 and 12', respectively. It is an essential deviate ⁇ deviation from the zero error indicator 12 for the case of HCP error recognizable. It can also be seen here that the deviation is approximately in the direction of the phase W.
  • Fig. 1 nor an output unit 20 such as a display, shown, or that is connected to the measuring device 7 on the one hand and with the temperature measuring unit 14 on the other hand to corresponding displays in ⁇ play, in diagram form as in Fig. 3, 4 or 5 to 8 can be shown.
  • the described Tech ⁇ nik also for single-phase machines is applicable in principle, whereby then, of course, eliminate the pointer representation can and a simple, linear resistance determination, with application of the rising voltages as described results. In this case, a resistance value r is therefore used as the basis for the determination of a possible contact error in the system.
  • a particular advantage is that the technique described can be realized without additional Druckungskompo ⁇ components would be required (the temperature sensors described were used primarily for testing purposes, but are not really necessary in practice) - a particularly favorable realization lies in a corresponding configuration or programming of a computer module ( ⁇ , ⁇ ), which is already provided for the inverter control.

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Abstract

Zum Erkennen von Kontaktfehlern an einer elektrischen Maschine (2), die von einem Umrichter (4) gespeist wird, werden mit Hilfe des Umrichters (4) zeitlich aufeinander folgend eine erste (V1) und (eine) zweite, gegenüber der ersten erhöhte Spannung (V2) angelegt sowie die dadurch bewirkten zugehörigen Maschinen-Ströme (i1, i2) gemessen, und aus dem Quotienten der Differenz (Δν) der beiden Spannungen durch die Differenz (Δi) der beiden Ströme wird ein Wert für den Widerstand (r) ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Kontaktfehlem an ei¬ ner elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet von umrichtergespeisten elektrischen Maschinen und dabei mehr im einzelnen ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erkennen von Kontaktfehlern an einer von einem Umrichter gespeisten elektrischen Maschine .
Zwischen einer elektrischen Maschine und dem sie ansteuernden Umrichter befinden sich in der Regel Leiter, Anschlussklemmen, Schalter, Sicherungen, Unterbrecher und dergl . Elemente. Dabei liegen üblicherweise zahlreiche Metall-Metall-Kontakte vor, die einen mehr oder weniger großen elektrischen Widerstand mit sich bringen können. Hierbei ist zu beachten, dass bei derartigen Kontakten die Kontaktflächen nicht eben und kontinuierlich sind, sondern uneben. Demgemäß bilden nur kleine Flächenbereiche die tatsächliche Kontaktfläche . Weiters liegen bei üblichen Metall- Kontakten, z.B. Aluminium, Kupfer oder Messing, nichtleitende Oxidfilme vor, und ein guter elektrischer Kontakt kann nur dort erhalten werden, wo durch einen hohen Kontaktdruck der Oxidfilm unterbrochen wird.
Wenn nun derartige elektrische Kontakte vergleichsweise hohen Strömen ausgesetzt werden, wie dies bei elektrischen Maschinen, die in der Industrie und für Antriebssysteme verwendet werden (vgl. z.B. US 2010/0060289 AI), üblich ist, so führen diese Ströme in den Metall-Metall-Kontaktbereichen zu einem Temperaturanstieg, der zu Abbauprozessen und zu einem Anwachsen von Oxidfilmen führt. Insbesondere führen Ströme bei Überlast oder Kurzschluss zu einer hohen Übertemperatur und in der Folge zu einer wesentlichen Widerstandserhöhung.
Andererseits können sich bei Lastwechseln verschiedene mechanische Drücke oder Kräfte im Bereich der Kontaktteile, wie Bolzen und Klemmen, ergeben, wobei Wärmedehnungen von verschiedenen Materialien problematisch sind. Wenn beispielsweise eines der Kontaktmaterialien einen doppelt so hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, verglichen mit dem anderen am Kontakt beteiligten Material, erhöht sich der Druck nach dem Er- hitzen des Verbindungsbereichs auf das Doppelte. Dies führt zu Deformationen der Kontaktteile und möglicherweise zu Rissen.
Schließlich sind auch noch Umgebungseinwirkungen in rauen Betriebsumgebungen zu berücksichtigen, wie etwa Feuchtigkeit, Staub, Verschmutzungen, Änderungen in der Umgebungstemperatur, Vibrationen, äußere mechanische Kräfte und dergl . , was zu einer vergleichsweise hohen Abnutzung und Korrosion von Kontaktteilen führen kann.
Ein anwachsender Widerstand im Bereich eines Kontaktes ergibt einen reduzierten Wirkungsgrad der Verbindungsteile und somit des gesamten Systems. Zu beachten ist hier weiters, dass der Grad an Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen nicht geringer sein sollte als jener des Umrichters und der Maschine. Untersuchungen haben gezeigt (vgl. R.S. Colby, „Detection of high-resistance motor connections using symmetrical component analysis and neural networks"), dass Verbindungen mit hohem Wi¬ derstand mit zu den Hauptgründen für den Ausfall von elektrischen Systemen zählen. Dabei sind nicht nur die hohen
Widerstände selbst problematisch, sondern auch die nachfolgende Ausfälle oder Störungen. Beispielsweise führt ein erhöhter Widerstand in einer Phase einer Mehrphasen-Maschine zu einer Span nungsasymmetrie in der Statorwicklung und schließlich zu
Defekten in der Statorwicklung, wobei dies zu den häufigsten Ausfallgründen zählt.
Es wurden demgemäß bereits Untersuchungen durchgeführt, um elek frische Verbindungen mit hohem Widerstand zu ermitteln, wobei sich diese Untersuchungen in der Regel allerdings mit netzge¬ speisten Maschinen befassten. Diese Untersuchungsergebnisse las sen sich aber praktisch nicht auf umrichtergespeiste Maschinen übertragen. Allerdings ist im Artikel Sang Bin Lee et al . , „A New Strategy for Condition Monitoring of Adjustable Speed Induc tion Machine Drive Systems", IEEE Transactions on Power Electro nies, Vol. 26, No . 2, February 2011, eine Vorgangsweise
beschrieben, bei der der Umrichter während eines Stillstands de Maschine zur Erfassung eines Widerstands-Ungleichgewichts heran gezogen wird, wobei die Phasenwiderstände von Spannungsmessunge ermittelt werden. Es sind - wie in der Regel - zusätzliche Sen- soren, wie Spannungssensoren, notwendig, die die Kosten erhöhen. Außerdem beschränkten sich die bekannten Untersuchungen in der Regel auf das Feststellen von bereits aufgetretenen Fehlern im elektrischen Schaltkreis, wogegen es wünschenswert wäre, begin¬ nende Fehler sicher und rasch festzustellen, etwa um gravierendere Maschinenschäden zu vermeiden.
Wünschenswert wäre daher eine Technik zur Überwachung von elektrischen Maschinen, nämlich umrichtergespeisten Maschinen, ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand und mit der Möglichkeit, begin¬ nende Widerstandserhöhungen in Kontaktbereichen - auch ohne die hier üblichen visuellen Untersuchungen und händischen Widerstandsmessungen - zu erfassen. Dabei ist etwa bei Maschinen in Antriebssystemen in der Regel ein Zugang zu Verbindungen von Kontakten nicht ohne Weiteres möglich. Andererseits soll jedoch die Überwachungstechnik ohne Demontagen auskommen können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Erkennen von Kontaktfehlem an umrichtergespeisten elektrischen Maschinen vorzuschlagen, wobei bereits beginnende Kontaktfehler zuverlässig festgestellt werden können sollen, und wobei ein besonderer apparativer Aufwand vermieden werden soll.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, auch im Fall von Mehrphasen-Maschinen, insbesondere Dreiphasen-Maschinen, derartige Kontaktfehler frühzeitig zu erkennen, insbesondere wenn sie auch nur in einer Phase vorliegen und sie der jeweiligen Phase zuordnen zu können, wobei in der Folge Asymmetrien in den Phasenspannungen an den Statorwicklungen reduziert bzw. vermieden werden können sollen, um so einen Maschinenausfall zur Folge einer fehlerhaften Statorwicklung möglichst zu verhindern.
Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen von Kontaktfehlern an einer elektrischen Maschinen vor, die von einem Umrichter gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Umrichters zeitlich aufeinander folgend eine erste und eine zweite, gegenüber der ersten erhöhte Spannung angelegt sowie die dadurch bewirkten zugehörigen Maschinen-Ströme gemessen werden, und aus dem Quotienten der Differenz der beiden Spannungen durch die Differenz der beiden Ströme ein Wert für den Widerstand er- mittelt wird.
Weiters ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Erkennen von Kontaktfehlem an einer von einem Umrichter gespeisten elektrischen Maschine, mit zumindest einem Stromsensor zur Erfassung eines bei Anlegen einer Spannung an die Maschine durch den Umrichter bewirkten Maschinen-Stroms, gekennzeichnet durch eine mit dem Stromsensor verbundene Messanordnung mit Erfassungsmitteln für die Umrichter-Spannung und mit einer Wider- stands-Ermittlungseinheit , um bei einem aufeinanderfolgenden Anlegen von zwei verschiedenen Spannungen, wobei die zweite Spannung gegenüber der ersten erhöht ist, und wobei zwei verschiedene Ströme bewirkt werden, durch Quotientenbildung von Spannungs- durch Stromdifferenz einen Maschinenanschluss-Wider- standswert zu ermitteln.
Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass bei einer elektrischen Maschine unmittelbar nach dem Starten die Temperatur in Kontaktbereichen noch gleich der Umgebungstemperatur sein wird; ein Anstieg des Widerstands wird in dieser Startphase eher vernachlässigbar bzw. kaum detektierbar sein. Wenn jedoch der Strom durch einen Kontakt, etwa zur Folge einer entsprechenden Maschinenlast, steigt, wird auch der Widerstand sich erhöhen. Wenn nun eine Verbindungs- bzw. Kontaktstelle fehlerhaft ist, wird hier der Widerstand rascher ansteigen als in Kontakten. Ein derartiger Störungsfall wird auch als heißer Kontaktpunkt (HCP - Hot Contact Point) bezeichnet, und die Ermittlung von derartigen HCP-Fehlern ermöglicht es, rasch zu reagieren und Auswirkungen bis hin zu einem Ausfall zu vermeiden.
Die vorliegende Technik basiert demgemäß auf der Messung von Strom-Antworten auf Spannungsstufen, die vom Umrichter erzeugt werden. Ein Vorteil dabei ist auch, dass üblicherweise in einem Umrichterkreis bereits standardmäßig Stromsensoren vorgesehen sind, sodass diesbezüglich keine zusätzlichen Komponenten (Hardware) erforderlich sind. Andererseits ist die vom Umrichter an¬ gelegte jeweilige Spannung von der Ansteuerung des Umrichters her bekannt, und wenn dann der sich ergebende Strom gemessen wird, kann der Widerstand gemäß dem Ohm' sehen Gesetz berechnet werden . Allerdings wird die von einem Umrichter an die elektrische Ma¬ schine angelegte Spannung durch ein nicht-ideales Verhalten des Umrichters beeinträchtigt, und es wäre eigentlich notwendig, die Ausgangsspannungen des Umrichters zusätzlich, mit eigenen Spannungssensoren, zu erfassen. Dies würde jedoch zu erhöhten Kosten führen, da an sich Spannungssensoren für die Steuerung bzw. Regelung der Maschinensysteme nicht erforderlich sind und daher auch in der Regel nicht vorhanden sind bzw. nicht eingesetzt werden .
Üblicherweise wird die Ausgangsspannung des Umrichters durch dessen Schalten gemäß der an sich bekannten Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Abgesehen von den dabei erhaltenen diskreten Pulsen ergeben sich dabei weitere, inhärente Erscheinungen, wie Spannungsabfälle, Flanken in den Übergängen der Ausgangsspannung, Aus- und EinschaltZeiten sowie Totzeiten des Umrichters. Alle diese Erscheinungen beeinflussen die Widerstandsermittlung oder -abschätzung zur Folge der Verzerrung der Umrichter-Ausgangsspannung. Diese Effekte sollten daher eliminiert oder zumindest reduziert werden, ohne eine eigene Spannungsmessung zu erfordern, um eine möglichst genau Widerstandsermittlung zu erreichen .
Dies gelingt bei der vorliegenden Technik durch die vorerwähnte Quotientenbildung Spannungsdifferenz durch Stromdifferenz, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird, wobei die vorer¬ wähnten Effekte zur Folge der nicht-exakten Ausgangsspannung des Umrichters zumindest wesentlich reduziert werden. Eine eigene Spannungsmessung kann sich dabei erübrigen.
Im Prinzip ist es denkbar, die zweite, höhere Spannung relativ lange an die Maschine anzulegen, sodass sich durch den erhöhten Stromfluss eine entsprechende Erwärmung und damit Beeinflussung des Widerstands im Anschlussbereich der elektrischen Maschine ergibt. Der dann ermittelte Widerstand könnte mit einem vorgege¬ benen bzw. bei Beginn der Verwendung der Maschine gemessenem, gespeicherten Widerstandswert verglichen werden, um so einen etwaigen Anstieg des Widerstands feststellen zu können. Eine be¬ sonders einfache und elegante Lösung ergibt sich jedoch, wenn die Widerstandsermittlung zumindest einmal wiederholt wird und die erhaltenen Widerstands-Werte verglichen werden. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn die angelegten Spannungen erhöht wer¬ den, bis allgemein ein Nennstrom in der Maschine fließt. Sollte sich bei diesen Wiederholungen ein anormaler, übermäßiger Temperaturanstieg an irgendeiner Verbindungsstelle im Bereich der Spannungszuführung zur Maschine ergeben, würde der damit verbundene erhöhte Widerstand sicher erfasst und angezeigt werden kön¬ nen .
Tests haben hier gezeigt, dass es für eine verlässliche Untersu¬ chung auf etwaige Kontaktfehler ausreichend ist, wenn die Mes¬ sungen während einer Messdauer von z.B. 120s vorzugsweise kontinuierlich oder aber Sekunden-weise wiederholt werden.
Die Messungen werden dabei bevorzugt vor einer jeweiligen Inbetriebnahme der Maschine durchgeführt; im Prinzip kann die be¬ schriebene Widerstandsermittlung auch im Betrieb, allerdings nur in speziellen Betriebsphasen, nämlich bei stillstehender Maschine, durchgeführt werden.
Demgemäß ist es von besonderem Vorteil, wenn die Messungen und Widerstandsermittlungen bei unbelasteter, stillstehender Maschine durchgeführt werden.
Die vorliegende Technologie ist besonders vorteilhaft bei Mehr¬ phasen-Maschinen, insbesondere Dreiphasen-Maschinen, anzuwenden, wobei dann die Messungen und Widerstandsermittlungen sowie -vergleiche für jede Phase einzeln durchgeführt werden. Die für die einzelnen Phasen erhaltenen Widerstands-Werte werden dann nicht nur für jede Phase isoliert ausgewertet, sondern zweckmäßig auch im Hinblick auf eine etwaige asymmetrische Widerstandserhöhung miteinander verglichen.
Bei diesen Widerstands-Ermittlungen werden bevorzugt die in den einzelnen Phasen bereits vorhandenen (drei) Stromsensoren direkt zur Strommessung herangezogen; es ist aber auch denkbar, nur zwei Phasen-Stromsensoren zu verwenden, und zwar in Kombination mit einer Stromsummen-Erfassung, um die einzelnen, drei Phasenströme und in der Folge die drei Phasen-Widerstände zu ermit- teln .
Insbesondere kann hier eine besonders einfache Vorgangsweise bei der Fehlerermittlung erzielt werden, wenn die jeweiligen Phasen- Widerstände in eine Zeigerform, in einer komplexen Ebene, transformiert werden.
Alternativ kann auch direkt durch Messung aller Sensoren (bzw. von mindestens zwei Sensoren) jeweils ein komplexer Zeiger gebildet werden, d.h. es werden somit drei komplexe Zeiger für die Phasenwerte der Widerstände erhalten. Die Richtungen der drei Zeiger können - bei asymmetrischer Anordnung - auch verschieden von den Phasenrichtungen (0°, 120°, 240°) sein.
In apparativer Hinsicht weist die Messanordnung vorzugsweise eine Vektortransformationseinheit auf, die eingerichtet ist, die jeweiligen Phasen-Widerstände in eine Zeigerform zu transformie¬ ren .
In der Folge können dann die erhaltenen, Phasen-bezogenen Widerstands-Zeiger räumlich addiert werden, wozu eine geeignete Addi¬ tionseinheit mit der Vektortransformationseinheit verbunden werden kann, und der sich dann ergebende Einzel-Vektor - der im Idealfall Null ist - kann dann als Fehler-Indikator herangezogen werden .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläu¬ tert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anlage mit Um¬ richter und elektrischer Maschine (Induktionsmaschine), und mit einem Steuerungs- (Regelungs-) sowie Messsystem;
Fig. 2 in einer Art Schaltbild eine Vorrichtung zur Erkennung von Kontaktfehlem bei einem System etwa gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 Phasen-bezogene Widerstandswerte und einen Fehler-Indika- tor in einer komplexen Ebene, und zwar für eine ordnungsgemäß funktionierende Maschine;
Fig. 4 eine entsprechende Darstellung eines Fehler-Indikators in einer komplexen Ebene, und zwar für den Fall eines Kontaktfehlers in einer einzelnen Phase;
Fig. 5 in Teildiagrammen A, B und C, den Verlauf der Temperatur (Fig. 5A) und den Verlauf eines Phasenstroms (Fig. 5B) , und zwar jeweils für den Fall einer ordnungsgemäß funktionierenden Ma¬ schine in ausgezogener Linie und für den Fall eines Kontaktfehlers, mit gestrichelter Linie; sowie - in Fig. 5C - den Verlauf der Stromdifferenz bei einem Kontaktfehler, jeweils für die Dauer eines Messintervalls;
Fig. 6 in einem Diagramm den Verlauf der Größe eines Fehler-Indikators, und zwar in einem ersten Abschnitt ohne Filterung und in einem zweiten Abschnitt mit Tiefpassfilterung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines komplexen Fehler-Indikators abhängig von der Zeit, und zwar einerseits für eine ordnungsgemäß funktionierende Anlage und andererseits für den Fall eines HCP-Fehlers; und
Fig. 8 in einem zu Fig. 7 gehörigen Diagramm die Größe des Fehler-Indikators (in beliebigen Einheiten) über der Zeit, und zwar mit punktierter Linie für den Fall eine ordnungsgemäß funktio¬ nierenden Systems, mit ausgezogener Linie für den Fall eines Kontaktfehlers (HCP-Fehler) , und mit strichlierter Linie für den Fall eines bereits früher an einem Test-Anschlussteil bewusst für die betreffende Phase besonders erhöhten Widerstandswertes.
In Fig. 1 ist allgemein eine Maschinenanlage 1 mit einer Drei¬ phasen-Induktionsmaschine 2 (nachstehend kurz Maschine 2 be¬ zeichnet) , mit drei nur schematisch veranschaulichten Wicklungen 3 für Phasen U, V und W veranschaulicht. Die Maschine 2 wird von einem Umrichter 4 gespeist, der entsprechende Phasenspannungen Vu , Vv und Vw bei entsprechender Ansteuerung durch eine Steuereinheit 5, die Teil eines Steuer- (Regel-) und Messsystems 6 ist, abgibt. Üblicherweise erfolgt dabei die Ansteuerung, d.h. das Schalten, des Umrichters 4 mittels PWM.
Zwischen dem Umrichter 4 und der Maschine 2 sind Stromsensoren Su, Sv und Sw zur Messung der Phasenströme iu , iv und iw in übli¬ cher Weise vorgesehen. Über diese Erfassung der Phasenströme iu, iv und iw kann auch anstatt einer bloßen Ansteuerung des Umrichters 4 eine Regelung, beispielsweise zur Regelung der Leistung oder der Stromaufnahme der Maschine 2, mit Hilfe des Systems 6 durchgeführt werden.
Soweit bisher beschrieben ist die Maschinenanlage 1 an sich her¬ kömmlich, sodass keine weiteren Erläuterungen hierzu erforderlich sind.
Wie bereits erwähnt können sich aufgrund der verschiedensten Ursachen einschließlich Schaltvorgängen und insbesondere Umrichter-Totzeiten Unregelmäßigkeiten in der Spannungs- und damit Stromversorgung ergeben. Die tatsächlich an die Wicklungen 3 der Maschine 2 angelegten Spannungen V sind daher nicht unbedingt gleichbleibende, symmetrische Ausgangsspannungen des Umrichters 4. Wenn daher eine einfache Widerstandsmessung durchgeführt würde, um so in der Verbindung zwischen Umrichter 4 und Maschine 2 etwaige Erhöhungen von Widerständen feststellen zu können, so wäre es notwendig, entsprechende Spannungssensoren zusätzlich an der Maschine 2 vorzusehen. Eine derartige Widerstandsmessung wäre durchzuführen, um etwaige Erhöhungen von Kontaktwiderständen, allgemein Kontaktfehler, in den Zuleitungen zu den Wicklungen 3 der Maschine 2 festzustellen, wobei hier die
verschiedensten Elemente, wie Anschlusskontakte, Sicherungen, Unterbrecher, Leitungen usw., gegeben sind. Um diese Phänomene zu eliminieren oder zumindest weitestgehend auszuschalten, ist nun eine mehrfache Strommessung vorgesehen, die mit den entsprechenden Ansteuerungs-Spannungen V des Umrichters 4 in Verbindung gesetzt wird, um eine Widerstandsermittlung durchzuführen.
Im Einzelnen werden im gezeigten Beispiel Spannungszeiger mit derselben Richtung, jedoch mit unterschiedlicher Größe vom Umrichter 4 angelegt. Die Messung wird dabei bevorzugt bei still¬ stehender Maschine, ohne Last und ohne Fluss, durchgeführt. Da nur der Widerstandswert ermittelt wird und nur stationäre End- werte in Betracht gezogen werden, haben auch die resultierenden Ströme dieselbe Richtung. Ganz allgemein führt eine erste Span¬ nung Vi des Umrichters 4 zu einem ersten Strom ii und eine zwei¬ te, höhere Spannung V2 zu einem Strom i2. Die vorstehend
angeführten, die Widerstandsmessung ansonsten beeinträchtigenden Effekte können nun dadurch eliminiert werden, dass die Differenzen Δν = V2 - Vi und Δ± = i2 - ii gebildet werden. Hieraus kann dann der Widerstand R = Δν/Δ± berechnet werden.
Eine solche Widerstandswert-Ermittlung wird nun im vorliegenden Beispiel für jede Phase U, V und W durchgeführt, sodass alle Phasen-Widerstände nicht nur für sich verglichen sondern auch miteinander kombiniert werden können. Auf diese Weise können symmetrische Einflüsse (Statorwiderstand) reduziert bzw. elimi¬ niert werden, und eine Darstellung der Phasensymmetrie wird er¬ halten .
Gemäß Fig. 1 wird nun mit einer zum Steuer- und Messsystem 6 gehörenden Messanordnung 7, die nachfolgend noch näher anhand der Fig. 2 erläutert werden soll, und die mit den Stromsensoren Su, Sv und Sw verbunden ist, die Widerstandsmessung nach dem vorstehend bestimmten Prinzip für alle drei Phasen U, V und W durchgeführt .
Als erstes wird beispielsweise eine Spannung in der Phase U an die Maschine 2 angelegt, und die Stromantwort wird mithilfe des Sensors Su gemessen. (An sich können auch alle drei Stromsensoren S für die Strommessung herangezogen werden, um Messtoleranzen bei den einzelnen Sensoren S zu reduzieren.) Sodann wird ein zweiter, höherer Spannungszeiger in derselben Phasenrichtung angelegt, und der Strom wird neuerlich erfasst. Dies ist in Fig. 2 näher veranschaulicht, wobei schematisch für die Phase U die Ge¬ nerierung der Spannungszeiger bei Vux und Vu2 durch entsprechende Ansteuerung des Umrichters 4 bzw. allgemein Erfassungsmittel 5' für die die vorgegebenen Umrichter-Spannungen gezeigt ist bzw. sind. Die Spannungszeiger sind somit jene, wie sie durch die An¬ steuerung des Umrichters 4 als Soll-Spannungen generiert werden. In entsprechender Weise werden mithilfe der Messanordnung 7 die entsprechenden Ströme im und iu2 gemessen. Die erhaltenen Strom¬ werte im , iu2 werden in nachfolgenden Tiefpassfiltern 8 gefiltert und danach einer Widerstandsermittlungseinheit 9U zugeführt, wo die vorgenannte Differenz- und Quotientenbildung erfolgt, um als Ausgangswert den Widerstand ru in der Phase U zu erhalten.
Ganz analog wird für die Phasen V und W vorgegangen, um so über Widerstandsermittlungseinheiten 9V und 9W (allgemein „9") die Widerstandswerte rv und rw zu erhalten. Diese Werte werden nach¬ folgend auch „Widerstandszeiger" genannt, und sie sind für die jeweiligen Phasen-Widerstandswerte repräsentativ, aber nicht mit anderen Zeigergrößen, wie Spannung, Strom oder Fluss, vergleichbar .
In einer Vektortransformationseinheit 10 werden sodann diese Wi¬ derstandswerte Tu, rv und rw von einer skalaren Größe zu einer Vektorgröße mit der entsprechenden Amplitude, gemäß dem ermit¬ telten Wert, und mit einer entsprechenden Phasenrichtung als Winkelposition gemäß folgenden Beziehungen ermittelt: ru = ru · e3°
gj2n/3
rv = rv ·
2Lw = rw eJ4n/3
Denkbar ist es aber auch, bereits bei der Bestimmung der einzel- nen Phasenwerte der Widerstände ru, rv, rw unmittelbar auf komple- xe Vektorgrößen überzugehen.
In einem nachfolgenden Schritt wird mithilfe einer Additionseinheit 11 eine räumliche Addition der Widerstandszeiger rn, rv und rw durchgeführt, wobei im Idealfall, wenn alle Leitungs- und Kon¬ taktwiderstände in der Anlage 1 gleich sind, also die Phasen diesbezüglich symmetrisch sind, zufolge dieser Addition ein Null-Vektor erhalten wird. Dieser Null-Vektor zeigt somit einen ordnungsgemäßen Zustand der Anlage 1, unabhängig von symmetrischen Widerstandsänderungen etwa zur Folge Temperaturänderungen in den Statorwicklungen, an.
Dieser Zustand ist in Fig. 3 schematisch veranschaulicht, wobei bei U, V und W die Endpunkte der Widerstands-Zeiger in einer komplexen Ebene mit Realteil („real") und Imaginärteil („imag") veranschaulicht sind. Im Nullpunkt befindet sich in diesem Sym- metrie-Fall, dem idealen, fehlerlosen Fall, der "Fehlen-Indika¬ tor, der hier gleich Null ist. Dieser Fehler-Indikator wird hier allgemein mit 12 bezeichnet.
In Fig. 1 ist nun weiters allgemein bei 13 ein Verbindungsmodul gezeigt, wobei die Phasen-Widerstände ru, rv und rw symbolisch zu- sammengefasst dargestellt sind. In einem Test wurde tatsächlich ein derartiges Verbindungs- oder Anschlussmodul 13 realisiert, und für die Phase W wurde der Verbindungs- oder Kontaktwider¬ stand rw verändert, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird, um so einen Kontakt fehler (beispielhaft für alle Phasen) in der Phase W zu simulieren.
Im Einzelnen wurde auf einem Labor-Prüfstand eine 280 V-ll kW- Käfigrotor-Induktionsmaschine 2 mit einem Inverter 4 instal¬ liert. Das Steuer- bzw. (Regel-) und Messsystem 6 wurde mit ei¬ nem Rechnersystem realisiert, das unter MATLAB/Simulink
programmierbar war. Im Verbindungsmodul 13 waren zur Realisierung von Phasen-Widerständen ru, rv und rw zunächst Kupfer-Leitungen mit gleichem elektrischen Widerstand angebracht zur
Simulierung von Kontakten 13v, 13n und 13w, wobei im Anschluss daran die wie vorstehend beschriebenen Widerstands-Ermittlungen und -Auswertungen einen Fehler-Indikator = 0 wie im Diagramm gemäß Fig. 3 gezeigt ergaben. Der Widerstand der Kupferleitungen bzw. der Zuleitung von Umrichter 4 zu Maschinenwicklungen 3 betrug dabei in allen drei Phasen beispielhaft 10,8 mü.
Diese Messung kann als Referenz, als Anfangswert für eine ord¬ nungsgemäß funktionierende Anlage, dienen.
Konkret wurde diese erste Messung bei einer geringen Amplitude der Spannungszeiger durchgeführt, wobei die zweite Spannung V2 beispielhaft viermal so groß wie die erste Spannung Vi war.
Es wurde dann die Kupferverbindung für die Phase W im Anschluss¬ modul 13 (Kontakt 13w) gegen eine Verbindung mit einem höheren Widerstandswert, nämlich 18 mü, getauscht, was eine Erhöhung des Widerstandswerts in der Phase W um ungefähr 60% bedeutet. Der Fehler-Indikator 12' ergab sich in diesem Fall in der komplexen Ebene entsprechend in der Richtung der W-Phase verschoben, s. Fig. 4 (in Fig. 4 wurden der Einfachheit halber die einzelnen Widerstands-Zeiger nicht näher veranschaulicht, sondern nur die einzelnen Phasenrichtungen U, V und W) . Die Verschiebung des Fehler-Indikators 12 vom Nullpunkt, Fehler-Indikator 12, zum im dritten Quadranten vorliegenden Punkt 12' deutet eindeutig auf einen erhöhten Widerstand in der Phase W hin. Dieser Fehler ergab sich wie erwähnt aufgrund des Austauschs der ursprünglichen Verbindungsleitung aus Kupfer durch eine Leitung mit dem höheren Widerstandswert in der Phase W, bei vergleichsweise geringen Spannungen, und bei einer Messdauer von 5 s.
In einem weiteren Test wurde der Kupferleiter im Verbindungsmodul 13 in der Phase W durch eine Zinnstreifen-Verbindung ersetzt. Zur Ermittlung der Widerstands/Temperatur-Beziehung wurde die Temperatur dieser „Zinnbrücke" 13w mit dem veränderlichen Phasenwiderstand rw (s. Fig. 1) mithilfe eines Temperaturfühlers gemessen. In entsprechender Weise wurden auch die Temperaturen der Wicklungen 3 der Maschine 2 gemessen; vgl. auch die in Fig. 1 schematisch veranschaulichte Temperaturmesseinheit 14. Die Zinnbrücke in der Phase W hatte bei Umgebungstemperatur einen Ohm' sehen Widerstand gleich enem der Kupferleiter in den anderen Phasen, also 10,8 mü.
Die Messdauer, d.h. die Stufenspannung, nach Umschaltung von der Spannung Vi , der ersten Spannung, auf die zweite Spannung V2 in jeder Phase U, V und W, betrug beispielhaft 120 s.
In den Diagrammen A, B und C der Fig. 5 sind nun beispielhaft Messergebnisse für eine derartige Fehlersimulation in der Phase W dargestellt. Im Diagramm gemäß Fig. 5A ist der Temperaturverlauf Tw veranschaulicht. Die Temperatur der „defekten" Kontakt¬ stelle 13W, mit der Zinnbrücke in der Phase W, stieg gemäß der strichlierten Linie in Fig. 5A von ungefähr Raumtemperatur auf über 300 °C an, wogegen sich die Temperatur Tu, v der „gesunden" Kontaktstellen 13U, 13V in den Phasen U und V kaum veränderte. Mit anderen Worten, der Temperaturanstieg in den Phasen U, V, s. die ausgezogene Linie TUf v in Fig. 5A, hatte einen wesentlich ge¬ ringeren Anstieg als der Temperaturverlauf Tw in der Phase W. In der Folge war im übrigen in diesem Test ein Anstieg der Wicklungstemperatur in der Phase W von 26°C auf 38°C festzustellen, wogegen die Wicklungstemperatur in den Phasen U und V von 26°C auf nur 33°C erfolgte.
Während des selben Messintervalls sank der Strom iw im Fall der "fehlerhaften Verbindung", d.h. des simulierten Kontakt fehlers zur Folge der Zinnbrücke, wesentlich stärker, s. die strichlier- te Linie iw' in Fig. 5B, im Verhältnis zur ausgezogenen Linie iw bei nicht-fehlerhafter Verbidnung, wobei die Stromkurven für die Ströme iu, iv ähnlich wie mit der ausgezogenen Linie in Fig. 5B gezeigt verliefen.
Zur zusätzlichen Veranschaulichung ist in Fig. 5C die Differenz der Ströme, Aiw, für den Fall des in der Phase W simulierten Kontaktfehlers (Zinnbrücke im Verbindungsmodul 13) veranschaulicht, wobei zu ersehen ist, dass der Betrag dieser Stromdifferenz Aiw während des Messintervalls relativ stark anstieg; dies erklärt auch die starke Verschiebung des Fehler-Indikators 12' in Fig. 4 im Vergleich zum Null-Fehlerindikator 12 in diesem Diagramm.
In einem weiteren Test wurde eine Spannungsstufendauer von jeweils 30 s vorgesehen, und die Strommessung erfolgte innerhalb dieser Messdauer jeweils mit einer Abtast frequenz von 5 kHz. Um das Signalrauschen zu unterdrücken, wurde allgemein ein Tiefpassfilter verwendet, wie dies auch in Fig. 2 mit den Filtern 8 in der Messanordnung veranschaulicht ist. Konkret wurde hier eine Softwarelösung, d.h. ein digitales Filter, das eine laufende Mittelung durchführte, implementiert, konkret ein 2FIR-Filter (FIR - Finite Impulse Response - nicht rekursives Filter) mit einer Fensterlänge von 1000 eingesetzt. Das Ergebnis dieser Fil¬ terung ist aus Fig. 6 zu ersehen, in der der Betrag des Fehlerindikators über der Zeit aufgezeichnet ist, wobei zunächst der Betrag ohne Filterung veranschaulicht ist, und das Filter 8 zum Zeitpunkt Ti eingeschaltet wurde, wobei sich dann ein mehr oder weniger konstanter Mittelwert ergab.
In Fig. 7 ist in einer 3D-Darstellung der Fehlerindikator über der komplexen Ebene (wo beliebige Einheiten zugrunde gelegt wur¬ den) und in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht, und zwar zum einen, bei 12, für eine ordnungsgemäß funktionierende Anlage und bei 12' für den Fall eines "Kontaktfehlers", nämlich den Fall, wo der Widerstand 13W durch einen Zinnstreifen anstatt eines Kupferdrahts mit gleichem Widerstand wie in den anderen Pha¬ sen U und V (s. Fig. 1) ersetzt wurde. Die Höhe in der Zeitachse T entspricht ungefähr der Pulsdauer von 30 s.
Im Einzelnen sind die beiden Fehler-Indikatoren 12, 12' einerseits in der komplexen Basis-Ebene vergleichbar den Diagrammen gemäß Fig. 3 und 4 veranschaulicht und der Verlauf in der Zeit ist bei 12 bzw. 12'gezeigt. Es ist dabei eine wesentliche Abwei¬ chung vom Null-Fehlerindikator 12 für den Fall des HCP-Fehlers erkennbar. Weiters ist hier auch erkennbar, dass die Abweichung ungefähr in Richtung der Phase W liegt.
Bei den Tests wurde sodann die Verbindung in der Phase W im Anschlussmodul 13 mit einem Kupferdraht mit einem vergleichsweise höheren Widerstand (52 mü) vorgenommen, was einer Erhöhung um ungefähr 480% im Vergleich zu den anderen Phasen U, V entspricht. In Fig. 8 ist nun die Größe des Fehler-Indikators in beliebigen Einheiten auf der Ordinate aufgetragen. Mit der punktiert gezeichneten Kurve 15 ist der Fall eines Null-Fehlerindi¬ kators 12 veranschaulicht; die mit durchgezogener Linie 16 veranschaulichte HCP-Situation zeigt, wie bei dem erhöhten Wi¬ derstand mit zunehmender Dauer der Messung der Fehlerindikator- Betrag steigt. Zur Vervollständigung ist schließlich noch in Fig. 8 mit einer strichliert gezeichneten Kurve 17 der Effekt des oben beschriebenen „Kontaktfehlers" gezeigt, wobei sich auf¬ grund dieses Kontaktfehlers keine Änderung mehr im Betrag des Fehlerindikators während der Messung ergibt.
Wenn die Erfindung vorstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert wurde, so sind doch selbstverständlich weitere Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung denkbar. So ist beispielsweise in Fig. 1 noch eine Ausgabeeinheit 20, etwa ein Display, gezeigt, die bzw. das mit der Messanordnung 7 einerseits und mit der Temperaturmesseinheit 14 andererseits verbunden ist, um entsprechende Anzeigen, bei¬ spielsweise in Diagrammform wie in den Fig. 3, 4 oder aber 5 bis 8 gezeigt erhalten zu können. Weiters ist die beschriebene Tech¬ nik im Prinzip auch bei Einphasen-Maschinen anwendbar, wobei sich dann selbstverständlich die Zeiger-Darstellung erübrigen kann und eine einfache, lineare Widerstands-Ermittlung, mit Anlegen der ansteigenden Spannungen wie beschrieben, ergibt. In diesem Fall wird somit unmittelbar der eine Widerstandswert r bei der Ermittlung eines etwaigen Kontaktfehlers in der Anlage zugrunde gelegt.
Ein besonderer Vorteil ist auch, dass die beschriebene Technik realisiert werden kann, ohne dass zusätzliche Schaltungskompo¬ nenten erforderlich wären (die beschriebenen Temperatursensoren wurden vor allem zu Testzwecken eingesetzt, sind aber in der Praxis nicht wirklich erforderlich) - eine besonders günstige Realisierung liegt in einer entsprechenden Ausgestaltung bzw. Programmierung eines Rechnerbausteins (μΡ, μθ) , der für die Um- richter-Ansteuerung bereits vorzusehen ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Erkennen von Kontakt fehlem an einer elektrischen Maschine (2), die von einem Umrichter (4) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Umrichters (4) zeit¬ lich aufeinander folgend eine erste (Vi) und (eine) zweite, ge¬ genüber der ersten erhöhte Spannung (V2) angelegt sowie die dadurch bewirkten zugehörigen Maschinen-Ströme (ii, i2) gemessen werden, und aus dem Quotienten der Differenz (Δν) der beiden Spannungen durch die Differenz (Δ±) der beiden Ströme ein Wert für den Widerstand (r) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsermittlung zumindest einmal wiederholt wird und die erhaltenen Widerstands-Werte verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen erhöht werden, bis allgemein ein Nennstrom in der Maschine (2) fließt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen während einer Messdauer von z.B. 120s kontinuierlich wiederholt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen und Widerstandsermittlungen bei unbelasteter, stillstehender Maschine (2) durchgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Mehrphasen-Maschine (2) die Messun¬ gen und Widerstandsermittlungen sowie -vergleiche für jede Phase (U, V, W) durchgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die einzelnen Phasen (U, V, W) erhaltenen Widerstands-Werte (ru, rv, rw) im Hinblick auf eine etwaige asymmetrische Wider¬ standserhöhung miteinander verglichen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Phasen-Widerstände (ru, rv, rw) in eine Zei- gerform (r_u , rv, rw) , in einer komplexen Ebene, transformiert wer¬ den .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltenen Phasen-bezogenen Widerstands-Zeiger räumlich addiert werden, wobei der sich ergebende Einzel-Vektor als Fehlerindika¬ tor (12) herangezogen wird.
10. Vorrichtung zum Erkennen von Kontaktfehlem an einer von einem Umrichter (4) gespeisten elektrischen Maschine (2), mit zumindest einem Stromsensor ( Su , Sv, Sw) zur Erfassung eines bei Anlegen einer Spannung an die Maschine (2) durch den Umrichter (4) bewirkten Maschinen-Stroms ( iu , iv, iw ) r gekennzeichnet durch eine mit dem Stromsensor ( Su , Sv, Sw) verbundene Messanordnung (7) mit Erfassungsmitteln (5') für die Umrichter-Spannung und mit einer Widerstands-Ermittlungseinheit (9), um bei aufeinanderfol¬ genden Anlegen von zwei verschiedenen Spannungen, wobei die zweite Spannung gegenüber der ersten erhöht ist, und wobei zwei verschiedene Ströme bewirkt werden, durch Quotientenbildung von Spannungs- durch Stromdifferenz einen Maschinenanschluss-Wider- standswert (rn, rv, rw) zu ermitteln.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (7) eingerichtet ist, die Widerstands-Ermittlung, vorzugsweise kontinuierlich, zu wiederholen und die erhaltenen Widerstandswerte zu vergleichen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (4) mit einer Steueranordnung (5) verbunden ist, die eingerichtet ist, um die Spannungen zu erhöhen, bis allgemein ein Nennstrom in der Maschine (2) fließt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Mehrphasen-Maschine (2) pro Phase (U, V, W) ein Stromsensor ( iu , iv, iw) vorgesehen und die Messanordnung (7) eingerichtet ist, die Messungen bzw. Widerstandsermittlungen und -vergleiche für jede Phase durchzuführen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (7) eine Vektortransformationseinheit (10) aufweist, die eingerichtet ist, die jeweiligen Phasen-Widerstän¬ de in eine Zeigerform (r_u , rv, rw) , in einer komplexen Ebene, zu transformieren .
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vektortransformationseinheit (10) eine Additionseinheit (11) verbunden ist, die eingerichtet ist, die Widerstands-Zeiger räumlich zu addieren und den sich ergebenden Einzel-Vektor als Fehlerindikator (12) auszugeben.
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