JP2012506686A - 電気機械のロータの動作中に電気機械を監視および／または分析する方法および電気機械を動作中に監視および／または分析する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも、シャフトを備えた１つのジェネレータと、励磁装置と、シャフトを駆動する駆動手段とを含む電気機械の監視および／または分析装置に関する。本発明によれば、ロータ巻線にかかる電圧を表す第１の信号と、ロータ巻線を通って流れる電流を表す第２の信号とが同時に測定され、２つの信号が分析ユニットへ供給され、分析ユニットにおいて２つの信号が個々の周波数成分へ分割され、ロータ巻線のインピーダンスが求められ、これにより、電気機械のエラーステータスが求められる。

Description

本発明は、電気機械のエラーステータスの監視および／または分析装置、ならびに、電気機械のエラーステータスを監視および／または分析する方法に関する。電気機械は、シャフトを備えた少なくとも１つのジェネレータと、励磁装置と、シャフトを駆動する駆動手段とを含む。当該の電気機械は特に発電所内で使用されるものである。

従来技術
電気機械、特に発電所内で用いられるような大規模な電気機械は、エラーステータスを適時に識別し、制御不能な故障状態に陥るのを回避して、摩擦なしでの動作を保証するために、連続的に監視されたり、一定の時間間隔で分析されたりする必要がある。

国際公開第００／６９０６２号明細書には、エラーが発見されると警報信号を出力する、電気機械の監視システムが開示されている。ここでのシステムは種々のパラメータを検出する複数のセンサを備えており、シャフトアース電流、シャフト電圧、シャフトアース電流の変化率、シャフト電圧の変化率が測定される。ここでは、評価装置によって、シャフトアース電流の変化率、シャフト電圧の変化率および平均シャフトアース電流の関数として、警報が形成される。また、この技術文献には、種々の測定値の時間特性も開示されている。

欧州公開第０３９１１８１号明細書には、電気機械のロータ巻線の巻線短絡を検出する装置が開示されている。この装置によれば、電気機械の状態が長い時間にわたって記録され、また、個別の測定も行われる。ここではシャフトとアースとのあいだのシャフト電圧が検出される。評価基準として、シャフト電圧の高調波が用いられる。巻線短絡の発生しないロータでは、ロータ周でのアンペア巻線の分配は対称に行われ、ロータ磁界は奇数の高調波のみを含む。巻線短絡が発生すると、ロータ周でのアンペア巻線の分配が非対称となるので、ロータ磁界は偶数の高調波を含むようになる。

当業者に周知の別の方法として、ロータ巻線の直流電圧抵抗の測定を動作中に行うことが挙げられる。この方法では、例えば、ロータ巻線の温度が測定され、直流電圧のもとでの等価抵抗しか求めることができない。

発明の開示
こうした従来技術の問題から、本発明の基礎とする課題は、ロータまたはロータ巻線のエラーステータスを検出すること、検出結果に基づいて例えばロータのダンパバーまたはダンパケージのステータスを判別すること、および、ロータインピーダンスの急激な変化を検出し、当該の急激なインピーダンス変化に相関する他の現象を識別することである。

この課題は、本発明の請求項１の特徴を有する方法によって解決される。すなわち、少なくとも、シャフトを備えたジェネレータと、少なくとも１つのロータ巻線によってロータとともに回転する励起磁界を形成する励磁装置と、シャフトを駆動する駆動手段とを含む電気機械を監視および／または分析する方法において、ロータ巻線にかかる電圧を少なくとも間接的に表す第１の信号と、ロータ巻線を通って流れる電流を少なくとも間接的に表す第２の信号とを動作中に同時に測定し、これら２つの信号を分析ユニットへ供給し、分析ユニットにおいて２つの信号を個々の周波数成分へ分割し、ロータ巻線のインピーダンスを求めて電気機械のエラーステータスを求めることにより、解決される。なお、この方法の各ステップの順序を入れ替えることもできる。

本発明では、従来技術に比べて、例えばロータ内の交流電流損失に関する結果が適時に得られ、また、例えばダンパケージの状態に関する重要な情報が形成されるので有利である。さらに、巻線短絡が発生した場合、ロータ巻線の直流電圧抵抗よりも大きな幅でインピーダンスが変化するので、有利である。

有利には、第１の信号および第２の信号は、ロータのスリップリングコンタクトと励磁装置とを接続する電気導体によって測定される。このことは、ロータ磁界の形成のための電圧に相当する所定の電流をロータ巻線に供給し、ロータ磁界を、外部の非回転の給電ユニットすなわち励磁装置からコンタクト（例えばコンタクトブラシ）を介して回転部材すなわちシャフトへ伝送させ、続いて、シャフト上またはシャフト内に配置された導体を介してロータ巻線に接続する状況を表している。

本発明のさらなる課題として、回転する励磁装置を備えたジェネレータのインピーダンスを監視することが挙げられる。言い換えると、本発明の方法を、ブラシレス励磁のケース、すなわち、ジェネレータから離れたシャフト上に、回転する巻線が、静場を供給する装置に包囲されて配置されているケースにも適用できるようにする。シャフトとともに回転する巻線内に生じる交流電圧および交流電流が、シャフト上に配置されやはりシャフトとともに回転する整流器によって整流され、続いて、ロータ磁界を形成するロータ巻線へ伝送される。

このために、第１の信号および第２の信号は、有利には、ブラシレス励磁装置の定置部材、すなわち、静場を供給する装置の内部または上部において、測定される。

有利には、第１の信号および第２の信号は、ブラシレス励磁装置の回転部材において測定され、ロータに配置されたテレメトリユニットによって測定位置から相応の受信ユニットを備えた分析ユニットへ無線で伝送される。このようにすれば、回転系の特性の監視が簡単化される。なぜなら、伝送ユニットがケーブルなしで構成されている場合、ブラシレス励磁装置と同等の精度で非接触に構成され、組み込み・メンテナンス・動作のそれぞれが大幅に簡単になるからである。

各信号は電気機械の動作中に検出することができる。回転数は動作中一定であっても変化してもよい。

インピーダンスは、特に表示ユニット（ディスプレイ）によってグラフィック表示される。当該の表示によってインピーダンス変化が可視となり、エラーステータスを識別および分析することができる。

また、エラーステータスが自動的に識別されるように、インピーダンスを自動的に監視および評価してもよい。

インピーダンスは、時間および／または周波数にしたがって、表示または分析される。

本発明の装置を用いた方法により、種々のエラーステータスが識別される。ここでのエラーステータスとは、ロータ巻線での巻線短絡、ダンパバーの状態、ダンパケージの状態、ねじれ揺動、ねじれ振動および／またはステータの状態のグループから選択される少なくとも１つのエラーステータスである。

有利には、本発明の方法の特徴は請求項１１の本発明の装置の特徴に当てはまる。

電気機械のロータ巻線インピーダンスを測定する第１の実施例の装置の概略図である。 電気機械のロータ巻線インピーダンスを測定する第２の実施例の装置の概略図である。 電気機械のロータ巻線インピーダンスを測定する第３の実施例の装置の概略図である。 励磁電圧および励磁電流の特性を示すグラフである。

本発明を以下に図に則して詳細に説明する。

図示されているのは可能な実施例である。各図は有利な実施例を説明するためのものであって、本発明の特徴を限定するものではない。

図１には電気機械の概略図が示されている。この電気機械では、駆動手段としてタービン１がジェネレータ４の一方側に配置されており、タービン１およびジェネレータ４はシャフト２またはシャフトトレインを介して接続されている。シャフト２は少なくとも２つの軸受３によって支承されており、第１の軸受３ａはタービン１とジェネレータ４の一方側とのあいだに配置されており、第２の軸受３ｂはジェネレータ４の他方側に配置されている。もちろん、こうした配置は実施例の１つであって、例えばシャフトの両端部にタービンを配置し、ジェネレータをモータとして利用することもできることは明らかである。

ジェネレータ４のロータ巻線は、励磁機械を含む励磁装置７によってロータ上のブラシコンタクトを介して励磁される。励磁装置７は、有利には、交流電流を直流電流へ変換する調整可能な整流器である。直流電流は励磁電流とも称されるが、この電流は、ケーブル１１，１２およびスリップリングコンタクト５，６を介してロータ巻線に印加される。励磁電圧および励磁電流はパルス状信号であってもよい。これらのパルス状信号はインピーダンスを求めるために用いられる。

スリップリングコンタクト５，６はシャフト２上に配置されている。有利な実施例では、第２の軸受３ｂの近傍に、第１のスリップリングコンタクト５および第２のスリップリングコンタクト６が配置される。第１のスリップリングコンタクト５は正極性を有し、第２のスリップリングコンタクト６は負極性を有する。

本発明の方法はロータ巻線のインピーダンスＺを求めるための方法である。このために、第１のステップで第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２が検出される。第１の信号Ｓ１はロータ巻線にかかる電圧である。特に、当該の第１の信号Ｓ１として、ロータ巻線電圧の交流電圧成分が測定される。第２の信号Ｓ２はロータ巻線を通って流れる電流Ｉである。特に、当該の第２の信号Ｓ２として、ロータ巻線電流の交流電流成分が測定される。第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２の測定は同時に行われる。なお、図４に、第１の信号Ｓ１としての励磁電圧Ｕおよび第２の信号Ｓ２としての励磁電流Ｉの時間ｔに関する特性が示されている。

２つの信号Ｓ１，Ｓ２は分析ユニット１３へ供給され、分析ユニット１３によって、有利にはフーリエ変換により、個々の周波数成分へ分割される。続いて、個々の周波数成分が周知の手法で相互に関係づけられ、特にインピーダンスＺが求められる。

インピーダンスＺの絶対値および位相、あるいは、インピーダンスＺの種々の周波数でのリアクタンスおよび抵抗の複素表示は、表示ユニット１５によって表示される。周波数特性は当該の絶対値および位相にしたがって求められる。こうした表示によってインピーダンスＺの変化が可視となる。これにより、エラーステータスが識別および分析される。有利には、インピーダンスＺは時間ｔおよび／または周波数νの関数として表示される。

また、インピーダンスＺの信号をシステムによって自動的に監視および評価し、エラーステータスが迅速に検出されるように構成することもできる。

前述した測定は、電気機械が一定の回転数を有する定常動作において行うこともできるし、また、電気機械が可変の回転数を有する可変動作において行うこともできる。特に、前述した測定は、電気機械の回転数が上昇する期間または回転数が低下する期間に行うことができる。

ロータ巻線電圧は、特に定常動作を行う励磁装置を備えたジェネレータでは、強く脈動する。脈動する励磁電圧の高周波数成分が大きければ、電圧成分Ｕ、例えば直流電圧４００Ｖ，交流電圧４０００Ｖの測定、および、電流成分Ｉ、例えば直流電流２０００Ａ，交流電流５００ｍＡの測定を、典型的には１Ｈｚから２００ｋＨｚまでの広い周波数範囲で行うことができる。

ロータ巻線のインピーダンスＺを求めることにより、ロータの電気特性の変化を検出することができる。特に、本発明の方法は高周波数信号で利用できるので有利である。なぜなら、本発明によれば、高周波数信号においては、励磁巻線の巻線短絡やダンパケージ内での巻線破断が増幅されて認識可能となるからである。ここで、高周波数信号とは、有利には、周波数νが１５０Ｈｚから３０００Ｈｚまでの信号であると理解されたい。

測定されるインピーダンスＺに基づいて、ロータ巻線の巻線短絡（リアクタンスがきわめて小さくなる）、ダンパバーの状態、ダンパケージの状態、ねじれ揺動またはねじれ振動が識別される。

巻線短絡が発生すると、励磁巻線のインダクタンスはコイルの直流抵抗の変化よりも格段に大きく変化する。これによりエラーステータスを確実に識別することができ、有利である。

短絡ループが発生すると、短絡電流の脱磁作用によって磁界が弱まってしまい、インダクタンスが大幅に低下し、例えば１ターンしか有さないコイルの場合よりもインダクタンスが低下してしまう。したがってインピーダンスの抵抗性がいっそう高まる。

機械的なロータのねじれ揺動およびねじれ振動が発生すると、ロータ巻線のインピーダンス特性である逆起電力のために、求められるインピーダンスに影響する。この影響によってそのような揺動ないし振動を同様に検出することができる。

さらに、磁気的なつながりによって、ステータまたは磁気回路全体の磁気状態を推論することもできる。本発明の方法によって測定または算出される測定値は、所定の時間にわたって記録される。このために相応の手段を設け、この記録を事後的に評価して、エラーステータスに対する示唆を得られるようにすることができる。

本発明の方法の特徴は有利には本発明の装置の特徴へ変換することができる。

本発明の測定装置は、第１の検出器、第２の検出器、分析ユニット１３（以下、測定データ処理装置１３とも称する）、および、表示ユニット１５を含む。

第１の検出器は電気機械から電気的に絶縁されて配置されており、第１の信号Ｓ１を測定する。ここでは、第１の信号Ｓ１はロータ巻線にかかる電圧Ｕを表す信号である。有利には、第１の検出器は２つのカップリングコンデンサ９，１０を含む。

第２の検出器も電気機械から電気的に絶縁されて配置されており、第２の信号Ｓ２を測定する。ここでは、第２の信号Ｓ２はロータ巻線を通って流れる電流Ｉを表す信号である。有利には、第２の検出器はコイル８を含む。

ケーブル１１，１２を介して、励磁電流は励磁装置７からスリップリングコンタクト５，６へ流れる。また、２つのケーブル１１，１２はカップリングコンデンサ９，１０を介して測定データ処理装置１３に接続されている。カップリングコンデンサ９，１０は１μＦから０．０１μＦのキャパシタンスを有し、交流電圧成分を測定するために用いられる。以下では電圧成分をＵとする。測定された電圧成分Ｕは第１の信号Ｓ１として測定データ処理装置１３へ供給される。

ケーブル１１はコイル８を通して接続されている。コイル８は有利には測定コイルであり、特に有利にはロゴウスキーコイルである。しかし、ケーブル１２をコイル８に通して用いることもできる。以下では、電流成分をＩとする。測定された電流成分Ｉは第２の信号Ｓ２として測定データ処理装置１３へ供給される。

測定データ処理装置１３は測定された電流成分Ｉおよび測定された電圧成分Ｕを処理するために用いられる。有利には、アナログ信号である２つの信号Ｓ１，Ｓ２をディジタル信号へ変換するアナログディジタルコンバータが設けられている。測定データ処理装置１３は測定コンピュータであってもよいし、あるいは、測定のために構成された電気装置または電子装置であってもよい。処理されたデータは表示ユニット１５によって当該の電気機械のオペレータに対して表示される。有利には、データは時間ｔまたは周波数νに関連して表示される。表示ユニット１５はここでは市販のモニタであるが、もちろん当業者に周知の他の表示ユニットを用いてもよい。

測定値は電気的に絶縁された形で測定されると有利である。電圧Ｕはカップリングコンデンサ９，１０によって容量的に取り出され、電流Ｉはコイル８によって誘導的に取り出される。これにより高圧耐性を有する装置を利用することができる。

カップリングコンデンサは、有利には、１ｎＦから１０ｎＦまでのキャパシタンスを有する。

図示されていない別の実施例として、測定データおよび／または処理されたデータを長時間にわたって記憶する手段が設けられる。ここでの長時間とは数日、数ヶ月または数年を意味すると理解されたい。

図２に示されている第２の実施例では、２つの信号Ｓ１，Ｓ２がブラシレス励磁装置１６の定置部材で測定される。第１の信号Ｓ１はブラシレス励磁装置１６の定置部材の電圧Ｕを表し、第２の信号Ｓ２はブラシレス励磁装置１６の定置部材の電流Ｉを表す。２つの信号によりインピーダンス値が計算され、定置部材でのエラーステータスを推論することができる。図示の実施例では、２つの信号は、ブラシレス励磁装置１６の定置部材と励磁装置７とを接続する電気導体１１，１２によって測定される。

図３に示されている第３の実施例では、２つの信号Ｓ１，Ｓ２がブラシレス励磁装置１６の回転部材の近傍または整流器１７の近傍で検出される。この場合、電圧Ｕおよび電流Ｉを検出する複数のセンサ１８がこの領域に配置される。２つの信号Ｓ１，Ｓ２は、ロータ２上に固定に配置されてロータ２とともに回転するテレメトリユニットによって受信ユニットへ伝送され、そこから分析ユニット１３へ供給される。例えば、２つの信号Ｓ１，Ｓ２を、無線網またはワイヤレスＬＡＮを介して伝送することもできる。当該の実施例では、ロータ２の信号を転送するスリップリングコンタクトを設けることなく、回転する励磁装置内の障害を検出できるので、有利である。この場合、例えば、回転するダイオード、保護回路または巻線部での故障が電圧Ｕおよび／または電流Ｉの変化を引き起こし、このためにインピーダンスの変化が生じる。

これに代えて、分析ユニットをセンサの近傍または整流器の近傍に配置し、無線コネクション１９によって直接にインピーダンス値を評価ユニットへ伝送することもできる。

１ タービン（駆動手段）、 ２ シャフト、 ３ 軸受、 ４ ジェネレータ、 ５ スリップリングコンタクト（正極）、 ６ スリップリングコンタクト（負極）、 ７ ブラシ付き励磁装置、 ８ コイル（ロゴウスキーコイル）、 ９，１０ コンデンサ、 １１，１２ ケーブル、 １３ 分析ユニット、 １４ 結果信号伝送ケーブル、 １５ 表示ユニット（トレンディング装置）、 １６ ブラシレス励磁装置、 １７ 整流器、 １８ センサ、 １９ 無線コネクション

Claims (17)

1. 少なくとも、シャフト（２）を備えた１つのジェネレータ（４）と、励磁装置（７）と、前記シャフトを駆動する駆動手段（１）とを含む電気機械を監視および／または分析する方法において、
   ロータ巻線にかかる電圧（Ｕ）を少なくとも間接的に表す第１の信号（Ｓ１）と、前記ロータ巻線を通って流れる電流（Ｉ）を少なくとも間接的に表す第２の信号（Ｓ２）とを動作中に同時に測定し、
   該２つの信号を分析ユニット（１３）へ供給し、
   該分析ユニットにおいて前記２つの信号を個々の周波数成分へ分割し、
   前記電気機械のエラーステータスを求めるために、ロータ巻線のインピーダンス（Ｚ）を求める
   ことを特徴とする電気機械を監視および／または分析する方法。
2. 前記第１の信号および前記第２の信号を、前記ロータのスリップリングコンタクト（５，６）と前記励磁装置とを接続する電気導体（１１，１２）によって測定する、請求項１記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
3. 前記第１の信号および前記第２の信号を、ブラシレス励磁装置（１６）の定置部材において、例えば該定置部材と前記励磁装置とを接続する電気導体（１１，１２）によって、測定する、請求項１記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
4. 前記第１の信号および前記第２の信号を、ブラシレス励磁装置（１６）の回転部材において測定し、前記ロータに配置されたテレメトリユニットによって測定位置から相応の受信ユニットを備えた分析ユニットへ無線で伝送する、請求項１記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
5. 前記２つの信号を前記電気機械の回転数一定での動作中または回転数可変での動作中に検出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
6. 前記インピーダンスを、例えば表示ユニット（１５）により、該インピーダンスの変化が可視となってエラーステータスを識別および／または分析できるようにグラフィック表示する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
7. 前記エラーステータスが自動的に検出されるように、前記インピーダンスを自動的に監視および評価する、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械の動作中にロータを監視および／または分析する方法。
8. 前記インピーダンスを時間（ｔ）および／または周波数（ν）にしたがって表示するかまたは分析する、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
9. 前記エラーステータスとは、前記ロータ巻線での巻線短絡、ダンパバーの状態、ダンパケージの状態、ねじれ揺動、ねじれ振動および／またはステータの状態のグループから選択される少なくとも１つのエラーステータスである、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
10. 前記電圧および前記電流の交流成分のみを検出する、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械を監視および／または分析する方法。
11. シャフト（２）を備えた少なくとも１つのジェネレータ（４）と、励磁装置（７）と、前記シャフトを駆動する駆動手段（１）とを含む電気機械を動作中に監視および／または分析する装置において、
    ロータ巻線にかかる電圧（Ｕ）を少なくとも間接的に表す第１の信号（Ｓ１）を測定する、前記電気機械から電気的に絶縁された第１の検出器と、
    前記ロータ巻線を通って流れる電流（Ｉ）を少なくとも間接的に表す第２の信号（Ｓ２）を測定する、前記電気機械から電気的に絶縁された第２の検出器と、
    前記第１の信号および前記第２の信号を個々の周波数成分へ分割して前記ロータ巻線のインピーダンス（Ｚ）を求める分析ユニット（１３）と
    が設けられている
    ことを特徴とする電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。
12. 前記第１の信号および前記第２の信号が、前記ロータのスリップリングコンタクト（５，６）と前記励磁装置とを接続する電気導体（１１，１２）によって測定される、請求項１１記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置置。
13. 前記第１の信号および前記第２の信号が、ブラシレス励磁装置（１６）の定置部材において、例えば該定置部材と前記励磁装置とを接続する電気導体（１１，１２）によって、測定される、請求項１１記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。
14. 前記第１の信号および前記第２の信号が、ブラシレス励磁装置（１６）の回転部材において測定され、前記ロータに配置されたテレメトリユニットによって測定位置から相応の受信ユニットを備えた分析ユニットへ無線で伝送される、請求項１１記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。
15. 前記インピーダンスを例えば該インピーダンスの変化が可視となってエラーステータスを分析できるようにグラフィック表示する表示ユニット（１５）、例えばモニタまたはグラフィックディスプレイが設けられている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。
16. 各検出器は前記電圧および前記電流の交流成分のみを検出する、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。
17. 前記第１の検出器は前記電圧の測定のために前記電圧を容量的に検出する複数のカップリングコンデンサ（９，１０）を有しており、前記第２の検出器は前記電流の測定のために前記電流を誘導的に検出するロゴウスキーコイル（８）を有している、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の電気機械を動作中に監視および／または分析する装置。

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