DE112019007006T5

DE112019007006T5 - Kurzschluss-detektionseinrichtung und kurzschluss-detektionsverfahren

Info

Publication number: DE112019007006T5
Application number: DE112019007006.1T
Authority: DE
Inventors: Yuji Takizawa; Haruyuki Kometani; Atsushi Yamamoto; Susumu Maeda; Nobuaki MUROKI
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2021-12-02
Also published as: WO2020183610A1; US20220120822A1; CN113557436B; JPWO2020183610A1; CN113557436A; JP6656488B1

Abstract

Es wird eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung angegeben, die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung, die in einer Mehrzahl von Rotornuten in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gewickelt ist, wobei die Kurzschluss-Detektionseinrichtung Folgendes aufweist: eine Signal-Umwandlungseinheit, die konfiguriert ist zum Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors; und eine Kurzschluss-Detektionseinheit, die konfiguriert ist zum Detektieren einer Rotornut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine.
Stand der Technik
In der Patentliteratur 1 ist eine Anomalie-Detektionseinrichtung für Rotorwicklungen für eine rotierende elektrische Maschine beschrieben. Die Anomalie-Detektionseinrichtung für Rotorwicklungen weist ein Magnetfluss-Detektionselement und eine Bestimmungseinrichtung auf. Das Magnetfluss-Detektionselement ist in einem stationären Zustand gehalten und nahe an einer Außenumfangsfläche eines Rotors.
Die Bestimmungseinrichtung ist so konfiguriert, dass sie bestimmt, ob oder ob nicht eine Rotorwicklung eine Anomalie aufweist, und zwar auf der Basis einer Pulsationssignal-Wellenform, die vom Magnetfluss-Detektionselement erhalten wird und einem Pulsations-Magnetfluss entspricht, der von einem Strom der Rotorwicklung hervorgerufen wird.
Literaturverzeichnis
Patentliteratur
[PTL 1] JP 58-005682 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der oben erwähnten Anomalie-Detektionseinrichtung für Rotorwicklungen detektiert das Magnetfluss-Detektionselement einen Feld-Magnetfluss, der in einer Rotornut erzeugt wird. Der Feld-Magnetfluss bezeichnet einen magnetischen Leckstrom, der zwischen benachbarten Rotornuten verursacht wird. Zusätzlich zum Feld-Magnetfluss gibt es einen Wechselwirkung von einem Haupt-Magnetfluss mit dem Magnetfluss-Detektionselement. Der Haupt-Magnetfluss wird von einer Wechselwirkung zwischen dem oben erwähnten Feld-Magnetfluss und einem Anker-Reaktions-Magnetfluss hervorgerufen, der von einer Mehrphasenwicklung eines Stators erzeugt wird.
Die Stärke und die Phase des Haupt-Magnetflusses ändert sich in Abhängigkeit von einer Betriebsbedingung der rotierenden elektrischen Maschine. Indessen variieren die Stärke und die Phase des Feld-Magnetflusses in Abhängigkeit von der Position einer Rotornut, in welcher ein Kurzschluss einer Feldwicklung aufgetreten ist, sowie der Anzahl von Kurzschluss-Windungen in dieser Rotornut.
Das heißt, in manchen Fällen kann die Variation des Feld-Magnetflusses bezüglich der Stärke des Haupt-Magnetflusses relativ klein sein, und das Signal-Rausch-Verhältnis kann verringert werden, und zwar in Abhängigkeit von der Position der Rotornut, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung aufgetreten ist. Demzufolge besteht bei der oben genannten Anomalie-Detektionseinrichtung für Rotorwicklungen das Problem, dass in manchen Fällen die Rotornut, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung aufgetreten ist, nicht mit hoher Genauigkeit spezifiziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen. Es ist ihre Aufgabe, eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren anzugeben, mit welchen eine Rotornut, in der ein Kurzschluss einer Feldwicklung aufgetreten ist, mit höherer Genauigkeit spezifiziert werden kann.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung angegeben, die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung, die in einer Mehrzahl von Rotornuten in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gewickelt ist, wobei die Kurzschluss-Detektionseinrichtung Folgendes aufweist: eine Signal-Umwandlungseinheit, die konfiguriert ist zum Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors; und eine Kurzschluss-Detektionseinheit, die konfiguriert ist zum Detektieren einer Rotornut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kurzschluss-Detektionsverfahren angegeben, das konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung, die in einer Mehrzahl von Rotornuten in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gewickelt ist, wobei das Kurzschluss-Detektionsverfahren Folgendes aufweist: Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors; und Detektieren einer Rotornut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Rotornut, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung aufgetreten ist, mit höherer Genauigkeit spezifiziert werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Konfiguration einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines Prüfspulen-Spannungssignals in einem Fall, in welchem eine Betriebsbedingung eines Turbogenerators Bedingung 1 ist.
3 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines Prüfspulen-Spannungssignals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist.
4 ist ein Graph zur Darstellung von einer Spannungs-Wellenform einer Differenz zwischen einem Prüfspulen-Spannungssignal in einem Kurzschluss-Zustand und einem Prüfspulen-Spannungssignal in einem fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist.
5 ist ein Graph zur Darstellung von einer Spannungs-Wellenform einer Differenz zwischen dem Prüfspulen-Spannungssignal im Kurzschluss-Zustand und dem Prüfspulen-Spannungssignal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist.
6 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines energieäquivalenten Signals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist.
7 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines energieäquivalenten Signals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist.
8 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform einer Differenz zwischen einem energieäquivalenten Signal im Kurzschluss-Zustand und einem energieäquivalenten Signal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist.
9 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform einer Differenz zwischen dem energieäquivalenten Signal im Kurzschluss-Zustand und dem energieäquivalenten Signal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist.
10 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Konfiguration einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Konfiguration einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist die Konfiguration bei Betrachtung entlang der Axialrichtung der rotierenden elektrischen Maschine, die ein Detektionsziel der Kurzschluss-Detektionseinrichtung ist, gemeinsam dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Turbogenerator ein Beispiel für die rotierende elektrische Maschine.
Zunächst wird die Konfiguration des Turbogenerators beschrieben. Wie in 1 veranschaulicht, weist der Turbogenerator einen Rotor 10 und einen Stator 20 auf. Der Rotor 10 ist so ausgebildet, dass er frei drehbar ist. Der Stator 20 ist auf der Außenseite des Rotors 10 angebracht. Ein Außenumfangsbereich des Rotors 10 und ein Innenumfangsbereich des Stators 20 liegen einander über einen Luftspalt 30 gegenüber. In einem Rotorkern 11 des Rotors 10 sind eine Mehrzahl von Rotornuten 12 ausgebildet. Eine reihengeschaltete Feldwicklung 13 ist in der Mehrzahl der Rotornuten 12 gewickelt.
Die Feldwicklung 13 wird einer DC-Erregung von einer externen Energieversorgung unterzogen, so dass der Rotorkern 11 in zwei Pole magnetisiert wird. Auf diese Weise werden im Rotorkern 11 zwei Magnetpole 14 ausgebildet. In 1 sind eine Magnetpol-Mittelrichtung 41 und eine Zwischenpol-Mittelrichtung 42 veranschaulicht. Die Magnetpol-Mittelrichtung 41 geht durch die Mittelachse des Rotors 10 und die Mittelachse jedes Magnetpols 14. Die Zwischenpol-Mittelrichtung 42 geht durch die Mittelachse des Rotors 10 und die Mitte zwischen den zwei Magnetpolen 14, die einander in Umfangsrichtung benachbart sind.
In einem Statorkern 21 des Stators 20 ist eine Mehrzahl von Statornuten 22 gebildet. Eine Mehrphasenwicklung 23 ist in der Mehrzahl der Statornuten 22 gewickelt. Die Mehrphasenwicklung 23 wird einer AC-Erregung unterzogen, so dass ein Rotations-Magnetfeld im Luftspalt 30 hervorgerufen wird. Der in 1 veranschaulichte Turbogenerator ist ein zweipoliger Generator, der zweiunddreißig Rotornuten 12 und zweiundsiebzig Statornuten 22 aufweist. Der dicke Pfeil in 1 gibt die Richtung des Haupt-Magnetflusses in einem Fall an, in welchem der Turbogenerator mit Nennlast betrieben wird. Außerdem gibt der Pfeil in der Gegenuhrzeigersinnrichtung in 1 die Rotationsrichtung des Rotors 10 an.
In einem Teil des Stators 20, der dem Luftspalt 30 zugewandt ist, ist eine Prüfspule 24 als Magnetdetektor angebracht, die konfiguriert ist zum Detektieren des magnetischen Flusses des Rotors 10 im Luftspalt 30. Der Haupt-Magnetfluss und ein Feld-Magnetfluss des Rotors 10 wechselwirken mit der Prüfspule 24. Demzufolge wird eine Spannung entsprechend den magnetischen Flüssen, die mit der Prüfspule 24 wechselwirken, zwischen Anschlüssen an beiden Enden der Prüfspule 24 erzeugt. Die magnetischen Flüsse, die mit der Prüfspule 24 wechselwirken, variieren einhergehend mit der Rotation des Rotors 10.
Demzufolge wird einhergehend mit der Rotation des Rotors 10 ein Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend den Variationen der magnetischen Flussdichte entlang der Umfangsrichtung des Rotors 10 aus der Prüfspule 24 ausgegeben. Das Prüfspulen-Spannungssignal dient als ein Detektionssignal, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors 10 detektiert wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Prüfspule 24 verwendet, die konfiguriert ist zum Detektieren einer magnetischen Flussdichte in Radialrichtung des Rotors 10 im Luftspalt 30, aber es kann stattdessen auch eine Prüfspule, die konfiguriert ist zum Detektieren einer magnetischen Flussdichte in der Umfangsrichtung des Rotors 10 im Luftspalt 30 verwendet werden.
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ist mit der Prüfspule 24 in der erforder-lichen Weise verbunden. Die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 weist als eine Hardware-Konfiguration einen Prozessor, eine Speichereinrichtung, eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellenschaltung und dergleichen auf. Außerdem weist die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 eine Magnet-Detektionseinheit 101, eine Signal-Umwandlungseinheit 102 und eine Kurzschluss-Detektionseinheit 103 auf. Die Magnet-Detektionseinheit 101 ist konfiguriert zum Empfangen eines Prüfspulen-Spannungssignals von der Prüfspule 24.
Die Signal-Umwandlungseinheit 102 ist konfiguriert zum Umwandeln des Prüfspulen-Spannungssignals, das von der Magnet-Detektionseinheit 101 empfangen wird, in ein später noch beschriebenes energieäquivalentes Signal. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist konfiguriert zum Detektieren der Rotornut 12, in welcher ein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals. Die Rotornut 12, in welcher ein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, wird nachfolgend gelegentlich als „Kurzschluss-Nut“ bezeichnet.
Die Magnet-Detektionseinheit 101, die Signal-Umwandlungseinheit 102 und die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 sind funktionale Blöcke, die von dem Prozessor implementiert werden sollen, der in der Speichereinrichtung gespeicherte Programme ausführt. Beispielsweise ist die Magnet-Detektionseinheit 101 ein funktionaler Block entsprechend Schritt S1 in 10, auf die später noch Bezug genommen wird. Die Signal-Umwandlungseinheit 102 ist ein funktionaler Block entsprechend Schritt S2 in 10.Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist ein funktionaler Block entsprechend Schritt S3 in 10.
Als Nächstes erfolgt als eine Voraussetzung dieser Ausführungsform die Beschreibung eines Kurzschluss-Detektionsverfahrens unter Verwendung des Prüfspulen-Spannungssignals, wie es ist. 2 und 3 sind jeweils ein Graph zum Darstellen einer Wellenform eines Prüfspulen-Spannungssignals, das erhalten wird durch elektromagnetische Feldanalyse in jeder von zwei Betriebsbedingungen, die den tatsächlichen Betrieb des Turbogenerators simulieren. Die horizontale Achse in 2 und 3 stellt den Rotationswinkel (Grad) des Rotors 10 dar, und die vertikale Achse in 2 und 3 stellt die Prüfspulenspannung (V) dar.
Hier wird angenommen, dass ein Kurzschluss entsprechend einer einzelnen Windung der Feldwicklung 13 in der siebten Rotornut 12 von der Feld-Magnetpolmitte aus aufgetreten ist. In 2 und 3 entspricht der Rotationswinkel 90 der Richtung der Magnetpolmitte auf der Seite, auf welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist. Wie in 2 und 3 gezeigt, ist die Wellenform des Prüfspulen-Spannungssignals jedes Magnetpols nahezu inversionssymmetrisch.
Außerdem entsprechen in 2 und 3 die Rotationswinkel θ1 und θ2 Positionen von Kurzschluss-Nuten. Der Rotationswinkel θ1 entspricht einer Position von - unter den Kurzschluss-Nuten - einer Kurzschluss-Nut auf der Seite, die weiter von der Haupt-Magnetflussrichtung liegt, bezüglich der Mittelachse des Rotors 10, der als Startpunkt dient. Das heißt, der Rotationswinkel θ1 entspricht einer Position von - unter den Kurzschluss-Nuten - einer Kurzschluss-Nut auf der Vorausseite in Rotationsrichtung des Rotors 10.
Der Rotationswinkel θ2 entspricht einer Position von - unter den Kurzschluss-Nuten - einer Kurzschluss-Nut auf der Seite, die näher an der Haupt-Magnetflussrichtung liegt, bezüglich der Mittelachse des Rotors 10, der als Startpunkt dient. Das heißt, der Rotationswinkel θ2 entspricht einer Position von - unter den Kurzschluss-Nuten - einer Kurzschluss-Nut auf der Hinterseite in Rotationsrichtung des Rotors 10.
2 zeigt eine Wellenform eines Prüfspulen-Spannungssignals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist. In 2 beträgt der Rotationswinkel 90 entsprechend der Magnetpol-Mittelrichtung ungefähr 170°. In 2 ist die Position der Kurzschluss-Nut auf der Seite, die weiter von der Haupt-Magnetflussrichtung liegt, mit dem Pfeil A angezeigt. Wie in 2 gezeigt, wird in der Kurzschluss-Nut der Absolutwert einer Spannung infolge der Verringerung der magnetomotorischen Kraft bzw. elektrischer Durchflutung verringert, und zwar entsprechend der Anzahl von Kurzschluss-Windungen.
3 zeigt eine Wellenform eines Prüfspulen-Spannungssignals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist, die verschieden ist von Bedingung 1. In 3 beträgt der Rotationswinkel 90 entsprechend der Magnetpol-Mittelrichtung ungefähr 130°. In 3 ist die Position der Kurzschluss-Nut auf der Seite, die weiter von der Haupt-Magnetflussrichtung liegt, mit dem Pfeil B angezeigt. Wie in 3 gezeigt, wird in der Kurzschluss-Nut der Absolutwert einer Spannung infolge der Verringerung der magnetomotorischen Kraft bzw. elektrischer Durchflutung verringert, und zwar entsprechend der Anzahl von Kurzschluss-Windungen.
4 und 5 sind jeweils ein Graph zum Darstellen einer Spannungs-Wellenform, die erhalten wird, indem die Differenz zwischen einem Prüfspulen-Spannungssignal im Kurzschluss-Zustand, in welchem ein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und einem Prüfspulen-Spannungssignal in einem fehlerfreien Zustand berechnet wird, in welchem kein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist. Die horizontale Achse in 4 und 5 stellt den Rotationswinkel (Grad) des Rotors 10 dar, und die vertikale Achse in 4 und 5 stellt die Differenz (V) zwischen der Prüfspulenspannung im Kurzschlusszustand und der Prüfspulenspannung im fehlerfreien Zustand dar.
4 zeigt eine Spannungs-Wellenform, die erhalten wird, indem die Differenz zwischen dem Prüfspulen-Spannungssignal im Kurzschluss-Zustand und dem Prüfspulen-Spannungssignal im fehlerfreien Zustand berechnet wird, und zwar in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist. In der Spannungs-Wellenform, die in 4 gezeigt ist, tritt der Scheitelwert, der das Auftreten des Kurzschlusses anzeigt, d. h. ein Kurzschluss-Signal, an den Positionen der Rotationswinkel θ1 und θ2 auf. In der Spannungs-Wellenform, die in 4 gezeigt ist, ist die Halbwertsbreite des Kurzschluss-Signals relativ schmal. Im Ergebnis können das Kurzschluss-Signal und ein Störungssignal, das vom Kurzschluss-Signal verschieden ist, voneinander unterschieden werden, und demzufolge kann die Position der Kurzschluss-Nut detektiert werden.
5 zeigt eine Spannungs-Wellenform einer Differenz zwischen dem Prüfspulen-Spannungssignal im Kurzschluss-Zustand und dem Prüfspulen-Spannungssignal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist. Auch bei der Spannungs-Wellenform, die in 5 gezeigt ist, tritt das Kurzschluss-Signal an den Positionen der Rotationswinkel θ1 und θ2 auf. In der Spannungs-Wellenform, die in 5 gezeigt ist, ist jedoch das Störungssignal, das vom Kurzschluss-Signal verschieden ist, relativ groß, und demzufolge wird die Halbwertsbreite des Kurzschluss-Signals vergrößert. Außerdem hat das Kurzschluss-Signal einen großen Fuß. Demzufolge ist das Kurzschluss-Signal über eine Mehrzahl von Nuten ausgedehnt.
Genauer gesagt: Das Kurzschluss-Signal an der Position des Pfeils B verläuft nicht nur über die Kurzschluss-Nut, sondern auch zwei fehlerfreie Nuten in einem Bereich C angrenzend an die Kurzschluss-Nut. Demzufolge ist es in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist, schwierig, die Position der Kurzschluss-Nut mit hoher Genauigkeit zu detektieren, und es besteht die Gefahr, dass fehlerhaft bestimmt werden kann, dass der Kurzschluss der Feldwicklung 13 in drei Rotornuten 12 aufgetreten ist. Außerdem gilt in diesem Fall Folgendes: Um die Position der Kurzschluss-Nut mit hoher Genauigkeit zu detektieren, ist es notwendig, das Prüfspulen-Spannungssignal erneut in dem Zustand zu erfassen, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators beispielsweise zur Bedingung 1 gewechselt hat. Wenn das Prüfspulen-Spannungssignal so wie es ist verwendet wird, wird es demzufolge in manchen Fällen schwierig, schnell die Position der Kurzschluss-Nut mit hoher Genauigkeit zu detektieren.
Als Nächstes erfolgt die Beschreibung eines Kurzschluss-Detektionsverfahrens unter Verwendung des energieäquivalenten Signals. 6 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines energieäquivalenten Signals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist. Das energieäquivalente Signal, das in 6 gezeigt ist, wird aus dem in 2 gezeigten Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt. 7 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform eines energieäquivalenten Signals in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators die Bedingung 2 ist. Das energieäquivalente Signal, das in 7 gezeigt ist, wird aus dem in 3 gezeigten Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt.
Das energieäquivalente Signal ist ein Signal, das der magnetischen Energie des Rotors 10 entspricht, und es wird umgewandelt aus dem Prüfspulen-Spannungssignal durch Verwendung eines energieäquivalenten Wertes, der erhalten wird, indem jeder Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird. Die horizontale Achse in 6 und 7 stellt den Rotationswinkel (Grad) des Rotors 10 dar, und die vertikale Achse in 6 und 7 stellt das Quadrat (V²) der Prüfspulenspannung dar.
Wie in 6 und 7 gezeigt, sind dann mit dem quadrierten Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals sämtliche Werte des energieäquivalenten Signals 0 oder mehr. Damit einhergehend kann die gesamte Veränderung des magnetischen Flusswerts im Luftspalt 30, die vom Kurzschluss der Feldwicklung 13 hervorgerufen wird, als eine Verringerung der Durchflutung der Feldwicklung 13 aufgefasst werden. Außerdem haben die Variations-Komponenten von Harmonischen entsprechend den jeweiligen Rotornuten 12 in der in 6 gezeigten Wellenform jeweils eine schmalere Halbwertsbreite verglichen mit der in 2 gezeigten Wellenform, und zwar auf der Basis der Doppelwinkel-Formeln der trigonometrischen Funktionen.
Auf ähnliche Weise haben die Variations-Komponenten von Harmonischen entsprechend den jeweiligen Rotornuten 12 in der in 7 gezeigten Wellenform jeweils eine schmalere Halbwertsbreite verglichen mit der in 3 gezeigten Wellenform, und zwar auf der Basis der Doppelwinkel-Formeln der trigonometrischen Funktionen. Das heißt, die in 6 und 7 gezeigten Wellenformen sind - verglichen mit den in 2 und 3 gezeigten Wellenformen - Wellenformen, bei welchen die Variationen stark betont sind. Wenn der Kurzschluss der Feldwicklung 13 durch Verwendung des energieäquivalenten Signals detektiert wird, wird demzufolge die räumliche Auflösung zum Spezifizieren der Kurzschluss-Nut verbessert.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Prinzips, wie die räumliche Auflösung durch Verwendung des energieäquivalenten Signals verbessert wird. Variationen des Prüfspulen-Spannungssignals werden durch den Kurzschluss der Feldwicklung 13 hervorgerufen, und zwar infolge der hauptsächlichen Verringerung von Komponenten ungerader Ordnung oder der Zunahme von Komponenten gerader Ordnung, und sie werden in einer Grundwellenkomponente erster Ordnung und harmonischen Komponenten höherer Ordnung hervorgerufen.
Zur Vereinfachung gilt Folgendes: Wenn die Komponente n-ter Ordnung, die eine Komponente des Prüfspulen-Spannungssignal ist, mit cos(nθ) bezeichnet wird, ist der quadrierte Wert, der der energieäquivalente Wert ist, (cos(nθ))². Der Wert von (cos(nθ))² ist derselbe wie „0,5 + 0,5 × cos(2nθ)“, und zwar auf der Basis der Doppelwinkel-Formeln der trigonometrischen Funktionen. Das heißt, es versteht sich, dass - wenn das Prüfspulen-Spannungssignal mit einer räumlichen Auflösung n-ter Ordnung in den energieäquivalenten Wert umgewandelt wird - wird die n-te Ordnung verdoppelt, so dass eine räumliche Auflösung 2n-ter Ordnung erhalten wird.
Außerdem ergibt „0,5 + 0,5 × cos(2nθ)“ einen Wert von 0 oder mehr, und demzufolge ist der Wert auf der vertikalen Achse in jeder von 6 und 7 ebenfalls 0 oder mehr. Physikalisch gesprochen gilt Folgendes: Wenn ein Kurzschluss der Feldwicklung 13 in einer gewissen Rotornut 12 auftritt, wird die Anzahl von fehlerfreien Windungen der Feldwicklung 13 in der Kurzschluss-Nut verringert, und demzufolge wird die Durchflutung der Feldwicklung 13 stets verringert. Die Verringerung der Durchflutung wird in einer Phase entsprechend der Kurzschluss-Nut verursacht.
Indessen hat das Prüfspulen-Spannungssignal sowohl positive, als auch negative Anteile, wie durch cos(nθ) ausgedrückt. Die kann sogar auch aus der Tatsache bestätigt werden, dass die Prüfspulenspannung sowohl positive als auch negative Werte in den in 2 und 3 gezeigten Graphen hat. Wie in 4 und 5 gezeigt, tritt das Kurzschluss-Signal sowohl in der positiven, als auch in der negativen Richtung auf. Wenn eine Komponente eines Störungssignals, das vom Kurzschluss-Signal verschieden ist, groß ist, wie in Bedingung 2, dann kann demzufolge das Kurzschluss-Signal der Störung überlagert sein. Demzufolge kann der Kurzschluss nicht detektiert werden, oder das Störungssignal kann fehlerhaft als das Kurzschluss-Signal detektiert werden.
Im Gegensatz dazu wird bei dieser Ausführungsform die Kurzschluss-Nut durch Verwendung des energieäquivalenten Signals detektiert, das der magnetischen Energie des Rotors 10 entspricht. Beispielsweise hat die Differenz, die erhalten wird, indem das energieäquivalente Signal im fehlerfreien Zustand vom energieäquivalenten Signal im Kurzschluss-Zustand subtrahiert wird, stets einen negativen Wert an der Phase, die der Kurzschluss-Nut entspricht, und zwar infolge der Verringerung der Durchflutung, d. h. der Verringerung der magnetischen Energie.
Wenn ein Schwellenwert mit einem negativen Wert vorgegeben wird, kann demzufolge die Kurzschluss-Nut mit hoher Genauigkeit detektiert werden, und zwar ungeachtet der Variationen auf Seiten des positiven Werts, die von den Störungen in der oben erwähnten Differenz hervorgerufen werden. Außerdem wird die Verringerung der magnetischen Flussdichte, die vom Kurzschluss hervorgerufen wird, als Verringerung der magnetischen Energie aufgefasst, und zwar ungeachtet der Rate der Abnahme der Komponenten ungerader Ordnung oder der Zunahme der Komponenten gerader Ordnung im Prüfspulen-Spannungssignal, und demzufolge kann die Kurzschluss-Nut mit hoher Genauigkeit detektiert werden.
8 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform einer Differenz zwischen dem energieäquivalenten Signal im Kurzschluss-Zustand und dem energieäquivalenten Signal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 1 ist. 9 ist ein Graph zur Darstellung von einer Wellenform einer Differenz zwischen dem energieäquivalenten Signal im Kurzschluss-Zustand und dem energieäquivalenten Signal im fehlerfreien Zustand, in einem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbogenerators Bedingung 2 ist. Die horizontale Achse in 8 und 9 stellt den Rotationswinkel (Grad) des Rotors 10 dar, und die vertikale Achse in 8 und 9 stellt die Differenz (V²) zwischen dem Quadrat der Prüfspulenspannung im Kurzschlusszustand und dem Quadrat der Prüfspulenspannung im fehlerfreien Zustand dar.
In den in 8 und 9 gezeigten Wellenformen kann bestätigt werden, dass die Kurzschluss-Signale sowohl an den Positionen der Rotationswinkel θ1, als auch θ2 auf Seiten der negativen Werte erscheinen und so die Verringerung der Durchflutung widerspiegeln, d. h. die Verringerung der magnetischen Energie. Außerdem versteht es sich, dass in der in 8 gezeigten Wellenform verglichen mit der in 4 gezeigten Wellenform die Halbwertsbreite des Kurzschluss-Signals schmaler ist.
Auf diese Weise kann zumindest die Position der Kurzschluss-Nut, die mit dem Pfeil A angezeigt ist, mit hoher Genauigkeit spezifiziert werden. Außerdem versteht es sich, dass in der in 9 gezeigten Wellenform verglichen mit der in 5 gezeigten Wellenform die Halbwertsbreite des Kurzschluss-Signals schmaler ist, und dass außerdem Scheitelwerte bzw. Spitzen für die drei Nuten klar voneinander unterschieden werden können. Auf diese Weise kann zumindest die Position der Kurzschluss-Nut, die mit dem Pfeil B angezeigt ist, mit hoher Genauigkeit spezifiziert werden.
10 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform. Die in 10 veranschaulichte Verarbeitung wird von dem Prozessor der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 durchgeführt, der das in der Speichereinrichtung der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gespeicherte Programm ausführt. Wie in 10 veranschaulicht, empfängt zunächst die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ein Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspulenspannung 24 als ein Detektionssignal (Schritt S1).
Als Nächstes wandelt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das empfangene Prüfspulen-Spannungssignal in ein energieäquivalentes Signal um, und zwar durch Verwendung eines Wertes, der erhalten wird, indem der Momentanwert des empfangenen Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird (Schritt S2). Das energieäquivalente Signal kann durch Umwandeln erhalten werden, indem der Wert verwendet wird, der erhalten wird, indem der Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird, wie er ist, oder es kann durch Umwandeln erhalten werden, indem irgendein Wert zu dem bzw. von dem Wert addiert oder subtrahiert wird, der erhalten wird, indem der Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird.
Außerdem kann das energieäquivalente Signal durch Umwandeln erhalten werden, indem anstelle des Wertes, der erhalten wird, indem der Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird, ein Wert verwendet wird, der erhalten wird, indem ein Durchschnittswert des Prüfspulen-Spannungssignals in jedem Abtastzeitpunkt quadriert wird, der ausreichend kleiner ist als das Abstandsmaß der Rotornuten 12.
Als Nächstes vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das energieäquivalente Signal, das im Schritt S2 umgewandelt wird, mit einem vergangenen energieäquivalenten Signal, das das energieäquivalente Signal im fehlerfreien Zustand ist, so dass sie dadurch die Kurzschluss-Nut detektiert (Schritt S3). In diesem Fall empfängt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspule 24 im Voraus, wenn kein Kurzschluss der Feldwicklung 13 auftritt, und es speichert das energieäquivalente Signal, das vom Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt worden ist, als das vergangene energieäquivalente Signal in der Speichereinrichtung.
Beispielsweise bestimmt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 als ein Kurzschluss-Signal einen Scheitelwert des Fallens unterhalb den Schwellenwert, der auf einen negativen Wert vorgegeben ist, und zwar in der Wellenform der Differenz zwischen dem energieäquivalenten Signal, das im Schritt S2 umgewandelt wird, und dem vergangenen energieäquivalenten Signal, so dass dadurch die Kurzschluss-Nut auf der Basis der Position des Kurzschluss-Signals spezifiziert wird. In diesem Fall kann das vergangene energieäquivalente Signal vorübergehend kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich von dem gegenwärtigen energieäquivalenten Signal sein.
Danach benachrichtigt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 eine Benachrichtigungseinheit (nicht dargestellt), ob oder ob nicht ein Kurzschluss aufgetreten ist, wie es erforderlich ist. Wenn ein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, benachrichtigt außerdem die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 die Benachrichtigungseinheit von der Position der Kurzschluss-Nut, wie notwendig.
Wie oben beschrieben, ist die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung, die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses der Feldwicklung 13, die in der Mehrzahl von Rotornuten 12 im Rotor 10 des Turbogenerators gewickelt ist. Die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 weist Folgendes auf: die Signal-Umwandlungseinheit 102, die konfiguriert ist zum Umwandeln eines Prüfspulen-Spannungssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors 10 detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors 10; und die Kurzschluss-Detektionseinheit 103, die konfiguriert ist zum Detektieren der Rotornut 12, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals. In diesem Fall ist der Turbogenerator ein Beispiel für die rotierende elektrische Maschine. Das Prüfspulen-Spannungssignal ist ein Beispiel für das Detektionssignal.
Mit dieser Konfiguration kann durch Verwendung des energieäquivalenten Signals der Kurzschluss der Feldwicklung 13 mit einer hohen räumlichen Auflösung detektiert werden. Demzufolge kann die Rotornut 12, in welcher ein Kurzschluss aufgetreten ist, mit hoher Genauigkeit spezifiziert werden, und zwar ungeachtet der Betriebsbedingung des Turbogenerators, der Position der Rotornut 12, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, der Installationsposition der Prüfspule 24 und dergleichen.
Außerdem kann in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform die Signal-Umwandlungseinheit 102 konfiguriert sein zum Umwandeln des Prüfspulen-Spannungssignals in das energieäquivalente Signal durch Verwendung eines Wertes, der erhalten wird, indem ein Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird, oder eines Werts, der erhalten wird, indem ein Durchschnittswert in jedem Abtastzeitpunkt des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird. Mit dieser Konfiguration kann der Kurzschluss der Feldwicklung 13 mit einer hohen räumlichen Auflösung detektiert werden, und demzufolge kann die Rotornut 12, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, mit höherer Genauigkeit spezifiziert werden.
Außerdem kann bei der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 103 so konfiguriert sein, dass sie das energieäquivalente Signal, das aus dem gegenwärtigen Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt wird, mit dem energieäquivalenten Signal vergleicht, das aus dem vergangenen Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt wird, so dass sie dadurch die Rotornut 12 detektiert, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist. Mit dieser Konfiguration kann durch Wellenform-Vergleich in Zeitrichtung die Rotornut 12 spezifiziert werden, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist.
Außerdem ist das Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß dieser Ausführungsform ein Kurzschluss-Detektionsverfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses der Feldwicklung 13, die in der Mehrzahl von Rotornuten 12 in dem Rotor 10 des Turbogenerators gewickelt ist, wobei das Kurzschluss-Detektionsverfahren Folgendes aufweist: Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors 10 detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors 10; und Detektieren der Rotornut 12, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.
Mit dieser Konfiguration kann durch Verwendung des energieäquivalenten Signals der Kurzschluss der Feldwicklung 13 mit einer hohen räumlichen Auflösung detektiert werden, und demzufolge kann die Rotornut 12, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, mit höherer Genauigkeit spezifiziert werden.
Zweite Ausführungsform
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. 11 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Konfiguration einer Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform. Komponenten, die die gleichen Funktionen und Wirkungen wie diejenigen der ersten Ausführungsform haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird hier weggelassen. Bei dieser Ausführungsform wird die Rotation des Rotors 10 verwendet, um die Kurzschluss-Nut zu detektieren, und zwar durch Verwendung eines Prüfspulen-Spannungssignals eines Kurzschluss-Magnetpols, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und eines Prüfspulen-Spannungssignals eines fehlerfreien Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist.
Wie in 11 dargestellt, weist die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 eine Signal-Verzögerungseinheit 104 zusätzlich zur Magnet-Detektionseinheit 101, der Signal-Umwandlungseinheit 102 und der Kurzschluss-Detektionseinheit 103 auf. Die Signal-Verzögerungseinheit 104 ist konfiguriert zum Erzeugen eines Verzögerungssignals, indem sie die Phase des Prüfspulen-Spannungssignals, das von der Magnet-Detektionseinheit 101 empfangen wird, um 180° im elektrischer Winkel verzögert. Die Signal-Verzögerungseinheit 104 ist ein funktionaler Block, der von dem Prozessor implementiert werden soll, der das in der Speichereinrichtung gespeicherte Programm ausführt. Beispielsweise ist die Signal-Verzögerungseinheit 104 ein funktionaler Block entsprechend dem Schritt S12 in 12, auf die später noch Bezug genommen wird.
12 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform. Die in 12 veranschaulichte Verarbeitung wird von dem Prozessor der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 durchgeführt, der das in der Speichereinrichtung der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gespeicherte Programm ausführt. Wie in 12 veranschaulicht, empfängt zunächst die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ein Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspulenspannung 24 als ein Detektionssignal (Schritt S11).
Als Nächstes erzeugt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das oben erwähnte Verzögerungssignal aus dem empfangenen Prüfspulen-Spannungssignal (Schritt S12).
Dann wandelt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 jedes von dem Prüfspulen-Spannungssignal, das im Schritt S 11 empfangen wird, und dem Verzögerungssignal, das im Schritt S12 erzeugt wird, in ein energieäquivalentes Signal um, und zwar durch ein Verfahren ähnlich demjenigen in der ersten Ausführungsform (Schritt S13). Auf diese Weise werden zwei energieäquivalente Signale erzeugt, die voneinander um eine Phase von 180° im elektrischen Winkel verschieden sind.
Als Nächstes vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das energieäquivalente Signal, das aus dem Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt worden ist, mit dem energieäquivalenten Signal, das aus dem Verzögerungssignal umgewandelt worden ist, so dass sie dadurch die Kurzschluss-Nut detektiert (Schritt S14). Beispielsweise spezifiziert die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 die Kurzschluss-Nut auf der Basis der Wellenform der Differenz zwischen dem energieäquivalenten Signal, das aus dem Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt ist, und dem energieäquivalenten Signal, das aus dem Verzögerungssignal umgewandelt ist.
Auf diese Weise kann durch Vergleichen zwischen dem energieäquivalenten Signal des Kurzschluss-Magnetpols, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und dem energieäquivalenten Signal des fehlerfreien Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist, die Kurzschluss-Nut detektiert werden.
Wie oben beschrieben, weist die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform außerdem die Signal-Verzögerungseinheit 104 auf, die konfiguriert ist zum Erzeugen des Verzögerungssignals, in dem sie die Phase des Prüfspulen-Spannungssignals um 180° im elektrischen Winkel verzögert. Die Signal-Umwandlungseinheit 102 ist konfiguriert zum Umwandeln des Verzögerungssignals in das energieäquivalente Signal. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist konfiguriert zum Vergleichen des energieäquivalenten Signals, das aus dem Prüfspulen-Spannungssignal umgewandelt worden ist, mit dem energieäquivalenten Signal, das aus dem Verzögerungssignal umgewandelt worden ist, so dass dadurch die Rotornut 12 detektiert wird, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist. Mit dieser Konfiguration kann durch Wellenform-Vergleich in räumlicher Richtung die Rotornut 12 spezifiziert werden, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist.
Dritte Ausführungsform
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Prüfspulen 24 am Stator 20 des Turbogenerators angebracht. Die Mehrzahl von Prüfspulen 24 sind an Positionen angeordnet, die voneinander durch eine Phase von 180° im elektrischen Winkel verschieden sind. Als ein Beispiel sind zwei Prüfspulen 24 an Positionen angeordnet, die voneinander durch eine Phase von 180° im elektrischen Winkel verschieden sind. Auf diese Weise empfängt die Magnet-Detektionseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ein Prüfspulen-Spannungssignal eines Kurzschluss-Magnetpols, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und ein Prüfspulen-Spannungssignal eines fehlerfreien Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist.
13 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform. Die in 13 veranschaulichte Verarbeitung wird von dem Prozessor der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 durchgeführt, der das in der Speichereinrichtung der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gespeicherte Programm ausführt. Wie in 13 veranschaulicht, empfängt zunächst die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ein Prüfspulen-Spannungssignal von jeder der Mehrzahl von Prüfspulen 24 als ein Detektionssignal (Schritt S21).
Als Nächstes wandelt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 jedes der empfangenen Mehrzahl von Prüfspulen-Spannungssignalen in ein energieäquivalentes Signal um (Schritt S22).
Als Nächstes vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 die Mehrzahl von energieäquivalenten Signalen miteinander, so dass dadurch die Kurzschluss-Nut detektiert wird (Schritt S23). Auf diese Weise kann durch Vergleichen zwischen dem energieäquivalenten Signal des Kurzschluss-Magnetpols, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und dem energieäquivalenten Signal des fehlerfreien Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist, die Kurzschluss-Nut detektiert werden.
Wie oben beschrieben, ist in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform die Signal-Umwandlungseinheit 102 konfiguriert zum Umwandeln der Detektionssignale, die an einer Mehrzahl von Positionen detektiert werden, die voneinander durch eine Phase von 180° oder mehr im elektrischen Winkel verschieden sind, in energieäquivalente Signale. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist konfiguriert zum Vergleichen der energieäquivalenten Signale miteinander, so dass dadurch die Rotornut 12 detektiert wird, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist. Mit dieser Konfiguration kann durch Wellenform-Vergleich in räumlicher Richtung die Rotornut 12 spezifiziert werden, in welcher der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist.
Diese Ausführungsform kann in Kombination mit der zweiten Ausführungsform ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Rotation des Rotors 10 verwendet, um das energieäquivalente Signal des Kurzschluss-Magnetpols zu erzeugen, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, sowie das energieäquivalente Signal des fehlerfreien Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist, und zwar auf der Basis des Prüfspulen-Spannungssignals von einer Prüfspule 24. Diese energieäquivalenten Signale werden miteinander verglichen, so dass dadurch die Kurzschluss-Nut detektiert wird, und zwar auf der Basis des Prüfspulen-Spannungssignals von der einen Prüfspule 24.
Außerdem wird die Kurzschluss-Nut mittels eines ähnlichen Verfahrens detektiert, das auch auf dem Prüfspulen-Spannungssignal von einer weiteren Prüfspule 24 basiert. Diese Detektionsergebnisse werden zusammengeführt und so schließlich die Kurzschluss-Nut spezifiziert. Wenn diese Ausführungsform und die zweite Ausführungsform kombiniert ausgeführt werden, kann - wie oben beschrieben - eine fehlerhafte Detektion eines Kurzschlusses und ein Übersehen eines Kurzschlusses infolge eines Versagens oder dergleichen vermieden werden.
Vierte Ausführungsform
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung verwendet, die verschieden ist von der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100, um zu detektieren, dass ein Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und dann wird die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 verwendet, um die Kurzschluss-Nut zu spezifizieren.
14 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Ablaufes der Kurzschlussdetektions-Verarbeitung in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform. Die in 14 veranschaulichte Verarbeitung wird von dem Prozessor der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 durchgeführt, der das in der Speichereinrichtung der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gespeicherte Programm ausführt. In diesem Fall wird angenommen, dass die Tatsache selbst, dass der Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, bereits mittels der oben erwähnten verschiedenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung detektiert worden ist.
Außerdem wird angenommen, dass die oben erwähnte verschiedene Kurzschluss-Detektionseinrichtung konfiguriert ist zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung 13 durch Verwendung des Prüfspulen-Spannungssignals wie es ist, ohne das Prüfspulen-Spannungssignal umzuwandeln.
Wie in 14 veranschaulicht, erfasst zunächst die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das Prüfspulen-Spannungssignal von der oben erwähnten verschiedenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung als Detektionssignal (Schritt S31).
Dann wandelt die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das erfasste Prüfspulen-Spannungssignal in ein energieäquivalentes Signal um (Schritt S32).
Als Nächstes vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das energieäquivalente Signal, das im Schritt S32 umgewandelt wird, mit einem energieäquivalenten Signal im fehlerfreien Zustand, so dass sie dadurch die Kurzschluss-Nut detektiert (Schritt S33). Das energieäquivalente Signal im fehlerfreien Zustand ist beispielsweise aus dem Prüfspulen-Spannungssignal im fehlerfreien Zustand umgewandelt, das von der oben erwähnten verschiedenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung erfasst wird, und es wird in der Speichereinrichtung gespeicherte.
Wie oben beschrieben, ist in der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform das Prüfspulen-Spannungssignal von einer Einrichtung zu erfassen, die von der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 verschieden ist. Mit dieser Konfiguration kann die vorhandene Kurzschluss-Detektionseinrichtung wie sie ist verwendet werden. Wenn es schwierig ist, die Kurzschluss-Nut mit der vorhandenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung zu spezifizieren, kann die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform auch verwendet werden, um die Kurzschluss-Nut mit höherer Genauigkeit zu spezifizieren.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedenartige Modifikationen dabei vorgenommen werden. Beispielsweise ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Prüfspule 24 als ein Beispiel für den Magnetdetektor gegeben, der konfiguriert ist zum Detektieren des magnetischen Flusses des Rotors 10, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt.
Der Magnetdetektor kann auch ein Magnetsensor sein, beispielsweise ein Hall-Element, der bzw. das konfiguriert ist zum Messen einer magnetischen Flussdichte durch Verwendung des Hall-Effekts, oder er kann ein Magnetsensor sein, der konfiguriert ist zum Messen einer magnetischen Flussdichte durch Verwendung des magneto-resistiven Effekts, beispielsweise des Riesenmagnetowiderstandseffekts.
Außerdem ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen als Detektionssignal der Umfangsverteilung des magnetischen Flusses des Rotors 10 das Prüfspulen-Spannungssignal, das aus der Prüfspule 24 ausgegeben wird, als ein Beispiel gegeben, aber das Detektionssignal kann auch ein Spannungssignal sein, das aus einem Halbleiterelement ausgegeben wird, oder es kann ein Stromsignal sein.
Außerdem gilt bei den oben beschriebenen Ausführungsformen Folgendes: Wenn das Prüfspulen-Spannungssignal in das energieäquivalente Signal umgewandelt wird, so wird der Wert verwendet, der erhalten wird, indem der Momentanwert des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird, oder der Wert, der erhalten wird, indem der Durchschnittswert in jedem Abtastzeitpunkt des Prüfspulen-Spannungssignals quadriert wird, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt.
Anstelle des oben erwähnten Momentanwerts oder des oben erwähnten Durchschnittswerts kann auch der Effektivwert des Prüfspulen-Spannungssignals verwendet werden. Anstatt zu quadrieren, kann außerdem auch eine mathematische Verarbeitung durchgeführt werden, die es stets erlaubt, dass das Berechnungsergebnis 0 oder mehr ist, wie bei der Quadrierung. Selbst wenn eine solche mathematische Verarbeitung durchgeführt wird, um die Messfrequenz zu erhöhen, um die räumliche Auflösung zu erhöhen, können Wirkungen erzielt werden, die ähnlich zu denjenigen in der vorliegenden Erfindung sind.
Ungeachtet dessen, ob oder ob nicht der Kurzschluss bei der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, können außerdem zwei energieäquivalente Signale kontinuierlich in der Zeit oder in einem Zeitintervall erfasst werden, und die zwei energieäquivalenten Signale können miteinander verglichen werden, um die Kurzschluss-Nut zu detektieren.
Die oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsformen können in verschiedenartigen Kombinationen miteinander ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
11: Rotorkern
12: Rotornut
13: Feldwicklung
14: Magnetpol
20: Stator
21: Statorkern
22: Statornut
23: Mehrphasenwicklung
24: Prüfspule
30: Luftspalt
41: Magnetpol-Mittelrichtung
42: Zwischenpol-Mittelrichtung
100: Kurzschluss-Detektionseinrichtung
101: Magnet-Detektionseinheit
102: Signal-Umwandlungseinheit
103: Kurzschluss-Detektionseinheit
104: Signal-Verzögerungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 58005682 A [0004]

Claims

Kurzschluss-Detektionseinrichtung, die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung, die in einer Mehrzahl von Rotornuten in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gewickelt ist, wobei die Kurzschluss-Detektionseinrichtung Folgendes aufweist: - eine Signal-Umwandlungseinheit, die konfiguriert ist zum Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors; und - eine Kurzschluss-Detektionseinheit, die konfiguriert ist zum Detektieren einer Rotornut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signal-Umwandlungseinheit konfiguriert ist zum Umwandeln des Detektionssignals in ein energieäquivalentes Signal durch Verwendung eines Wertes, der erhalten wird, indem ein Momentanwert des Detektionssignals quadriert wird, oder eines Wertes, der erhalten wird, indem ein Durchschnittswert in jedem Abtastzeitpunkt des Detektionssignals quadriert wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen des energieäquivalenten Signals, das aus einem gegenwärtigen Detektionssignal umgewandelt worden ist, mit dem energieäquivalenten Signal, das aus einem vergangenen Detektionssignal umgewandelt worden ist, so dass dadurch die Rotornut detektiert wird, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Signal-Verzögerungseinheit aufweist, die konfiguriert ist zum Erzeugen eines Verzögerungssignals durch Verzögern der Phase des Detektionssignals um 180° im elektrischen Winkel, wobei die Signal-Umwandlungseinheit konfiguriert ist zum Umwandeln des Verzögerungssignals in ein energieäquivalentes Signal, und wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen des energieäquivalenten Signals, das aus dem Detektionssignal umgewandelt worden ist, mit dem energieäquivalenten Signal, das aus dem Verzögerungssignal umgewandelt worden ist, so dass dadurch die Rotornut detektiert wird, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signal-Umwandlungseinheit konfiguriert ist zum Umwandeln der Detektionssignale, die an jeweiligen Positionen detektiert werden, die voneinander um eine Phase von 180° oder mehr im elektrischen Winkel verschieden sind, in energieäquivalente Signale, und wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen der energieäquivalenten Signale miteinander, so dass dadurch die Rotornut detektiert wird, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Detektionssignal von einer Einrichtung erfasst werden soll, die verschieden ist von der Kurzschluss-Detektionseinrichtung.
Kurzschluss-Detektionsverfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung, die in einer Mehrzahl von Rotornuten in einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gewickelt ist, wobei das Kurzschluss-Detektionsverfahren Folgendes aufweist: - Umwandeln eines Detektionssignals, in welchem eine Umfangsverteilung eines magnetischen Flusses des Rotors detektiert wird, in ein energieäquivalentes Signal entsprechend einer Umfangsverteilung der magnetischen Energie des Rotors; und - Detektieren einer Rotornut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, durch Verwendung des energieäquivalenten Signals.