DE2933398B2 - Fehlerdiagnoseeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlerdiagnoseeinrichtung für die Wicklung eines elektrischen Geräts.

Auf dem Gebiet der elektrischen Geräte, und zwar insbesondere der rotierenden elektrischen Maschinen wurden in jüngster Zeit hinsichtlich der Kapazitätssteigerung dieser Geräte sowie einer kompakten Leichtbauweise erhebliche Fortschritte erzielt Die Wicklungen der elektrischen Geräte sind daher während des Betriebs drastischen Bedingungen ausgesetzt Gleichzeitig wird insbesondere bei den rotierenden elektrischen Maschinen eine höhere Zuverlässigkeit gefordert, um den Zeitraum zwischen den regiemäßigen Inspektionen zu verlängern. Es ist darüber hinaus äußerst wichtig, insbesondere bei älteren elektrischen Geräten einen durch Fehlerzustände oder durch unerwünschte Halterungszustände der Wicklungen verursachten erhöhten Energieverbrauch zu vermeiden. Dazu ist eine Fehlerdiagnose der Wicklungen durch nichtdestruktive Inspektion erforderlich.

Bei der Diagnose von Fehlerzuständen von Wicklungen bei elektrischen Geräten, wie rotierenden, elektrischen Maschinen, begnügt man sich gewöhnlich mit einer Inaugenscheinnahme oder klopft zum Herausfinden eines Fehlerzustandes der Wicklung diese mit einem Hammer leicht ab. Erfolg und Zuverlässigkeit dieser Inspektionsverfahren hängen jedoch in hohem Maße von der Erfahrung der untersuchenden Person ab. Im allgemeinen vermag das herkömmliche Verfahren keine objektiven Informationen oder Daten bezüglich der Fehlerzustände der Wicklungen zu liefern. Eine direkte Messung der Funktionswerte ist schwierig und man hat daher eine Vielzahl von Verfahren zur Erfassung von abgeleiteten Werten entwickelt. Dabei

■to war es erforderlich, die experimentellen Messungen über einen langen Zeitraum durchzuführen, um die Signifikanz der gewonnenen Daten beurteilen zu können. Bei keinem der bisher bekannten Verfahren besteht die Möglichkeit, anhand von direkt gewonnenen Meßdaten einen bestimmten Zustand abzuschätzen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit eines elektrischen Geräts, zur Verhinderung von schweren Defekten und zur Verbesserung der Wartung des elektrischen Geräts, eine Fehlerdiagnoseeinrichtung für eine Wicklung zu schaffen, mit der durch nichtdestruktive Inspektion Fehlerzustände oder unerwünschte Halterungszustände der Wicklung direkt erfaßt werden können, und zwar auf äußerst zuverlässige Weise sowohl bei der Herstellung des elektrischen Geräts als auch nach der Benutzung desselben während einer längeren Zeitdauer. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fehlerdiagnoseeinrichtung für die Wicklung eines elektrischen Geräts gelöst, welche gekennzeichnet ist durch eine Vibrationseinrichtung 10 zur zwangsmäßigen Herbeiführung einer Vibration der Wicklung 2 des elektrischen Geräts durch Einspeisung eines Stroms mit einer vorbestimmten Frequenz und eine Detektoreinrichtung 11 zur Erfassung einer durch die erzwungene Vibration in der Wicklung 2 hervorgerufenen physikalischen Erscheinung und eine Anzeigevorrichtung 110 zur Anzeige der Ergebnisse der Detektoreinrichtung 11.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von

Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fehlerdiagnoseeinrichtung für eine Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine;

F i g. 2 ein Schaltbild der in F i g. 1 verwendeten Vibrationseinrichtung;

Fig.3 ein Diagramm einer Stroniwellenform oder einer Impulswellenform;

Fig.4 ein Diagramm zum Vergleich der in der ic Wicklung gebildeten elektromagnetischen Kraft bei Abwesenheit eines Fehlerzustandes in der Wicklung mit der Schwingungsbeschleunigung in der Wicklung;

F i g. 5 ein Diagramm zum Vergleich der elektromagnetischen Kraft im Falle eines Fehlerzustandes in der Wicklung mit de·· Schwingungsbeschleunigung in der Wicklung;

Fig.6 eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht einer Ausführungsform der Detektoreinrichtung im Betrieb;

Fig.7(a), (b) Zeitdiagramme der Wellenformen in verschiedenen Teilen der Vibrationseinrichtung;

F i g. 8(a), (bj[ Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung der elektromagnetischen Kraft und der Verschiebung der Ankerwicklung im Normalzustand; und

F i g. 9(a), (b) ein der F i g. 8 entsprechendes Zeitdiagramm bei Vorliegen eines Fehlerzustandes.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfinoungsgemäßen Fehlerdiagnoseeinrichtung zur Diagnose eines jo Fehlerzustandes in einer Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine. Die Einrichtung gemäß F i g. 1 umiaßt einen Anker 1, eine Ankerwicklung 2, einen Kommutator 3, eine Fahne 4 zur Verbindung der Ankerwicklung 2 mit dem Kommutator 3, ein Glasband 5 zur Verhinderung einer Deformation der Ankerwicklung durch Zentrifugalkräfte, eine Halterung 6 für die Ankerwicklung, eine Spule 7 für gleichförmigen Druck und ein Lager 8. Eine Vibrationseinrichtung 10 ist über Zuleitungen 9 mit dem Kommutator 3 des Ankers gemäß F i g. 1 verbunden. Die Vibrationseinrichtung 10 kann der Ankerwicklung 2 einen Wechselstrom nur während einer vorbestimmten Zeitdauer zuführen. In der Ankerwicklung 2 wird durch den Wechselstrom eine erzwungene Vibration verursacht, und diese Vibration der Ankerwicklung 2 wird durch eine Detektoreinrichtung 11 erfaßt, welche an der Ankerwicklung befestigt ist oder an diese angedrückt wird. Das Ergebnis wird auf einer Anzeigevorrichtung 110, z. B. einem Oszilloskop, dargestellt. Man erkennt somit, daß die Vibrationsein- so richtung 10 eine erzwungene Vibration der Ankerwicklung 2 herbeiführt, und zwar durch Einspeisung eines Wechselstroms in die Ankerwicklung 2. Die Detektoreinrichtung 11, z. B. ein Beschleunigungsmeßgerät, kann eine piezoelektrische Vorrichtung sein.

Die Vibrationseinrichtung 10 soll im folgenden erläutert werden. F i g. 2 zeigt ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform der Vibrationseinrichtung 10 und F i g. 3 zeigt ein Diagramm der Ausgangsstromwellenform der Vibrationseinrichtung 10 sowie die Impulswellenform des durch einen Zähler 18 fließenden Stroms. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Die Vibrationseinrichtung 10 umfaßt einen Schalter 12, eine Steuereinrichtung 13, z. B. einen Transformator vom Schleiftyp, einen Leistungstransformator 14, einen Thyristor 15, eine Steuerelektrode 16, eine Einschalt-Steuereinrichtung, insbesondere einen Einschaltimpulsgenerator 17, einen Zähler 18, einen Stromtransformator 19 und ein Amperemeter 20. Die Eingangsanschlüsse sind mit /bezeichnet und die Ausgangsanschlüsse mit O.

Die Steuereinrichtung 13 ist mit der Primärwicklung des Leistungstransformators 14 verbunden und wird derart eingestellt, daß die Amplitude des durch die Ankerwicklung 2 fließenden Stroms den gewünschten Wei t erhält. Die Steuereinrichtung 13 dient daher zur Einstellung der Amplitude des Ausgangssignals der Vibrationseinrichtung. Andererseits kann die Phase des Stroms zu Beginn durch den Thyristor 15 gesteuert werden sowie durch den Einschaltimpuisgenerator 17. Der Punkt B in der Stromwellenform 21 der Fig.3 bezeichnet eine Schließzeit (Zeit, bei der der Thyristor leitend wird). Im allgemeinen kann die Schließphase im Bereich von 0 bis 180° eingestellt werden. Der Zähler 18 zählt die Impulse 23 der Impulswellenform 22 in F i g. 3, weiche durch den Einschaltimpuisgenerator 17 erzeugt werden, und zwar jedesmal, wenn der Strom Null ist. Die Stromzyklen während des Fließens des Stroms werden durch die Impulse 23 bestimmt Die Erzeugung der Impulse durch den Einschaltimpulsgenerator 17 wird gestoppt, am den der Ankerwicklung 2 zugeführten Strom für die Diagnose zu unterbrechen, und zwar sobald eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist. Der für die Diagnose eingespeiste Strom liegt über dem Nennstrom, so daß eine erzwungene Vibration der Wicklung der rotierenden Maschine zustande kommt. Die Zeitdauer des Stromflusses sollte kurz sein, um eine Überhitzung der Wicklung zu vermeiden.

Im folgenden soll der Vorgang der Diagnose eines Fehlerzustandes in der Ankerwicklung näher erläutert werden. Die Vibrationseinrichtung 10 wird gemäß F i g. Ib mit dem Anker 3 verbunden und die Anzahl der Zyklen des Stroms, welche durch die Ankerwicklung 2 fließen sollen, wird auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Der Schalter 12 gemäß Fig.2 wird geschlossen und der durch die Ankerwicklung 2 fließende Strom wird mit dem Amperemeter 20 gemessen und die Schwingungsbeschleunigung der Ankerwicklung 2 wird durch die Detektoreinrichtung 11 gemessen. Der Vorgang wird wiederholt, und zwar unter Steuerung der Steuereinrichtung 13 zur Erzeugung einer zweckentsprechenden Vibration der Ankerwicklung. Eine plötzliche Änderung in der Beschleunigungswellenform der Ankerwicklung 2 wird ermittelt. Aufgrund dieser Erfassung einer Beschleunigung ist es möglich, bestimmte Fehlerzustände in der Ankerwicklung einer neu hergestellten Gleichstrommaschine festzustellen, und zwar hinsichtlich der Bedingungen der Halterung der Ankerwicklung in den Nuten. Es ist ferner möglich, bei einer Gleichstrommaschine, die während einer langen Zeitdauer in Betrieb war, einen Fehlerzustand der Ankerwicklung 2 oder einen Fehlerzustand der Halterung der Ankerwicklung 2 in den Nuten der Gleichstrommaschine festzustellen, indem man eine plötzliche Änderung der Beschleunigungswellenform der Ankerwicklung 2 ermittelt oder indem man die Beschleunigungswelienform zu Anfang mit der Beschleunigungswellenform nach einer längeren Betriebszeit vergleicht.

Im folgenden soll das Prinzip der Diagnose eines Fehlerzustands der Ankerwicklung erläutert werden. Fig.4 zeigt eine elektromagnetische Wellenform 24 und eine Beschleunigungswellenform 25, wenn die Ankerwicklung 2 keinen Fehlerzustand aufweist und in zweckentsprechender Weise in den Nuten gehaltert ist. Wenn kein Fehlerzustand in der Ankerwicklung 2 vorliegt und die Ankerwicklung 2 in zweckentsprechen-

der Weise gehalten wird, so ist die Beschleunigungswellenform 25 eine Sinuswellenform, welche der elektromagnetischen Wellenform 24 der Ankerwicklung 2 entspricht. Die elektromagnetische Wellenform 24 ist im Prinzip identisch mit der Diagnosestromwellenform.

Fig.5 zeigt eine elektromagnetische Wellenform 24 und eine Beschleunigungswellenform 25 für den Fall, daß ein Hohlraum in dem inneren Bereich der Ankerwicklung 2 ausgebildet wird, oder für den Fall, daß die Ankerwicklung 2 unter unerwünschten Halterungsbedingungen in der Nut gehalten wird. In diesem Fall verursacht die Ankerwicklung 2 nichtlineare Vibrationen oder Kollisionsvibrationen in der Nut, so daß Impulsbeschleunigungsvariationen 26, 26' mit plötzlicher Änderung auf der Fundamentwellenform ausgebildet werden, wobei die Furidamenialweiienforrn der elektromagnetischen Wellenform 24 entspricht. Die Wellenformen erscheinen auf der Detektoreinrichtung 110. Die Impulsbeschleunigungsvariationen 26, 26' werden jedesmal dann gebildet, wenn die Schwingung der Ankerwicklung 2 in Richtung des Keils verläuft oder in Richtung des Nutbodens. Nach den Impulsbeschleunigungsvariationen 26,26' erscheinen Beschleunigungsvariationen 27 mit einer hohen Frequenz von z. B. 2 bis 3 Hz. Daher kann man den Fehlerzustand der Ankerwicklung 2 oder den unerwünschten Halterungszustand der Ankerwicklung 2 aus der plötzlichen Änderung der Wellenform ermitteln, und zwar durch Messung der Variation der Beschleunigungswellenform 24 der Ankerwicklung 2.

Diese Ausführungsform der Erfindung zeigt, daß der Fehlerzustand der Ankerwicklung 2 oder der unerwünschte Halterungszustand der Ankerwicklung 2 durch die plötzliche Änderung der Beschleunigung der Ankerwicklung 2 erfaßt werden kann. Ferner werden plötzliche Änderungen der Last oder Beanspruchungen des Keils aufgrund einer Kollision der Ankerwicklung 2 mit dem Keil oder dem Boden der Nut festgestellt. Daher kann der Fehlerzustand der Ankerwicklung 2 auch erfaßt werden durch Erfassung der Last oder der Beanspruchung des Keils.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 bis 5 wird der Fehlerzustand der Ankerwicklung oder der unerwünschte Halterungszustand ermittelt durch die Verschiebung der Ankerwicklung. Es ist möglich, die Verschiebung zu messen, und zwar durch Integrierung des Beschleunigungssignals über eine Integrierungsschaltung nach Messung des Beschleunigungssignals. Hierzu wird eine Detektoreinrichtung zur Messung der Beschleunigung an der Ankerwicklung befestigt

Die F i g. 6 bis 9 zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird als Detektoreinrichtung 11 ein Detektor zur Erfassung der Verschiebung oder Verlagerung der Ankerwicklung verwendet

Im übrigen entspricht der Aufbau demjenigen der vorhergehenden Ausführungsform. Daher soll unter Bezugnahme auf F i g. 2 nur eine Ausführungsform der Detektoreinrichtung 11 für die Wicklung erläutert werden. F i g. 6 zeigt eine schematische, perspektivische Teildarstellung eines Kantenbereichs der Ankerwicklung. Gemäß F i g. 6 haftet eine Metallfolie 140 an einem Ende der Ankerwicklung 2 und ein Verschiebungs- oder Verlagerungssensor 150 wird durch eine nicht gezeigte Halterung derart gehalten, daß er außer Kontakt mit der Metallfolie 140 bleibt Wenn ein Gerät vom elektromagnetischen Induktionstyp als Verschiebungssensor 150 verwendet wird, so wird als Metallfolie 140 eine magnetische Substanz verwendet. Wenn ein Verschiebungssensor vom Kapazitätstyp verwendet wird, so dient als Metallfolie 140 ein elektrisch leitfähiges Material, und die Gegenelektrode wird der Elektrode gegenüber ausgebildet, und die Verschiebung des Ankers wird erfaßt anhand der Änderung der elektrostatischen Kapazität.

ι« Gemäß Fig.6 ist ein Ankerkern 160 vorgesehen sowie ein Keil 170 für die Befestigung oder Verriegelung der Ankerwicklung in der Nut und ein Füllmaterial 180 zur Verhinderung einer freien Beweglichkeit des Keils 170.

\'i Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßcn Fehierdiagnoseeinrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Daher soll die Arbeitsweise insgesamt nicht wiederholt werden. Die ermittelten Wellenformen sind jedoch gemäß den F i g. 8 und 9 modifiziert. Sie ergeben sich aufgrund der Wellenformen an verschiedenen Teilen der Vibrationseinrichtung, welche in F i g. 7 dargestellt sind.

Die Fig.8a und 8b zeigen die Variation der

2Ί elektromagnetischen Kraft und die Wellenform der Verschiebung der Ankerwicklung für den Fall, daß kein Fehlerzustand der Ankerwicklung vorliegt und daß die Ankerwicklung in erwünschtem Zustand in der Nut gehaltert ist. In diesem Falle erhält man eine Verschiebungswellenform vom Sinustyp entsprechend der Änderung der elektromagnetischen Kraft.

Die F i g. 9a und 9b zeigen die Änderungen der elektromagnetischen Kraft und die Wellenform der Verschiebung der Ankerwicklung für den Fall, daß ein

ü Hohlraum in der Ankerwicklung vorliegt, oder für den Fall, daß die Ankerwicklung in einem unerwünschten Halterungszustand in der Nut gehaltert ist Bei einem solchen Fehlerzustand kommt es zu einer nichtlinearen Vibration oder einer Kollisionsvibration der Ankerwicklung in der Nut Daher wird die Fundamentalwellenform, welche der Änderung der elektromagnetischen Kraft entspricht, gemäß F i g. 9b durch kleine Schwingungen überlappt welche durch die Verschiebung der Ankerwicklung zustande kommen. Das gezeigte Phänomen wird als Plateauphänomen bezeichnet Die Fehlerdiagnose kann somit auch anhand der Verschiebungswellenform erfolgen, und zwar durch Messung der Verschiebung der Ankerwicklung 2.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen erfolgte die Diagnose des Fehlerzustandes einer Ankerwicklung bei einer Gleichstrommaschine. Die Fehlerdiagnoseeinrichtung eignet sich jedoch auch zur Erfassung von Fehlerzuständen in den Wicklungen anderer rotierender Maschinen, z. B. eines Dynamos oder eines Induktionsmotors. Darüber hinaus können auch Fehlerzustände eines stationären elektrischen Instruments mit einer Wicklung, z. B. eines Transformators, festgestellt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurde eine Wechselstromquelle 10 verwendet Es ist jedoch möglich, die Diagnose des Fehlerzustandes dadurch vorzunehmen, daß man durch die Ankerwicklung 2 einen Strom mit einer Halbweggleichrichtungswellenform schickt falls eine vorbestimmte Frequenz in der Wellenform vorliegt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Fehlerdiagnoseeinrichtung für die Wicklung eines elektrischen Geräts, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinrichtung (10) zur zwangsmäßigen Herbeiführung einer Vibration der Wicklung (2) des elektrischen Geräts durch Einspeisung eines Stroms mit einer vorbestimmten Frequenz und eine Detektoreinrichtung (11) zur Erfassung einer durch die erzwungene Vibration in der Wicklung (2) hervorgerufenen physikalischen Erscheinung und eine Anzeigevorrichtung (110) zur Anzeige der Ergebnisse der Detektoreinrichtung (11).

2. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (110) die Ergebnisse der Detektoreinrichtung (11) in Form einer Vibrationswellenform anzeigt

3. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datektoreinrichtung (11) eine Schwingungsbeschleunigung der Wicklung (2) direkt erfaßt

4. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (11) die durch die Vibration der Wicklung (2) hervorgerufene Belastung eines Teils des elektrischen Geräts erfaßt.

5. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (11) ein piezoelektrischer Detektor zur Umwandlung der durch die erzwungene Vibration der Wicklung hervorgerufenen mechanischen Kräfte in ein elektrisches Ausgangssignal ist

6. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (i i) ein Verschiebungsdetektor zur Erfassung der Verschiebung der Wicklung (2) ist.

7. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (10) eine Steuereinrichtung (13) zur Steuerung der Amplitude des Ausgangssignals umfaßt.

8. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (10) der Wicklung (2) einen Wechselstrom zuführt.

9. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (10) eine Phasenwinkelsteuereinrichtung (15—17) umfaßt, welche einen Phasenwinkel auf einen Zeitpunkt einstellt, zu dem die Einspeisung des Stroms in die Wicklung (2) beginnen soll.

10. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkelsteuereinrichtung (15—17) einen Einschaltimpulsgenerator (17) umfaßt, welcher den Phasenwinkel zum Zeitpunkt der Einleitung des Einspeisens des Stroms in die Wicklung (2) steuert, und zwar durch Erzeugung eines Zündimpulses in jedem Zyklus des Ausgangssignals der Vibrationseinrichtung (10), sowie einen Zähler (18) zum Zählen der Anzahl der Zündimpulse und zur Unterbrechung der Einspeisung des Stroms in die Wicklung (2) durch Übertragung eines Stoppsignals an den Einschaltimpulsgenerator (17), wenn der Zählerwert einen vorbestimmten Wert erreicht.

U. Fehlerdiagnoseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das

elektrische Gerät eine rotierende, elektrische Maschine ist