DE3313418C2

DE3313418C2 - Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur einer elektrischen Asynchron-Maschine mit Kurzschlußläufer

Info

Publication number: DE3313418C2
Application number: DE19833313418
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Zwack
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2003-04-14
Also published as: DE3313418A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überwachen der Läufer temperatur einer elektrischen Asynchron-Maschine mit Kurzschluß läufer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Betrieb elektrischer Maschinen, speziell der Asynchron- Maschine, treten bei bestimmten Betriebsfällen gegenüber dem normalen Dauerbetrieb erhöhte Verluste im Ständer und Läufer der Maschine auf. Solche Betriebsfälle sind blockierter Läu fer, Schweranlauf, elektrisches Bremsen, Schaltbetrieb mit Einfluß des Anlaufes, Versorgungsspannung mit hohem Ober schwingungsgehalt Unterspannung erhöhte Umgebungstemperatur usw. Diese erhöhten Verluste bewirken einen Anstieg der Temperatur im Ständer und Läufer, was unter anderem zur dauerhaften Beschädigung einzelner Teile, Herabsetzung der Lebensdauer oder beim Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zu einer Zündung des explosiven Gemisches führen kann.

Aus den vorstehenden Gründen war es seit Einführung dieser Maschinen das Bestreben, diese beim Auftreten kritischer Temperaturen zu schützen, was im allgemeinen mit der Abschal tung vom Versorgungsnetz erfolgt.

Die Überwachung der Ständerwicklungstemperatur stellt heute kein Problem dar und erfolgt vor allem mit Kaltleiterfühlern, Heißleiterfühlern oder Thermoelementen. Bei einem Großteil der Asynchron-Maschinen, vor allem bei Mittel- und Großmo toren, erreichen jedoch Teile des Läufers bei den bereits erwähnten Betriebsfällen schneller ihre kritische Temperatur als dies die Überwachungselemente im Ständer und deren nachgeschaltete Auslöseorgane verhindern können - man spricht hier von "läuferkritischen" Motoren -, so daß bei diesen Maschinen die Läufertemperatur überwacht werden muß. Dies bereitet jedoch wegen der Drehbewegung des Säufers Schwierigkeiten, insbesondere wenn eine Signalüber tragung über Schleifringe und Bürsten vermieden werden soll, weil diese den Prinzipien der Asynchron-Maschine, einfacher Aufbau und Wartungsarmut, widersprechen würde.

Eine Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur einer elektri schen Asynchron-Maschine mit Kurzschlußläufer ist aus der DE-OS 25 09 002 bekannt. Diese Anordnung besitzt einen Übertrager, des sen Primärteil stationär befestigt ist und dessen durch einen Luftspeicher vom Primärteil getrennter Sekundärteil auf der Wel le des Läufers sitzt und mitrotiert. Ferner sind temperaturabhän gige Ein-Aus-Schalter vorhanden, die von der an den zugehörigen Meßstellen vorherrschenden Läufertemperatur beaufschlagt sind. Bei einer Ausführungsform der vorbekannten Anordnung sind mehre re Schalter vorhanden, die bei verschiedenen Temperaturen ein Schaltsignal abgeben. Es ist allerdings lediglich ein einziger Übertrager vorgesehen.

Die DE-AS 15 13 219 offenbart eine Einrichtung zum Schutz gegen Temperaturüberschreitung für den Rotor einer elektrischen Maschi ne mit einem temperaturabhängigen Schaltelement und mit einer Übertragerspule innerhalb des Rotors sowie mit einer statorseiti gen Übertragerspule, die einen Steuerkreis beeinflußt. Damit die Einrichtung von Rotorwicklungen unabhängig ist und daher auch bei wicklungslosen Rotoren zur Anwendung kommen kann, bildet die rotorseitige Übertragerspule zusammen mit einem Kondensator ei nen Schwingkreis, in dem parallel zur Übertragerspule ein tempe raturabhängiges Widerstandselement als Dämpfungsglied angeordnet ist. Der Steuerkreis kann einen Verstärker, einen Gleichrichter mit Glättungsstufe sowie einem Schmitt-Trigger umfassen. Der Lei stungsschalter der Maschine kann an den Ausgangskreis des Schmitt-Triggers angekoppelt sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1 vorzuschlagen, die sich durch eine umfas sendere Funktionstüchtigkeit und höhere Zuverlässigkeit auszeich net.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Jeder Ein-Aus- Schalter ist an einem anderen Übertrager angeschlossen. Minde stens ein Ein-Aus-Schalter löst ein Vorwarnsignal aus, wenn in einem vorkritischen Zustand bereits eine gefährliche Temperatur erreicht worden ist, die jedoch noch unter der kritischen Tempe ratur liegt. Hierdurch ist es möglich, in die Überwachung des Temperaturanstiegs an der Meßstelle auch einen oder mehrere vorkritische Zustände einzubeziehen und z. B. ein Vorwarnsignal auszulösen, wenn eine bereits gefähr liche Temperatur erreicht worden ist, die jedoch noch unter der kritischen Temperatur liegt. In einem solchen Falle geben die zusätzlich zu dem das Abschaltsignal liefernden Übertrager vorgesehenen weiteren Übertrager das Vorwarn signal bzw. die ggf. mehreren Vorwarnsignale mit steigender Temperatur schon vor Erreichen der kritischen Temperatur an eine Vorwarneinrichtung ab, damit ggf. schon vor Erreichen der kritischen Temperatur Gegenmaßnahmen getroffen werden können, mit denen die Abschaltung verhindert werden kann.

Durch die mit dem Erreichen der kritischen Temperatur an der überwachten Stelle des Läufers einhergehende, plötzliche Ände rung der Lastverhältnisse im Sekundärkreis des Übertragers ent steht in dessen Primärkreis zuverlässig ein eindeutiges Signal, wobei mit den Ein-Aus-Schaltern und den Übertragern nur robuste, störungssichere sowie einfache Elemente von hoher Lebensdauer zur Anwendung gelangen.

Die Unteransprüche betreffen bevorzugte vorteilhafte Ausführungs formen des Gegenstandes des Anspruchs 1.

Die Maßnahmen gemäß Anspruch 2 und 3 empfehlen sich insbesonde re, wenn an mehreren Stellen des Läufers kritische Temperaturen auftreten können und nicht von vornherein feststeht, an welcher dieser Stellen der kritische Zustand zuerst erreicht wird.

Ein besonders deutliches Vorwarn- bzw. Abschaltsignal wird mit der Maßnahme gemäß Anspruch 4 erreicht, die mit den besonderen Ein-Aus-Schaltern nach Anspruch 5 oder 6 realisierbar ist. Eine weitere Steigerung des die unterschiedlichen Lastzustände kenn zeichnenden Signalunterschiedes ist mit der Maßnahme nach An spruch 7 erreichbar. Gemäß Anspruch 8 wird auch der Zustand ei nes eventuellen Leitungsbruchs in die Überwachung mit einbezo gen.

Der Anspruch 9 kennzeichnet eine für die erfindungsgemäße Überwa chung besonders günstige konstruktive Gestaltung des Übertra gers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Ausfüh rungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Anordnung mit parallelgeschalteten EIN-AUS-Schaltern,

Fig. 2 eine Variante zu Fig. 1, bei der die EIN-AUS- Schalter in Reihe geschaltet sind,

Fig. 3 die konstruktive Gestaltung des an dem Läufer angeordneten Übertragers in Ansicht von der Seite sowie teilweise im Längsschnitt, wobei auch zwei EIN-AUS-Schalter schematisch darge stellt sind,

Fig. 4 die Vorderansicht des Übertragers aus Fig. 3, und

Fig. 5 das Schaltbild der Primärseite des Übertragers mit einen Kondensator aufweisender Beschaltung.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur weist bei allen Ausführungen einen Übertrager (Fig. 1, 3) und temperaturabhängige EIN-AUS-Schalter (Fig. 1, 2, 3) auf.

Der Primärteil 1 des Übertragers ist stationär befestigt, während der Sekundärteil 2 auf der Welle 6 des Läufers sitzt und mitrotiert. Beide Übertragerteile sind durch einen Luft spalt getrennt. Die Enden C, D der Sekundärwicklung 9 sind mit einem oder mehreren temperaturabhängigen EIN-AUS-Schaltern (Fig. 1, 2) wie Thermokontakten, Bimetallen etc. verbunden.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind die EIN-AUS-Schalter Schließkontakte, die parallelgeschaltet sind und schließen, wenn an der von ihnen überwachten Stelle des Läufers eine kritische Temperatur auftritt. Bei der Ausführung nach Fig. 2, die ansonsten der Ausführung nach Fig. 1 entspricht, sind die EIN-AUS-Schalter in Reihe geschaltete Öffnungskontakte 4, die öffnen, wenn sich an der von ihnen überwachten Stelle des Läufers eine kritische Temperatur einstellt. Der oder die temperaturabhängige(n) Schalter 3, 4 befinden sich an den Stellen des Läufers mit der höchsten Temperatur.

Bei Anlegen einer konstanten Wechselspannung auf der Primär seite des Übertragers (Fig. 1, 3, Klemmen A und B), fließt bei der Verwendung von Schließkontakten 3 und einer Läufertemperatur kleiner der Schalttemperatur der Leerlaufstrom des Übertragers. Mit dem Erreichen der Schalttemperatur und dem Schließen eines Schließkontaktes 3 wird die Sekundärseite des Übertragers kurzgeschlossen, und es fließt auf der Primärseite der soge nannte Kurzschlußstrom des Übertragers, der größer ist als der Leerlaufstrom und dessen Größe von der konstruktiven Aus führung der Anordnung abhängt. Dieser Unterschied bzw. der höhere Kurzschlußstrom dient als Signal "Läufer hat kritische Temperatur erreicht". Mit nachgeschalteten Auslöseorganen kann somit die Maschine abgeschaltet werden. Ein Überschreiten einer bestimmten Läufertemperatur, eine unzulässige Beein trächtigung der Lebensdauer oder gar eine Zerstörung von Teilen der Maschine wird damit auf einfache Weise verhindert. Nach dem Abkühlen des Läufers unter die Abschalttemperatur, verbunden mit dem Öffnen des oder der Kontakte 3, kann die Maschine wieder betrieben werden.

Bei Verwendung von EIN-AUS-Schaltern in Form von Öffnungs kontakten 4 nach Fig. 2 fließt im Betriebszustand "Läufer hat kritische Temperatur nicht erreicht" andauernd der größere Signalstrom (Übertragerkurzschlußstrom) Beim Betriebszustand "Läufer hat kritische Temperatur erreicht", der mit dem Öffnen eines Öffnungskontaktes 4 verbunden ist, stellt sich der kleinere Signalstrom (Übertragerleerlaufstrom) ein. Diese Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß auch der mögliche Fall eines Leitungsbruches mit in die Überwachung einbezogen wird, weil sich der Leitungsbruch in der gleichen Weise äußert wie das Öffnen eines Öffnungskontaktes 4.

Der Betrieb des Übertragers erfolgt im ungesättigten Teil seiner Magnetisierungskennlinie. Die temperaturabhängigen Schalter 3, 4 können am Kurzschlußring 15, an den Kurzschluß stäben 16 oder auch am Eisenpaket 14 angebracht werden (Fig. 3), wobei aufguten Wärmeübergang zu achten ist. Bei niederpoligen Maschinen kann durch entsprechende Dimensio nierung der Kurzschlußringe 15 der Läufer "ringkritisch" ge macht werden. Es würde somit die Anbringung eines oder mehrerer Schalter 3, 4 am Ring 15 ausreichen. Bei "stabkritischen" Läufern erfolgt der Einbau am Stab 16. Auf jeden Fall ist dafür zu sorgen, daß sich mindestens ein Schalter an der Stelle des Läufers befindet, die am schnellsten die kritische oder unzulässig hohe Temperatur erreicht.

Von besonderem Vorteil ist es, daß die Größe der beiden Signale Leerlauf- und Kurzschlußstrom von der Drehzahl des Läufers unabhängig ist.

Um die Abmaße des Primärteils 1 des Übertragers (Fig. 1, 3) möglichst klein halten zu können und/oder um einen möglichst großen Luftspalt zwischen den beiden Übertragerteilen 1, 2 zu erhalten, empfiehlt es sich, gemäß Fig. 5 auf der Primär seite einen Kondensator in Reihe zur Primärwicklung 11 zu schalten. Diese Schaltung entspricht einem Reihenschwing kreis (Fig. 5). Der Scheinwiderstand des Übertragers ist dabei in einen induktiven Blindanteil jX_L und einen Wirkanteil R zerlegt.

Wird der Wert des Kondensators so gewählt, daß sich z. B. für den Fall des sekundärseitigen Kurzschlusses die Blindanteile von Induktivität, jX_L, und Kapazität, jX_C, kompensieren (Re sonanz), so wird der Strom allein durch den verbliebenen Wirkanteil R begrenzt. Bei sekundärseitigem Leerlauf ändert sich der Wert des induktiven Blindwiderstandes und es ver bleibt neben dem Wirkanteil noch ein nichtkompensierter Blindanteil, der zusammen mit dem Wirkanteil den Strom ver mindert. Der Signalunterschied ist bei richtiger Dimen sionierung des Kondensators und einem relativ kleinen Wirk anteil (geringe Kupfer- und Eisenverluste) wesentlich größer als bei den Schaltungen nach Fig. 1 oder Fig. 2 ohne zu sätzlichen Kondensator. Zweckmäßigerweise wird dem Konden sator zur Entladung nach einem Abschalten der Überwachungs einrichtung ein hochohmiger Widerstand parallelgeschaltet. Dieser Widerstand hat auf das beschriebene Verhalten praktisch keinen Einfluß.

Nachstehend werden noch die einzelnen Teile des Übertragers erläutert:

Primärteil (Fig. 1, 3, 4):
Die Schenkel 13 und der Rücken bestehen aus Dynamoblech. Die Schenkel 13 sind zur besseren magnetischen Ankoppelung nach Fig. 4 mit einer Rundung versehen. Der Spulenkörper 12 mit der Primärwicklung 11 sitzt auf dem Rücken. Mit A und B sind die Enden der Primärwicklung 11 bezeichnet. Der Primär teil ist entweder am Lagerschild, am Ständergehäuse oder am Ständerblechpaket befestigt.

Sekundärteil (Fig. 1, 3, 4):
Die Halterung 7 besteht aus nicht-ferromagnetischem Material und ist auf die Läuferwelle 6 aufgepreßt bzw. mit dieser fest verbunden. Die Schenkel 8 sind aus Dynamoblech radial geschichtet; es empfiehlt sich, die Schenkel 8 im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 etwas breiter als die Schenkel 13 des Primärteils zu machen, damit auch bei axialem Spiel des Läufers die Übertrittsfläche nicht ver kleinert wird. Zum Herausführen der beiden Enden C und D der den Rücken 10 umschließenden Wicklung 9 dienen ein oder zwei kleine Bohrungen knapp unterhalb der Oberkante des dem Läuferpaket 14 näher gelegenen Schenkels 8. Zur Vermin derung eines zusätzlichen Luftspaltes wird das Dynamoblech des zwischen den Schenkeln 8 befindlichen Rückens 10 auf die Halterung 7 aufgerollt, ist sodann also achsparallel zur Läuferwelle 6 geschichtet. Der Rücken 10 besteht aus einem oder mehreren Blechstreifen. Im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 ist die Wicklung 9 durch eine Aus kleidung aus Isolationsmaterial von den Dynamoblechen der Schenkel 8 und des Rückens 10 getrennt.

Die Enden C, D der Sekundärwicklung 9 sind gemäß den Schal tungsmöglichkeiten nach Fig. 1 oder 2 mit den EIN-AUS-Schaltern verbunden. Zur Vermeidung störender Einflüsse durch Magnet felder der Maschine werden die Verbindungsleitungen verdrillt, ggf. auch abgeschirmt.

An den einzelnen zu überwachenden Stellen des Läufers können auch mehrere EIN-AUS-Schalter, z. B. zwei, eingesetzt werden, die bei unterschiedlichen Meßtemperaturen, z. B. einer nie drigeren "Vorwarn-"Temperatur und der höheren eigentlichen kritischen Temperatur ansprechen. In diesem Falle sind auch in entsprechender Zahl mehrere Übertrager, im angesprochenen Beispiel 2, vorhanden, wobei die "Vorwarn"- EIN-AUS-Schalter der verschiedenen Meßstellen an den einen und die EIN-AUS-Schalter für die Meldung des Zustandes "kritische Temperatur erreicht" an den anderen Übertrager an geschlossen sind.

Es versteht sich, daß im Falle mehrerer Meßstellen ebenso wie die EIN-AUS-Schalter für "kritische Temperatur" auch die EIN-AUS-Schalter "Vorwarnung" je nach Bedarf unterschiedliche Ansprechtemperaturen aufweisen können.

Claims

1. Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur einer elektri schen Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer, bestehend aus
einem Übertrager, dessen Primärteil stationär befestigt ist und dessen durch einen Luftspalt vom Primärteil getrennter Sekundärteil auf der Welle des Läufers sitzt und mitro tiert,
und mindestens einem temperaturabhängigen Ein-Aus-Schalter,
wobei jeder Ein-Aus-Schalter von der an einer zugehörigen Meßstelle vorherrschenden Läufertemperatur beaufschlagt ist und die Lastverhältnisse im Sekundärkreis des Übertragers durch Ändern seines Schaltzustandes plötzlich verändert, wenn die Temperatur an der zugehörigen Meßstelle (Meßtem peratur) einen vorherbestimmten Wert überschreitet,
wobei einzelnen oder allen Meßstellen mehrere Ein-Aus-Schal ter zugeordnet sind, von denen jeder seinen Schaltzustand jeweils bei einem von den anderen Ein-Aus-Schaltern ver schiedenen vorbestimmten Wert der Meßtemperatur ändert,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Ein-Aus-Schalter an einem anderen Übertrager an geschlossen ist und daß mindestens ein Ein-Aus-Schalter ein Vorwarnsignal auslöst, wenn in einem vorkritischen Zustand bereits eine gefährliche Temperatur erreicht worden ist, die jedoch unter der kritischen Temperatur liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufertemperatur an mehreren Meßstellen überwacht wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufertemperatur an der Stelle bzw. an den Stellen des Läufers überwacht wird, die am schnellsten eine kriti sche oder unzulässig hohe Temperatur erreicht/erreichen.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein-Aus-Schalter (3, 4) die Last verhältnisse im Sekundärkreis zwischen Leerlauf und Kurz schluß verändert.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein-Aus-Schalter (3, 4) ein bei Überschreitung des vorbestimmten Wertes der Meßtemperatur schließender Schließkontakt (3) ist und die ggf. mehreren Schließkontakte (3) zueinander parallelgeschaltet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Ein-Aus-Schalter (3, 4) ein bei Über schreitung des vorbestimmten Wertes der Meßtemperatur öffnender Öffnungskontakt (4) ist und die ggf. mehreren Öffnungskontakte (4) in Reihe geschaltet sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines größeren Signalunterschiedes für die unterschiedlichen Lastzustände im Sekundärkreis der Primärkreis mit einem Kondensator zu einem Reihenschwingkreis erweitert ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine Leitungsbruchüberwachung, die über den Stromfluß zw. Auswertorgan die Zuleitung auf Unterbrechung überwacht.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket des Sekundärteils (2) des Übertragers die Läuferwelle (6) im wesentlichen koaxial umgibt und aus einem von der Sekundärwicklung (9) umgebenen mittleren Teil, in dem die Dynamobleche achsparallel zur Läuferwelle (6) geschichtet sind, und zwei an die eine bzw. andere Stirnseite des mittleren Teils angrenzenden Endtei len, in denen die Dynamobleche radial zur Läuferwelle (6) geschichtet sind, besteht.