WO2008116433A1 - Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung eines lagerstroms an einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung eines lagerstroms an einer elektrischen maschine Download PDF

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WO2008116433A1
WO2008116433A1 PCT/DE2007/000557 DE2007000557W WO2008116433A1 WO 2008116433 A1 WO2008116433 A1 WO 2008116433A1 DE 2007000557 W DE2007000557 W DE 2007000557W WO 2008116433 A1 WO2008116433 A1 WO 2008116433A1
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WO
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bearing
voltage
compensation
evaluation
control unit
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PCT/DE2007/000557
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Michael Brauer
Jörg HASSEL
Carsten Probol
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K5/1735—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at only one end of the rotor

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for suppressing a bearing current flowing through a bearing of an electrical machine.
  • EDM Electro Discharge Machin
  • grounding brushes between the rotor and the housing are currently used in three-phase drives with power electronic feed. This achieves a grounding of the runner.
  • the grounding brushes are subject to wear, so that the maintenance and repair costs increase.
  • the contact safety of the grounding brushes is not always given, especially in difficult environmental conditions, so that it can lead to the formation of bearing currents and increased bearing wear.
  • An object of the invention is therefore to provide a method of the type described, which ensures a long life of the bearings used in the electrical machine. This object is achieved by the features of independent claim 1.
  • the method according to the invention is one in which at least one electrical voltage applied to the electrical machine is measured, from the result of the voltage measurement a common-mode voltage is determined the common-mode voltage, a compensation voltage is determined and a component of the electric machine, which is electrically connected to the bearing, is acted upon by the compensation voltage, so that a voltage drop across the bearing bearing voltage is at least partially compensated.
  • the inventive method is characterized by the fact that the bearing currents operating point and plant specific, so in particular state-oriented, are suppressed.
  • the application of the determined in particular on the basis of a state detection compensation voltage to the bearing leads to a substantial compensation of the bearing voltages that would otherwise cause the arc discharges and thus the bearing currents to large values.
  • the remaining residual bearing stresses are too low to still cause arc discharges to any detrimental extent.
  • the bearing voltages which are preferably also measured, even disappear completely due to the compensation.
  • common mode voltage can be easily measured by means of a voltage measurement on at least one winding of the electrical machine, for example by adding the strand voltages detected at the terminals of the winding strands, or by direct measurement of the voltage between the star point of the winding strands and the housing of the electrical machine , or by means of a measurement of the increase of the wave potential of the electric machine, eg via the electric field.
  • Such a common-mode voltage can form, which causes the dangerous load currents due to the parasitic capacitances of the three-phase drive and in conjunction with the sudden voltage changes at the input terminals of the phase windings.
  • the common mode voltage which is easy to measure or to be detected can be used as a measure of the bearing voltages dropping at the bearings and thus also for their compensation.
  • the compensation thus depends, in particular, on a detected current state of the electric machine, for example, an electric motor, namely the current common-mode voltage.
  • the common mode voltage is inverted to determine the compensation voltage and multiplied by a constant factor.
  • the compensation voltage can thus be particularly easily and in particular also electronically, e.g. using a microprocessor or microcontroller. At the same time a very good compensating effect is achieved with a compensation voltage determined in this way.
  • the constant factor or, in particular, also another process parameter during the execution of the method, that is to say in particular online is determined or at least adapted.
  • a feedback is provided for this purpose, so that a control circuit is formed.
  • the constant .Factor or in particular also a different process parameter is determined in advance. Then the compensation method is very fast.
  • the Predetermination of the constant factor can be done, for example, during an initial learning phase. This learning phase can also be carried out during the commissioning of the electrical machine.
  • the loading of the component of the electric machine with the compensation voltage by means of a capacitive coupling takes place.
  • This type of coupling is particularly well suited for feeding voltage to a moving component of the electrical machine, such as a motor. a rotor or a motor shaft.
  • the capacitive coupling is in particular contactless.
  • the bearing voltage prevailing over the bearing or the bearing current flowing through the bearing may be detected and taken into account when determining the compensation voltage.
  • the quality of the compensation can be further improved.
  • the bearing current and the bearing voltage are direct measurement variables which allow immediate monitoring of the conditions in the respective bearing. The detection and, in particular, feedback of these direct measures allow a very rapid response to changes in the state of the bearing.
  • a time curve of the compensation voltage is adapted to a time course of the bearing voltage or the bearing current. This advantageous measure also serves to further improve the quality of compensation. It allows, for example, a reduction of voltage overshoots.
  • special types of bearing current can be prevented particularly efficiently.
  • a frequency-selective compensation can also take place.
  • Another object of the invention is therefore to provide a device of the type described, the ensures a long life of the bearings used in the electrical machine.
  • the device according to the invention comprises a voltage detection unit for measuring at least one voltage applied to a winding of the electric machine and for determining a common-mode voltage based on the measured voltage, an evaluation and control unit connected to the voltage detection unit for determining a compensation voltage based on the common-mode voltage and the evaluation and control unit connected coupling means for acting on a bearing electrically connected to the bearing component of the electric machine with the compensation voltage, so that at least partially compensates a falling over the bearing bearing voltage.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device for compensating a bearing voltage occurring in an electrical machine in a block diagram representation
  • FIG 2 shows a further embodiment of a device for bearing voltage compensation in a schematic equivalent circuit diagram representation. Corresponding parts are provided in FIG 1 and 2 with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device 1 for compensating a bearing voltage Ub present at a bearing 2 of an electrical machine.
  • the electric machine designed as an inverter-fed variable-speed electric motor, only a greatly simplified section is shown, namely a motor shaft 3, which is rotatably mounted in an engine casing 4 grounded, for example, by means of the bearing 2 designed as a roller bearing.
  • no bearing insulation is provided. It can however be used optionally.
  • the device 1 contains a voltage detection unit 5, an evaluation and control unit 6 connected thereto with a compensation voltage generator 7 and a coupling unit 8 fed by the compensation voltage generator 7 and coupled to the motor shaft 3.
  • the voltage detection unit 5 is used for metrological determination of a common mode voltage U g i, which is present at a winding of the electric machine not shown in detail.
  • the common-mode voltage U g ⁇ can be measured either directly as one between a star point of the example three-strand winding and the motor housing 4 dropping voltage.
  • the voltage detection unit 5 contains only a voltmeter.
  • the phase voltages U u , U v and U w can be measured at the terminals of the three winding strands. From the measured three voltages, the common-mode voltage U g i can then be determined in a downstream processing step in accordance with the relationship:
  • U_ gl - (1) determine where the voltage values given are each vectors. This is indicated by the underlining of the voltage symbols.
  • the voltage detection unit 5 thus contains three voltage meters and a processing subunit, which may also be designed electronically. According to a further embodiment not shown in detail, the functionality of this processing subunit is taken over by the evaluation and control unit 6.
  • the main function of the evaluation and control unit 6 is to determine from the directly measured or indirectly determined common mode voltage U g i a compensation voltage U kO mp so that they largely compensated for the coupling of the motor shaft 3, the bearing voltage U b and thus the Generation of bearing currents Ib prevented.
  • the bearing voltage U b and also the bearing current I b are not vector variables, but variables which vary with time. They are therefore presented without underlining.
  • the compensation voltage U ko ⁇ tp in the exemplary embodiment shown corresponds to the equation:
  • the coupling factor k co pp e i is either known on the basis of the specification of the coupling unit 8, which is designed capacitively, for example, or it can be estimated taking into account the parasitic components, in particular the parasitic capacitances, of the electrical machine.
  • the weighting factor kg tal is composed of the coupling factor k ko PPEI and the bearing stress factor BVR. It indicates by how much the inverted common-mode voltage U g i is to be amplified in order to obtain the compensation voltage U ko i ⁇ p required under the current conditions.
  • the weighting factor kg total can therefore also be understood as a gain or damping factor. It can be easily determined for an electrical machine equipped with the device 1 and stored in the evaluation and control unit 6.
  • the coupling unit 8 serves omp to their intended target, ie at the bearing 2 to bring the corresponding compensation voltage generated by the compensation voltage generator 7 to the specifications determined in the evaluation and control unit 6 U k. This is done by means of a coupling to the motor shaft 3, which in turn has a low-resistance, good electrical connection to an inner bearing ring of the bearing 2.
  • the coupling unit 8 is formed capacitive in the embodiment, so that it is able to couple the compensation voltage U kom p contactlessly on the rotatable Motorwel- Ie 3.
  • the device 1 according to FIG. 1 also comprises means for online adaptation of the calculation rule for the compensation voltage Ukomp.
  • a sensor unit 9 for the metrological detection of the bearing voltage U b and / or the bearing current Ib which is connected by means of a feedback branch 10 to the evaluation and control unit 6.
  • the sensor unit 9 supplies a measured value of the respectively detected variable to the evaluation and control unit 6.
  • the weighting factor kg can be determined during the current process Operating to be adapted to the current conditions in the camp 2.
  • the device 1 with the sensor unit 9, the feedback branch 10, the evaluation and control unit 6, the coupling unit 8 and the electrical connection via the motor shaft 3 to the bearing 2 also includes a closed loop 11, the control of the detected common mode voltage Ugi is superimposed.
  • the control voltage components 5, evaluation and control unit 6, coupling unit 8 and electrical connection via the motor shaft 3 to the bearing 2 form a control circuit 12.
  • the detection of the common-mode voltage U g ⁇ serves, for example, for "triggering" and coarse setting of the amplitude
  • the additional measured value detection by means of the sensor unit 9 on the other hand serves for fine adjustment.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a device 13 for bearing voltage compensation in a schematic equivalent circuit diagram. Compared with the block diagram representation according to FIG. 1, in the substitute circuit diagram according to FIG. 2 simplified schematization is undertaken elsewhere. Thus, the voltage detection unit 5 and partly also the evaluation and control unit 6 are not included in the equivalent circuit diagram according to FIG. Only the compensation voltage generator 7, which is a part of the evaluation and control unit 6, is considered in the equivalent circuit diagram as a voltage source.
  • a stator winding 14 with three each of the phase conductors u, v and w associated winding strands 15, 16 and 17 given again.
  • the inductances contained in the winding strands 15 to 17 symbolize the respective partial windings.
  • the winding strands 15 to 17 are, for example, electrically connected together in a common star point 18. In another embodiment, not shown, the winding strands 15 to 17 may also be connected in delta.
  • the common mode voltage U g ⁇ drops, which can be measured directly at this point by means of the voltage detection unit 5.
  • the line voltages U 11 , U v and U w present at the phase terminals 19, 20 and 21 of the winding strands 15, 16 and 17 can also be measured and used according to equation (1) for determining the common-mode voltage Ugi.
  • the equivalent circuit diagram of FIG 2 includes parasitic capacitances of the electric machine, which play a role in the determination of the coupling factor and the bearing voltage factor BVR and thus the weighting factor k gesaint .
  • These parasitic capacities are Winding housing capacitances C WF between the respective winding strand 15, 16 and 17 and the housing 4 to a winding rotor capacitance C m between the neutral point 18 of the winding 14 and the motor shaft 3, a rotor housing capacitance C RF between the motor shaft 3 and the housing 4, for example, caused by a lubricating film bearing capacity C B and caused by a bearing insulation bearing insulation capacitances C BI .
  • the device 13 effects a similar bearing voltage compensation and thus bearing current suppression as the device 1 according to FIG. 1.
  • the compensation voltage U kOI p is again determined on the basis of the detected common-mode voltage U g i and, accordingly, from the compensation voltage generator. Tor 7 generated.
  • the coupling of the compensation voltage U ko mp on the motor shaft 3 is also capacitive in the device 13 by means of the coupling unit eighth
  • the bearing stress compensation can also be applied to another electrical machine, such as a motor. a generator, are used.
  • the method has been described as an example of a three-phase machine. In principle, however, it may also be provided in a single-phase machine or in a DC machine.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung (1) sind zur Unterdrückung eines über ein Lager (2) einer elektrischen Maschine fließenden Lagerstroms (Ib) bestimmt. Es wird mindestens eine an einer Wicklung der elektrischen Maschine anstehende elektrische Spannung gemessen und aus dem Ergebnis der Spannungsmessung eine Gleichtakt Spannung (Ugl) ermittelt. Anhand der Gleichtaktspannung (Ugl) wird eine Kompensationsspannung (Ukomp) ermittelt. Eine Komponente (3) der elektrischen Maschine, die mit dem Lager (2) elektrisch in Verbindung steht, wird mit der Kompensationsspannung (Ukomp) beaufschlagt, so dass eine über dem Lager (2) abfallende Lagerspannung (Ub) zumindest teilweise kompensiert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung eines Lagerstroms an einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung eines über ein Lager einer elektrischen Maschine fließenden Lagerstroms .
In den Lagern von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise einem elektrischen Generator oder einem Elektromotor, kann es als Folge elektrostatischer Aufladung oder bei Speisung mittels eines leistungselektronischen Stellglieds zu einem unerwünschten Stromfluss kommen. Bei diesen Lagerströmen handelt es sich zum Teil um sogenannte EDM(Electric Discharge Machi- nig) -Ströme, bei denen Lichtbogenentladungen in dem Lager auftreten. Es kommt insbesondere in dem Schmierfilm, der sich zwischen den Wälzkörpern und den Laufringen des jeweiligen Lagers befindet, zu Überschlägen und Entladungen. Dadurch kann sich ein vorzeitiger Verschleiß des Schmiermittels und des Lagers insgesamt einstellen. Ein vorzeitiger Lagerausfall ist ebenfalls eine mögliche Folge.
Zur Vermeidung dieser schädlichen Lagerströme werden derzeit bei Drehstromantrieben mit leistungselektronischer Speisung Erdungsbürsten zwischen dem Läufer und dem Gehäuse verwendet. Dadurch erreicht man eine Erdung des Läufers . Allerdings unterliegen auch die Erdungsbürsten einem Verschleiß, so dass der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand steigt. Außerdem ist die KontaktSicherheit der Erdungsbürsten gerade bei schwierigen Umgebungsbedingungen nicht immer gegeben, so dass es doch zur Ausbildung der Lagerströme und einem erhöhten Lagerverschleiß kommen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das eine lange Lebensdauer der in der elektrischen Maschine eingesetzten Lager gewährleistet. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches, bei dem mindestens eine an der elektrischen Maschine anstehende elektrische Spannung gemes- sen wird, aus dem Ergebnis der Spannungsmessung eine Gleichtaktspannung ermittelt wird, anhand der Gleichtaktspannung eine KompensationsSpannung ermittelt wird und eine Komponente der elektrischen Maschine, die mit dem Lager elektrisch in Verbindung steht, mit der Kompensationsspannung beaufschlagt wird, so dass eine über dem Lager abfallende Lagerspannung zumindest teilweise kompensiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerströme betriebspunkt- und anlagenspezifisch, also insbesondere zustandsorientiert, unterdrückt werden. Das Anlegen der insbesondere auf Basis einer Zustanderfassung ermittelten Kompensationsspannung an das Lager führt zu einer weitgehenden Kompensation der LagerSpannungen, die ansonsten bei zu großen Werten die Lichtbogenentladungen und damit die Lagerströme bewirken würden. Die verbleibenden Lagerrestspannungen sind zu niedrig, um noch Lichtbogenentladungen in schädigendem Ausmaß hervorzurufen. Im Idealfall verschwinden die vorzugsweise ebenfalls gemessenen Lagerspannungen aufgrund der Kompensation sogar vollständig.
Die Ermittlung der KompensationsSpannung erfolgt erfindungsgemäß auf einfache, aber trotzdem sehr effiziente Weise. Sie wird aus der Gleichtaktspannung (= Common Mode-Spannung) abgeleitet. Letztere lässt sich beispielsweise problemlos mit- tels einer Spannungsmessung an mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine, wie z.B. durch Addition der an den Klemmen der Wicklungsstränge erfassten Strangspannungen oder durch direkte Messung der zwischen dem Sternpunkt der Wicklungsstränge und dem Gehäuse der elektrischen Maschine anste- henden Spannung, oder mittels einer Messung der Anhebung des Wellenpotentials der elektrischen Maschine, z.B. über das elektrische Feld, ermitteln. Insbesondere bei einem leistungselektronisch gespeisten und geerdeten Drehstromantrieb kann sich eine derartige Gleichtaktspannung ausbilden, die aufgrund der parasitären Kapazitäten des Drehstromantriebs und in Verbindung mit den sprunghaften Spannungsänderungen an den Eingangskleinmen der Wicklungsstränge die gefährlichen La- gerströme herruft. Es wurde erkannt, dass die einfach zu messende oder zu ermittelnde Gleichtaktspannung als Maß für die an den Lagern abfallenden Lagerspannungen und somit auch zu deren Kompensation herangezogen werden kann. Die Kompensation hängt also insbesondere von einem erfassten aktuellen Zustand der z.B. als Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine ab, nämlich von der aktuellen Gleichtaktspannung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der die GleichtaktSpannung zur Ermittlung der Kompensationsspannung invertiert und mit einem konstanten Faktor multipliziert wird. Die Kompensationsspan- nung lässt sich so besonders einfach und insbesondere auch elektronisch, z.B. mittels eines Mikroprozessors oder Mikro- - Controllers, ermitteln. Zugleich wird mit einer so bestimmten Kompensationsspannung eine sehr gute kompensierende Wirkung erzielt.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung wird der konstante Faktor oder insbesondere auch ein anderer Verfahrensparameter während der Durchführung des Verfahrens, also insbesondere online, bestimmt oder zumindest angepasst. Dadurch kann auf Ver- Änderungen im Verhalten der elektrischen Maschine und/oder bei der Kopplung der Kompensationsspannung unmittelbar reagiert werden. Insbesondere ist hierzu eine Rückkopplung vorgesehen, so dass ein Regelungskreis gebildet ist.
Es gibt aber auch eine alternative und ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung, bei der der konstante .Faktor oder insbesondere auch ein anderer Verfahrensparameter vorab bestimmt wird. Dann ist das Kompensationsverfahren besonders schnell. Die Vorabbestimmung des konstanten Faktors kann z.B. während einer anfänglichen Lernphase erfolgen. Diese Lernphase kann auch im Zuge der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist es weiterhin vorgesehen, dass die Beaufschlagung der Komponente der elektrischen Maschine mit der Kompensationsspannung mittels einer kapazitiven Kopplung erfolgt . Diese Kopplungsart eignet sich besonders gut zur Span- nungsspeisung einer beweglichen Komponente der elektrischen Maschine, wie z.B. eines Läufers oder einer Motorwelle. Die kapazitive Kopplung erfolgt insbesondere berührungslos.
Außerdem kann bevorzugt die über dem Lager anstehende Lager- Spannung oder der über das Lager fließende Lagerstrom erfasst und bei der Ermittlung der Kompensationsspannung mit berücksichtigt werden. Dadurch lässt sich die Qualität der Kompensation weiter verbessern. Im Gegensatz zu der Gleichtaktspannung, die eine indirekte Messgröße darstellt, handelt es sich bei dem Lagerstrom und der Lagerspannung um direkte Messgrößen, die eine unmittelbare Überwachung der Verhältnisse in dem jeweiligen Lager ermöglichen. Die Erfassung und insbesondere Rückkopplung dieser direkten Messgrößen gestatten eine sehr rasche Reaktion auf Zustandsänderungen in dem Lager.
Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung wird ein Zeitverlauf der Kompensationsspannung an einen Zeitverlauf der Lagerspannung oder des Lagerstroms angepasst. Auch diese vorteilhafte Maßnahme dient einer weiteren Verbesserung der Kom- pensationsqualität . Sie gestattet beispielsweise eine Reduzierung von Spannungsüberschwingern. Außerdem lassen sich so auch spezielle Lagerstromtypen besonders effizient unterbinden. Insbesondere kann auch eine frequenzselektive Kompensation erfolgen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine lange Lebensdauer der in der elektrischen Maschine eingesetzten Lager gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 angegeben. Die erfin- dungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Spannungserfassungsein- heit zur Messung mindestens einer an einer Wicklung der elektrischen Maschine anstehenden Spannung und zur Bestimmung einer Gleichtaktspannung anhand der gemessenen Spannung, eine an die Spannungserfassungseinheit angeschlossene Auswerte- und Steuereinheit zur Bestimmung einer Kompensationsspannung anhand der Gleichtaktspannung und an die Auswerte- und Steuereinheit angeschlossene Kopplungsmittel zur Beaufschlagung einer mit dem Lager elektrisch in Verbindung stehenden Kompo- nente der elektrischen Maschine mit der Kompensationsspannung, so dass zumindest teilweise eine Kompensation einer über dem Lager abfallenden Lagerspannung erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich- tung ergeben sich aus den von Anspruch 8 abhängigen Ansprüchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Ausgestaltungen bieten im Wesentlichen die gleichen Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Varianten beschrieben worden sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kompensation einer in einer elektrischen Maschine auftretenden Lagerspannung in einer Blockschaltbilddarstellung und
FIG 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Lagerspannungskompensation in einer schematisierten Ersatzschaltbilddarstellung. Einander entsprechende Teile sind in FIG 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Kom- pensation einer an einem Lager 2 einer elektrischen Maschine anstehenden Lagerspannung Ub gezeigt. Von der als umrichtergespeister drehzahlveränderbarer Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine ist nur ein stark vereinfachter Ausschnitt gezeigt, nämlich eine Motorwelle 3, die mittels des als Wälzlager ausgeführten Lagers 2 drehbar in einem beispielsweise geerdeten Motorgehäuse 4 gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel ist keine Lagerisolation vorgesehen. Sie kann aber optional zum Einsatz kommen.
Die Vorrichtung 1 enthält eine Spannungserfassungseinheit 5, eine daran angeschlossene Auswerte- und Steuereinheit 6 mit einem Kompensationsspannungsgenerator 7 sowie eine von dem Kompensationsspannungsgenerator 7 gespeiste und an die Motorwelle 3 angekoppelte Koppeleinheit 8.
Die Spannungserfassungseinheit 5 dient zur messtechnischen Bestimmung einer Gleichtaktspannung Ugi, die an einer nicht näher gezeigten Wicklung der elektrischen Maschine ansteht. Die Gleichtaktspannung Ugχ kann dabei entweder direkt als ei- ne zwischen einem Sternpunkt der z.B. dreisträngigen Wicklung und dem Motorgehäuse 4 abfallende Spannung gemessen werden. In dieser Variante enthält die Spannungserfassungseinheit 5 lediglich einen Spannungsmesser. Alternativ können aber auch die Strangspannungen Uu, Uv und Uw an den Klemmen der drei Wicklungssträngen gemessen werden. Aus den gemessenen drei Spannungen lässt sich dann in einem nachgeschalteten Verarbeitungsschritt die GleichtaktSpannung Ugi gemäß der Beziehung:
U_gl- (1) ermitteln, wobei es sich bei den angegebenen Spannungsgroßen jeweils um Vektoren handelt. Dies ist durch die Unterstreichung der SpannungsSymbole angedeutet. Bei dieser Alternative enthält die Spannungserfassungseinheit 5 also drei Spannungs- messer und eine Verarbeitungsuntereinheit, die auch elektronisch ausgeführt sein kann. Gemäß einem weiteren nicht näher gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Funktionalität dieser Verarbeitungsuntereinheit von der Auswerte- und Steuereinheit 6 mit übernommen.
Die Hauptfunktion der Auswerte- und Steuereinheit 6 besteht darin, aus der direkt gemessenen oder indirekt bestimmten GleichtaktSpannung Ugi eine Kompensationsspannung UkOmp so zu ermitteln, dass sie nach einer Kopplung auf die Motorwelle 3 die LagerSpannung Ub weitest gehend kompensiert und damit die Entstehung von Lagerströmen Ib verhindert. Im Unterschied zu den übrigen Spannungsgrößen handelt es sich bei der Lagerspannung Ub und auch bei dem Lagerstrom Ib nicht um Vektorgrößen, sondern um zeitlich veränderliche Größen. Sie sind deshalb ohne Unterstreichung dargestellt. Zur sicheren Unterdrückung der für die Lagerlebensdauer besonders abträglichen EDM (Electric Discharge Machinig) -Lagerströme wird die Kompensationsspannung Ukoπtp bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend der Gleichung:
Htonp
Figure imgf000009_0001
-kgmM -Ugl (2 )
bestimmt, wobei mit
Figure imgf000009_0002
ein Koppelfaktor der Koppeleinheit 8, mit BVR (= Bearing Voltage Ratio) ein Lagerspannungsfaktor und mit kgesamt ein Wichtungsfaktor bezeichnet ist.
Der Koppelfaktor kkoppei ist entweder aufgrund der Spezifikation der beispielsweise kapazitiv ausgeführten Koppeleinheit 8 bekannt oder er kann unter Berücksichtigung der parasitären Bauelemente, insbesondere der parasitären Kapazitäten, der elektrischen Maschine abgeschätzt werden. Der LagerSpannungsfaktor BVR (= Bearing Voltage Ratio) wird im Wesentlichen durch die Eigenschaften der elektrischen Maschine bestimmt. Er hängt von verschiedenen Einflussgrößen ab, wie z.B. von der Temperatur, von der Dicke eines im Lager 2 vorgesehenen Schmierfilms, von einer optional vorgesehenen Lagerisolation und von den Erdungsverhältnissen. Er nimmt typischerweise Werte im Bereich zwischen 2% und 10% an.
Der Wichtungsfaktor kgesamt setzt sich aus dem Koppelfaktor kkoppei und dem LagerSpannungsfaktor BVR zusammen. Er gibt an, um wie viel die invertierte Gleichtaktspannung Ugi zu verstärken ist, um die bei den aktuellen Verhältnissen erforderliche Kompensationsspannung Ukoiηp zu erhalten. Der Wichtungsfaktor kgesamt kann also auch als Verstärkungs- oder Dämpfungs- faktor verstanden werden. Er lässt sich für eine mit der Vorrichtung 1 ausgestattete elektrische Maschine problemlos bestimmen und in der Auswerte- und Steuereinheit 6 abspeichern .
Die Koppeleinheit 8 dient dazu, die von dem Kompensations- spannungsgenerator 7 entsprechend den in der Auswerte- und Steuereinheit 6 ermittelten Vorgaben erzeugte Kompensationsspannung Ukomp an ihr eigentliches Ziel, also an das Lager 2, zu bringen. Dies geschieht mittels einer Kopplung auf die Mo- torwelle 3, die ihrerseits eine niederohmige, elektrisch gut leitende Verbindung zu einem inneren Lagerring des Lagers 2 aufweist. Die Koppeleinheit 8 ist im Ausführungsbeispiel kapazitiv ausgebildet, so dass sie in der Lage ist, die KompensationsSpannung Ukomp berührungslos auf die drehbare Motorwel- Ie 3 zu koppeln.
Sollte der Wichtungsfaktor kgesaint gemäß Gleichung (2) mangels Kenntnis der Teilgrößen Koppelfaktor kkoppei und Lagerspan- nungsfaktor BVR im Einzelfall nicht rechnerisch zu ermitteln sein, kann auch eine Bestimmung anhand einer vorab und ggf. iterativ durchgeführten Lernphase erfolgen. Diese Bestimmung findet noch vor dem Beginn des eigentlichen Kompensationsbetriebs statt. Es handelt sich also um ein Offline-Verfahren. Die Vorrichtung 1 gemäß FIG 1 umfasst auch Mittel zur Online- Anpassung der Berechnungsvorschrift für die Kompensationsspannung Ukomp. Es ist eine Sensoreinheit 9 zur messtechnischen Erfassung der Lagerspannung Ub und/oder des Lagerstroras Ib vorgesehen, die mittels eines Rückkopplungszweigs 10 an die Auswerte- und Steuereinheit 6 angeschlossen ist. Die Sensoreinheit 9, deren Aufbau und Wirkungsweise z.B. in der DE 10 2005 027 670 Al beschrieben ist, liefert einen Messwert der jeweils erfassten Größe an die Auswerte- und Steuerein- heit 6. Auf diese Weise kann also insbesondere der Wichtungsfaktor kgesamt während des laufenden Betriebs an die jeweils aktuellen Verhältnisse im Lager 2 angepasst werden.
Insofern umfasst die Vorrichtung 1 mit der Sensoreinheit 9, dem Rückkopplungszweig 10, der Auswerte- und Steuereinheit 6, der Koppeleinheit 8 und der elektrischen Verbindung über die Motorwelle 3 zu dem Lager 2 auch einen geschlossenen Regelkreis 11, der der Steuerung anhand der erfassten Gleichtaktspannung Ugi überlagert ist. Die für die Steuerung maßgebli- chen Komponenten Spannungserfassungseinheit 5, Auswerte- und Steuereinheit 6, Koppeleinheit 8 und elektrische Verbindung über die Motorwelle 3 zu dem Lager 2 bilden eine Steuerschaltung 12. Die Erfassung der Gleichtaktspannung Ugχ dient z.B. der „Triggerung" und der groben Einstellung der Amplitude. Die zusätzliche Messwerterfassung mittels der Sensoreinheit 9 dient dagegen zur Feinjustierung.
Die in Gleichung (2) angegebene Beziehung beschreibt ein sehr einfaches Verfahren zur Bestimmung der Kompensationsspannung Ukomp • Zur Umsetzung ist nur ein geringer Aufwand erforderlich. Anstelle der einfachen Beziehung gemäß Gleichung (2) können auch aufwändigere Formelbeziehungen mit mehr Einflussparametern zum Einsatz kommen. So ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Anpassung des Zeitverlaufs der Kompensationsspannung Ukomp an den des ermittelten Lagerstroms Ib oder der ermittelten Lagerspannung Ub vorgesehen. In FIG 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 13 zur Lagerspannungskompensation in einer schematisierten Ersatzschaltbilddarstellung gezeigt. Verglichen mit der Blockschaltbilddarstellung gemäß FIG 1 sind bei dem Ersatz- Schaltbild nach FIG 2 an anderer Stelle vereinfachende Schematisierung vorgenommen. So sind die Spannungserfassungsein- heit 5 und teilweise auch die Auswerte- und Steuereinheit 6 in dem Ersatzschaltbild gemäß FIG 2 nicht mit eingetragen. Lediglich der Kompensationsspannungsgenerator 7, der ein Teil der Auswerte- und Steuereinheit 6 ist, ist in dem Ersatzschaltbild als Spannungsquelle berücksichtigt.
Dafür enthält die Ersatzschaltbilddarstellung gemäß FIG 2 aber mehr Details der elektrischen Maschine. So ist eine Ständerwicklung 14 mit drei jeweils einer der Leiterphasen u, v und w zugeordneten Wicklungssträngen 15, 16 bzw. 17 wieder gegeben. Die in den Wicklungssträngen 15 bis 17 enthaltenen Induktivitäten symbolisieren die jeweiligen Teilwicklungen. Die Wicklungsstränge 15 bis 17 sind beispielsweise gemeinsam in einem gemeinsamen Sternpunkt 18 elektrisch angeschlossen. Bei einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die Wicklungsstränge 15 bis 17 aber auch in Dreieck geschaltet sein.
Zwischen diesem Sternpunkt 18 und dem in FIG 2 nur symbolisch angegebenen Motorgehäuse 4 fällt die GleichtaktSpannung Ugχ ab, die an dieser Stelle direkt mittels der Spannungserfas- sungseinheit 5 gemessen werden kann. Alternativ können auch die an Strangklemmen 19, 20 und 21 der Wicklungsstränge 15, 16 bzw. 17 anstehenden Strangspannungen U11, Uv bzw. Uw gemessen und gemäß Gleichung (1) zur Bestimmung der Gleichtaktspannung Ugi verwendet werden.
Weiterhin umfasst die Ersatzschaltbilddarstellung gemäß FIG 2 parasitäre Kapazitäten der elektrischen Maschine, die bei der Bestimmung des Koppelfaktors sowie des Lagerspannungs- faktors BVR und damit des Wichtungsfaktors kgesaint eine Rolle spielen. Bei diesen parasitäre Kapazitäten handelt es sich um Wicklungs-Gehäuse-Kapazitäten CWF zwischen dem jeweiligen Wicklungsstrang 15, 16 bzw. 17 und dem Gehäuse 4, um eine Wicklungs-Läufer-Kapazität Cm zwischen dem Sternpunkt 18 der Wicklung 14 und der Motorwelle 3, um eine Läufer-Gehäuse- Kapazität CRF zwischen der Motorwelle 3 und dem Gehäuse 4, um z.B. durch einen Schmierfilm hervorgerufene Lager-Kapazitäten CB sowie um durch eine Lagerisolation hervorgerufene Lagerisolationskapazitäten CBI.
Unabhängig von den verschiedenen Darstellungsarten in FIG 1 und 2 bewirkt die Vorrichtung 13 eine ähnliche Lagerspannungskompensation und damit Lagerstromunterdrückung wie die Vorrichtung 1 gemäß FIG 1. Die Kompensationsspannung UkOIπp wird wieder anhand der erfassten Gleichtaktspannung Ugi er- mittelt und dementsprechend vom Kompensationsspannungsgenera- tor 7 erzeugt. Die Kopplung der Kompensationsspannung Ukomp auf die Motorwelle 3 erfolgt auch bei der Vorrichtung 13 kapazitiv mittels der Koppeleinheit 8.
Grundsätzlich kann die Lagerspannungskompensation auch bei einer anderen elektrischen Maschine, wie z.B. einem Generator, zum Einsatz kommen. Das Verfahren wurde beispielhaft für eine Drehstrommaschine beschrieben. Prinzipiell kann es aber auch bei einer Einphasenmaschine oder bei einer Gleichstrom- maschine vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Unterdrückung eines über ein Lager (2) einer elektrischen Maschine fließenden LagerStroms (Ib) , bei dem a) mindestens eine an der elektrischen Maschine anstehende elektrische Spannung (Uu/ Uv/ Uw; Ugi) gemessen wird, b) aus dem Ergebnis der Spannungsmessung eine GleichtaktSpannung (Ugi) ermittelt wird, c) anhand der Gleichtaktspannung (Ugi) eine Kompensations- Spannung (Ukoπp) ermittelt wird und d) eine Komponente (3) der elektrischen Maschine, die mit dem Lager (2) elektrisch in Verbindung steht, mit der Kompensationsspannung (Ukomp) beaufschlagt wird, so dass eine über dem Lager (2) abfallende Lagerspannung (Ub) zumindest teilweise kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichtaktspannung (Ugi) zur Ermittlung der Kompensationsspannung (Ukomp) invertiert und mit einem kon- stanten Faktor (kgesamt; BVR,
Figure imgf000014_0001
multipliziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Faktor (kgesamt; BVR, kkoppei) während der Durchführung des Verfahrens bestimmt oder zumindest ange- passt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der konstante Faktor (kgeSämt; BVR, kkOppel) vorab bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Komponente (3) der elektrischen Maschine mit der KompensationsSpannung (Ukomp) mittels einer kapazitiven Kopplung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die über dem Lager (2) anstehende Lagerspannung (Ub) oder der über das Lager (2) fließende Lagerstrom (Ib) erfasst und bei der Ermittlung der Kompensationsspannung (Ukoinp) mit berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- n e t , dass ein Zeitverlauf der KompensationsSpannung (Ukomp) an einen Zeitverlauf der Lagerspannung (Ub) oder des Lagerstroms (Ib) angepasst wird.
8. Vorrichtung zur Unterdrückung eines über ein Lager (2) ei- ner elektrischen Maschine fließenden Lagerstroms (Ib) umfassend a) eine Spannungserfassungseinheit (5) zur Messung mindestens einer an einer Wicklung (14) der elektrischen Maschine anstehenden Spannung (U11, Uv, Uw; Ugi) und zur Bestimmung ei- ner Gleichtaktspannung (Ugi) anhand der gemessenen Spannung (Uu, Uv, Uw; Ugi) , b) eine an die Spannungserfassungseinheit (5) angeschlossene Auswerte- und Steuereinheit (6) zur Bestimmung einer Kompensationsspannung (Ukomp) anhand der GleichtaktSpannung (Ugi) und c) an die Auswerte- und Steuereinheit (6) angeschlossene Kopplungsmittel (8) zur Beaufschlagung einer mit dem Lager (2) elektrisch in Verbindung stehenden Komponente (3) der elektrischen Maschine mit der Kompensationsspannung (Ukoinp) , so dass zumindest teilweise eine Kompensation einer über dem Lager (2) abfallenden Lagerspannung (Ub) erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich- net , dass die Auswerte- und Steuereinheit (6) zur Bestimmung der Kompensationsspannung (Ukomp) dazu ausgelegt ist, die Gleichtaktspannung (Ugi) zu invertieren und mit einem konstanten Faktor (kgesaint; BVR, kkoppei) zu multiplizieren
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (6) dazu ausgelegt ist, den konstanten Faktor (kgesamt; BVR, kkoppei) während des Betriebs zu bestimmen oder zumindest anzupassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der konstante Faktor (kgesaint; BVR, kkoppei) als vorab bestimmte Größe in der Auswerte- und Steuereinheit (6) hinterlegt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass kapazitive Kopplungsmittel (8) zur Beaufschlagung der Kompensationsspannung (Ukoiπp) auf eine insbesondere bewegliche Komponente (8) der elektrischen Maschine vor- gesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (9) zur Erfassung der über dem Lager (2) anstehenden Lagerspannung (Ub) oder des über das Lager (2) fließenden Lagerstroms (Ib) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückkopplungszweig (10) zwischen dem Sensor (9) und der Auswerte- und Steuereinheit (6) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (6) dazu ausgelegt ist, einen Zeitverlauf der Kompensationsspannung (Ukomp) an einen Zeitverlauf der erfassten Lagerspannung (Ub) oder des erfassten Lagerstroms (Ib) anzupassen.
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