IEEE IAS/PELS/IES Joint Chapter Meeting Technische Universität Chemnitz 11./12. Mai Dipl.-Ing. Johann Zitzelsberger

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1 Technische Universität Chemnitz 11./12. Mai 2006, und Dipl.-Ing. Johann Zitzelsberger ETI Elektrotechnisches Institut

2 , und von Lagerströmen Ursachen und Arten von Lagerströmen Gleichtaktkreis von Lagerströmen Möglichkeiten und Grenzen

3 3 Elektrisch bedingte Lagerschäden

4 4 elektrisch bedingte Lagerschäden sind Teil der Ausfallursachen von Wälzlagern Quelle: FAG

5 5 elektrisch bedingte Lagerschäden sind technisch und wirtschaftlich relevant verringern die Zuverlässigkeit elektrischer Antriebe führen zu kürzeren Wartungsintervallen setzen die Verfügbarkeit elektrischer Antriebe herab bedingen höhere Instandhaltungs- bzw. Folgekosten

6 6

7 7 Beispiel: Kosten pro Lagerwechsel: h Stillstand

8 8

9 9 Beispiel: Windpark mit 320 MW installierter Leistung 1 Mio Verlust bei 1% geringerer Verfügbarkeit

10 10 von Lagerströmen Ursachen für (neuartige) Lagerströme Arten von Lagerströmen Gliederung Strompfade

11 11 Ursachen für (neuartige) Lagerströme nicht-sinusförmige Speisung führt zu einer Gleichtaktspannung Ursachen U um U vm U wm U0 = 0 3 kapazitives Netzwerk in Folge der Maschinengeometrie Gleichtaktspannung wird als Lagerspannung abgebildet U Lg C2 BVR = = U0 C 2 C 3 2C Lg

12 12 Ursachen

13 13 C2 L Ursachen U0 C1 C3 RLg 2CLg

14 14 C2 L Ursachen U0 C1 C3 RLg 2CLg

15 15 Arten von Lagerströmen Niederfrequente Zirkularströme du/dt-ströme Stromarten EDM-Ströme Hochfrequente Zirkularströme Rotorerdströme

16 16 Arten von Lagerströmen Niederfrequente Zirkularströme du/dt-ströme Stromarten EDM-Ströme Hochfrequente Zirkularströme Rotorerdströme

17 17 du/dt-ströme Ursache: Änderung der Gleichtaktspannung Stromarten & Strompfade

18 18 EDM-Ströme Ursache: Zusammenbruch der Schmierfilmkapazität Stromarten & Strompfade

19 19 Hochfrequente Zirkularströme Ursache: Induktionsspannung längs der Welle Stromarten & Strompfade

20 20 Rotorerdströme Ursache: Statorerdung mit zu hoher Impedanz Stromarten & Strompfade

21 21 Stromarten vs. Schadensursache Problem: statistische Langzeituntersuchungen kleine Amplituden bei ZLg 0 EDM & hohe Amplituden bei ZLg = 0 Quelle: FAG

22 22 Modell des Gleichtaktkreises Dimensionierung passiver Schutzmaßnahmen Analytische Beschreibung von Lagerströmen und Prognose Gliederung

23 23 Modell des Gleichtaktkreises bei Statorspeisung CSW-RW LWelle RLg U0 CSW-SG ULg 2CLg Statorspeisung CRW-SG ZLg U Lg C SW RW BVR = = U0 C SW RW C RW SG 2C Lg

24 24 Modell des Gleichtaktkreises bei Statorspeisung CSW-RW LWelle RLg U0 CSW-SG ULg 2CLg Statorspeisung CRW-SG ZLg C SW RW U Lg BVR = = U0 C SW RW C RW SG 2C Lg

25 25 Modell des Gleichtaktkreises bei Rotorspeisung CRW'-RB LWelle RLg U0 C1 ULg 2CLg Rotorspeisung CRB-SG ZLg U Lg C RW ' RB BVR = = U0 C RW ' RB C RB SG 2C Lg

26 26 Modell des Gleichtaktkreises bei Rotorspeisung CRW'-RB LWelle RLg U0 C1 ULg 2CLg Rotorspeisung CRB-SG ZLg C RW ' RB U Lg BVR = = U0 C RW ' RB C RB SG 2C Lg

27 27 Rotorspeisung vs. Statorspeisung BVR Rotorspeisung ~ C RW ' RB BVR Statorspeisung ~ C SW RW Beispiel 1,5 MW - Asynchrongenerator C RW ' RB = 118,576 nf BVRVergleich C SW RW = 0,427 nf BVR Rotorspeisung = 278 BVR Statorspeisung

28 28 Rotorspeisung vs. Statorspeisung BVR Rotorspeisung ~ C RW ' RB BVR Statorspeisung ~ C SW RW Beispiel 1,5 MW - Asynchrongenerator C RW ' RB = 118,576 nf BVRVergleich C SW RW = 0,427 nf BVR Rotorspeisung = 278 BVR Statorspeisung

29 29 Dimensionierung der Lagerisolation C2 LWelle RLg U0 Lagerisolation ULg C1 C3 2CLg 2Ciso ZLg Riso

30 30 Dimensionierung der Lagerisolation BVR bei Statorspeisung U Lg = U0 2C Lg C Lg 1 C SW RW C RW SG C iso BVR bei Rotorspeisung Lagerisolation C SW RW U Lg = U0 2C Lg C RW RB C Lg 1 C RW RB C RB SG C iso

31 31 Dimensionierung der Lagerisolation BVR bei Statorspeisung U Lg = U0 2 C Lg C Lg 1 C SW RW C RW SG C iso BVR bei Rotorspeisung Lagerisolation C SW RW U Lg = U0 2C Lg C RW RB C Lg 1 C RW RB C RB SG C iso

32 32 Dimensionierung der Lagerisolation Je kleiner die Kapazität der Lagerisolation gegenüber der Lagerkapazität ist, desto kleiner ist auch die zugehörige BVR! Die Wirkung der Lagerisolation ist aber davon abhängig, ob das Lager kapazitiven oder ohmschen Charakter aufweist. Lagerisolation worst case: große Kapazität der Lagerisolation bei gleichzeitig großer Koppelkapazität C2

33 33 Dimensionierung der Lagerisolation kapazitives Lagerverhalten Lagerisolation

34 34 Dimensionierung der Lagerisolation ohmsches Lagerverhalten Lagerisolation

35 35 Prognose und von Lagerströmen der Gleichtaktspannung als Basis für die Berechnung von Lagerströmen bzw. Messung des Summenstroms als Basis für die Ermittlung der Lagerschädigung

36 36 der Gleichtaktspannung Aktueller Raumzeiger NF/HF-Maschinenmodell Gleichtaktspannung Gleichtaktkreis

37 37 uref

38 38 U1 uref L R C Cp Rp L U1 CG Rs CG U2 U2

39 39 U1 uref L R C Cp Rp L U1 CG Rs CG U2 U2

40 40 L U1 R C uref U2 Cp Rp L Rs C2 U1 CG CG L U2 C1 C3 RLg 2CLg

41 41 L U1 R C uref U2 Cp Rp L Rs C2 U1 CG CG L U2 C1 C3 RLg 2CLg

42 42 des Summenstroms Lagerstrom ist anteilig im Summenstrom enthalten Iu Iv Iw I0 = = I PE I Lg 3 Lagerstrom ist bei bekanntem Koppelnetzwerk extrahierbar Möglichkeit der Online- und Schadensabschätzung aber: EDM und Zirkularanteile sind zunächst nicht nachweisbar!

43 43 des Summenstroms Aktueller Raumzeiger Maschinenmodell mit verteilten Elementen Gleichtaktspannung Gleichtaktkreis

44 44 uref

45 45 uref { I0 U1 { a R j X s n s n a R j X s n s U2 U0

46 46 uref { I0 U1 { a R j X s n s n a R j X s n s U2 C2 U0 L C1 C3 RLg 2CLg

47 47 ILg ohne EDM ILg mit EDM

48 48 ILg ohne EDM ILg mit EDM

49 49 Zusammenfassung Umrichterspeisung führt zu neuen Lagerstromphänomenen Ursache: Gleichtaktspannung und kapazitives Koppelnetzwerk Passive Gegenmaßnahmen bedürfen einer Grund: Wirksamkeit hängt vom Koppelnetzwerk ab MTBF-Abschätzung mittels Online- Möglichkeiten: Gleichtaktspannung und/oder Summenstrom Problem: EDM- und Zirkularanteile sind bisher nicht diagnostizierbar

50 50 Ausblick Vertiefung der Parameterbestimmung für das Koppelnetzwerk Verbesserung der Online- Erkennen von EDM- und Zirkularanteilen Zustandsüberwachung der Lager Verbesserte Gütekriterien in Abh. messbarer Größen Ziel: Lagerdiagnose ohne zusätzliche Messeinrichtungen