Monitoring und Diagnose von Asynchronmaschinen

Transkript

1 Monitoring und Diagnose von Asynchronmaschinen Dr. Christian Kral 11. April

2 Die Entwicklungen der letzten Jahre 2

3 Inhalt 1. Detektion von elektrischen Rotorasymmetrien einschließlich Rotorstabbrüchen -- die Vienna Monitoring Method 2. Innovationen der Vienna Monitoring Method 3. Anwendung der Parameterschätzung zur Schätzung der Rotortemperatur 4. Anwendung der Drehzahlschätzung auf Detektion von Unwuchten und Exzentrizitäten 3

4 Kapitel 1 Detektion von elektrischen Rotorasymmetrien einschließlich Rotorstabbrüchen -die Vienna Monitoring Method 4

5 Wie alles begann Detektion von Rotorfehlern in Asynchronmaschinen Pendelungen der Strominstrumente Diplomarbeiten M. Schagginger F. Pirker C. Kral H. Oberguggenberger Dissertation C. Kral 5

6 Detektion von elektrischen Rotorasymmetrien Kurzschlussläufer Rotorstäbe Endringe 6 Schleifringläufer

7 Ursachen und Auswirkungen Ursache von Rotorasymmetrien im Kurzschlussläufer Produktionsfehler Lunker und Gaseinschlüsse (thermische) Überbeanspruchung Rotorasymmetrien in Kurzschlussläufern verursachen Erhöhte Strombelastung Erhöhte thermische Belastung Ausweitung des Fehlers Ausfall des Antriebs Ausfallkosten 7

8 Auswirkungen Gestörte Stromverteilung im Rotorkäfig 8

9 Auswirkungen Auswirkungen von Rotorfehlern Beeinflussung des Luftspaltfeldes Harmonische im Stromspektrum f side band = 1±2s f Seitenbänder lower side band upper side band Drehmoment-Pulsationen f t =2 sf Drehzahl-Pulsationen (speed ripple) 9 p.u. Stromspektrum 0-1 lower sb -2-3 upper sb Frequenz /Hz 60

10 Methoden zur Detektion Fourieranalyse des Stroms = Motor Current Signature Analysis Messspulen im Stator der Maschine Streufeldspulen Vibrationsmessung Modellrechnungen Vienna Monitoring Method

11 Vienna Monitoring Method Berechnung der Drehmomentdifferenz von Strommodell Spannungsmodell fehlerfreie Maschine gleiche Drehmomentwerte Rotorfehler doppelt schlupffrequente Drehmomentpendelungen 11

12 Vienna Monitoring Method Fehlererkennung Relative Drehmomentdifferenz als Funktion der Flusslage Räumliche Daten-Segmentierung 12

13 Fehlerindikator der VMM Mehrere gebrochene Rotorstäbe 0.1 Indikator Anzahl der gebrochenen Stäbe 13 3

14 Fehlerindikator der VMM Einfluss des Massenträgheitsmoments 14

15 Detektion von elektrischen Rotorasymmetrien Eigenschaften des Fehlerindikators der VMM Erkennt bereits kleine Asymmetrien Unabhängig von Drehzahl Drehmoment / Drehmomentpendelungen Massenträgheitsmoment Anspeisung (Netz, Umrichter) Hohe Robustheit Unabhängig von Baugröße 15

16 Kapitel 2 Innovationen der Vienna Monitoring Method 16

17 Eliminierung des Drehzahlsensors 17 Variante 1

18 Eliminierung des Drehzahlsensors 18 Variante 2

19 Parameternachführung Parameterschätzung aus komplexen Reaktanzkreisen Nachführung von Rotorzeitkonstante und Rotorinduktivität 19

20 Kapitel 3 Anwendung der Parameterschätzung zur Schätzung der Rotortemperatur 20

21 Bestimmung der Rotortemperatur Verluste Kupferverluste im Stator Kupferverluste im Rotor Eisenverluste Zusatzverluste Reibungsverluste Temperaturerhöhung housing rotor bar winding head bearing end ring shaft Wärmeleitung Wärmespeicherung cooling blades bearing plate 21

22 Hybrides Temperaturmodell Stabilisierung des Modells p.u. Rotorwiderstand 0.03 PFe PFe PFe PFe PFe = = = = = W Thermisches Netzwerk für den Schwachlastbereich W W W W p.u. Wirkleistung 1

23 Schätzung der Rotortemperatur Messung und Schätzung der Rotortemperatur infrared sensor 18.5kW Motor 23

24 Kapitel 4 Anwendung der Drehzahlschätzung auf Detektion von Unwuchten und Exzentrizitäten 24

25 Unwuchten und Exzentrizitäten Statische Exzentrizität versetze Rotationsachse Radiale Kraft Zugkraft in Richtung kleinster Luftspalt kann dynamische Exzentrizität hervorrufen Stromharmonische f stat =N r n±kf k =1,2,3,... Ursachen Versatz des Lagers Versatz des Lagerdeckels ovale Statorbohrung 25

26 Unwuchten und Exzentrizitäten Dynamische Exzentrizität Rotationsachse = Statorachse Rotor rotiert nicht um seine eigene Achse mit Rotordrehzahl Dynamische Exzentrizität erster Ordnung Umlaufende radiale Kraft Stromharmonische f =N n±kf ±n dyn r k =1,2,3,... Ursachen Gebogene Welle Mechanische Resonanzen Lagerspiel oder ausgeschlagene Lagers statische Exzentrizität 26

27 Unwuchten und Exzentrizitäten Gemeinsame statische und dynamische Exzentrizität Ideale Bedingungen können nicht vorausgesetzt werden Inhärente Exzentrizität Auswirkungen Stromharmonische f i = f 1±k 1 s k =1,2,3,... p Harmonische in Leistung und Drehmoment 1 s f p =k f k =1,2,3,... p 27

28 Unwuchten und Exzentrizitäten Mechanische Unwuchten Drehmomentschwingungen mit f m=n Inhärente Exzentrizität Drehmomentschwingungen werden verursacht von Rotorunwucht Lastmaschine Kupplung Auswirkungen 1 s k =1,2,3,... Stromharmonische f i = f 1±k p 1 s Harmonische in Leistung und Drehmoment f p =k f =k n p 28

29 Unwuchten und Exzentrizitäten Detektion von Unwuchten elektrische Leistung p.u. Leistung Bandpass-Filter PLL + Hilbert Transformation (H) Asynchronmaschine v1 i1 v2 i2 29 i3 p.u. Leistung Segmentierung (C) Diskrete Fourieranalyse (DFT) v3 Bezugsleistung F ^ p H PLL β C DFT

30 Unwuchten und Exzentrizitäten Spektrum der elektrischen Leistung und der Vibration 0 0 Vibration [g] p.u. Leistung -1 UnwuchtKomponente p.u. Frequenz UnwuchtKomponente p.u Frequenz 1.5

31 Messergebnisse 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 32