DE102013110106A1

DE102013110106A1 - Online-Überwachung der Statorisolierung in Motoren und Generatoren

Info

Publication number: DE102013110106A1
Application number: DE102013110106.2A
Authority: DE
Inventors: Prabhakar Neti; Karim Younsi; Yingneng Zhou; Manoj Ramprasad Shah; Pinjia Zhang; Charles David Whitefield II
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-03-27
Also published as: US20140084937A1; US9255970B2; CN103698665A

Abstract

Geschaffen sind Systeme und Verfahren zur Überwachung des Zustands der Statorisolierung eines Wechselstrommotors oder eines Stromgenerators im Betrieb. In speziellen Ausführungsbeispielen enthält das System einen Transformator, der jedes Paar Eingangs- und Ausgangskabel umgibt, das einer vorgegebenen Phase eines Stroms zugeordnet ist, der dem Wechselstrommotor zugeführt ist, oder der durch den Stromgenerator erzeugt ist. In noch einem Ausführungsbeispiel umgibt ein Transformator (im Falle eines Wechselstrommotors) die drei Eingangskabel oder (im Falle eines Stromgenerators) die drei Ausgangskabel, die Phasen des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators entsprechen. In beiden Ausführungsbeispielen erzeugen die Transformatoren Spannungen, die genutzt werden können, um Verlustströme zu überwachen, die den Kabeln zugeordnet sind. Ein Mikrocontroller überwacht die Spannungen, die durch die Transformatoren erzeugt sind, und ermittelt auf der Grundlage der Spannungen den Zustand der Statorisolierung des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators.

Description

HINTERGRUND
Die im Vorliegenden beschriebene Erfindung betrifft Stromgeneratoren und mit drehzahlvariablem Antrieb gespeiste Wechselstrommotoren.
Mit drehzahlvariablem Antrieb (VSD) gespeiste Wechselstrommotoren nutzen eine VSD-Steuereinrichtung, um die Geschwindigkeit und das Drehmoment eines Wechselstrommotors (beispielsweise, um eine Last anzutreiben oder sonstige Nutzarbeit durchzuführen) durch Änderung der Frequenz und der Spannung von Eingangssignalen zu steuern/regeln, die dem Wechselstrommotor eingegeben sind. Auf der Grundlage ähnlicher physikalischer Prinzipien werden Stromgeneratoren genutzt, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, um beispielsweise einen Motor oder eine sonstige elektrisch betriebene Vorrichtung anzutreiben. Sowohl Wechselstrommotoren als auch Stromgeneratoren weisen eine Statorisolierung auf, um zu verhindern, dass Strom ausgehend von den Rotationskomponenten des Bauelements durch die stationären Komponenten des Bauelements fließt. Im Laufe der Zeit nimmt der Widerstand der Statorisolierung in Stromgeneratoren und VSD-gespeisten Wechselstrommotoren ab. Der Statorisolierungswiderstand kann gegebenenfalls bis zu einem Wert abnehmen, bei dem der Betrieb des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators schwer beeinträchtigt ist, oder bei dem der Wechselstrommotor oder der Stromgenerator im Extremfall sogar betriebsunfähig werden kann.
Es wurden zwar Techniken entwickelt, um die Unversehrtheit der Statorisolierung von elektrischen Generatoren und Wechselstrommotoren zu ermitteln, jedoch werden solche Techniken gewöhnlich durchgeführt, während der Generator oder Motor außer Betrieb genommen ist. D. h. es ist nicht möglich, den Motor während der Erfassung der erforderlichen Messwerte zu betreiben, was derartige Ansätze zur Überwachung umständlich und ineffizient macht.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Ausführungsbeispiel ist ein elektronisches System geschaffen. Zu dem elektronischen System gehören: ein erster Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein erstes Paar Phasenkabel eines mit drehzahlvariablem Antrieb (VSD) gespeisten Wechselstrommotors oder Stromgenerators zu umschließen, ein zweiter Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein zweites Paar Phasenkabel des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder Stromgenerators zu umschließen, und ein dritter Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein drittes Paar Phasenkabel des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder Stromgenerators zu umschließen. Das elektronische System enthält außerdem: einen Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist, entsprechende Spannungen zu überwachen, die durch den ersten, zweiten und dritten Transformator erzeugt sind, und um auf der Grundlage der überwachten Verlustströme eine Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder Stromgenerators zu ermitteln.
Der VSD-gespeiste Wechselstrommotor oder der Stromgenerator können sich im Betrieb befinden, während der Mikrocontroller die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators überwacht.
Der Mikrocontroller jedes der oben erwähnten Systeme kann die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators fortlaufend überwachen.
Der erste, zweite und dritte Transformator jedes der oben erwähnten Systeme können die entsprechenden Spannungen in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses erzeugen, der das entsprechende erste, zweite oder dritte Paar Phasenkabel umgibt.
Die Änderung des magnetischen Flusses, der das entsprechende erste, zweite und dritte Paar Phasenkabel jedes der oben erwähnten Systeme umgibt, lässt sich auf Änderungen eines Stroms zurückführen, der durch das erste, zweite oder dritte Paar Phasenkabel fließt.
Der erste, zweite und dritte Stromtransformator jedes der oben erwähnten Systeme kann hochempfindliche Differenzstromtransformatoren beinhalten.
Die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators jedes der oben erwähnten Systeme kann einen Kapazitäts- und einen Verlustfaktor aufweisen.
Der Mikroprozessor jedes der oben erwähnten Systeme kann den Kapazitäts- und den Verlustfaktor des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators verarbeiten, um einen Zustand einer Statorisolierung zu diagnostizieren, der dem VSD-gespeisten Wechselstrommotor oder dem Stromgenerator zugeordnet ist.
Der Mikroprozessor jedes der oben erwähnten Systeme kann den Kapazitäts- und den Verlustfaktor des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators verarbeiten, um eine erwartete Restlebensdauer des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators zu ermitteln.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Isolierung in einem Wechselstrommotor oder in einem Stromgenerator geschaffen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Umschließen eines ersten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem ersten Transformator, der eine erste Spannung erzeugt, die einem ersten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist, in dem ersten Paar Phasenkabel, Umschließen eines zweiten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem zweiten Transformator, der eine zweite Spannung erzeugt, die einem zweiten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist, in dem zweiten Paar Phasenkabel, und Umschließen eines dritten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem dritten Transformator, der eine dritte Spannung erzeugt, die einem dritten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist, in dem dritten Paar Phasenkabel. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt der Überwachung der ersten, zweiten und dritten Spannung, die durch den ersten, zweiten bzw. dritten Transformator erzeugt sind, mittels eines Mikrocontrollers, um den Zustand der Isolierung in dem Wechselstrommotor oder in dem Stromgenerator zu ermitteln.
In einem der oben erwähnten Verfahren kann die Überwachung der ersten, zweiten und dritten Spannung mittels des Mikrocontrollers stattfinden, während der Wechselstrommotor oder der Stromgenerator in Betrieb ist.
Die Überwachung der ersten, zweiten und dritten Spannung mittels des Mikrocontrollers kann in einem der oben erwähnten Verfahren fortlaufend stattfinden.
In einem der oben erwähnten Verfahren kann der erste, zweite und dritte Transformator die entsprechenden Spannungen in Abhängigkeit von Änderungen eines magnetischen Flusses erzeugen, der das erste, zweite und dritte Paar Phasenkabel umgibt.
In dem zuvor erwähnten Verfahren lassen sich die Änderungen des magnetischen Flusses, der das erste, zweite und dritte Paar Phasenkabel umgibt, auf Änderungen eines Stroms zurückführen, der durch das erste, zweite bzw. dritte Paar Phasenkabel fließt.
In einem der oben erwähnten Verfahren können der erste, zweite und dritte Stromtransformator hochempfindliche Differenzstromtransformatoren beinhalten.
In einem der oben erwähnten Verfahren kann die Unversehrtheit der Isolierung des Wechselstrommotors mittels des Mikroprozessors zumindest teilweise durch Ermitteln eines Kapazitäts- und eines Verlustfaktors einer Statorisolierung ermittelt werden, die dem Wechselstrommotor oder dem Stromgenerator zugeordnet ist.
Eines der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten, die erste, zweite und dritte Spannung, die durch den ersten, zweiten bzw. dritten Transformator erzeugt sind, mittels eines Mikrocontrollers zu überwachen, um eine erwartete Restlebensdauer der Isolierung in dem Wechselstrommotor oder in dem Stromgenerator zu ermitteln.
In noch einem Ausführungsbeispiel ist ein elektronisches System geschaffen. Zu dem elektronischen System gehören ein Wechselstrommotor und ein Stromrichter, der dazu eingerichtet ist, dem Wechselstrommotor über drei Phaseneingangskabel Strom zuzuführen. Der Stromrichter ist dazu eingerichtet, die Frequenz und Amplitude des Stroms zu ändern, um das Drehmoment und die Drehzahl des Wechselstrommotors zu steuern/regeln. Das elektronische System enthält zudem einen Stromtransformator, der gestaltet ist, um die Eingangskabel der ersten, zweiten und dritten Phase des Wechselstrommotors zu umschließen und eine Spannung zu erzeugen, die einem Verluststrom entspricht, der dem Wechselstrommotor zugeordnet ist. Ein Mikrocontroller ist dazu eingerichtet, die Spannung zu überwachen, die durch den Transformator erzeugt ist, um eine Frequenzantwort einer Isolierung des Wechselstrommotors zu ermitteln, und um die Frequenzantwort der Isolierung zu verarbeiten, um die Isolierungscharakteristik des Wechselstrommotors zu gewinnen.
In dem elektronischen System kann sich der Wechselstrommotor im Betrieb befinden, während der Mikrocontroller die Spannung überwacht, die durch den Transformator erzeugt ist.
In einem der oben erwähnten elektronischen Systeme kann der Mikrocontroller die durch den Transformator erzeugte Spannung fortlaufend überwachen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
1 zeigt auf Systemebene einen Schaltplan eines Systems zum Messen von Kapazitäts- und Verlustfaktoren im Betrieb gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen detaillierten Schaltplan eines Abschnitts des Systems von 1 gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht einen weiteren Schaltplan auf Systemebene eines Systems zum Messen von Kapazitäts- und Verlustfaktoren im Betrieb gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht schematisch einen hochempfindlichen Differenzstromtransformator gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine Schnittansicht des magnetischen Flusses, der durch Strom erzeugt wird, der in den Leitungen eines Wechselstrommotors oder eines Stromgenerators fließt, wenn kein Verluststrom vorhanden ist, gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Schnittansicht des magnetischen Flusses, der durch Strom erzeugt wird, der in den Leitungen eines Wechselstrommotors oder eines Stromgenerators fließt, wenn Verluststrom vorhanden ist, gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Diagramm eines einphasigen Schaltkreises des Systems von 1 im Falle einer unversehrten Statorisolierung mit einem äquivalenten Verluststromkreislauf, durch den Verluststrom zur Erde fließt, gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt ein Diagramm eines einphasigen Schaltkreises des Systems von 1 im Falle einer gealterten Statorisolierung mit einem äquivalenten Verluststromkreislauf, durch den Verluststrom zur Erde fließt, gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt ein Diagramm eines einphasigen Schaltkreises des Systems von 1 im Falle einer beschädigten Statorisolierung mit einem äquivalenten Verluststromkreislauf, durch den Verluststrom zur Erde fließt, gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
10 veranschaulicht in einem Graphen die Abhängigkeit des durch einen kapazitiven Abschnitt einer Statorisolierung und einen ohmschen Abschnitt einer Statorisolierung fließenden Stroms von der äquivalenten Impedanz einer Statorisolierung gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt in einem Flussdiagramm das Verfahren des Sammelns und der Analyse von Daten zur Phasenüberwachung gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
12 veranschaulicht in einem Flussdiagramm das Verfahren des Sammelns und der Analyse von Daten zur gleichphasigen Überwachung gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte als Vorteil erachtet werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z. B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.
Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel ”ein” ”eine” bzw. ”der, die, das” und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element einschließen. Die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten” und ”aufweisen” sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
Eigenschaften der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein elektronisches System, das dazu eingerichtet ist, den Zustand oder die Bedingung einer Statorisolierung in einem Wechselstrommotor oder in einem Stromgenerator zu überwachen, während der Wechselstrommotor oder der Stromgenerator betrieben wird. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Bediener eines Motors oder Generators in der Lage, die Unversehrtheit und die erwartete Lebensdauer eines Wechselstrommotors oder Stromgenerators ohne den Nachteil und die Ineffizienz einer Außerbetriebnahme des Motor zu überwachen. Spezielle Ausführungsbeispiele werden außerdem eine fortlaufende Überwachung des Zustands der Statorisolierung ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel verwendet das Statorisolierungsüberwachungssystem drei Transformatoren, die jeweils ein phasenspezifisches Paar Leitungen (d. h. eine Eingangs- und eine Ausgangsleitung) des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators umschließen. Die Transformatoren erzeugen eine Spannung auf der Grundlage des Verluststroms, der auf jeder Phase des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators fließt. Die durch jeden Transformator erfasste Spannung kann, beispielsweise unter Verwendung eines Verarbeitungsbauteils oder Prozessors, analysiert werden, um für eine vorgegebene Statorisolierung einen Kapazitäts- und Verlustfaktor zu bestimmen. In gewissen Ausführungsbeispielen können die Kapazitäts- und Verlustfaktoren genutzt werden, um den Zustand der Statorisolierung zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel schließen solche Berechnungen die Bestimmung einer erwarteten Restlebensdauer der Statorisolierung ein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, wie hier beschrieben, auch ein Transformator, sei es für sich genommen oder in Verbindung mit den oben erwähnten Phasenverluststromtransformatoren, verwendet werden, der die Dreiphasen-Eingangskabel zu einem Wechselstrommotor (d. h. sämtliche drei Phasen) umschließt und eine Spannung auf der Grundlage des gesamten Verluststroms erzeugt, der in den Wechselstrommotor fließt. Die gemessene Spannung kann durch einen Prozessor analysiert werden, um Daten zu erzeugen, die, wie hier beschrieben, den Zustand der Statorisolierung kennzeichnen.
Desgleichen kann in einem verwandten Ausführungsbeispiel ein Transformator, sei es für sich genommen oder in Verbindung mit den oben erwähnten Phasenverluststromtransformatoren, auch genutzt werden, der sämtliche Ausgangskabel eines elektrischen Generators umschließt und auf der Grundlage des Gesamtverluststroms, der von dem Stromgeneratorschaltkreis, durch die Statorisolierung und in den Rahmen des Stromgenerators fließt, eine Spannung erzeugt. Wie in dem Ausführungsbeispiel mit dem Wechselstrommotor kann die gemessene Spannung durch einen Prozessor analysiert werden, um Daten zu erzeugen, die, wie hier beschrieben, den Zustand der Statorisolierung kennzeichnen.
Unter Beachtung des Vorausgehenden veranschaulicht 1 auf Systemebene ein Diagramm eines Systems zur Messung von Kapazitäts- und Verlustfaktoren im Betrieb gemäß speziellen Ausführungsbeispielen. In dem dargestellten Beispiel verwendet ein VSD-gespeister Wechselstrommotor 10 eine Drehstromquelle 12. Die Drehstromquelle 12 kann einem Stromrichter (Antrieb) 14 einen Dreiphasenstrom (Drehstrom) bereitstellen. Der Stromrichter 14 kann eine Schaltung (z. B. eine Umschaltschaltung und dergleichen) enthalten, die dazu eingerichtet ist, die Steuerung/Regelung eines Wechselstrommotors 16 durch Variieren der Frequenz und der Amplitude des Dreiphasenstroms zu ermöglichen. Der Stromrichter 14 ist somit in der Lage, die Steuerung/Regelung des Drehmoments und der Drehzahl des Wechselstrommotors 16 zu ermöglichen. Der Dreiphasenstrom kann von dem Stromrichter 14 durch das Eingangskabel 18 (in dem dargestellten Beispiel ist dies ein Eingangskabel 18 pro Phase) in den Wechselstrommotor 16 fließen. In dem Wechselstrommotor 16 kann jeder der drei Phasenströme des Drehstroms von einem entsprechenden Eingangskabel 18 (d. h. ausgehend von jedem Kabel 18, das einer anderen Phase entspricht), durch eine von drei Motorinduktionslasten 20 hindurch und durch eines der entsprechenden phasenspezifischen Ausgangskabel 22 heraus fließen. Eine Statorisolierung 34 (d. h. eine Isolierung, die der stationären Komponente des Motors 10 zugeordnet ist) isoliert den Strom, der durch die entsprechenden Kabel fließt, elektrisch von einem Rahmen 44 des Motors 10.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umschließt ein gleichphasiger Verluststromtransformator 24 sämtliche drei Eingangskabel 18. In diesem Beispiel erzeugt der gleichphasige Verluststromtransformator 24 in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses, der durch die drei Eingangskabel 18 bei verschiedenen entsprechenden Phasen erzeugt ist, eine Spannung. Änderungen des magnetischen Flusses können durch Zunahmen oder Abnahmen der entsprechenden Ströme verursacht sein, die bei den entsprechenden Phasen durch die drei Eingangskabel 18 fließen.
Wie ebenfalls in 1 veranschaulicht, kann ein Phasenverluststromtransformator 26 jedes der paarweise ausgelegten Eingangskabel 18 bzw. Ausgangskabel 22 für eine entsprechende Phase umschließen. Jeder Phasenverluststromtransformator 26 kann in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses, der durch das entsprechende Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 einer vorgegebenen Phase erzeugt ist, die einem Phasenverluststromtransformator 26 zugeordnet ist, eine Spannung erzeugen. Änderungen des magnetischen Flusses können durch Zunahmen oder Abnahmen der Ströme verursacht sein, die bei einer vorgegebenen Phase durch ein Paar Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 fließen. Änderungen des magnetischen Flusses können auch durch unterschiedliche Amplituden von Strom verursacht sein, der auf einem der drei Eingangskabel 18 und den entsprechenden Ausgangskabeln 22 fließt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein Mikroprozessor 28 genutzt werden, um die Spannungen zu messen, die durch den gleichphasigen Verluststromtransformator 24 und/oder durch die drei Phasenverluststromtransformatoren 26 erzeugt sind. Signale, die durch den Prozessor 28 verarbeitet sind, können vor der Verarbeitung, beispielsweise mittels eines A/D-Konverters (ADC) 30, von einer analogen in eine digitale Form umgewandelt werden. Beispielsweise kann der Mikroprozessor 28 in einer Ausführungsform aufgezeichnete Spannungen analysieren, die durch ein oder mehrere Transformatoren erzeugt sind, um die Kapazitäts- und Verlustfaktoren zu bestimmen, die der Statorisolierung 34 in dem Wechselstrommotor 16 zugeordnet sind.
2 zeigt eine detaillierte Ansicht der Ströme, die durch den Wechselstrommotor 16 fließen. In diesem Beispiel können phasenspezifische Ströme auf einem von drei entsprechenden Eingangskabeln 18 in den Wechselstrommotor 16 eintreten. Der phasenspezifische Strom, der durch jedes der entsprechenden Eingangskabel 18 fließt, kann durch einen Phasenverluststromtransformator 26 gemessen werden, den das entsprechende Eingangskabel 18 durchquert. Der gesamte Phasenstrom in einem Eingangskabel 18 kann als verschiedene entsprechende Anteile, beispielsweise einen Laststrom 40 und einen Verluststrom 42, enthaltend betrachtet werden. Jeder Phasenstrom kann durch eine der drei Motorinduktionslasten 20 fließen. Während der Phasenstrom durch die entsprechende Motorinduktionslast 20 fließt, kann (so vorhanden) ein Verluststrom 42 aus der Motorinduktionslast 20, z. B. durch die Statorisolierung 34, und in den geerdeten Rahmen 44 des Wechselstrommotors 16 fließen. Eine Zunahme des Verluststroms 42 kann daher den Fortgang einer verschleißenden Statorisolierung 34 anzeigen. Der übrige Laststrom 40 kann durch das der Phase entsprechende Ausgangskabel 22 und durch den entsprechenden Phasenverluststromtransformator 26 zurück fließen.
Eine Zunahme des Verluststroms 42 kann eine Änderung des magnetischen Flusses hervorrufen, der durch ein paarweise ausgelegtes Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 erzeugt ist. Beispielsweise kann eine Zunahme des Verluststroms 42 eine Differenz zwischen der Amplitude des Stroms, der durch den Phasenverluststromtransformator 26 in Richtung des Wechselstrommotors 16 in dem entsprechenden Eingangskabel 18 fließt, und der Amplitude des Stroms hervorrufen, der durch den Phasenverluststromtransformator 26 von dem Wechselstrommotor 16 in dem entsprechenden Ausgangskabel 22 abfließt. Die Differenz der Amplituden von Strömen, die in dem entsprechenden Eingangskabel 18 und in dem entsprechenden Ausgangskabel 22 fließen, kann einen asymmetrischen magnetischen Fluss um ein paarweise ausgelegtes Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 erzeugen. Der asymmetrische magnetische Fluss kann seinerseits, wenn er durch einen entsprechenden Phasenverluststromtransformator 26 überwacht wird, eine Spannung an dem Phasenverluststromtransformator verursachen, die mittels des Mikroprozessors 28 verarbeitet werden kann.
Während 1 und 2 Techniken zur Überwachung eines Stators für einen Wechselstrommotor 16 im Betrieb veranschaulichen, zeigt 3, wie ähnliche Techniken zur Überwachung eines Stators in Zusammenhang mit einem Stromgenerator 48 im Betrieb verwendet werden können. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann eine mechanische Kraft bewirken, dass sich ein Magnetfeld relativ zu Generatorinduktoren 50 bewegt, um in paarweise ausgelegten Generatorkabeln 52 einen Strom hervorzurufen. Der Strom, der durch die paarweise ausgelegten Generatorkabel 52 fließt, kann einer mit dem Stromgenerator verbundenen Last 54 elektrische Leistung zuführen. Wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 veranschaulicht, kann jeder Phasenverluststromtransformator 26 ein Paar Generatorkabel 52 bei einer vorgegebenen Phase umschließen und in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses, der die paarweise ausgelegten Generatorkabel 52 umgibt, Spannungen erzeugen. Die Änderungen des magnetischen Flusses lassen sich, wie in 2 beschrieben, auf Zunahmen von Verlustströmen zurückführen und können den fortschreitenden Verschleiß einer Statorisolierung kennzeichnen. Desgleichen arbeitet ein gleichphasiger Verluststromtransformator 24 in derselben Weise, wie es in 1 beschrieben ist, wobei in Abhängigkeit von Änderungen eines magnetischen Flusses, der die Generatorkabel 52 jeder Phase umgibt, eine Spannung erzeugt wird. Wie oben beschrieben, lassen sich die Änderungen des magnetischen Flusses auf Zunahmen der Verlustströme zurückführen, die ausgehend von den Generatorinduktoren 50, durch die Statorisolierung 34 und in den geerdeten Rahmen 44 des Stromgenerators 48 fließen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die in 1, 2 und 3 veranschaulichten Phasenverluststromtransformatoren 26 hochempfindliche Doppelkern-Differenzstromtransformatoren (HSCTs) sein. Darüber hinaus kann der gleichphasige Verluststromtransformator 24 in einigen Ausführungsbeispielen ein HSCT sein. Der Einsatz von HSCTs kann das Messen verhältnismäßig kleiner Differenzen (z. B. 100 Mikroampere) verhältnismäßig hoher Ströme (z. B. mehrerer Kiloampere) ermöglichen. Mit Bezug auf die Zeichnungen veranschaulicht 4 einen Doppelkern-HSCT 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem dargestellten Beispiel kann ein innerer Magnetkern 122 eine zentrale Öffnung 123 des HSCT 120 definieren. Ein erster Leiter 124 und ein zweiter Leiter 126 können sich durch die zentrale Öffnung 123 erstrecken. Das Paar Leiter kann bezüglich eines Mittelpunkts 128 des inneren Magnetkerns 122 gleich beabstandet und auf einem als Bezugsachse 130 bezeichneten Durchmesser des inneren Magnetkerns 122 angeordnet sein. Der erste Leiter 124 und der zweite Leiter 126 können Ströme führen, deren Betrag gleich ist, deren Richtung jedoch entgegengesetzt ist (z. B. Ströme, die gleich sind oder hinsichtlich des Betrag in der Höhe eines Verluststroms abweichen). Die Ströme, die in dem ersten Leiter 124 und in dem zweiten Leiter 126 fließen, können um den Leiter magnetische Flüsse 132, 134 erzeugen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der HSCT 120 einen Sensorkern 136 enthalten, der den inneren Magnetkern 122 umschließt und zwischen sich und dem inneren Magnetkern 122 einen Luftspalt 137 bildet. Der innere Magnetkern 122 und der Sensorkern 136 können anhand einer Reihe unterschiedlicher Materialien ausgebildet sein, beispielsweise Siliziumstahl, Eisenlegierungen, Ferrite oder Kombinationen davon. Ein oder beide Kerne, sei dies der innere Magnetkern 122 und/oder der Sensorkern 136, kann bzw. können eine oder mehrere Sensorspulen 138, 140, 142, 144 enthalten. In dem dargestellten Beispiel sind die Sensorspulen 138, 140 entlang einer magnetisch neutralen Achse (MNA) 146 auf dem inneren Magnetkern 122 angeordnet. Die MNA 146 kann als Ergebnis entgegengesetzter magnetischer Flüsse 132, 134 gebildet sein. In noch einem Ausführungsbeispiel können die Sensorspulen 138, 140 des inneren Magnetkerns 122 auf der Bezugsachse 130 angeordnet sein. Die Sensorspulen 142, 144 auf dem Sensorkern 136 können, wie veranschaulicht, auf der MNA 146 angeordnet sein, obwohl die Sensorspulen 142, 144 auf dem Sensorkern 136 in anderen Ausführungsbeispielen an einer beliebigen Stelle auf dem Sensorkern 136 angeordnet sein können, d. h. die Sensorspulen 142, 144 sind nicht unbedingt auf der MNA 146 oder Bezugsachse angeordnet, sondern können an einer beliebigen Stelle auf dem Sensorkern 136 angeordnet sein. Wie hier in speziellen Ausführungsbeispielen erläutert, können Anschlüsse 148, 150 über einen A/D-Konverter 30 (siehe 1) mit einem Mikroprozessor 28 verbunden sein, um einen Verluststrom zu messen, der in dem ersten Leiter 124 oder in den zweiten Leiter 126 fließt.
Um die oben dargelegte Erörterung des Verluststroms weiter zu verdeutlichen, veranschaulichen 5 und 6 Schnittansichten des magnetischen Flusses, der durch Strom erzeugt wird, der in einem entsprechenden Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 fließt. In einem Fall, bei dem kein Verluststrom vorhanden ist (5), ist das Eingangskabel 18 in der Lage, der Motorinduktionslast 20 einen Strom, von beispielsweise 500 Ampere, zuzuführen. Da aus der Motorinduktionslast 20 kein Strom entwichen ist, fließt in dem entsprechenden Ausgangskabel 22 der gleiche Strom (500 A) in entgegengesetzter Richtung. Da die Amplitude des Stroms, der durch das Eingangskabel 18 fließt, und des Stroms, der durch das entsprechende Ausgangskabel 22 fließt, übereinstimmen, rufen sie einen symmetrischen magnetischen Fluss 162 um das Eingangskabel 18 und um das Ausgangskabel 22 hervor. Ein unveränderlicher und symmetrischer magnetischer Fluss 162 erzeugt in dem entsprechenden Phasenverluststromtransformator 26 keine Spannung. Eine magnetisch neutrale Achse (MNA) 164 kann daher dort vorliegen, wo sich die Magnetfelder aufheben, die auf den durch das Eingangskabel 18 fließenden Strom und auf den durch das Ausgangskabel 22 fließenden Strom zurückzuführen sind. Falls kein Verluststrom vorhanden ist (5), kann die MNA 164 etwa senkrecht zu einer Geraden verlaufen, die das Phaseneingangskabel 18 und das Phasenausgangskabel 22 verbindet.
In einem Beispiel, bei dem ein Verluststrom vorhanden ist (6), kann das Eingangskabel 18 einen Strom zu der Motorinduktionslast 20 führen. In diesem Beispiel kann in der Motorlast ein Verluststrom 42, z. B. aufgrund einer beschädigten Statorisolierung 34, vorhanden sein. Daraus ergibt sich, dass der Strom in dem Phasenausgangskabel 22 aufgrund des Verlustes dieses aus der Last 20 fließenden Verluststroms geringer ist. Beispielsweise kann das Eingangskabel 18 zu Beginn einen Strom von 500 Ampere führen, und das entsprechende Ausgangskabel 22 kann, wenn kein Verluststrom 42 vorhanden ist, ebenfalls einen Strom von 500 Ampere führen. In einem Beispiel kann aufgrund einer verringerten Wirksamkeit der Statorisolierung 34 ein Verluststrom von 100 mA auftreten und einen zusätzlichen Strom von 100 mA zur Folge haben, der durch das Eingangskabel 18 ”gezogen” wird, so dass dem Eingangskabel 18 500,1 A entnommen werden. Nachdem der Strom von 100 mA durch die Statorisolierung 34 entweicht, können die restlichen 500 mA auf dem entsprechenden Ausgangskabel 22 zurückfließen. Da der in dem Eingangskabel 18 fließende Strom und der in dem entsprechenden Ausgangskabel 22 fließende Strom nicht übereinstimmen, können sie einen asymmetrischen magnetischen Fluss 168 erzeugen, der die paarweise ausgelegten Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 umgibt. Der asymmetrische magnetische Fluss 168 kann eine durch den Phasenverluststromtransformator 26 erzeugte Spannung zur Folge haben, die überwacht werden kann. Weiter kann die MNA 164, wie in 6 gezeigt, in Richtung des Phasenausgangskabels 22 verschoben sein. Obwohl 5 und 6 in Zusammenhang mit Wechselstrommotoren erläutert sind, ist zu beachten, dass sich dieselben Grundzüge auf das Messen der Unversehrtheit einer Statorisolierung in Stromgeneratoren anwenden lassen.
Unter Beachtung des Vorausgehenden, und indem nun auf 7 eingegangen wird, ist ein einphasiger Schaltkreis des Wechselstrommotors 16 mit einem äquivalenten Verluststromkreislauf 172 dargestellt. In dem dargestellten Beispiel kann der Verluststrom 42, der aus der Motorinduktionslast 20 fließen kann, durch einen äquivalenten Verluststromkreislauf 172, und in den geerdeten Rahmen 44 des Wechselstrommotors 16 oder Stromgenerators 48 fließen. Die Komponenten des äquivalenten Verluststromkreislaufs 172 können sich in Abhängigkeit von einer Änderung des Zustands der Statorisolierung 34 des Wechselstrommotors 16 oder des Stromgenerators 48 ändern. Die Diagramme in 7–9 zeigen die Änderungen des äquivalenten Verluststromkreislaufs 172 in Abhängigkeit von der Änderung des Zustands der Statorisolierung 34. Wie oben erörtert, zeigt 7 den äquivalenten Verluststromkreislauf 172, der im Falle einer unversehrten Statorisolierung 34 einen einzelnen Kondensator 174 aufweist. In einer Situation, in der die Statorisolierung 34 überaltert oder in sonstiger Weise verschlissen ist, kann der äquivalente Verluststromkreislauf 172, wie in 8 gezeigt, als ein Widerstand 176 dargestellt sein, der parallel mit einem Kondensator 178 geschaltet ist. Während die Statorisolierung 34 altert, kann der Wert des Widerstands 176 abnehmen. Mit dem Abnehmen des Widerstands kann der Verluststrom 42, der durch den äquivalenten Verluststromkreislauf 172 fließt, zunehmen. In einer beschädigten oder verschlissenen Statorisolierung 34 kann der äquivalente Verluststromkreislauf 172, wie in 9 gezeigt, einfach durch einen Widerstand 180 repräsentiert sein. Mit dem weiteren Verschleiß der Statorisolierung 34 kann der Wert des Widerstands 180 weiter abnehmen. Mit dem Abnehmen des Widerstands kann der Verluststrom 42, der durch den äquivalenten Verluststromkreislauf 172 fließt, weiter zunehmen.
Mit Bezug auf 10 ist anhand eines Graphen 190 im Einzelnen veranschaulicht, wie die Menge des Stroms, die durch eine kapazitive Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 172 und durch einen ohmschen Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 172 fließt, von einer äquivalenten Impedanz 192 der Statorisolierung 34 eines Wechselstrommotors 16 oder eines Stromgenerators 48 abhängt. Die x-Achse des Graphen 190 entspricht dem Betrag des Verluststroms 42, der durch den ohmschen Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 194 fließt. Die y-Achse des Graphen 190 entspricht dem Betrag des Verluststroms 42, der durch den kapazitiven Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 196 fließt. Der Betrag des Verluststroms, der durch den kapazitiven Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 196 fließt, kann trotz des Zustands der Statorisolierung 34 angenähert konstant bleiben. Während sich der Zustand der Statorisolierung 34 verschlechtert, kann der Betrag des Verluststroms, der durch den ohmschen Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 194 fließt, zunehmen. Während der Betrag des Verluststroms, der durch den ohmschen Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs 94 fließt, zunimmt, kann die äquivalente Impedanz 192 der Statorisolierung 34 abnehmen und kann gestatten, dass der Verluststrom 42 von der Motorinduktionslast 20 oder von dem Generatorinduktor 50 zur Erde zunimmt. Aufgrund dieser Beziehung kann die äquivalente Impedanz 192 der Statorisolierung 34 genutzt werden, um den Zustand der Statorisolierung 34 zu diagnostizieren. Darüber hinaus kann die äquivalente Impedanz 192 der Statorisolierung 34 (von beispielsweise 12 MΩ, 8 MΩ, 5 MΩ, usw.) genutzt werden, um eine Voraussage über Ausfälle der Isolierung zu treffen. Eine derartige Prognose von Ausfällen der Isolierung kann einen geschätzten Zeitraum beinhalten, in dem die Statorisolierung 34 zuverlässig funktionieren kann, oder eine geschätzte Zeitspanne beinhalten, mit deren Ablauf ein Austausch erforderlich ist.
In diesem Sinne veranschaulicht 11 in einem Flussdiagramm 200 das Verfahren des Sammelns und der Analyse von Daten für die Überwachung der Statorisolierung 34 gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Speziell veranschaulicht 11 ein Beispiel eines Verfahrens, in dem ein oder mehrere Phasenverluststromtransformatoren 26 bereitgestellt sind, wobei jeder Phasenverluststromtransformator 26 um ein entsprechendes Eingangskabel 18 und Ausgangskabel 22 angeordnet ist, die einer speziellen Stromphase entsprechen. Wie durch Block 202 dargestellt, können die Phasenverluststromtransformatoren 26 den Verluststrom 42 überwachen, der durch die Statorisolierung 34 und in den geerdeten Rahmen 44 des Wechselstrommotors 16 oder des Stromgenerators 48 fließt. Im normalen Betrieb des Wechselstrommotors 16 können ein Schalten von Leistungsschaltern sowie Hochfrequenzspannungspitzen in dem Stromrichter (Antrieb) 14 an den Eingängen des Wechselstrommotors 16 Spannungsanregungsspitzen bei vielfältigen Frequenzen hervorrufen. Wie oben erwähnt, können die Phasenverluststromtransformatoren 26 den Verluststrom 42 überwachen, indem sie in Abhängigkeit von Änderungen eines magnetischen Flusses, der durch Änderungen des Verluststroms 42 hervorgerufen ist, Transformatorspannungssignale 204 erzeugen. Ein Mikroprozessor 28 kann seinerseits die Transformatorspannungssignale 204 als Eingaben (beispielsweise nach einer Umwandlung von einem analogen in ein digitales Signal) aufnehmen und die Transformatorspannungssignale 204, wie durch Block 206 gekennzeichnet, verarbeiten. Der Mikroprozessor 28 kann die Transformatorspannungssignale 204 verarbeiten, um einen Wert des Kapazitäts- und Verlustfaktors 208 für den äquivalenten Verluststromkreislauf 172 zu bestimmen. Dementsprechend kann die Antwort des Verluststroms 42 anhand einer Spannungsanregung bei vielfältigen Frequenzen genutzt werden, um den Kapazitäts- und Verlustfaktor 208 zu bestimmen. Wie durch Block 210 dargestellt, kann der Mikroprozessor 28 den Kapazitäts- und Verlustfaktor 208 weiter verarbeiten, um für eine spezielle Phase den Zustand der Statorisolierung 212 und/oder für eine spezielle Phase die erwartete Lebensdauer der Statorisolierung 214 zu ermitteln.
12 veranschaulicht anhand eines Flussdiagramms 220 das Verfahren des Sammelns und der Analyse von Daten zur gleichphasigen Überwachung gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie durch Block 222 dargestellt, kann ein gleichphasiger Verluststromtransformator 24 um die drei Eingangskabel 18, die zu dem Motor 16 führen, angeordnet sein und kann den Verluststrom 42 überwachen, der durch die Statorisolierung 34, und in den geerdeten Rahmen 44 des Wechselstrommotors 16 oder des Stromgenerator 48 fließt. Im normalen Betrieb des Wechselstrommotors 16 können ein Betätigen von Leistungsschaltern sowie Hochfrequenzspannungspitzen in dem Stromrichter (Antrieb) 14 an den Eingängen des Wechselstrommotors 16 bei vielfältigen Frequenzen Spannungsanregungsspitzen erzeugen. Wie oben erwähnt, kann der gleichphasige Verluststromtransformator 24 den Verluststrom 42 überwachen, indem er Transformatorspannungssignale 224 in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses erzeugt, die durch Änderungen des Verluststroms 42 hervorgerufen sind, wie er anhand der Überwachung der Eingangskabel 18 bestimmt ist. Der Mikroprozessor 28 kann die Transformatorspannungssignale 224 als Eingaben aufnehmen und die Transformatorspannungssignale 224, wie durch Block 226 gekennzeichnet, verarbeiten. Der Mikroprozessor 28 kann die Transformatorspannungssignale 224 verarbeiten, um für den äquivalenten Verluststromkreislauf 172 einen Wert des Kapazitäts- und Verlustfaktors 228 zu bestimmen. Die Antwort des Verluststroms 42 anhand der Spannungsanregung bei vielfältigen Frequenzen kann genutzt werden, um den Kapazitäts- und Verlustfaktor 228 zu bestimmen. Wie durch Block 230 dargestellt, kann der Mikroprozessor 28 den Kapazitäts- und den Verlustfaktor 228 verarbeiten, um den Zustand der Statorisolierung 232 und/oder die erwartete Lebensdauer der Statorisolierung 234 zu ermitteln.
Technische Effekte der Erfindung beinhalten ein elektronisches System, das dazu eingerichtet ist, die Unversehrtheit der Statorisolierung eines elektrischen Generators oder eines mit drehzahlvariablem Antrieb (VSD) gespeisten Wechselstrommotors zu überwachen, während sich der Stromgenerator oder der VSD-gespeiste Wechselstrommotor in Betrieb befindet. In gewissen Ausführungsbeispielen enthält das elektronische System einen gleichphasigen Verluststromtransformator, der genutzt wird, um in Abhängigkeit von Änderungen des Gesamtstroms, der in den VSD-gespeisten Wechselstrommotor eingespeist wird, eine Spannung zu erzeugen. Die Änderungen des Stroms sind auf einen Strom zurückzuführen, der von dem Schaltkreis des VSD-gespeisten Wechselstrommotors zur Erde entweicht. Andere Ausführungsbeispiele können Phasenverluststromtransformatoren enthalten, die genutzt werden, um in Abhängigkeit von Änderungen von Strömen, die durch jeden Phasenschaltkreis des VSD-gespeisten Wechselstrommotors fließen, Spannungen zu erzeugen. Die Stromstärkeänderungen sind auf einen Strom zurückzuführen, der von dem Schaltkreis des VSD-gespeisten Wechselstrommotors zur Erde entweicht. Desgleichen können Ausführungsbeispiele gleichphasige Verluststromtransformatoren oder Phasenverluststromtransformatoren enthalten, die genutzt werden, um einen Stromgenerator mittels derselben Grundlagen zu überwachen, mit denen einen VSD-gespeister Wechselstrommotor überwacht wird. Das elektrische System, das den Stromgenerator oder den Wechselstrommotor überwacht, enthält einen Mikroprozessor, der dazu eingerichtet ist, die Spannungen zu überwachen, die durch den gleichphasigen Verluststromtransformator und durch die Phasenverluststromtransformatoren erzeugt sind. Der Mikroprozessor ist dazu eingerichtet, einen Kapazitäts- und Verlustfaktor der Statorisolierung anhand der Spannungen zu bestimmen und auf der Grundlage der Werte des Kapazitäts- und Verlustfaktors eine Diagnose der aktuellen Unversehrtheit der Statorisolierung und eine Prognose der Restlebensdauer der Statorisolierung zu erstellen.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Geschaffen sind Systeme und Verfahren zur Überwachung des Zustands der Statorisolierung eines Wechselstrommotors oder eines Stromgenerators im Betrieb. In speziellen Ausführungsbeispielen enthält das System einen Transformator, der jedes Paar Eingangs- und Ausgangskabel umgibt, die einer vorgegebenen Phase eines Stroms zugeordnet sind, der dem Wechselstrommotor zugeführt wird, oder der durch den Stromgenerator erzeugt wird. In noch einem Ausführungsbeispiel umgibt ein Transformator (im Falle eines Wechselstrommotors) die drei Eingangskabel oder (im Falle eines Stromgenerators) die drei Ausgangskabel, die den Phasen des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators entsprechen. In beiden Ausführungsbeispielen erzeugen die Transformatoren Spannungen, die genutzt werden können, um Verlustströme zu überwachen, die den Kabeln zugeordnet sind. Ein Mikrocontroller überwacht die Spannungen, die durch die Transformatoren erzeugt sind, und ermittelt auf der Grundlage der Spannungen den Zustand der Statorisolierung des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators.
Bezugszeichenliste

10: VSD-gespeister Wechselstrommotor
12: Drehstromquelle
14: Stromrichter
16: Wechselstrommotor
18: Eingangskabel
20: Motorinduktionslast
22: Ausgangskabel
24: Gleichphasiger Verluststromtransformator
26: Phasenverluststromtransformator
28: Mikroprozessor
30: A/D-Konverter
32: Motorrahmen
34: Statorisolierung
40: Laststrom
42: Verluststrom
44: Geerdeter Rahmen
62: Symmetrischer magnetischer Fluss
64: Magnetische neutrale Achse
68: Asymmetrischer magnetischer Fluss
72: Äquivalenter Verluststromkreislauf
76: Widerstand
78: Kondensator
80: Widerstand
90: Graph
92: Äquivalente Impedanz
94: Ohmscher Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs
96: Kapazitiver Abschnitt des äquivalenten Verluststromkreislaufs
100: Flussdiagramm
102: Block
104: Block
106: Block
108: Kapazitäts- und Verlustfaktor
110: Block
112: Zustand/Bedingung der Statorisolierung
114: Erwartete Lebensdauer der Statorisolierung
120: Flussdiagramm
122: Block
124: Transformatorspannungssignale
126: Block
128: Kapazitäts- und Verlustfaktor
130: Block
132: Bedingung oder Zustand der Statorisolierung
134: Erwartete Lebensdauer der Statorisolierung

Claims

Elektronisches System, zu dem gehören: ein erster Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein erstes Paar Phasenkabel eines mit drehzahlvariablem Antrieb (VSD) gespeisten Wechselstrommotors oder eines Stromgenerators zu umschließen; ein zweiter Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein zweites Paar Phasenkabel des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators zu umschließen; ein dritter Stromtransformator, der gestaltet ist, um ein drittes Paar Phasenkabel des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators zu umschließen; und ein Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist, entsprechende Spannungen zu überwachen, die durch den ersten, zweiten und dritten Transformator erzeugt sind, und auf der Grundlage der überwachten entsprechenden Spannungen eine Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators zu ermitteln.
Elektronisches System nach Anspruch 1, wobei der VSD-gespeiste Wechselstrommotor oder der Stromgenerator sich im Betrieb befindet, während der Mikrocontroller die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators überwacht.
Elektronisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mikrocontroller die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators fortlaufend überwacht.
Elektronisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der erste, zweite und dritte Transformator die entsprechenden Spannungen in Abhängigkeit von Änderungen des magnetischen Flusses erzeugen, der das entsprechende erste, zweite oder dritte Paar Phasenkabel umgibt.
Elektronisches System nach Anspruch 4, wobei die Änderung des magnetischen Flusses, der das entsprechende erste, zweite und dritte Paar Phasenkabel umgibt, auf Änderungen eines Stroms zurückzuführen ist, der durch das erste, zweite oder dritte Paar Phasenkabel fließt.
Elektronisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der erste, zweite und dritte Stromtransformator hochempfindliche Differenzstromtransformatoren beinhalten.
Elektronisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Isolierungscharakteristik des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators einen Kapazitäts- und einen Verlustfaktor aufweisen.
Elektronisches System nach Anspruch 7, wobei der Mikroprozessor einen Kapazitäts- und einen Verlustfaktor des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators verarbeitet, um einen Zustand einer Statorisolierung zu diagnostizieren, die dem VSD-gespeisten Wechselstrommotor oder dem Stromgenerator zugeordnet ist, oder um eine erwartete Restlebensdauer des VSD-gespeisten Wechselstrommotors oder des Stromgenerators zu ermitteln.
Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Isolierung in einem Wechselstrommotor oder in einem Stromgenerator, mit den Schritten: Umschließen eines ersten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem ersten Transformator, der in dem ersten Paar Phasenkabel eine erste Spannung erzeugt, die einem ersten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist; Umschließen eines zweiten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem zweiten Transformator, der in dem zweiten Paar Phasenkabel eine zweite Spannung erzeugt, die einem zweiten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist; Umschließen eines dritten Paars Phasenkabel des Wechselstrommotors oder des Stromgenerators mit einem dritten Transformator, der in dem dritten Paar Phasenkabel eine dritte Spannung erzeugt, die einem dritten Verluststrom entspricht, falls ein solcher vorhanden ist; und Überwachen der ersten, zweiten und dritten Spannung, die durch den ersten, zweiten bzw. dritten Transformator erzeugt sind, mittels eines Mikrocontrollers, um den Zustand der Isolierung in dem Wechselstrommotor oder in dem Stromgenerator zu ermitteln.
Elektronisches System, zu dem gehören: ein Wechselstrommotor; ein Stromrichter, der dazu eingerichtet ist dem Wechselstrommotor über drei Phaseneingangskabel Strom zuzuführen, wobei der Stromrichter dazu eingerichtet ist, die Frequenz und Amplitude des Stroms zu ändern, um das Drehmoment und die Drehzahl des Wechselstrommotors zu steuern/regeln; ein Stromtransformator, der gestaltet ist, um die Eingangskabel der ersten, zweiten und dritten Phase des Wechselstrommotors zu umschließen, und eine Spannung zu erzeugen, die einem Verluststrom entspricht, der dem Wechselstrommotor zugeordnet ist; und ein Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist, die Spannung zu überwachen, die durch den Transformator erzeugt ist, um eine Frequenzantwort einer Isolierung des Wechselstrommotors zu ermitteln, und um die Frequenzantwort der Isolierung zu verarbeiten, um die Isolierungscharakteristik des Wechselstrommotors zu gewinnen.