ARRANGEMENT FOR MEASURING AND MONITORING ELECTRICAL ROTOR ASYMMETRIES IN INDUCTION MOTORS WITH SQUIRREL CAGE ROTORS

Abstract: 1. Arrangement for the metrological detection and monitoring of electrical asymmetries of a rotor rotating in a stator of an induction motor, particularly of asymmetries caused by rod or ring breaks in induction motors with cage rotors, by means of a measuring coil which consists of one or a plurality of turns and which is arranged in the bore surface, facing the air gap, of the stator laminated pack, characterised in that the width (W) of the measuring coil is dimensioned in the circumferential direction of the bore surface such that the main field of the motor, the upper fields of the turns and the tooth saturation fields do not induce any voltage in the coil, while the additional air gap fields produced by electrical rotor asymmetries produce a maximum voltage.

Description: Anordnung zur messtechnischen Erfassung und überwachung von elektrischen Läuferunsym metrien, in Induktionsmaschinen mit Käfig läufern Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur messtechnischen Erfassung und betrieblichen überwachung von elektrischen täuferunsymmetrien, insbesondere solcher durch Stab- und Ringbrüche hervorgerufenen, in Induktionsmaschinen mit Käfigläufern. Nach der Erfindung wird die Weite einer Messspule und ggf. die Reihenschaltung einer bestimmten Anzahl von Messspulen so vorgenommen, dass die resultierende Messspannung eine eindeutige Funktion der auftretenden Läuferunsymmetrie ist. Durch die erfinderischen Massnahmen ist deshalb dafür zu sorgen, dass alle im ungestörten Betrieb einer Induktionsmaschine auftretenden Induktions-Drehfelder, vor allem das Maschinenhauptfeld, in den Messspulen keine Spannung oder nur Spannungen geringer Grösse induzieren, welche sich überdies in ihren Frequenzen von den durch elektrische Läuferunsymmetrien bewirkten Spannungen so deutlich unter scheiden, dass sie über Filter selektiert werden können. Die Höhe der Messspannung kann somit als Grad der Läufer unsymmetrie dienen und in bekannter Weise zur Betätigung von Warn- bzw. Abschalteinrichtungen herangezogen werden. Elektrische Läuferunsymmetrien können bei Induktionsmaschinen so > ^- während des Herstellungsprozesses als auch im späteren Betrieb e.#z stehen. Die erstgenannte Kategorie betrifft vor allem Seigerungen, Lunkerbildungen und Scrwindungsrisse bei Läufers, deren Käfig Im Giessverfahren aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird. Geringfügige Läuferunsymmetrien sind jedoch auch bei gestifteten Läufern bedingt durch Material-Inhomogenitäten und die eingesetzten Fertigungstechnologien unvermeidlich. Im späteren Betrieb werden Unsymmetrien in erster Linie durch Stabbrüche, Risse in den Kurzschlussringen oder durch Bruch bzw. chemische Zersetzung der Lötverbindung zwischen den Kurz schluss- täben und Ringen verursacht. Ausgangspunkt für derartige Erscheinungen können mechanische Kräfte als Folge thermischer Dehnungen, insbesondere bei Hochlaufvorgängen, elektromagnetisch angeregte Schwingungen, chemisch aggressive Gase oder dergleichen sein. Solche Unsymmetrien erfahren im Regelfall eine langsame Vergro Berung und werden oftmals erst im Stadium grosser Schädigung bemerkt. Die Erkennung von Fertigungsfehlern bei gegossenen Käfigen ist seit langem Gegenstand eingehender Untersuchungen. Armour, A.M. A Magneto-Elektric-Method for Deteoting Defects Walley, J.W. in Cast Aluminium Rotor Windings for Squirrel Cage Motors Metallurgial (Manchester) LIV (1956) Nr. 321, S. 43-46; Trickey, P.H. The Cast Rotor Testing by Test Stator Method Transactions AIEE Bd. o5 (1946), S. 139-141; Mavridis, D. Über das Verhalten eines Drenstromasynchrorm.otors bei Stab- und Ringbrüchen im Läuferkäfig Diss. TH. Hannover 1962 Die Dia bekanntgemachten Verfahren zur Fehlererkennung sind teilweise - an ausgebauten Läufer, teilweise erst im montierten Zustand der Maschine anwendbar. Beispielsweise führt man ein U-förmiges mit einer Wicklung versehenes Prüfjoch in tangentialer Richtung um den zu prüfenden Käfigläufer und kann auf diese Weise grobe Guss fehler durch eine Änderung des Widerstandes der jeweils umfassten Läufermasche feststellen. Mit geringerem Aufwand ist ein anderes bekanntes Verfahren verbunden, bei dem der zu prüfende Läufer angsam in einem magnetischen Gleichfeld gedreht wird. Senkrecht zur Feldachse ist eine Messspule angebracht und mit einem Galvanometer verbunden. Stabfehler machen sich in Ausschlagunterschieden be merkbar (Verfahren von Armour und Walley). ie bekannten Verfahren mit eingebautem Läufer zielen darauf ab, Veränderungen des wirksamen mittleren Läuferwiderstandes aus der veränderung der Betriebsdaten verglichen mit denen einer symmetriscnen Maschine abzuleiten. Der zu untersuchende Läufer wird dazu entweder in einem eigens angefertigten Prüfständer montiert (sog. Prüfstän- derverfahren von Trickey) oder die Maschine wird in einer bestimmten unsymmetrischen Schaltung (z.B. der sog. eh-Y-Schaitung3 gemessen. Diese Verfahren erfordern einen nicht unerheblichen Rechenauf#and zur Auswertung und sind im übrigen vom Prinzip her für eine Betriebs überwachung von Läuferunsymmetrien ungeeignet. Den Extremfall einer Läuferunsymmetrie stellt eine einachsige Wicklung dar, welche bei einem Schleifringläufer in Sternschal tung durch Unterbrechung eines Läuferstranges erzeugt werden kann. Die hieraus entstehenden Veränderungen des Betriebsverhaltens aus der Wirkung der Luftspalt-Grundfelder (Luftspaltfelder der Maschinen- Polpaarzahl p) sind unter dem Begriff Görges-Phäno.#cn seit Jahr zehnten bekannt. Ein solcher Motor erreicht ohne äusseren Antrieb nur 50% seiner synchronen Drehzahl. Man weiss auch, dar; bei weniger ausgeprägten Unsymmetrien als Folge z.B. von Stabbrüchen bei Käfig- läufer die inversen Strombelags-Drehwellen des Läufers mit de.## synchronen Induktions-Drehfeld ein Pendelmoment von dcpcel ter Schlupf frequenz erzeugen. Je nach Aufstellungsbedingungen machen sich L#uferunsymmetrien daru:n mitunter a?#ustisch berr.erkbar' inne der Lautstärkepegel mit doppelter Schlupf frequenz auf- und abschwillt. Diese Erscheinung, die häufig bereits bei fabrlkneuen Maschinen aufgrund geringfügiger unvermeidlicher Unsymmetrien im Prüffeld beobachtet werden kann, ist bestenfalls für eine qualitative Aussage über Unsymmetrien im Läuferkreis brauchbar. Der Effekt kann keinesfalls zur gezielten Überwachung von Unsymmetrie: herangezogen werden. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein brauchbares überwachungssystem zur Erfassung von Läuferunsymmetrien unter Verwendung eines Signals, welches in eindeutigem Zusammenhang zur Grösse der Läuferunsyr:rmetrle steht, zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss eine Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine aus einer oder mehreren Windungen bestehende, in der dem Luftspalt zugewandten Bohrungsfläche des Ständer blechpaketes angecrdnete Messspule, deren Weite so gewählt wird, dass das Maschinen-Hauptfeld, die Wicklungsoberfelder und die Zahnsättigungsfelder in ihr keine Spannung, die durch elektrischen Läuferunsymmetrien hervorgerufenen zusätzlichen Luftspalttfelder hingegen eine maximale Spannung induzieren. Alternativ kann die Anordnung auch so getroffen werden, dass mehrere in Reihe geschaltete, jeweils aus einer oder mehreren Windungen bestehende Messspulen vorgesehen werden, deren Weite so gewählt wird, dass die durch elektrische Läuferunysymmetrien hervorgerufenen zusätzlichen Luftspaltfelder einen Wicklung s- faktor beliebig vorgegebener Grösse, vorzugsweise eins, besitzen und die so in Reihe geschaltet werden, dass die durch die Läuferunysymmetrien induzierte Summenspannung zu einem Maximum, die vom Maschinen-Hauptfeld induzierte Surmenspannung zu O und die von allen übrigen Luftspaltfeldern induzierte Summenspannung 0 ist bzw. minimal wird. Um die erfindungsgemässe Anordnung zu treffen, wird zuvor eine Analyse des Luftspaltfeides vorgenommen. Nach der sog. Dreh - feldth.eorie lässt sich das Luftspaltfeld von Induktionsmaschinen stets als unendliche Sumr,le von zeitlich und räumlich sincs- förmig verlaufenden Feldern (sog. Kreisdrehfeldern) auffassen. Das Feldspektrum im ungestörten, symmetrischen Betrieb lässt sich in 2 Kategorien einteilen, nämlich die über den konstanten Luftspaltleitwert erregten Feldwellen und die aus räumlichen Leitwertschwankungen resultierenden Felder. Zur erstgenannten Kategorie zählt das Maschinen-Hauptfeld der Polpaarzahl p und der Netz-Kreisfrequenz W1, auf welchem die grundlegende Wirkungsweise der Maschine beruht, sowie die Wicklungsoberfelder des Ständers und Läufers (in der Literatur manchmal als Läufer-Restfelder bezeichnet). Die Polpaarzahlen der Oberfelder hängen von der Art der Ständerwicklung und der Stabzahl im Läufer ab. Die Wicklungsoberfelder des Ständers sind netzfrequent, die Läuferrestfelder induzieren in der Ständerwicklung Spannungen der Kreisfrequenz EMI5.1 Hierin bedeutet N2 die Läufernutzahl, s den Schlupf und a¯,ede positive und negative ganze Zahl. Von den über Leitwertn.chwan- kungen erregten Felder besitzen insbesondere die sog. Nutungs felder und die Felder aus der Leitwertschwankung der Zahnsät tagung Bedeutung. Wenn der Läufer elektrisch unsym.metrisch ist, z.B. als Folge eines gebrochenen Stabes, so liefert die analytische Berechnung der unsymmetrischen Anordnung zusätzliche Induktionsdrehfelder, welche die Polpaarzahl # = + 1; + 2; + 3; + 4; ......... und die auf den Ständer bezogenen Kreisfrecuenzen EMI5.2 besitzen. Nach der Erfindung sind in der dem Luftspalt zugewandten Bohrungsfläche des Ständerblechpaketes eine oder mehrere in Reihe geschaltete Hilfsspulen angeordnet, die so bemessen werden, dass die an den Spulen abgreifbare Spannung in erster Linie von den durch die Läuferunsymmetrie bewirkten Induktions-Drehfeldern induziert wird. Der erfindungsgemässe Gedanke lässt sich am einfachsten realisieren, wenn eine Weite der Messspule w (vergl. Figur 1) ausführbar ist, bei der die durch elektrische Läuferunsymmetrien hervorgerufenen zusätzlichen Luftspaltfelder eine maximale Spannung induzieren, wohingegen alle in Zusammenhang mit der Zielsetzung als Störfelder zu bezeichnenden Anteile keine Spannung induzieren. Wegen ihrer Grösse muss natürlich in erster Linie das Maschinen- Hauptfeld, aber auch die Wicklungsoberfelder und die Zahnsättigungs- felder aus der Messspannung eliminiert werden. Figur 2verdeutlicht, dass ei einer 4-poligen Maschine die Zielsetzung bezüglich des Hauptfeldes p = 2 und des durch eine Unsymmetrie verursachten Feldes # = 1 mit Hilfe einer Durchmesserspule W=#gelöst wird. Für den allgemeinen Fall muss die Induktionswirkung für alle vorkom- menden Felder mit Hilfe des sog. Sehnungs-Wicklungsfaktors EMI6.1 untersucht werden. Darin ist die Polpaarzahl der betrachteten Feldwelle mit #, die Spulenweite mit t und die Poltellung des Maschinen-Grundfeldes mit bezeichnet. Nach der Erfindung beträgt bei Maschinen mit geradzahligen Polpaar zahlen p beispielsweise die Weite der Messspule W = p ¯# #. Die Wicklungsfaktoren aller bezeichneten Störfelder sind dann stets gleich 0, für die auszuwertenden Feldern = 1; 3; 5; ......... errechnet sich eine maximale Induktionswirkung. Bei Maschinen mit beliebigen Polpaarzahlen p sind erfindungsgemäss ressspulen der Weite W = 2 # einsetzbar. Alle durch bäuFerunsvm- metrien bewirkten Felder, für welche # /p gebrochen ist, induzieren in der Hilfs#i#-kiung Spannungen, das ¯.aschinen-i1auptfeld, die Ständerwicklungsoberfelder, die Ständernutungsfelder und die Felder der Zahnsättigung hingegen nicht. Bei den als Störfeldern anzusprechenden Läuferrestfeldern des Grundstrombelages und den Läufer Nutungsfeldern entsteht eine Induktionswirkung nur in den vergleichsweise seltenen Fällen, dass das Verhältnis N2/p eine gebrochene Zahl ergibt. In diesen Fällen lässt sich die durch die Störfelder in den Messspulen entstehende Spannung wegen ihrer, nach oben genannter Gleichung, völlig unterschiedlichen Frequenz im Vergleich zu den von den Nutzfeldern induzierten Spannungsanteilen leicht ausfiltern. Die erfindungsgemässe Aufgabenstellung Iäqt sich auch mit Hilfe spulen beliebiger Weite lösen. In der Praxis wird man die Spulen weite zweckmässig auf die Polteilung desjenigen Nutzfeldes abstim:t#en, welches bei einer Störung mit besonders grosser Amplitude in Erschei nung tritt. Bei Verwendung von Hilfsspulen beliebiger Weite müssen eine bestimmte Anzahl von Messspulen derart am MzschincnumTana ver teilt angeordnet und in Reihe geschaltet werden, dass die durch die Läuferuiisymmetrien bewirkte resultierende Spannung an der Reihenschaltung der Hilfsspulen zu einem Maximum, die vom Maschinen Hauptfeld induzierte Summenspannung zu O und die von allen übriger.# Luftspaltfeldern induzierte Summenspannung minimal wird. In Figur 3 sind als Beispiel der erfindungsgemäBen Ausgestaltung dieser Gruppenschaltung drei Messspulen identischer Weite W gegeneinander um den Umfangswinkel a räumlich versetzt. Bei n gleichmässig ver setzt angeordneten Spulen unterscheidet sich die Spannung an der Reihenschaltung aller Spul#en von der Spannung jeder Einzelspule um den Faktor EMI7.1 Diese Art. der Messspulenschaltung wird vorteilhaft bei 2-pol#gen maschinen eingesetzt. Für p = 1, n = 2, a fuhren Messspulen der Weite W = 1/2 . ff zu dem Ergebnis, dass alle bezeichneten Störfelder in der resultierenden Spannung versch#inden, hingegen die Nutzfelder ?#= 2; 6; 10; .... zu einer maximale#n Spannung führen.

Claims: Ansprüche: 1. Anordnung zur messtechnischen Erfassung und überwachung von elektrischen Läuferunsymmetrien, insbesondere solchen, die durch Stab- oder Ringbrüche hervorgerufen werden, in Induk tionsmaschinen mit Käfigläufern, mit Hilfe von aus einer oder mehreren Windungen bestehenden, in der dem Luftspalt zuge wandten Bohrungsfläche des Ständerblechpaketes angeordneten Messspulen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t -dass nur eine Messspule eingebracht wird, deren Weite so ge wählt wird, dass das Maschinenhauptfeld, die Wicklungsober felder und Zahnsättigungsfelder in ihr keine Spannung, die durch elektrische Läuferunsymmetrien hervorgerufenen zusätz lichen Luftspaltfelder hingegen eine maximale Spannung indu zieren. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Maschine mit beliebiger Polpaarzahl p die Weite der Messspule W = 2 < r ist. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geradzahliger Polpaarzahl p die Weite der Messspule W = p -¯t ist. 4. Anordnung zur messtechnischen Erfassung und Überwachung von elektrischen Läuferunsymmetrien, insbesondere solchen, die durch Stab- oder Ringbrüche hervorgerufen werden, in Induk tionsmaschinen mit Käfigläufern, mit Hilfe von aus einer oder mehreren Windungen bestehenden, in der dem Luftspalt zuge wandten Bohrungsfläche des Ständerblechpaketes angeordneten Messspulen, d a d u r c h g e k e n n z e i-c h n e t , dass mehrere Messspulen beliebiger Weite so in Reihe geschaltet sind, dass die durch die Läuferunsymmetrien induzierte Summen spannung zu einem Maximum, die vom Maschinenhauptfeld indu zierte Summenspannung zu null und die von allen übrigen Luft spaltfeldern induzierte Summenspannung null ist bzw. minimal wird und die Weite der Messspulen so gewählt wird, dass die durch elektrische Läuferunsymmetrien hervorgerufenen zusätz lichen Luftspaltfelder einen Wicklungsfaktor beliebig vor gegebener Grösse besitzen. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei 2-poligen Maschinen zwei Messspulen der Weite W = 1/2 gegeneinander um den Winkel ¯ = lí am Umfang räumlich ver setzt angeordnet sind. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der resultierenden Messspannung solche Anteile herausgefiltert werden, die durch Induzierung von Luftspaltfeldern entstehen, welche nicht von elektrischen läuXerunsymmetrien herrühren und sich von ihnen durch unterschiedliche Frequenzen unterscheiden.

Inventors: SEINSCH, HANS-OTTO, DR.-ING.
Applicants: SCHORCH GMBH
Application year: 1980
Main classification: G01R31
IPC codes: G01R31