Beschleunigte Alterung der Wicklungsisolation einer Drehstrommaschine und Analyse des Verlusts der Isolationsfestigkeit mittels umrichterinduzierten pulsfrequenten Spannungsprüngen

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist, die Auswirkungen auf die Stromantworten durch Alterung der Isolation von Statorwicklungen einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine zu untersuchen. Die Prüfmaschine ist einer thermischen Alterung ausgesetzt, somit soll die Isolationsfestigkeit der Wicklungen der Maschine eingehend untersucht werden. Die Wicklung der Prüfmaschine ist einmal getränkt- und nicht getränkt ausgeführt. Dadurch soll auch der Einfluss des Harzmaterials untersucht werden. Die Analyse des Isolationszustandes beschäftigte sich mit zwei unterschiedlichen Diagnoseverfahren, welche jeweils zwischen den Alterungsvorgängen angewendet werden. Die erste Methode beinhaltet die Erfassung des transienten Einschwingverhaltens, sichtbar in der Stromantwort als Folge einer Spannungspulssequenz, hervorgerufen durch den angeschlossenen Umrichter. Die Dauer eines Pulses wurde variiert, damit die Einflüsse von Pulsfolgen mit unterschiedlichen Grundfrequenzanteilen auf die Stromantwort, sowie die Detektierbarkeit einer Isolationsveränderung untersucht werden. Da die Ansteuermodule des Umrichters eine vorgegebene Totzeit von 2µ‏s haben, kann die Grundfrequenz einer Pulsfolge 250kHz nicht überschreiten. Andererseits ist eine Frequenz der Pulsfolge unter 12.5kHz nicht sinnvoll, da die Stromantwort in einem Bruchteil der Dauer der Einzelpulse (typischerweise 10µ‏s) abgeklungen ist. Bei der zweiten Methode wird das Impedanz- bzw. Übertragungsverhalten der Wicklungen der Maschine über einen großen Frequenzbereich (1kHz-10MHz) mit Hilfe eines Spektrum-Analysators untersucht. Durch die Ergebnisse der Messungen zwischen den einzelnen Alterungszyklen wird die Verschlechterung der Isolation anhand von mehreren Merkmalen nachgewiesen, wie z.B. einer Verschiebung der Resonanzfrequenzen.

The aim of this master thesis is to study the effects on the current response caused by aging of the stator windings of a converter-fed asynchronous machine. The test machine is exposed to accelerated thermal aging cycles, thus the insulation strength of the machine winding is investigated in detail. To analyze the influence of the epoxy resin the stator winding system of the test machine is immersed in one case and non-immersed in the other case. Due to this fact the influence of the resin material is examined. The investigations deal with two different targeted diagnostic procedures, which are applied after each aging cycle. At the first method the transient current response is recorded after excitation by a voltage pulse sequence applied with the inverter. The voltage pulse sequences are created in such a way that they contain different fundamental frequencies, so that the influences of these pulse sequences can be examined regarding the detectability of the insulation degradation. Because of short dead times (2-s) existing in the inverter IGBT modules the fundamental switching frequency of the pulse sequence is limited to 250kHz. On the other hand a switching frequency below 12.5kHz is not applied, because the transient part of the current response has already decayed after 10µs. The second method is to measure the frequency response characteristic of the windings of the machine by use of a frequency-response-analyzer. According to the results of the measurements the deterioration of the insulation strength is estimated, for instance by the shift of the resonant frequencies.