Analyse des Einflusses des Übertragungsverhaltens von Stromwandlern auf die Zustandsüberwachung der Isolation elektrischer Maschinen

Abstract

Die enormen Sicherheitsanforderungen in modernen Antriebssystemen machen es erforderlich den Zustand der Maschinen zu überwachen. Wie in [1] nachgelesen werden kann, sind 30% bis 40% der Ausfälle von Maschinen auf Fehler im Stator zurückzuführen. Davon werden etwa 70% durch Fehler in der Statorisolierung verursacht. Um Alterungs- bzw. verschleißbedingte Schäden der Statorisolierung frühzeitig zu erkennen, muss der Isolationszustand überwacht werden. Bei der untersuchten Messmethode wird ein Spannungspuls an die Maschine angelegt und die Stromantwort gemessen. Anhand des gemessenen Einschwingvorganges können Rückschlüsse auf den Zustand der Statorisolation getroffen werden. Diese Messmethode erfordert es, Einschwingvorgänge in einem weiten Frequenzbereich möglichst genau zu erfassen. Die dazu verwendeten Stromsensoren müssen daher über ihren spezifizierten Frequenzbereich hinaus betrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Frequenzbereiche auf ihre Fehlerselektivität untersucht. Dazu werden mehrere Stromsensortypen getestet und in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben. Des Weiteren wird für den Fall eines Sensortausches der Einfluss des Frequenzgangs der einzelnen Sensoren untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Spektren der Versuchsmaschine (PN=5,5kW) im Frequenzbereich ab 2,5MHz eine sehr gute Fehlerselektivität aufweisen. Bei der zweiten Versuchsmaschine (PN=1,4MW) ist auch im Frequenzbereich unter 1MHz gute Fehlerselektivität gegeben. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sich bei einigen Sensortypen eine Stromvorgabe positiv auf die Fehlererkennung auswirkt. Um den Fall eines Sensorausfalles zu simulieren, wurden mit mehreren Sensoren aus verschiedenen Produktionschargen, welche anhand der Seriennummern identifiziert werden können, Messungen durchgeführt. Die so gewonnenen Ergebnisse weichen zum Teil erheblich voneinander ab. Zur Lösung dieses Problems wurde eine Kompensationsmethode getestet, welche gute Ergebnisse lieferte. [11] [12]

Because of the enormous safety requirements in modern drive systems it is required to monitor the state of the machines. Like in [1] described there are 30% to 40% of the breakdowns of machines due to stator failures. 70% of the stator failures are caused by failure in the stator insulation. To recognise defects of ageing and those which are due to wear at an early stage, it is important to monitor the insulation state. With the testing method a voltage pulse is applied to the machine and the current reaction is measured. With help of the measured transient effect, conclusions can be determined by the state of the stator insulation. The transient parts of the current signal have to be analyzed with a sampling resolution sufficient in time to be accurate enough to determine aging and insulation deterioration. For this purpose, the typical industrial current that are used are operated their specified frequency range. In this diploma thesis amongst other different frequency ranges are tested regarding the applicability to detect emulated stator insulation degradation in an early stage. Furthermore it is necessary to investigate an exchange of the current sensor due to an outage and the resulting influence on the monitoring method caused by the different frequency behaviors. Different provided types of sensors have been tested. It became apparent that the spectra of the test machine (PN=5,5kW) have a very good selectivity failures, if the frequency range above 2,5MHz is observed. Whereupon the second test machine (PN=1,4MW) shows a good failure selectivity already up to 1MHz. Moreover it has been proved that a predefined current value to prevent a zero-crossing is injected in the machine. To simulate a malfunction of the sensors, measurements are conducted with sensors of the same production batch, identified with the serial number. The results of that investigation differ seriously from each other. A method compensation has been tested to solve that problem. That way of coping with the problem showed really good results. [11] [12]