Inverter-fed machine insulation monitoring based on current transient signature analysis

Abstract

Die Relevanz von Systemen zur Überwachung eines drehzahlvariablen elektrischen Antriebes gespeist durch einen Spannungszwischenkreisumrichter nimmt durch die immer wichtigere Thematik der Elektromobilität zu. Vor allem im Hinblick auf die Bahnindustrie, müssen etwa die Traktionsmotoren leistungsstark, umweltfreundlich sowie kostengünstig sein und darüber hinaus soll der Wartungsaufwand so gering wie möglich sein. Grundsätzlich entscheidet die Auslegung wie fehlertolerant bzw. fehlersicher eine Maschine, ein Antrieb oder ein System ist. Um die erhöhten Wartungsintervalle im Bahnbereich, von teilweise mehr als einer Million Kilometern zu ermöglichen, wird die kontinuierliche Zustandsüberwachung zur frühzeitigen Fehlererkennung und -vermeidung eingesetzt. Dies erfordert auch den Übergang von zeitbasierten Instandhaltungsplänen zur zustandsorientierten Instandhaltung. Damit ist sichergestellt, dass Fahrzeuge nur wenn es notwendig ist für Wartungsarbeiten außer Betrieb genommen werden. Hinzu kommt die Tatsache, dass die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit im Vergleich zu vielen anderen Branchen erhöht ist. Die Zustandsüberwachung der Statorisolation kann als ein Teilbereich eines Gesamtüberwachungskonzepts gesehen werden. Die Methode, welche in dieser Dissertation präsentiert wird, basiert auf der Auswertung der transienten Stromcharakteristik unmittelbar nach einer Schalthandlung des speisenden Wechselrichters. Die parasitären elektrischen Kenngrößen der Isolation, i.e. imWesentlichen die parasitären Kapazitäten, ändern sich durch Alterungseffekte und deuten auf eine Verschlechterung der Isolationseigenschaften. Durch die Änderung der Kapazitäten wird das Hochfrequenzverhalten der Maschine bei Pulsanregung beeinflußt und durch eine Abweichung der bekannten transienten Oszillation im Stromsignal kann eine Zustandsänderung nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird dieses Verfahren an einem Traktionsmotor für Triebfahrzeuge im mittleren Leistungsbereich getestet. Dabei werden Alterungseffekte an der Maschine mit Kondensatoren parallel der Wicklung nachgebildet. Eine Abweichung der aktuellen transienten Stromcharakteristik von der Bekannten im gesunden Isolationszustand aufgenommenen Signalcharakteristik wird als eine anomale Signalcharakteristik eingestuft und ein Indikator basierend auf der Änderung der beinhalteten Frequenzkomponenten berechnet. Die notwendigen Signalbearbeitungsschritte werden näher untersucht und insbesondere hinsichtlich Online-Anwendbarkeit analysiert. Zusätzlich wurde der Einfluß der Flankensteilheit der Wechselrichter untersucht. Die neuesten Trends der Leistungselektronik ermöglichen den Einsatz ex trem schnell schaltender Bauteile um die Verlustleistung zu minimieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dadurch werden jedoch auch weitere Effekte verstärkt. Schlussendlich wurde auch das Verhalten einzelner Isolationssysteme durch beschleunigte Alterung weiter untersucht.

The relevance of systems for monitoring purpose of electric adjustable-speed drives fed by voltage source inverters is increasing. Particularly with regard to the railway industry, the traction motors are high-performance machines, cost-effective in design and the maintenance effort should be as low as possible. In order to enable the increased maintenance intervals in railway applications, in some cases more than one million kilometers are between inspections, the continuous status monitoring is used for early fault detection and prevention. This also requires the transition from time-based maintenance plans to condition-oriented maintenance. This ensures that vehicles are only taken out of service when necessary. Additionally, reliability and safety requirements are increased compared to many other industries. The condition monitoring of the stator insulation can be seen as a subroutine of an overall monitoring concept. The method presented in this thesis is based on the evaluation of the transient current characteristics immediately after a switching operation of the inverter connected to the machine. The parasitic electrical characteristics of the insulation, i.e. the parasitic capacitances, change due to aging effects and indicate a deterioration of the insulation properties. The change in the capacitances influences the high-frequency behavior of the machine in case of voltage step excitation. Thus, a change in the insulation condition can be detected by a deviation from the known transient oscillation in the current signal. The insulation condition monitoring approach is tested on a medium-power traction motor designed for railway applications. Aging effects on the machine are emulated with capacitors parallel to the winding. A deviation of the actual transient current characteristic from the known signal state, acquired in the healthy isolation state is classified as an abnormal signal characteristic, and an indicator iscalculated based on the change of the frequency components. The necessary signal processing steps are examined in detail and analyzed in particular with regard to online applicability. In addition, the influence of the voltage slew rate of the inverters is investigated. The latest trends in power electronics enable the use of extremely fast switching components to minimize switching losses and achieve a high level of efficiency. However, this also increases further parasitic effects. Finally, the behavior of different insulation systems under accelerated aging is further investigated and the performance of insulation condition monitoring method is analyzed.