Sensitivität von Fehlerindikatoren in Drehstromantrieben

In modernen Industrieanwendungen werden immer häufiger umrichtergespeiste Drehstrommaschinen eingesetzt. Neben den bekannten Vorteilen im Betriebsverhalten dieser Anordnung gibt es jedoch auch einige Nachteile wie beispielsweise eine Erhöhung von Antriebsausfällen durch Defekte in der Maschine. Eine Reduktion der Zuverlässigkeit ist jedoch heutzutage immer weniger tolerierbar, speziell beim Einsatz von Antrieben in sicherheitskritischen Anwendungen wie beispielsweise elektrische Lenkung, Bremsen, oder Rudersteuerungen bei Flugzeugen. Bei genauerer Betrachtung der Ursachen für Ausfälle können drei Hauptkomponenten bestimmt werden, die für 95% aller Schäden verantwortlich sind. Wie aus diversen Studien hervorgeht sind dies die Lager (~50%), gefolgt von der Wicklungsisolation (~35%) und dem Rotorkäfig (~10%). Während ein Defekt in der Wicklungsisolation plötzlich auftritt und dabei sofortige Maßnahmen nötig sind um eine Ausweitung des Schadens zu Vermeiden, entwickeln sich Schäden in den Lagern bzw. im Käfig langsam. Um die Zuverlässigkeit des Antriebs zu erhöhen und um Kosten für präventive Wartung zu reduzieren werden online Diagnose und Erkennungsverfahren immer wichtiger. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Methoden zur Erkennung von Fehlern vorgeschlagen. Die meisten dieser Verfahren sind jedoch auf Netzspeisung sowie auf stationäre Betriebspunkte beschränkt. Nur einige wenige Verfahren können auch bei hochdynamischem Betrieb sowie Umrichterspeisung Fehler erkennen. In einem durch den FWF finanzierten Vorprojekt wurden verschiedene Fehlerindikatoren entwickelt die auch den hochdynamischen Betrieb bei Umrichterspeisung abdecken. Um diese Fehlerindikatoren weiter in Richtung Fehlererkennungsverfahren mit möglichen industriellen Anwendungen zu entwickeln ist jedoch die Abklärung einiger wichtiger Punkte absolut notwendig: - Unter welchen Betriebsbereichen ergeben sich Einschränkungen bei der Erkennung von Fehlern? - Kann ein eindeutiger Schwellwert bestimmen werden um zwischen defekten und gesunden Motoren zu unterscheiden? - Welchen Einfluss haben die diversen Entwurfsparameter auf die Empfindlichkeit der einzelnen Fehlerindikatoren? Diese drei Hauptpunkte sollen in dem beantragten Projekt untersucht werden. Der erste Punkt umfasst beispielsweise Einflüsse vom: Betriebspunkt, den verwendeten Sensoren, von nicht-idealen Umrichtereigenschaften, von der Art der Pulsweitenmodulation. Diese Fragen werden durch Messungen an einem speziellen Prüfstand beforscht. Die Identifikation des Schwellwertes wird mit speziellen Inbetriebnahmemessungen sowie einem Verfahren zur Bestimmung der Arbeitspunktabhängigkeit der Fehlerindikatoren durchgeführt werden. Der Einfluss der weiteren Entwurfsparameter wird mittels Simulationsmodell untersucht. Dieses Modell muss dafür zunächst durch Messungen an den diversen Maschinen verifiziert werden. Das eingereichte Projekt basiert auf den Ergebnissen eines vor kurzem abgeschlossenen, vom FWF finanzierten Projektes.

In modernen Industrieanwendungen werden immer häufiger umrichtergespeiste Drehstrommaschinen eingesetzt. Neben den bekannten Vorteilen im Betriebsverhalten dieser Anordnung gibt es jedoch auch einige Nachteile wie beispielsweise die Erhöhung der Belastung einzelner Komponenten der Maschine. Die resultierende Reduktion der Zuverlässigkeit ist jedoch heutzutage immer weniger tolerierbar, speziell beim Einsatz von Antrieben in sicherheitskritischen Anwendungen wie beispielsweise elektrische Lenkung, Bremsen, oder Rudersteuerungen bei Flugzeugen. Bei genauerer Betrachtung der Ursachen für Ausfälle können drei Hauptkomponenten bestimmt werden die für 95% aller Schäden verantwortlich sind. Wie aus diversen Studien hervorgeht sind dies die Lager (~50%), gefolgt von der Wicklungsisolation (~35%) und dem Rotorkäfig (~10%). Während ein Defekt in der Wicklungsisolation plötzlich auftritt und dabei sofortige Maßnahmen nötig sind um eine Ausweitung des Schadens zu vermeiden, entwickeln sich Schäden in den Lagern bzw. im Käfig langsam. Um die Zuverlässigkeit des Antriebs zu erhöhen und um Kosten für präventive Wartung zu reduzieren werden daher online Diagnose und Erkennungsverfahren immer wichtiger.Die meisten bekannten Verfahren sind auf Netzspeisung sowie auf stationäre Betriebspunkte beschränkt. Nur einige wenige Verfahren können auch bei hochdynamischem Betrieb sowie bei Umrichterspeisung Fehler in Maschinen erkennen. An der Forschungsstätte wurden verschiedene Fehlerindikatoren entwickelt, die auch den hochdynamischen Betrieb bei Umrichterspeisung abdecken. Um diese Fehlerindikatoren weiter in Richtung Fehlererkennungsverfahren mit möglichen industriellen Anwendungen zu entwickeln wurden im vorliegenden Projekt folgende wichtige Punkte abgeklärt:Gibt es Betriebsbereiche mit Einschränkungen bei der Erkennung von Fehlern?Kann ein eindeutiger Schwellwert bestimmen werden um zwischen defekten und gesunden Motoren zu unterscheiden?Gibt es Bauformen elektrischer Maschinen mit Einschränkungen bei der Fehlererkennung? Die ersten beiden Punkte umfassen beispielsweise folgende Einflüsse: Betriebspunkt, verwendete Sensoren, nicht-ideale Umrichtereigenschaften, Art der Pulsweitenmodulation. Diese Fragen wurden durch Messungen an speziellen Prüfständen erforscht. Der Einfluss von verschieden Maschinenbauformen (z.B: Geometrie, Wicklungskonfiguration) wurde mittels Simulationsmodellen untersucht. Diese Modelle wurden zunächst durch Messungen an diversen Maschinentypen verifiziert.Im Rahmen der detaillierten Untersuchungen wurde ein neuartiger Fehlerindikator entwickelt, der es ermöglicht, der Zustand der Wicklungsisolation elektrischer Maschinen zu überwachen, noch bevor es zu einem Fehler in der Isolation (Kurzschluss) kommt.