Dissertation Serna
Dr.-Ing. Eva Teresa Serna Calvo
"Diagnostics of Rotor Asymmetries in Inverter-Fed, Variable Speed Induction Machines" (2009)
Rotorunsymmetrien in Asynchronmaschinen verursachen unerwünschte Effekte wie Drehmomentschwankungen und Verluste und sollten frühzeitig erkannt werden, um Folgefehler zu vermeiden. Die Arbeit befasst sich deshalb mit der Diagnose von Rotorunsymmetrien in umrichtergespeisten Asynchronmaschinen variabler Drehgeschwindigkeit. Besonderes Augenmerk der Untersuchung gilt dem Betrieb der Asynchronmaschine mit Käfigläufer in verschiedenen Varianten der feldorientierten Regelung. Im Einzelnen werden der Einfluss des für die Gewinnung des Orientierungswinkels verwendeten Maschinenmodells - mit und ohne Lagersensor - auf Diagnoseproblematik und die notwendigeen Algorithmen der Signalverbreiterung betrachtet.
Rotorunsymmetrien verursachen in den Statorströmen einer Asynchronmaschine charakteristische Harmonische, die in vielen früheren Arbeiten zur Fehlererkennung beim Netzbetrieb der Asynchronmaschine herangezogen werden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung werden geregelte Antriebe variabler Drehgeschwindigkeit betrachtet, in denen nicht nur die Ströme sondern vorteilhaft andere Zeitverläufe der Zustands- und Hilfsvariablen zum Zwecke der Zustandsdiagnose Verwendung finden können. Hierzu gehören unter anderem die Stellgrößen der Stromregler und die Ströme im feldorientierten Koordinatensystem. Ein weiterer Vorteil der geregelten Systeme besteht darin, dass die von der Rotorunsymmetrie verursachte charakteristische Frequenz immer bekannt ist. Es zeigt sich, dass deshalb die Fehlererkennung im geregelten System einfach, transparent und ohne zusätzliche Sensoren oder Hardware realisierbar ist.
Das hier neu entwickelte Diagnoseverfahren basiert auf der diskreten Fourier-Transformation, die allerdings nicht über die Zeit- sondern über die Winkelintegration durchgeführt wird. Der dazu verwendete Winkel wird aus der Integration der charakteristischen Frequenz gewonnen. Im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Algorithmen liefert das neue Verfahren dank einer Fensterintegration ein kontinuierliches Signal und kann sogar unter nichtstationären Bedienungen eingesetzt werden.
Auch wenn der neue Algorithmus im Prinzip auf alle Zustandsvariablen der Regelung angewandt werden kann, eignen sich nicht alle für die Fehlererkennung. Neben der Stellgröße der Stromregler und dem Betrag des Rotorflussraumanzeigers wurden die Ströme der Maschine im feldorientierten Koordinatensystem als mögliche Fehlerindikatoren intensiv untersucht. Sie liefern genügende Informationen, um die durch einen unterbrochenen Rotorstab hervorgerufene Unsymmetrie bereits bei schwacher Last zu detektieren. Eine Referenzmessung ist dennoch notwendig, um eine Ansprechschwelle zu definieren und fehlerhafte Rotoren von herstellungsbedingten Unsymmetrien unterscheiden zu können.
Die im Labor an zwei verschiedenen Antriebskonfigurationen durchgeführten Messungen beweisen, dass die entwickelte Methode unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen und bei verschiedenen Varianten der feldorientierten Regelung mit und ohne Winkelsensor zuverlässig funktioniert.
Rotorunsymmetrien verursachen in den Statorströmen einer Asynchronmaschine charakteristische Harmonische, die in vielen früheren Arbeiten zur Fehlererkennung beim Netzbetrieb der Asynchronmaschine herangezogen werden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung werden geregelte Antriebe variabler Drehgeschwindigkeit betrachtet, in denen nicht nur die Ströme sondern vorteilhaft andere Zeitverläufe der Zustands- und Hilfsvariablen zum Zwecke der Zustandsdiagnose Verwendung finden können. Hierzu gehören unter anderem die Stellgrößen der Stromregler und die Ströme im feldorientierten Koordinatensystem. Ein weiterer Vorteil der geregelten Systeme besteht darin, dass die von der Rotorunsymmetrie verursachte charakteristische Frequenz immer bekannt ist. Es zeigt sich, dass deshalb die Fehlererkennung im geregelten System einfach, transparent und ohne zusätzliche Sensoren oder Hardware realisierbar ist.
Das hier neu entwickelte Diagnoseverfahren basiert auf der diskreten Fourier-Transformation, die allerdings nicht über die Zeit- sondern über die Winkelintegration durchgeführt wird. Der dazu verwendete Winkel wird aus der Integration der charakteristischen Frequenz gewonnen. Im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Algorithmen liefert das neue Verfahren dank einer Fensterintegration ein kontinuierliches Signal und kann sogar unter nichtstationären Bedienungen eingesetzt werden.
Auch wenn der neue Algorithmus im Prinzip auf alle Zustandsvariablen der Regelung angewandt werden kann, eignen sich nicht alle für die Fehlererkennung. Neben der Stellgröße der Stromregler und dem Betrag des Rotorflussraumanzeigers wurden die Ströme der Maschine im feldorientierten Koordinatensystem als mögliche Fehlerindikatoren intensiv untersucht. Sie liefern genügende Informationen, um die durch einen unterbrochenen Rotorstab hervorgerufene Unsymmetrie bereits bei schwacher Last zu detektieren. Eine Referenzmessung ist dennoch notwendig, um eine Ansprechschwelle zu definieren und fehlerhafte Rotoren von herstellungsbedingten Unsymmetrien unterscheiden zu können.
Die im Labor an zwei verschiedenen Antriebskonfigurationen durchgeführten Messungen beweisen, dass die entwickelte Methode unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen und bei verschiedenen Varianten der feldorientierten Regelung mit und ohne Winkelsensor zuverlässig funktioniert.