VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR UNTERDRÜCKUNG VON HARMONISCHEN STÖRUNGEN

Fachgebiet der Erfindung

In Maschinen und Anlagen ist es von großer Bedeutung, dass der optimale Zeitpunkt zur Durchführung von Wartungen erkannt wird. Wird zu früh eingegriffen, so entstehen unnötige Kosten durch den vorzeitigen Austausch von Komponenten, welche noch nicht erforderlich gewesen wären. Greift man dagegen zu spät ein, so riskiert man den Ausfall einer Komponente und damit gegebenenfalls den Stillstand der gesamten Anlage, bis das betroffene Bauteil ausgewechselt wurde. Auch dies bedeutet größere finanzielle Einbußen für den Betreiber der Maschine oder Anlage, die zu vermeiden gewesen wären.

Über verschiedenartige Sensoren basierend auf

unterschiedlichen Technologien können wichtige Messwerte zu Maschinen und Anlagen gemessen werden. Die meisten Maschinen und Anlagen, die zu überprüfen sind, stehen jedoch nicht isoliert da. Dies bedeutet, dass Störungen in Form

akustischer bzw. elektromagnetischer Wellen auftreten können. Die meisten Sensorsysteme reagieren äußerst sensibel, die Nutzsignale der Sensoren werden deutlich verfälscht oder völlig unbrauchbar.

Ein Beispiel hierzu ist der Einfluss von Umrichtern in

Antrieben. Ein Umrichter ist ein Stromrichter, der zur

Umwandlung von Wechselspannungen verschiedener Frequenzen ineinander (d. h. als Wechselstrom-Umrichter) oder zur

Umwandlung von Gleichspannungen beliebiger Polarität

ineinander (d. h. als Gleichstrom-Umrichter) dienen kann.

Mit der Grundfrequenz und den Harmonischen der

Pulsweitenmodulation (PWM) -Taktfrequenz werden extreme

Störungen bei der Messung von akustischen Schwingungen zur Bestimmung von Unwuchten und Schadenszuständen, z. B. in Lagern, verursacht, die den Einsatz dieser Sensoren und damit eine frühzeitige Detektion von Ausfällen, z. B. auf Grund geschädigter Lager, verhindern. Der Motor wird durch das Einspeisen sehr steilflankiger pulsweitenmodulierter Pulse des Umrichters zum akustischen Schwingen angeregt. Ebenso werden von aufgrund dieser Ansteuerungsart von den Antrieben und Zuleitungen elektromagnetische Wellen abgestrahlt. Das Problem bleibt häufig ungelöst, so dass dann auf Sensoren und damit auf Zustandsdetektoren an Maschinen und Anlagen verzichtet wird, sobald die Störung durch die Amplituden zu groß wird.

Mitunter bietet sich die Möglichkeit, die PWM (Pulsweitenmodulation) Taktfrequenzen des/der Umrichter/s so zu

verschieben, dass die Frequenzen des Nutzsignals im

Gesamtsignal klar von den Harmonischen (das ganzzahlige

Vielfache der Grundfrequenz) der Störsignale trennbar werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Installation von (Tiefpaß) Filtern (beispielsweise LC-Spulen) , welche die Umrichter- Ausgangssignale filtern und so die hochfrequenten Oberwellen unterdrücken, bevor sie den Motor erreichen. Diese Filter sind jedoch aufgrund der zusätzlichen Kosten und dem

Platzbedarf nicht für alle Anwendungsfälle praktikabel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine

Vorrichtung anzugeben, die eine Lösung für das oben genannte Problem bieten und dabei die genannten Nachteile nicht aufweist. Dabei soll die Lösung mit wenig Aufwand und

geringem Platzbedarf realisierbar sein. Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß

Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer

Erkennung der Entstehung von Schäden an einem, in einem elektrischen Antrieb enthaltenen Lager, umfasst zumindest einen Sensor zur Messung von Schwingungen des Lagers, und Mitteln zur getakteten Abtastung des gemessenen Sensor- Signals .

Bei dem Verfahren zur Durchführung einer Erkennung der

Entstehung von Schäden an einem in einem elektrischen Antrieb enthaltenem Lager, werden mittels zumindest eines Sensors Schwingungen des Lagers erfasst, und durch zumindest ein weiteres Bauteil in dem elektrischen Antrieb verursachte und durch den Sensor erfasste Störsignale herausgefiltert, durch geeignete digitale oder getaktete Abtastung des erfassten Signals.

Die Umrichter-Signale die von den Antrieben ausgehen, zeigen sich in einem periodischen Spektrum mit der Umrichter- Taktfrequenz als Grundfrequenz und allen ganzzahligen

Vielfachen oder ganzzahligen Teilers dieser Taktfrequenz, siehe die beispielhaften Messergebnisse in Figuren la und lb.

Durch eine angepasste Abtastung des Signals und die

Durchführung einer digitalen bzw. getakteten Filterung mit Kammfiltercharakteristik lässt sich das periodische

Störsignal auf einfache Weise unterdrücken.

Es ist zudem möglich, diese Unterdrückung zu automatisieren, so dass der Nutzer den Filter bzw. die Abtastfrequenz nicht parametrieren muss. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben .

Durch die Einführung einer angepassten Abtastung mit einem Analog-Digitalwandler bzw. einem getakteten Filter (z. B. einen Switched-Capacitor Filters) ist ein sehr einfach zu implementierender Kammfilter ausreichend, um eine hohe

Störsignalunterdrückung zu erreichen. Die Abtastfrequenz entspricht im Idealfall einem ganzzahligen Vielfachen der Umrichtertaktfrequenz. In einer Ausführungsform kann auf die Synchronisation mit der Umrichtertaktfrequenz verzichtet werden, da die Störsignalunterdrückung auch bei geringen Abweichungen der Abtastfrequenz von dem vielfachen der

Umrichtertaktfrequenz funktioniert .

Ein Kammfilter lässt sich mit sehr wenig Aufwand mit einem Digitalfilter oder auch mit mehr Aufwand mit einem Switched- Capacitor Filter realisieren. Bei der Messung von immer wiederkehrenden Nutzsignalen ist eine Unterabtastung des Nutzsignals ausreichend um typische Charakteristika wie

Effektivwert (RMS für Root Mean Square) und Spitzenwerte zu ermitteln. Die Abtastfrequenz ist hierbei niedriger als die Nutzsignalfrequenz (Undersampling) . Bei nicht wiederkehrenden Signalen, die z. B. bei Akustik Emission auftreten, ermöglicht eine getaktet rücksetzbare Maximalwert-Halteschaltung (Peak Hold mit Rücksetzung) vorteilhafterweise eine einfache Signalauswertung mit

geringer Abtastrate und hoher Störsignalunterdrückung in Verbindung mit der gleichen Kammfilterung.

Dadurch ist ein weitgehend störungsfreier Messbetrieb der Nutzgrößen möglich, insbesondere auch dann, wenn die

Frequenzen der Störquellen nicht verschiebbar sind oder nicht verschoben werden. Das System ist auch tolerant für taktfrequenzvariable

Umrichter, die bei Überlast oder beim AnlaufVorgang ihre Taktfrequenz verringern.

Ebenso kann das System bei Antrieben ohne Umrichterbetrieb eingesetzt werden. Dafür kann der Kammfilter abgeschaltet werden .

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbe spielen erläutert. Dabei zeigen

Figur la und b bei Umrichterbetrieb auftretende Störsignale, Figur 2 einen ersten beispielhaften Aufbau der

erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 3 einen beispielhaften Aufbau eines Kammfilters,

Figur 4 vier Diagramme mit Abtastfrequenzen,

Figur 5 einen zweiten beispielhaften Aufbau der

erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 6 eine dritte beispielhafte Ausführungsform der

Vorrichtung,

Figur 7 eine vierte beispielhafte Ausführungsform und

Figur 8 eine fünfte beispielhafte Ausführungsform.

Bei Umrichterbetrieb (16kHz Taktfrequenz) auftretende

aktustische Störsignale sind in den Figuren la und lb

dargestellt, einmal mit 200 rpm und beim zweiten Diagramm bei 1000 rpm. Der verwendete piezoelektrische Akustik-Sensor hat einen 20kHz Hochpassfilter implementiert, so dass die

Grundfrequenz (16kHz) nicht dargestellt wird (siehe FFT

Frequenzanalyse von Sensorsignalen) . Die Rotation von

Antrieben führt zu einer Frequenzmodulation der einzelnen Spektrallinien. Je höher die Drehzahl, desto größer wird die Bandbreite der spektralen Anteile, 11, 12. Die "scharfen" Frequenzlinien zerfallen in einzelne Spektrallinien, dabei verteilt sich die Energie des Störsignals, so dass die

Amplitude der einzelnen Spektrallinien mit steigender

Drehzahl fällt 21, 22.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen für das Messsystem mit vereinfachter Umrichter Störsignalunterdückung beschrieben. In Figur 2 wird in einer ersten Ausführungsform das Sensorsignal S eines Akustik-Sensors 1 mittels analoger Signalverarbeitung 2 verstärkt und der zu untersuchende

Frequenzbereich mit einem Bandpassfilter extrahiert. Dieses Signal Sl wird von einem AD-Wandler 3 abgetastet, dessen Taktfrequenz einstellbar ist und einem ganzzahligen

Vielfachen (oder ganzzahligen Teiler) der

Umrichtertaktfrequenz entspricht .

Der Kammfilter 4 lässt sich mit sehr wenig Rechenaufwand aus einem Verzögerungsglied 43 und einem Addierer bzw.

Subtrahierer 44 aufbauen, siehe Figur 3.

Es lässt sich damit die Übertragungsfunktion

h _z =(l-z ⁿ ) bzw.

h _z =(1 +z ⁿ ) realisieren.

Die Konstante n legt hierbei die Anzahl der Kammfilter- Nullstellen (Notches) durch die Verzögerungszeit fest.

Beispiele für verschiedene Werte von n für die Filterfunktion h _z = 0,5*(l-z ⁿ ) sind in Figur 4 dargestellt.

Die vier Diagramme zeigen

h _z = 0,5* (l-%z)

h _z = 0,5* (l-%z ² )

h _z = 0,5* (l-%z ³ )

h _z = 0,5* (l-%z ⁴ ) .

Die Multiplikation mit 0,5 ist für die Störunterdrückung nicht notwendig, sondern bestimmt lediglich die Skalierung der gesamten Signalamplitude. Die Frequenz ist hier auf die Abtastfrequenz des Analog-Digital Wandlers normiert. Wenn die Abtastfrequenz auf die Umrichtertaktfrequenz oder ganzzahlige Vielfache (bzw. Teiler) angepasst werden, so kann durch

Festlegen von "n" der Filter so eingestellt werden, dass genau die Frequenzbereiche der Störung (vgl. Figur la) unterdrückt wird. Dadurch, dass die Filterfunktion keine hohe Güte hat bzw. relativ flach abfällt, wird die

Umrichterstörung auch bei Drehzahlmodulation unterdrückt.

Die Einstellung der Abtastfrequenz kann dadurch stattfinden, dass die Abtastfrequenz in einen sinnvollen Bereich so lange variiert wird, bis am Ausgang des Filters die Signalamplitude für diesen Abtastfrequenzbereich minimal wird.

Die Umrichtertaktfrequenz ist im Allgemeinen bekannt und kann somit als Ausgangspunkt für die Anzahl der Kammfilter- Nullstellen (n) und den Startpunkt zum Ermitteln der

maximalen Störunterdrückung parametriert werden. Der Analog-Digitalwandler kann das Signal unterabtasten, d. h. die Abtastfrequenz kann geringer als die zu untersuchende Signalfrequenz sein, sofern sich das Signal periodisch wiederholt . Das System kann auch direkt mit dem Umrichter verkoppelt werden um direkt eine Synchronisation mit dem Umrichtertakt durchzuführen. Dies ist besonders einfach, wenn das System direkt in den Umrichter integriert wird. Dann können

Algorithmen zum Ermitteln der Umrichter-Taktfrequenz

entfallen.

Der Kammfilter kann auch durch einen getakteten Filter 4, beispielsweise einen SC- (Switched Capacitor) Filter,

realisiert werden wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 dargestellt. Der Filter wird wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 mit einem Vielfachen der Umrichtertaktfrequenz getaktet . Der Analog-Digitalwandler 3 in Figur 2 kann das Signal dann unterabtasten, wenn das Signal sich periodisch wiederholende Anteile enthält. Bei rein periodischen Signalen ist der

Messfehler besonders gering. Wenn das Signal diese

Eigenschaft nicht aufweist, so kann mit einer getakteten Maximalwert-Halteschaltung 6 gearbeitet werden wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 6. Mit der Taktfrequenz des Analog-Digitalwandlers 3 wird die Maximalwert-Halteschaltung 6 direkt nach der Wandlung zurückgesetzt. Somit können auch sehr kurzzeitige Signalimpulse detektiert und trotzdem von der Umrichterstörung bereinigt werden. Der Kammfilter wie in Figur 4 dargestellt, setzt sich aufgrund der Signalspiegelung bei der halben Abtastfrequenz periodisch fort. Die Begründung hierzu liegt im Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Diese

Eigenschaft wird auch bei der Unterabtastung ausgenutzt.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform: der Kammfilter 4 kann auch vor der Analog-Digital Wandlung 3 vor oder nach der Maximalwert-Halteschaltung 6 eingefügt werden. Diese wird, wie bereits weiter oben beschrieben, ebenfalls getaktet zurück gesetzt. In allen bislang beschriebenen

Ausführungsformen wird die abschließende Signalverarbeitung digital 7 durchgeführt, hierfür ist ein A/D Wandler 3 und eine digitale Signalauswertung 5 erforderlich.

In Figur 8 dargestellt ist für die Signalauswertung in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kein Analog- Digitalwandler 3 notwendig, die Signalauswertung kann auch mittels einer geeigneten analogen Schaltungen 8 erfolgen.