Elektrische Maschine mit Überwachung der Erdungsfunktion und Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einer Welle, an der der Rotor befestigt ist, und eine Erdungseinrichtung zum Erden der Welle. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer Erdungsfunktion einer elektrischen Maschine.

Elektrische Maschinen können Erdungsbürsten besitzen, um beispielsweise den Läufer potentialfrei zu halten (z. B. bei Windkraftanlagen) . Darüber hinaus sind elektrische Maschinen beispielsweise bei Schienenfahrzeugen im Einsatz, bei denen der Betriebsstrom über Erdungsbürsten vom Rotor abgeführt wird. Aus Funktions- beziehungsweise Schutzgründen ist es stets notwendig, die Erdungsfunktion der Erdungsbürsten zu überwachen.

Erdungsbürsten können zurzeit nur über mechanische Systeme auf die Unterschreitung einer Restlänge hin überwacht werden. Dabei wird über einen Mikroschalter ein Kontakt geöffnet, so- bald die Bürste eine Mindestlänge unterschreitet. Eine Überwachung der Erdungsfähigkeit von Erdungsbürsten ist zurzeit nicht möglich.

Bürsten werden in der Technik, wie oben bereits angedeutet wurde, generell zur Übertragung von elektrischer Energie auf bewegte Teile des Gesamtsystems verwendet. Dabei wird eine Verbindung über Schleifkontakte hergestellt, die einem Verschleiß unterliegen. In vielen Anwendungen (z. B. Bahnantriebe) muss der Motorkreis zum Unterwerk über das Gleis ge- schlössen werden. Da das Gleis die Funktion des Rückleiters hat, muss der gesamte Motorstrom über das Radlager hinweg auf den Rad-Schiene-Kontakt übertragen werden. Um eine Stromführung über das Wälzlager und eine schnelle Zerstörung dieses Bauteils zu vermeiden, wird das Lager durch einen Bürsten- Schleifkontakt überbrückt. Hierbei ist es für eine hohe Lebensdauer wichtig, die Erdungsfunktion auf Bürstenfeuer, Funktion der Erdungsbürste und nicht spezifizierte hohe Strö- me in Erdungssystemen zu überwachen.

Erdungsbürsten werden zurzeit nicht kontinuierlich überwacht. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer und von Ausfällen vor der spezifizierten Lebensdauer, z. B. bei elektrischer und mecha- nischer Überlastung, werden Erdungsbürsten zum Teil redundant ausgeführt und regelmäßig überprüft. Dabei wird beispielsweise die Stromzuführung von den Achswellen über spezielle Kontaktbürsten abgenommen und nicht über die Lager der Wellen. Im Allgemeinen dienen bei einer vierachsigen Lok drei Achsen der Stromzufuhr und die vierte Achse der Erdung der Lok. Die Bürste der vierten Achse ist mit dem Gehäuse der Lok verbunden. Es wird die Summe der Ströme der drei Erdungsbürsten mit dem Fahrstrom verglichen. Ist die Differenz zwischen Fahrstrom und Erdstrom der drei Achsen nicht null (Fehlerstrom) , so muss ein Defekt am Erdungssystem vorliegen. Auf diese Wei ^¬ se wird die Funktion eines Fehlerstromschutzschalters realisiert, welcher dann im Falle eines Erdschlusses (Gehäuse- schluss) den Hauptschalter der Lok auslöst. Im Falle der Erdung von elektrischen Maschinen können bei zu später Instandsetzung einer defekten Erdungsbürste an einer Motor- oder Generatorwelle bereits Folgeschäden verursacht worden sein. Ein Beispiel hierfür sind unzulässig hohe Stromübergänge in Wälzlagern (Lagerströme) . Auch Personenschutz und Schutz von Wälzlagern an angeschlossenen Maschinen (z. B. eines Getriebes oder einer Messeinrichtung) können betroffen sein. Darüber hinaus können auch unbeabsichtigte hohe Ströme im Erdungssystem zu Problemen führen. Diese Ströme können durch magnetische Induktion, Unterschiede im elektrischen Po- tential oder Fremdströme im Gleis bei Schienenfahrzeugen hervorgerufen werden und Lagerströme oder Fehlfunktionen durch elektromagnetische Beeinflussung verursachen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Erdungsfunktion einer Erdungseinrichtung einer elektrischen Maschine besser zu überwachen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einer Welle, an der der Rotor befestigt ist, und einer Erdungseinrichtung zum Erden der Welle, weiterhin umfassend eine Messeinrichtung zum Messen eines Erdungsstroms der Erdungseinrichtung und zum Be- reitstellen eines entsprechenden Messwerts sowie einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer Erdungsfunktion der Erdungseinrichtung anhand des Messwerts.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Ver- fahren zum Überwachen einer Erdungsfunktion einer elektrischen Maschine, die einen Stator, einen Rotor, eine Welle, an der der Rotor befestigt ist, und eine Erdungseinrichtung zum Erden der Welle aufweist, durch Messen eines Erdungsstroms der Erdungseinrichtung und Bereitstellen eines entsprechenden Messwerts sowie Überwachen einer Erdungsfunktion der Erdungseinrichtung anhand des Messwerts.

In vorteilhafter Weise wird also der Erdungsstrom von einer elektrischen Maschine erfasst, dessen Art und/oder Größe Rückschlüsse auf die Erdungsfunktion der Erdungseinrichtung zulassen. Mit der kontinuierlichen Überwachung des Erdungsstroms kann somit eine kontinuierliche Überwachung der Erdungsfunktion gewährleistet werden. Vorzugsweise ist der Erdungsstrom mit der Messeinrichtung berührungslos messbar. Insbesondere kann mit der Messeinrichtung ein von dem Erdungsstrom verursachtes Magnetfeld oder elektrisches Feld erfassbar sein. Mit dieser berührungslosen Messmethode ist ein verschleißloses Messen möglich.

Alternativ kann die Messeinrichtung eine Stromzange aufweisen. Damit ist ein störungsloses Messen unabhängig von äußeren elektrischen Feldern und Magnetfeldern möglich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Erdungsstrom mit der Messeinrichtung in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz gemessen. In diesem Bereich ergibt sich meist eine ausreichend hohe Einkopplung und die Ausbreitungseffekte spielen noch keine wesentliche Rolle.

Des Weiteren kann die Erdungseinrichtung eine Erdungsbürste aufweisen, deren Erdungsstrom indirekt durch die an ihr ab- fallende Spannung von der Messeinrichtung bestimmt wird. Auf diese Weise lässt sich die Qualität der Erdungsbürste sehr genau überwachen. Ferner kann die Messeinrichtung einen

Shunt-Widerstand aufweisen, über den der Erdungsstrom fließt, welcher von der Messeinrichtung gemessen wird. Ein derartiger Messwiderstand ist leicht in das System zu integrieren, und die über ihm abfallende Spannung ist ebenso leicht überwachbar.

In einer bevorzugten Anwendung ist ein Schienenfahrzeug mit der oben genannten elektrischen Maschine ausgerüstet, und das Schienenfahrzeug besitzt außerdem ein Radlager, das von der Erdungseinrichtung elektrisch überbrückt wird, so dass ein Erdungsstrom der elektrischen Maschine bestimmungsgemäß über die Erdungseinrichtung und nicht über das Radlager abfließt. Somit können Lagerströme zielgerichtet vermieden werden.

In einer speziellen Ausführungsform weist das Schienenfahrzeug einen Schutzwiderstand gegen hohe Ströme auf, wobei der Erdungsstrom über den Schutzwiderstand läuft und die Messein- richtung den Erdungsstrom in dem Schutzwiderstand misst bzw. bestimmt .

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 eine Skizze einer elektrischen Maschine mit Er- dungs- und Überwachungseinrichtung und FIG 2 eine Prinzipskizze zum Überwachen der Erdungsfunktion einer Erdungseinrichtung einer elektrischen Maschine . Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

In dem Beispiel von Fig. 1 ist eine elektrische Maschine, hier ein Elektromotor, dargestellt, die einen Stator 1 und einen Rotor 2 aufweist. Der Rotor 2 ist auf eine Welle 3 montiert. Die Welle 3 ist mit Hilfe zweier Lager 4 an dem Stator 1 gelagert. In der elektrischen Maschine sind außerdem Ersatzschaltbildkomponenten zur Bestimmung der Lagerströme eingezeichnet. Zum einen besteht eine Kapazität C _WG zwischen den Wicklungen des Stators und dem Gehäuse. Außerdem besteht eine Kapazität C _WR zwischen den Wicklungen des Stators und dem Rotor. Darüber hinaus ergibt sich eine Kapazität C _RG zwischen dem Rotor und dem Gehäuse. Zwischen der Welle 3 und dem Gehäuse kann außerdem eine Impedanz Z _w gemessen werden. Eine bei Umrichterbetrieb übliche Common-Mode-Spannung an den Wicklungen des Stators wird über den kapazitiven Spannungsteiler auf die Welle "geteilt" (BVR) . Die Folge sind Lagerspannungen. Wenn der Schmierfilm im Lager die Spannung nicht mehr halten kann, entsteht ein Lichtbogen, der zu Lagerströmen führt. Aus Fig. 1 ist außerdem ersichtlich, dass das Gehäuse der elektrischen Maschine geerdet ist. Darüber hinaus wird auch die Welle 3 mit Hilfe einer Bürste 5 geerdet. Gegebenenfalls besitzt ein Motor selbst keine Erdungsbürste, aber die elektrische Maschine insgesamt besitzt z. B. an einem Radsatz eine Erdungseinrichtung, die zu überwachen ist. Die Erdungsfunktion der Bürste 5 wird hier berührungslos mit Hilfe einer Messeinrich- tung 6 und einer Überwachungseinrichtung 7 überwacht. Die Überwachungseinrichtung 7 gibt ein entsprechendes Überwachungssignal S nach außen ab, mit dem entweder die elektri- sehe Maschine gesteuert wird oder dem Betreiber eine entsprechende Nachricht übermittelt wird.

Trotz der bereits seit Jahrzehnten bestehenden Problematik, die Erdungsfunktion ausreichend überwachen zu können, gab es bislang keine wirklich zufriedenstellende Abhilfe hierfür. Seitens der Erfinder wurde nun erkannt, dass die verbreitete Annahme, über eine Erdungsbürste falle außer am Schleifkontakt keine Spannung ab, falsch ist. Damit lässt sich nun eine kontinuierliche Überwachung der Erdungsfunktion realisieren.

Die Realisierung der Überwachung der Erdungsbürste bzw. Erdungsfunktion kann beispielsweise mit einem Messsystem erfolgen, welches in der Lage ist, berührungslos AC- und DC- Span- nungspotenziale zu detektieren. Durch Nutzung, z. B. Anbringen dieses Sensors an der feststehenden Lagerschale des Stators der elektrischen Maschine, kann ein auf der Welle anstehendes Potenzial vor dem Lagerstromereignis erkannt werden. Wenn die Bürste das Potenzial nicht mehr ableitet, kann somit die Funktion der Bürste überwacht werden.

Ein von dem Erdungsstrom resultierender Spannungsabfall kann beispielsweise an Teilen einer Standard-Erdungsbürste 5 oder eines zusätzlichen Shunt-Widerstands gemessen werden. Der Spannungsabfall ist dann beispielsweise ein Indiz dafür, ob die Bürste noch lang genug bzw. verschmutzt ist. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn ein Spannungsab ^¬ fall bei bestimmten Frequenzen gemessen wird, wie unten näher erläutert werden wird.

Eine weitere Realisierung der Überwachung kann darin bestehen, dass ein Spannungsabfall über einen betriebsmäßigen Erdungswiderstand beobachtet wird. Ein solcher Erdungswiderstand ist beispielsweise ein Schutzwiderstand in einer

Schutzerdung, z. B. 50mOhm bei Bahnfahrzeugen . Fällt die

Spannung an diesem Schutzwiderstand unter einen bestimmten Schwellwert, der den Betriebszustand berücksichtigen muss ("sind Störer eingeschaltet?") und Frequenzbereiche oder Zeitverläufe bzw. Pulsformen berücksichtigen kann, so ist die Erdung fehlerhaft.

In einer Realisierungsform kann für die Messung des Erdungs- Stroms eine separate Messbürste vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführungsform wird eine einzige Bürste sowohl für die Erdung als auch für die Messung benutzt. In diesem Fall kann ein Umschalter vorgesehen sein, um zwischen dem allgemeinen Betriebsmodus und einem Messmodus hin- und herzuschal- ten. Bei einer anderen Ausführungsform einer elektrischen Maschine sind mehrere Erdungsbürsten vorhanden und eine davon wird (auch) zur Messung verwendet. Unabhängig davon kann zur Überwachung der Erdungsfunktion auch ein Längensensor zum Überwachen der Bürstenlänge vorhanden sein.

Die Überprüfung der Güte der Erdungsfunktion kann für die Radlager von Bedeutung sein. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen ist eine derartige Überwachung der Radlager notwendig. Hier überbrückt die Erdungsbürste das Radlager und dient dem Fahrstrom über den Rad-Schiene-Kontakt als Rückleitung. Bei einem Defekt steigt der Widerstand des Erdkontakts an und es könnte zu einem vermehrten Stromdurchgang durch das Radlager selber kommen. Dies würde das Lager binnen kurzer Zeit zerstören .

Auch etwaige Stromschleifen innerhalb der elektrischen Maschine können zu ungewollten Effekten führen. Daher werden Stromschleifen nach Möglichkeit vermieden. Durch das Messen der Erdungsströme können unter Umständen auch Stromschleifen erkannt werden. Diese Zusatzfunktion bei der Überwachung der Erdungsgüte kann bei manchen Anwendungen durchaus vorteilhaft sein .

Erdungsbürsten stellen für die über sie abfließenden Ströme eine Impedanz dar. Diese wird gebildet aus: dem Material, dem Schleifkontakt, der Kupferlitze, welche im Stampfkontakt im Bürstenmaterial sitzt, dem Stampfkontakt (dieser kann im Betrieb durch Rütteln schlechter werden) und dem Kontakt Litze- Motorgehäuse. Eine mögliche Verschlechterung der Erdungsfunktion im laufenden Betrieb geht einher mit einer Verschlechterung der Gleit kontaktbedingungen . Staub, Öl, Korrosion und anderes können der Grund für die Veränderung sein. Eine Ver- schlechterung der Kontaktbedingungen wird immer mit einer Veränderung des über die Bürste fließenden Stroms verbunden sein. Wird dieser Strom gemessen (z. B. über einen Shunt- Widerstand) und mit den Werten bei Inbetriebnahme des Antriebs (ideale Kontaktbedingungen) in Beziehung gesetzt, lässt sich daraus eine Aussage über die Erdungsfähigkeit der Bürste ableiten. Neben dem reinen Messwert in Form von RMS (Route Mean Square, Effektivwert) und PK-Werten (Peak Wert, Spitzenwert), können hier auch Histogramm-Klassifizierungen des Stroms über einen definierten, längeren Zeitraum ins Ver- hältnis gesetzt werden.

Bei Verwendung eines Messsystems wie einer Vorrichtung zur Überwachung von Lagerströmen, z. B. dem "Lagerstromsensor", welcher auf die Messungen der reinen Lagerspannung angewiesen ist, ist es möglich, die Mess- und Erdungsaufgabe mittels eines Schalters voneinander zu trennen. Zur Zeit ist der Lagerstromsensor nur durch eine potenzialbehaftete Spannungsmessung mittels Bürsten nutzbar. Eine Bürste ausschließlich für Messzwecke wirkt sich jedoch nachteilig auf Volumen und Kos- ten einer elektrischen Maschine aus.

Im Zusammenhang mit Fig. 2 wird nun näher erläutert, wie die Messung des Erdungsstroms prinzipiell realisiert sein kann. Hierzu ist ein elektrischer Leiter 8 (z. B. für Schutzerde) dargestellt, der beidseitig geerdet ist. Durch ein elektrisches Feld 9 bzw. ein magnetisches Feld 10 kann in dem Leiter 8 ein Streustrom I _s induziert werden. Insbesondere durch parasitäre induktive Kopplungen (d. h. über das magnetische Streufeld 10 z. B. von Motoren oder Leitungen gegen Struktu- ren, die mit der Schutzerde elektrisch verbunden sind) oder parasitären kapazitiven Kopplungen (d. h. über das elektrische Streufeld 9 z. B. zwischen der Stator-Wicklung von Motoren und dem Motor-Gehäuse oder zwischen einem Leiter eines Motorkabels und seinem Schirm) führt der Schutzleiter 8 stets hochfrequente elektrische Streuströme I _s , ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt. Diese hochfrequenten Ströme führen zu einem Spannungsabfall über eine Erdungsbürste, einem zusätz- liehen Shunt- iderstand oder einem Schutzwiderstand in der Schutzerde bzw. dem Schutzleiter 8. Die Erdungsbürste ist in Fig. 2 durch eine Impedanz Z _b symbolisiert. Sie besitzt in der Regel einen komplexen Anteil, z. B. eine parasitäre Induktivität. Über sie lässt sich ein Spannungsabfall U _b mes- sen.

Der Erdungsstrom lässt sich aber auch, wie oben bereits erwähnt, mit Hilfe eines zusätzlichen Shunt-Widerstands oder eines Schutzwiderstands, die in Fig. 2 mit der Impedanz Z _s symbolisiert sind, ermitteln. Die Impedanz besitzt auch einen komplexen Anteil, z. B. eine parasitäre Induktivität. Zur Bestimmung des Erdungsstroms wird auch hier der Spannungsabfall U _s gemessen. Der Spannungsabfall wird vorteilhafterweise in einem Fre ^¬ quenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz gemessen. Bei noch tieferen Frequenzen ist die Einkopplung oft noch gering (Ausnahme: Induktive Einkopplungen großer Ströme z. B. bei der Motor- Frequenz) . Bei höheren Frequenzen kann durch Ausbreitungsef- fekte ein Strom im Schutzwiderstand fließen, obwohl die Erdungsbürste defekt ist (Beispiel: Lambda-Viertel- Transformator ; Sonderfall λ/4: bei 30 MHz "sähe" ein Erdungswiderstand mit einer 2,5 m langen Leitung einen Kurzschluss gegen Erde, auch wenn die Erdungsbürste defekt wäre und einen Leerlauf gegen Masse darstellen würde) . Mittels aufwändiger Technik/Auswertung wäre jedoch auch eine Messung bei höheren Frequenzen möglich.

Alternativ kann der Strom im Schutzleitungssystem auch direkt mittels eines Stromsensors gemessen werden. Diese Streustrommessung auf der Schutzerde kann beispielsweise mit einer Stromzange erfolgen, die jedoch sehr aufwändig ist. Der Stromsensor ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 11 gekenn ^¬ zeichnet .

Des Weiteren kann der Erdungsstrom auch indirekt über seine Auswirkungen, nämlich das elektrische Feld und das magnetische Feld gemessen werden. Dazu sind in Fig. 2 ein Sensor 12 für das magnetische Feld und ein weiterer Sensor 13 für das elektrische Feld angedeutet. Ungewollte oder sogar unzulässig hohe elektrische Ströme in

Stromschleifen, beispielsweise aufgrund von elektrischen Feldern können ebenfalls durch Strommessungen oder indirekte Messungen über das Magnetfeld oder Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand gemessen werden.

Durch die somit mögliche kontinuierliche Überwachung können Schäden und gefährliche Zustände der elektrischen Maschine vermieden werden. Ferner können Wartungsintervalle verlängert werden. Beispielsweise ist bei Windkraftanlagen eine Erdung der Generatorwelle zur Vermeidung von hohen Lagerströmen in den Wälzlagern erforderlich. Eine Fehlfunktion kann so entdeckt werden, bevor das Lager durch Riffelbildung geschädigt wird. Dies wird letztlich dadurch erreicht, dass der gemessene Erdungsstrom durch nachgeschaltete Elektronik bzw. Logik ausgewertet wird. Gegebenenfalls kann dann entsprechende Information beispielsweise bezüglich Wartungsintervallen be ^¬ reitgestellt werden. Optional kann der gemessene Strom auch direkt zur Steuerung der elektrischen Maschine beispielsweise zu einer Zwangsabschaltung genutzt werden. Bezugszeichenliste

1 Stator

2 Rotor

3 Welle

4 Lager

5 Bürste

6 Messeinrichtung

7 Überwachungseinrichtung 8 Leiter

9 elektrisches Feld

10 magnetisches Feld

11 Stromsensor

12 Sensor

13 Sensor

CwG Kapazität

CwR Kapazität

CRG Kapazität

s Überwachungssignal

Impedanz

Spannungsabfall