Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Antriebes, insbesondere eines elektromechanischen Antriebes, welcher in einem Betrieb Drehbewegungen mit variablen Drehfrequenzen vornimmt. Zudem betrifft die Erfindung eine technische Vorrichtung zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Antriebes, welcher in einem Betrieb Drehbewegungen vornimmt, insbesondere eines elektromechanischen Antriebes, wobei die technische Vorrichtung wenigstens einen Schwingungs sensor und eine mit dem Schwingungssensor verbindbare Auswerteeinrichtung aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm für eine technische Vorrichtung.

Um den Be triebs zustand einer elektrischen Maschine zu erfassen, kann ein Uberwachungs system zur deren Überwachung eingesetzt werden. Ein derartiges System wird auch als Condition Monitoring (CM) System bezeichnet. Das Condition Monitoring elektrischer Antriebsstränge bezieht sich beispielsweise auf die Früherkennung von Lagerschäden, da diese eine der häufigsten Ausfallursachen von elektrischen Maschinen im Betrieb sind.

Im Rahmen des Condition Monitorings können beispielsweise vibrationsbasierte Verfahren eingesetzt werden, bei denen Lagerfehler anhand der gemessenen Maschinenvibration detektiert werden. Des Weiteren ist beispielsweise eine Diagnose auf Basis einer Messung von Körperschall bekannt. Diese beruht darauf, dass mechanische Fehler außer Vibrationen auch eine erhöhte Geräuschemission verursachen. Aus der Analyse der Beschleunigungssignale des Vibrationssensors bei zumindest annähernd konstanter bekannter Drehzahl der elektrischen Maschine während des normalen Betriebs lässt sich (wenigstens mit einiger Wahrscheinlichkeit) auf das Vorliegen bestimmter möglicher Fehler wie „Ausrichtfehler", „Unwucht" oder „Motor verspannt montiert" oder Lagerschäden schließen.

Sind Vibrationssensoren beispielsweise an Kühlrippen der elektrischen Maschine befestigt, unterliegen die ermittelten Schwingwerte vor allem den Resonanzbedingungen und Schwingverhalten der Kühlrippen und der Befestigungsart daran. Ein Übertrag gemessener Schwingwerte auf historisch bekannte Schwingwerte ist nur bei gleicher Drehzahl der elektrischen Maschine zulässig. Sollen Schwingwerte anderer Drehzahlen berücksichtigt werden, so muss bekannt sein, wie der intakte elektrische Antrieb, die Kühlrippen und der Vibrationssensor, der beispielweise ein MEMS-Sensor ist (mikro-elektromechanisches System) , bei einer bestimmten Drehzahl angeregt werden.

Das Gesamtsystem der elektrischen Maschine hat in der Regel ein frequenzselektives Übertragungsverhal ten und gemessene Schwingungswerte können nicht mit einem einfachen Korrekturf aktor korrigiert werden, der beispielsweise von einer quadrierten Drehfrequenz des elektrischen Antriebs abhängt. Mit solcher einer „pauschalen" Korrektur sind spezielle Unwuchten oder andere Fehler, die sich oftmals nur bei bestimmten Schwingungswerten bzw. Drehfrequenzen auswirken, kaum oder nicht korrigierbar .

Weiterhin ist eine Diagnosetechnik zur Erkennung von Motorfehlern durch Messung der Maschinenströme, kurz als "MCSA" für "Motor current Signatur analysis" bezeichnet, bekannt.

Der Vorteil der MCSA gegenüber der Vibrationsanalyse besteht darin, dass keine kostspieligen Sensoren außer ohnehin ver- bauter Stromsensoren (insbesondere im Falle einer Umrichterkopplung) erforderlich sind. Hierzu wird beispielsweise auf einen Artikel von J. R. Stack, T. G. Habetler und R. G.

Harley verwiesen: "Bearing fault detection via autoregressive stator current modeling" (IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 40, No. 3, May/ June 2004) .

Aus der EP 2 244 080 Al ist ein Verfahren zur Zustandsüberwachung bekannt. Es werden im Rahmen eines mechanischen Antriebsverbunds bestimmte Funktionen erfüllende Lager permanent erregter Synchronmaschinen überwacht.

Die Zustandsüberwachung wird antriebsbasiert mittels wenigstens einer Frequenzganganalyse durchgeführt. Dieses System des mechanischen Antriebsverbunds wird zur Frequenzganganalyse mittels eines Pseudo-Rausch-Binär- Signals (PRBS) angeregt.

Elektrische Maschinen können Antriebslösungen betreffen, welche beispielsweise mehreren Unterkomponent en aufweisen. In einer einfachen Konstellation weist eine Antriebslösung beispielsweise einen Motor, eine Kupplung und ein angetriebenes System, z.B. mit Riemen, Kugelumlaufspindel, Walze, prozesstechnischer Fluidkreis usw. , auf . Die Unterkomponent en können ein schwingfähiges System ausbilden. Ein geregelter Antrieb ist demnach derart auszulegen, dass ein Regler bzw. ein Regelmodell mit den entsprechenden Parametern so eingestellt ist, dass kein instabiler Zustand des Systems auftritt. So sind in der Praxis durch geeignete Wahl insbesondere der PID- Parameter ungeeignete Betriebspunkte in der Nähe von Resonanzen zu vermeiden.

Hierzu können heuristische Methoden genutzt werden. In der Automatisierungstechnik bzw. in der Regelungstechnik werden heuristische Methoden zur Dimensionierung eines Reglers, die ohne mathematisches Modell der Regelstrecke auskommen, häufig auch als Faustformelverfahren bezeichnet. Statt einer Modellbildung sind so beispielsweise Experimente an der zu regelnden Anlage vorzunehmen, um eine Regelung einzustellen.

Ein Beispiel hierfür ist die Methode von Ziegler und Nichols, welche ein heuristisches Verfahren zur Bestimmung von Reglerparametern darstellt. Dabei wird eine Sprungantwort einer Regelstrecke mit Wendet angente zur Bestimmung von K (Verstärkung) , Tu (Verzugs zeit ) und Tg (Ausgleichs zeit ) verwendet.

In einigen Fällen begegnet man der Resonanzproblematik in der Antriebstechnik mit einer reduzierten Reglerverstärkung, wobei die mögliche Dynamik des Antriebs nicht ausgenutzt wird. Fortgeschrittene Regel st rukturen setzen exakte Kenntnisse der Strecke und deren Parameter voraus. Die Anzahl an einzustellenden Regelparametern ist dementsprechend höher.

Die Systemparameter können aus den Konstruktionsdaten bekannt sein oder bei der Inbetriebsetzung experimentell ermittelt werden. Die Strecke kann sich aber im Laufe der Zeit verändern, wobei dies unbemerkt bleiben, und eine Verschlechterung der Regeldynamik hervorrufen kann.

Sind sog. Smart Sensor Messboxen an Kühlrippen einer elektrischen Maschine befestigt, so unterliegen Schwingwerte vor allem den Resonanzbedingungen und Schwingverhalten der Kühlrippen und der Befestigungsart daran. Ein Übertrag gemessener Schwingwerte auf historisch bekannte Schwingwerte ist nur bei gleicher Drehzahl zulässig. Sollen Schwingwerte anderer Drehzahlen berücksichtigt werden, so muss bekannt sein, wie der intakte Antrieb, die Kühlrippen und damit der MEMS-Sensor auf der PCB- Platine bei der entsprechenden Drehzahl angeregt wird. Bei drehzahlveränderlichen Antrieben kommen konstruktionsbedingt Resonanzstellen des Fundaments / Der Aufstän- derung hinzu und diese führen zu überhöhten gemessenen Amplituden. Betriebspunkte an Resonanzstellen sind zu vermeiden. Überhöhte Amplituden nahe solcher Resonanzstellen stellen jedoch evtl, nur die Gesamt schwing- amplitude am Messort dar, und lassen, außer bei direktem Vergleich (vorher / nachher bei dieser Drehzahl und Last) , keine echte Beurteilung der auftretenden Lagerkräfte zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Condition Monitoring für einen Antrieb, insbesondere für einen elektromechanischen Antrieb, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebs zustandes eines Antriebes, insbesondere eines elektromechanischen Antriebes, welcher in einem Betrieb Drehbewegungen mit variablen Drehfrequenzen vornimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: a) Vorsehen eines Schwingungssensors zur Erfassung von Schwingungswerten des Antriebs, b) Bei einer im Wesentlichen erstmaligen Inbetriebnahme des Antriebes, Bestimmen einer Übertragungsfunktion des Schwingungssensors für wenigstens zwei voneinander verschiedene Drehfrequenzen des Antriebs, derart, dass der Antrieb jeweils bei einer der voneinander verschiedenen Drehfrequenzen betrieben wird und jeweils frequenzselektive Korrekturf aktoren ermittelt werden, c) Während eines Betriebes des Antriebes bei verschiedenen Drehfrequenzen jeweils Ermitteln einer frequenzselektiven Schwingungscharakteristik des Antriebes mittels des Schwingungssensors und Beaufschlagen der ermittelten, frequenzselektiven Schwingungscharakteristik mit den zuvor ermittelten, frequenzselektiven Korrektur fak- tor en , d) Bestimmen eines Be triebs zustands des Antriebs durch die ermittelte und korrigierte, frequenzselektive Schwingungscharakteristik, e) Hinterlegen des Betriebs zustandes in einem computerimplementierten Speicher, vorzugsweise einem cloudba- sierten Speicher.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auf besonders vorteilhafte Art und Weise die im einleitenden Teil erläuterten technischen Phänomene berücksichtigt, die eine Schwingungscharakteristik des Antriebs beeinflussen können, und somit die Bestimmung des Betriebs zustandes nachteilig beeinflussen können, indem beispielsweise eine Unwucht im Antrieb nicht erkannt wird, weil die durch die Unwucht hervorgerufene Änderung in der Schwingungscharakteristik des Antriebs durch eine zusätzliches, frequenzselektives Phänomen überlagert bzw. überdeckt wird .

Das im Verfahrensschritt b beschriebene Verfahren kann nicht nur bei zwei, sondern bei einer Vielzahl von verschiedenen Drehfrequenzen des Antriebs durchgeführt werden, um eine Qualität der frequenzselektiven Korrektur weiter zu erhöhen. Dabei können gezielt Drehfrequenzen gewählt werden, die während typischer Betriebsszenarien des Antriebs zur Anwendung kommen.

Im Rahmen des Bestimmens des Betriebs zustandes des Antriebs können fehlerhafte Zustände des Antriebs aufgrund von Schwingungsamplituden in der frequenzselektiven Schwingungscharakteristik festgestellt werden, die für eine bestimmte oder mehrere bestimmte Schwingungs f re- quenzen einen festgelegten Schwellwert betragsmäßig überschreiten. Mit anderen Worten können fehlerhafte Betriebszustände dadurch erkannt werden, indem Schwellwertüberschreitungen im Schwingungsverhal t en des Antriebs ausgewertet und damit korrespondierende Fehlerursachen zugeordnet werden. Dabei kann auf eine Datenbank zurückgegriffen werden, in welcher eine Kor re spondenz t abe 11 e zwischen ( f requenz spe z i f i sehen ) Schwellwertüberschreitungen und der oder den möglichen Ursachen hinterlegt sind. Hierbei kann auch ein selbstlernendes System zum Einsatz kommen, welches die Korrespondenzen in der Tabelle dynamisch anpassen kann. Bevorzugt werden mehrere mögliche Ursachen für fehlerhafte Zustände des Antriebs ermittelt und in dem computerimplementierten Speicher hinterlegt, wobei damit einhergehend ein Wahrscheinlichkeitsmaß angegeben werden kann, welches die möglichen Ursachen gemäß einer Wahrscheinlichkeit gewichtet.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Mehrzahl von Schwingungssensoren an verschiedenen Positionen des Antriebs vorgesehen, um Positioniereffekte der Schwingungssensoren kompensieren zu können. Auch kann eine Verfügbarkeit der Überwachung des Betriebszustandes durch das Vorsehen von zusätzlichen Schwingungs Sensoren im Rahmen einer Redundanz erhöht werden .

Für den Fall, dass eine fehlerhafter Zustand des Antriebs festgestellt wird, kann automatisiert eine Alarmmeldung erzeugt werden, die einem Operator des Antriebs darstellbar ist, insbesondere visuell und/oder haptisch und/oder akustisch. Hierdurch kann der Operator frühzeitig und automatisiert über das Vorliegen eines etwaigen Fehlers im Antrieb informiert werden.

Ausgehend von dem ermittelten Betriebszustand kann vorteilhafterweise eine Prognose für eine Lebensdauer des Antriebs erstellt und in einem computerimplementierten Speicher, vorzugsweise einem cloudbas iert en Speicher, hinterlegt werden. Der zuvor erläuterte Verfahrensschritt b kann nach dem Ablauf einer bestimmten Betriebsdauer des Antriebs wiederholt wird, um aktualisierte Korrekturf aktoren zu ermitteln. Dadurch lassen sich Alterungseffekte im Antrieb berücksichtigen und die Effizienz der frequenzselektiven Korrektur des Schwingungsverhal tens erhöhen.

Die zuvor formulierte Aufgabe wird zudem gelöst durch eine technische Vorrichtung zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Antriebes, welcher in einem Betrieb Drehbewegungen vornimmt, insbesondere eines elektromechanischen Antriebes, wobei die technische Vorrichtung wenigstens einen Schwingungssensor und eine mit dem Schwingungs sensor verbindbare Auswerteeinrichtung aufweist. Die technische Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens ausgebildet ist, wie es zuvor erläutert wurde.

Bevorzugt ist die technische Vorrichtung dabei wenigstens teilweise cloudbasiert ausgebildet.

Die zuvor formulierte Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Computerprogramm für eine technische Vorrichtung, die wie zuvor erläutert ausgebildet ist, mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung eines zuvor erläuterten Verfahrens.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 einen elektromechanischen Antrieb; FIG 2 ein von einem Schwingungssensor auf gezeichnetes

Schwingungsprofil; und

FIG 3 einen Zusammenhang zwischen einem Massenträgheitsmoment und Schwinggeschwindigkeitswerten.

In FIG 1 ist ein Antrieb 1 mit einer elektromechanischen Maschine M an einer Last L dargestellt. Die elektromechanische Maschine M wird mittels eines Stromrichters 2 gespeist, wobei der Stromrichter einen Regler 3 zur Regelung der elektromechanischen Maschine M aufweist.

Der Stromrichter 2 weist zudem einen Stromsensor 4 und einen Spannungs sensor 5 auf, mittels derer eine Leistungsabgabe des Stromrichters 2 an die elektromechanische Maschine 2 messbar ist. An der elektromechanischen Maschine M ist eine Vorrichtung 6 als Sensor angebracht. Diese Vorrichtung 6 kann auch als eine sogenannte Smart Sensor Box bezeichnet werden. Die Vorrichtung 6 kann fest mit der elektromechanischen Maschine M verbunden sein oder zur Nachrüstung und nachträglichen Anbringung vorgesehen sein.

Die Vorrichtung 6 weist einen Magnetfeldsensor 7 und einen Schwingungssensor 8 auf . Die Vorrichtung 6 kann zusätzliche Sensoren, aber auch nur einen dieser Sensoren 7, 8 aufweisen. Zur Feststellung der Drehzahl der elektrischen Maschine M ist ein Drehzahlsensor 9 vorgesehen .

In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der elektromechanische Antrieb 1 von Null auf 1.500 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Der Drehzahlsensor 9 gibt dabei Rückmeldung, ob die vorgesehene Drehzahl des Antriebs 1 erreicht ist. FIG 2 zeigt ein von dem Schwingungssensor 8 auf gezeichnetes Schwingungsprofil 10. Die y-Achse des Schwingungsprofils 10 ist in der Hilfsmaßeinheit dB angegeben und wird aus einem Verhältnis der von dem Schwingungssensor 8 gemessenen Schwingungswerten zu den von dem Drehzahl sensor 9 gemessenen Drehzahlwerten berechnet. Die x-Achse stellt den Frequenzbereich einer Drehfrequenz des Antriebs 1 in der Einheit Hz dar.

Das Schwingungsprofil 10 wurde durch eine diskrete Variation der Drehzahl des Antriebs 1 und einer jeweiligen Messung der Schwingungsamplitude durch den Schwingungssensor 8 ermittelt. Es ist gut zu erkennen, dass das Schwingungsprofil 10 bei etwa 12 Hz eine Resonanz aufweist .

Mit Kenntnis der Übertragungs funkt ion oder mindestens zweier, besser dreier Korrektur faktoren einer „erweiterten Nullmessung" können die gemessenen V1X Amplituden für alle Drehzahlen ausreichend gut korrigiert werden. Die korrigierten V1X- Werte, gebildet im einfachsten Fall als Vlx / fTF , liegen drehzahlunabhängig auf einer Geraden, die der linearen Zunahme des Massenträgheitsmomentes der Unwuchten entspricht. FIG 3 stellt diesen Zusammenhang grafisch dar. Dabei ist auf der X-Achse ein Massenträgheitsmoment in der Einheit kg/cm ² dargestellt. Die Y-Achse zeigt dabei, für drei verschiedene Drehzahlen des Antriebs 1, Schwinggeschwindigkeitswerte in der Einheit mm/ s .

Der drehz ahl kor r i gi er t e Wert VlX/fTF ist also ein Maß für die real anliegende Unwucht. VlX/fTF (t) = C* S (t) mit S = Schwere einer Unwucht (eines Ausrichtfehlers) . Somit kann unabhängig von der Drehzahl eine Aussage getroffen werden, falls sich eine Unwucht im Betrieb des Antriebs 1 ändert (sich die Schwingwerte bei der IST- Drehzahl während der Messung als höher erweisen als zu einem früheren Re f erenz ze i tpunkt (Nullpunktsmessung) . Ändern sich nicht Wuchtungen oder Ausrichtungen, sondern treten Losfuß oder Kippfuß auf, so ändern sich in der Regel die Resonanzstellen. Damit ändern sich die Korrekturfaktoren in einer erneuten Bestimmung mittels „Anregung" .

Die korrigierten Amplitudenwerte können für alle Drehzahlen als Maß für eine wahre Zusatzbelastung für das Lager einer Maschine M während des aktuellen Betriebs herangezogen werden und somit traditionelle Restlebensdauermodelle mit konstruktiven Last Annahmen für das Lager der Maschine M verbessern. Liegen Last-/ Drehzahl Histogramme für eine Vielzahl von Betriebszuständen vor, so werden die Korrekturwerte für die abgelegten Betriebshistogramme für die Vielzahl von Drehzahlen und Drehmomenten ermittelt. Sodann liegen für das Kollektiv der Drehzahlen und Drehmomente die Drehfrequenz behafteten Amplituden und die zugehörigen Korrekturwerte aus den Schwingwerten vor.

Das Restlebensdauermodell kann dadurch verbessert werden, dass drehzahlunabhängig Maße für Unwuchts- oder Ausrichtschweren ermittelt werden, welche als Eingangsgröße für Simulationsmodelle oder Digitale Zwillinge dienen, um die Lagerbelastung ausgehend von der Schwere im Antriebs st rang zu berechnen und die ermittelte Lebensdauer auf den aktuellen Zustand anzupassen.

Das Restlebensdauermodell kann weiterhin dadurch verbessert, dass im Falle von angebrachten, mit Eigenresonanzen versehen Smart Sensor Cm Boxen, die Schwingwerte einer Korrektur auf ebendiese Eigenresonanzen hin ermöglichen und die eigentlichen Schwingwerte am Ort des Lagers besser und drehzahlunabhängig ermittelbar sind.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.