HASSEL, Jörg (Birkenweg 25, Erlangen, 91058, DE)
PROBOL, Carsten (Eisenstr. 21, Buckenhof, 91054, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
FRUH, Thomas (Mühlweg 9, Oberasbach-Rehdorf, 90522, DE)
HASSEL, Jörg (Birkenweg 25, Erlangen, 91058, DE)
PROBOL, Carsten (Eisenstr. 21, Buckenhof, 91054, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung eines Lagerzustandes eines Lagers einer elektrischen Maschine, wobei mittels einer Sensoreinheit (20) ein Messwert (21) er¬ mittelt wird, wobei der Messwert an eine Simulationseinheit (22) übermit¬ telt wird, wobei mittels der Simulationseinheit (22) ein Ergebniswert (23) ermittelt wird, wobei der Ergebniswert insbesondere ein Lagerstrom-Wert oder ein vom Lagerstrom abhängiger Wert ist, wobei der Ergebniswert (23) an eine weitere Einheit (24) übermittelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die weitere Einheit eine Bildschirm¬ anzeige (26) aufweist, wobei auf der Bildschirmanzeige der Ergebniswert (23) dargestellt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die weitere Einheit (24) ei¬ ne Auswerteeinheit (24) ist, wobei mittels der Auswerteein¬ heit (24) der Ergebniswert (23) derart verarbeitet wird, dass ein Lagerzustandswert (25) ermittelt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messwerte (21) in der Simulationseinheit (22) und/oder in der Auswerteeinheit (24) in Echtzeit verarbeitet werden, wobei Ergebniswerte (25) und/oder Lagerzustandswerte (27) einem Menschen (29) in Echt¬ zeit dargestellt werden kann. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Ergebniswerte (25,27) oder von Ergebniswerten (27) abhängige Werte zusammen mit einem Zustandswert (31) eines Stromrichters (1) gespeichert werden . 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nach einer Ermittlung des Lagerzustandes eine mechanische Änderung des Lagers und/oder der elektrischen Maschine vorgenommen wird, wonach eine weitere Ermittlung des Lagerzustandes durchgeführt wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Durchführung des Verfahrens ein System zur Ermittlung eines Lagerzustandes ei- nes Lagers einer elektrischen Maschine (10,11,12,13) nach ei¬ nem der Ansprüche 8 bis 12 verwendet wird. 8. System zur Ermittlung eines Lagerzustandes eines Lagers (14) einer elektrischen Maschine (10,11,12,13), aufweisend: - eine Simulationseinheit (22), - eine Sensoreinheit (20) und - eine Auswerteeinheit (24), wobei die Simulationseinheit (22) zur Verarbeitung von Daten (21) der Sensoreinheit (20) vorgesehen ist und wobei die Aus- werteeinheit (24) zur Verarbeitung von Daten der Simulationseinheit (22) vorgesehen ist. 9. System nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Simulationseinheit (22) ein Mo- dell (33) zur Berechnung einer kraterwirksamen Energie des Lagers aufweist. 10. System nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Modell (33) auf einem integrier- ten Prozessrechner (36) abläuft. 11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auswerteeinheit (22) zur Ermittlung zumindest einer der folgenden Werte vorgesehen ist: - ein Lagerstrom, - eine über einen Lagerschmierspalt übertragene Energie, - eine über einen Lagerschmierspalt übertragene Energiedich¬ te, - ein Wert für eine Lagerlebensdauer und/oder Restlaufzeit, - ein Wert für einen Verschleißzustand des Lagers - ein Wert für einen Verschleißzustand des Lagerfetts. 12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dieses einen Stromrich¬ ter (1) aufweist, wobei der Stromrichter (1) mit zumindest einer der folgenden Einheiten datentechnisch verbunden ist: - mit der Simulationseinheit (22); - mit der Sensoreinheit (20); - mit der Auswerteeinheit (24) bzw. - mit einer Kombination der Einheiten. |
System bzw. Verfahren zur Ermittlung eines Lagerzustandes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung/
System zur Simulation einer elektrischen Lagerbelastung eines Lagers einer elektrischen Maschine.
In den Lagern von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise einem elektrischen Generator oder einem Elektromotor, kann es als Folge elektrostatischer Aufladung oder bei Speisung mittels eines leistungselektronischen Stellglieds zu einem unerwünschten Stromfluss kommen. Bei diesen Lagerströmen handelt es sich zum Teil um sogenannte EDM (Electric Discharge Machi- ning) -Ströme, bei denen Lichtbogenentladungen in dem Lager auftreten. Es kommt insbesondere in dem Schmierfilm, der sich zwischen den Wälzkörpern und den Laufringen des jeweiligen Lagers befindet, zu Überschlägen und Entladungen. Dadurch kann sich ein vorzeitiger Verschleiß des Schmiermittels und des Lagers insgesamt einstellen. Ein vorzeitiger Lagerausfall ist ebenfalls eine mögliche Folge.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Simulation eines Lagerstromes bzw. einer elektrischen Lagerbelastung anzugeben.
Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich beispielsweise gemäß ei ¬ nes Verfahrens bzw. Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Lagerströme können bei elektrischen Maschinen immer wieder zu Problemen führen. Bei Netzmotoren treten Lagerströme auf, welche z.B. aus: · Unsymmetrien im magnetischen Kreis,
• Fertigungstoleranzen, und/oder
• Materialanisotropien resultieren. Sie treten nachteilig vor allem bei größeren Maschinen am sinusförmigen Netz in Erscheinung.
Eine asymmetrische Verteilung des magnetischen Flusses im Mo- tor induziert eine Spannung in der Welle, die bewirkt, dass ein niederfrequenter Strom durch die Lager fließt. Diese Lagerströme zirkulieren in einem geschlossenen Kreis: Welle - Lager - Lagerschild- Gehäuse. Abhilfe wird z.B. durch Unterbrechung des Stromflusses er ¬ reicht. Die Isolierung eines Lagers, zweckmäßigerweise an der Bedienseite kann zur Lösung des Problems führen.
Darüber hinaus treten auch Lagerströme auf die Aufgrund einer Umrichterspeisung entstehen. Basis sind dabei z.B. Stromrichter mit Spannungszwischenkreis. Bei umrichtergespeisten Moto ¬ ren entstehen parasitäre Effekte, welche sich durch einen Stromfluss über das Motorlager äußern können. Lichtbogenent ¬ ladungen über dem Schmierfilm des Lagers können zu Material- aufSchmelzungen in den Lagerlaufbahnen führen. Diese Veränderungen können in extremen Fällen zu einem Totalausfall der Lagerung führen.
Zur Vermeidung eines schädlichen Lagerstromes können bei Drehstromantrieben mit leistungselektronischer Speisung Erdungsbürsten zwischen dem Läufer und dem Gehäuse verwendet werden. Dadurch erreicht man eine Erdung des Läufers. Allerdings unterliegen Erdungsbürsten einem Verschleiß, so dass der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand steigt. Außerdem ist die Kontaktsicherheit der Erdungsbürsten gerade bei schwieri ¬ gen Umgebungsbedingungen nicht immer gegeben, so dass es doch zur Ausbildung der Lagerströme und einem erhöhten Lagerverschleiß kommen kann. Zur Vermeidung eines Lagerstromes sind auch weitere unterschiedliche Abhilfemaßnahmen möglich, wie z.B. zur Vermeindung bzw. Minimierung eines Lagerschadens, Abhilfen in der Hardware (andere Kabel, bessere Erdung, Po ¬ tenzialausgleich im System, Erdungsbürsten, Common-Mode- Filter) . Um die Lebensdauer eines Lagers zu verlängern, können auch andere Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann eine an der elektrischen Maschine anstehende elektrische Spannung gemessen werden, wobei aus dem Ergebnis der Spannungsmessung eine Gleichtaktspannung ermittelt wird, wobei anhand der
Gleichtaktspannung eine Kompensationsspannung ermittelt wird und eine Komponente der elektrischen Maschine, die mit dem Lager elektrisch in Verbindung steht, mit der Kompensationsspannung beaufschlagt wird, so dass eine über dem Lager ab- fallende Lagerspannung zumindest teilweise kompensiert wird.
Die Lagerströme können so betriebspunkt- und anlagen ¬ spezifisch, also insbesondere zustandsorientiert , unterdrückt werden. Das Anlegen der insbesondere auf Basis einer Zustand- erfassung ermittelten Kompensationsspannung an das Lager führt zu einer weitgehenden Kompensation der Lagerspannungen, die ansonsten bei zu großen Werten die Lichtbogenentladungen und damit die Lagerströme bewirken würden. Die verbleibenden Lagerrestspannungen sind zu niedrig, um noch Lichtbogenentla- düngen in schädigendem Ausmaß hervorzurufen. Im Idealfall verschwinden die gemessenen Lagerspannungen aufgrund der Kompensation sogar vollständig.
Es ist auch möglich die über dem Lager anstehende Lagerspan- nung oder den über das Lager fließenden Lagerstrom zu erfassen und bei der Ermittlung der Kompensationsspannung mit zu berücksichtigen. Dadurch lässt sich die Qualität der Kompensation weiter verbessern. Im Gegensatz zu der Gleichtaktspannung, die eine indirekte Messgröße darstellt, handelt es sich bei dem Lagerstrom und der Lagerspannung um direkte Messgrößen, die eine unmittelbare Überwachung der Verhältnisse in dem jeweiligen Lager ermöglichen. Die Erfassung und insbesondere Rückkopplung dieser direkten Messgrößen gestatten eine sehr rasche Reaktion auf Zustandsänderungen in dem Lager. Bei der Beurteilung und/oder der Kompensation von Lagerströmen ist es von Bedeutung, dass der Zustand des betreffenden Lagers bekannt ist. Durch Messung von Erdströmen, Wellenströ ¬ men und Wellenspannungen kann versucht werden eine elektri- sehe Zustandsbeschreibung der Motorlager durchzuführen. Hiermit kann indirekt auf den Stromfluss im Lager zurückgerechnet werden .
Durch Verwendung äußerer Messwerte (z.B. Erdströme, Klemmen- Spannung, Wellenstrom, Wellenspannung (Lagerspannung) , Lagertemperatur, Schwingung, Drehzahl, indirekte Lagerströme über Isolationsüberbrückung, Spannungssteilheit, Pulsfrequenz, usw.) lassen sich auf der Basis eines Simulationsmodells in ¬ nere Messwerte (Größe des Lagerschmierspalts, Lagerkapazität, Lagerströme, usw.) berechnen. Weiterhin ist es möglich durch eine Kombination von inneren und äußeren Werten sogenannte Prozesskennwerte, wie z.B.:
• Häufigkeiten von Lagerstromspitzen;
· Häufigkeiten von Spannungsspitzen;
• Häufigkeiten von Spannungssteilheiten;
• Verhältnisbildung von einer aktuellen Häufigkeit zu der bei Anlageninbetriebnahme;
• Aufteilung in Häufigkeitsklassen und Berechung der Stei- gerung über einen Zeitraum deltaT;
• Berechnung der über den Lagerschmierspalt übertragenen Energie aus Produkt von gemessener Lagerspannung und errechnetem Lagerstrom durch Integration über die Zeit; und/oder
· einen Lagerzustand zu errechnen. Ebenso ist eine Abschätzung der über einen Lagerschmierspalt übertragenen Energie bzw. Leistungsdichte möglich. Damit wird eine Abschätzung der Lagerlebensdauer ermöglicht .
Bei einem Verfahren zur Ermittlung eines Lagerzustandes eines Lagers einer elektrischen Maschine, wird mittels einer Sen- soreinheit ein Messwert ermittelt. Die Sensoreinheit ist bei ¬ spielsweise :
• ein Stromsensor;
· ein Spannungssensor;
• ein Hallsensor;
• die Summe sämtlicher Sensoren oder eine Vielzahl von
Sensoren welche an und um die Lagerung des Motors ange ¬ bracht sind (Temperaturfühler, Schwingungssensor, Bürste zur Messung der Lagerspannung, usw.);
• ein Spannungsmesser im Motorklemmenkasten;
• ein Stromwandler um die Erd- und Leistungsleitungen bzw. die Welle; und/oder
• dergleichen.
Der Messwert ist beispielsweise ein analoger Messwert oder ein digitaler Messwert eines Stromes oder einer Spannung.
Der Messwert oder auch eine Vielzahl von Messwerten wird an eine Simulationseinheit übermittelt. Die Simulationseinheit kann z.B. der Umrichter (bei errechneten Werten) sein, oder eine Sensor-Management-Unit (z.B. ein Condition Monitoring System SIPLUS CMS) , ein an einem Motor befindlicher Prozessor, usw. sein. Mittels der Simulationseinheit kann ein Er- gebniswert ermittelt werden. Der Ergebniswert ist beispiels ¬ weise ein Lagerstrom-Wert oder ein vom Lagerstrom abhängiger Wert. Der Ergebniswert kann an eine weitere Einheit übermit ¬ telt werden. Der Ergebniswert ist beispielsweise auch eine graphische Darstellung, eine Alarm-Meldung, eine Warn-Meldung und/oder eine ampelartige Darstellung der obig bereits be ¬ nannten Werte wie Lagerschmierspaltgröße, Lagerkapazität, La ¬ gerstrom, Häufigkeit von Lagerstromspitzen, Häufigkeit von Spannungsspitzen, usw. Die weitere Einheit ist beispielsweise eine Auswerteeinheit, wobei mittels der Auswerteeinheit der Ergebniswert derart verarbeitet wird, dass ein Lagerzustandswert ermittelt wird. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Hardwareeinheit und/oder eine Softwareeinheit sein. Ebenso kann die Simulati ¬ onseinheit eine Hardwareeinheit und/oder eine Softwareeinheit sein . Die Simulationseinheit und die Auswerteeinheit können bei ¬ spielsweise in der gleichen Hardwareeinheit realisiert sein, so dass die Simulation und die Auswertung beispielsweise auf der gleichen Prozessoreinheit ablaufen. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Berechnung der Ergebniswerte und/oder Lagerzustandswerte auf einem integ ¬ rierten Prozessrechner erfolgt. Der integrierte Prozessrechner weist hierfür ein Simulationsmodell auf, mittels dessen die Berechnung der Größen erfolgt. Der integrierte Prozess- rechner ist beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steu ¬ erung (SPS) , eine Computer Numerical Control (CNC) , ein re ¬ gelbarer Stromrichter oder dergleichen. Auch eine Kombination aus Sensor und Auswerte-/Simulationseinheit in einem Conditi- on Monitoring System ist ausführbar.
Die Auswerteeinheit bzw. die Simulationseinheit weist bei ¬ spielsweise eine Bildschirmanzeige auf, wobei auf der Bild ¬ schirmanzeige insbesondere ein Ergebniswert dargestellt wird. Möglich sind auch Ausgaben in Form einer Grafik oder eines Wertes mittels eines Druckers, einer akustischen und/oder vi ¬ suellen Meldung, einer Ampel, oder dergleichen. Weiterhin kann auch ein Lagerzustandswert dargestellt werden. In einer Ausbildung der Bildschirmanzeige weist diese einen Zeiger (digital oder mechanisch) auf, mittels dessen ein Wert darge- stellt werden kann. Überschreitet der angezeigte Wert einen Schwellwert, so kann in einer Ausgestaltung der Anzeige eine Warnung angezeigt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Messwerte in der Simulationseinheit und/oder in der Auswerteeinheit in
Echtzeit verarbeitet. Dabei können Ergebniswerte und/oder La ¬ gerzustandswerte einem Menschen, also einem Bediener, in Echtzeit dargestellt werden. Echtzeit bedeutet, dass die Ver- arbeitung bzw. Darstellung zeitnah erfolgt. Ein Zeitversatz aufgrund von z.B. Rechenzeiten oder Datenübertragungszeiten kann auftreten. In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden Ergebniswerte oder von Ergebniswerten abhängige Werte zusammen mit einem Zustandswert eines Stromrichters gespeichert. Zustandswerte des Stromrichters der die elektrische Maschine (den elektri ¬ schen Motor) speist, dessen Lager unter Beobachtung ist, sind z.B.:
• Zwischenkreisspannung,
• Maximalstrom,
• Maximalspannung,
· aktuelle Leistung,
• Pulsmuster,
• Pulsfrequenz,
• Zeitpunkt der Pulsmusterumschaltung,
• usw .
Zur Durchführung des Verfahrens können verschiedene Systeme zur Ermittlung eines Lagerzustandes eines Lagers einer elek ¬ trischen Maschine eingesetzt werden. Ein derartiges System zur Ermittlung eines Lagerzustandes ei ¬ nes Lagers einer elektrischen Maschine, weist beispielsweise eine Simulationseinheit, eine Sensoreinheit und/oder eine Auswerteeinheit auf, wobei die Simulationseinheit zur Verar ¬ beitung von Daten der Sensoreinheit vorgesehen ist und wobei die Auswerteeinheit zur Verarbeitung von Daten der Simulati ¬ onseinheit vorgesehen ist.
In einer Ausgestaltung des Systems weist die Simulations ¬ einheit ein Modell zur Simulation des Lagers auf. Das Modell kann beispielsweise der Berechnung einer kraterwirksamen Energie des zu betrachtenden Lagers dienen. In einer Ausgestaltung des Systems weist die Simulations ¬ einheit ein Simulationsmodell zur Berechnung von Lagerschmierspalt, Lagerkapazität und/oder Lagerstrom aus den Ma ¬ schinenparametern und den äußeren Messwerten auf. Maschinen- parameter sind z.B. die geometrischen Abmessungen des Motors, Nuten, Isolationen, Längen, Nutzahlen usw. Aus diesen werden Streukapazitäten des Motors berechnet und das Simulationsmo ¬ dell gebildet. Dabei kann ein kapazitives Ersatzschaltbild des Motors als Teil des Modells angewandt werden.
Eine genaue Zustandsbeschreibung des bzw. der Lager durch das Simulationsmodell kann auch eine Aussage über die Verschleiß ¬ zustände der Motorlager und/oder des Lagerfettes liefern. Mit der Abschätzung einer Restlaufzeit kann ein Endnutzer seine Maintenance-Intervalle genauer planen und somit ungeplante Ausfälle verhindern.
Die Entladungszeitkonstante und Energie der Entladung hängen von der Schmierfilmdicke im Lager ab. Vorab kann beispiels- weise eine Kennlinie darüber aufgenommen werden, welche
Schmierfilmdicken zu welchen Zeitkonstanten und elektrischen Kapazitäten führt. Zusammen mit einem BVR (Bearing Voltage Ratio) und der Gleichtaktspannung des Umrichters kann hieraus auf die kraterwirksame Energie geschlossen werden. Es können auch von der Zeitkonstante und der Energie abgeleitete Para ¬ meter verwendet werden, z.B. Energie pro Volumeneinheit bei bestimmter Spannung.
Ein Verfahren zur Schmierfilmdickenbestimmung über eine Lade- zeitkonstante kann auch an einem Lagerversuchsstand einge ¬ setzt werden. An diesem Versuchsstand werden die Schmierfilmdicken als Funktion der Drehzahl, Lagerlast und Temperatur bestimmt. Das Ergebnis ist ein Kennfeld welches in das Simu ¬ lationsmodell integriert wird. Auf der Basis der äußeren Messwerte kann nun auf die Schmierfilmdicke geschlossen wer ¬ den. 3D-Kennlinien können so im Vorfeld an einem Versuchstand bestimmt werden. Es ist auch möglich das in Bezug auf den Versuchsstand beschriebene Vorgehen auf eine Online-Messung zu übertragen.
Bei dem dynamischen Vorgang der Lagerstromentstehung kann die Energie der Funkenentladung dann besonders schädlich sein, wenn die Entladung innerhalb einer kurzen Zeit stattfindet, so dass die Energie ausreicht, um Metall zu verdampfen oder sogar als Plasma wegspritzen zu lassen, bevor die Energie per Wärmeleitung mit Schallgeschwindigkeit abfließt. Typische Zeiten in der die kraterwirksame Energie freigesetzt wird be ¬ vor die Energie abgeflossen ist, liegen im Bereich 100 ps bis 1 ns .
Kennlinien können beispielsweise bezüglich der Zeitkonstanten analytisch berechnet oder numerisch simuliert werden und bezüglich der Entladezeiten in Abhängigkeit von der Schmierfilmdicke gemessen werden. Die Kennlinien bilden dann eine "Brücke" zwischen dem mechanischen Parameter "Schmierfilmdicke" und dem Materialabtrag durch Verdampfen, der zur Riffel- bildung führt. Es kann also anhand der Kombination des elekt ¬ rischen, thermodynamischen und des mechanischen Modells die Auswirkung von Schwingungen, die im Normalbetrieb oder durch Vorschädigung (Kerbe durch Transport oder Montage) hervorge ¬ rufen wird, abgeschätzt werden.
Werden nun Messwerte, die das Lager betreffen, als Eingangs ¬ größe für ein Rechenmodell verwendet, so ist es damit mög ¬ lich, auch von einem Anwender unerkannt, wirklich relevante Größen zu bestimmen.
Motor- und Systemdaten für die Modellbildung können durch ein einfaches Eingabesystem einem Messgerät (mit Sensor) zuge ¬ führt werden. Angeschlossen an eine Recheneinheit (dies ist z.B. die Simulationseinheit und/oder die Auswerteeinheit) ist eine entsprechende Messeinheit (insbesondere das Messgerät) , welche relevante äußere Daten bestimmt (z.B. Leiter-Erd-Span- nung, Wellenspannung, Lagergrößen im Betrieb) . Eine Kombination mit dem Lagerstromsensor ist ebenso möglich. Sensoreinheiten kann es mehr als eine geben. Zum Beispiel für jede Lagerung eine Einheit. Für die Messung der Klemmenspannungen und der Erdgrößen eine 3. Einheit usw. In einer Ausführungsform ist jeder Sensoreinheit eine Auswerteeinheit zu- geführt. Jedoch ist auch die Verbindung zweier Auswerteeinheiten möglich. Beispielsweise kann eine Aussage darüber, ob es sich bei einem bestimmten Lagerstrom um Zirkularströme handelt, durch die Kombination von mindestens zwei Einheiten hergeleitet werden (Lager 1 Strom positive Spitze, Lager 2 Strom negative Spitze => Kreisstrom)
Aus den gewonnenen Daten der Simulationseinheit und/oder der Auswerteeinheit) können auch Ableitungen (Folgerungen) von RCM-Aussagen und Maßnahmen aus den Verschleißzuständen von Lager und Lagerfett getroffen werden. RCM steht hierbei für
Reliability Centered Maintenance (Maßnahmen zuverlässigkeits- orientierter Instandhaltung) . Darunter ist beispielsweise folgendes zu verstehen: , · eine Verkürzung von Schmierintervallen,
• eine Verkürzung von Fettwechsel Intervallen,
• eine Verkürzung von Lagerwechsel Intervallen,
• usw . Das Simulationsmodell, welches beispielsweise auf einem Mess ¬ gerät-Prozessrechner läuft, kann als Basis auf einem Motormodell aufsetzen, welches z.B. auf einer der gängigen Motor- Simulationsplattformen lauffähig ist. Mittels eines derartigen elektrischen Modells lässt sich das Hochfrequenzverhalten von Motoren beschreiben. Die HF-Modelle werden durch mechanische Lagermodelle ergänzt.
In der Projektierungsphase einer Anlage ist es möglich, durch Einbettung dieser Modelle in eine Anlagensimulation, welche die Eigenschaften von Einspeisung, Umrichter und Erdungssystem berücksichtigt, Aussagen über möglicherweise auftretende kritische Lagerbelastungen zu treffen. Mögliche Abhilfen können so schon in der Simulation getestet werden. Die Simulati- onswerte aus der Phase der Anlagenprojektierung können nun, eingebettet in entsprechende Prozessparameter, als Ver ¬ gleichsgrößen für das identische bzw. nahezu identische Simu ¬ lationsmodell des CM-Systems (Condition-Monitoring-System) dienen. Mögliche Unterschiede zwischen realen Betrieb und Si- mualtionswerten können so aufgedeckt und gezielt einer Analy ¬ se zugeführt werden. Mögliche Abhilfemaßnahmen sind auf diese Weise schneller und effizienter durchführbar. Bislang wurden in realen Anlagen an vielen Stellen ziellos
Veränderungen vorgenommen, in der Hoffnung auch die richtige Modifikation umzusetzen. Dies ist sehr teuer. Durch den vorherigen Einsatz der Simulation kann die Arbeit auf genau die Arbeit eingeschränkt werden, welche zur Problembeseitigung führt. In der Praxis ergeben sich hierdurch Zeit- und Kostenvorteile .
Durch Messungen werden Schwingungen, ggf. auch die Temperatur und weitere Messwerte wie den Schmierfettzustand ermittelt. Die Messwerte fließen in ein mechanisches Modell ein. Die Temperatur kann auch bekannt sein, wobei eine Messung der Temperatur vorzugsweise nahe am Lager erfolgt. Die Schmier ¬ filmdicke hängt mit der Temperatur zusammen. Wenn keine Temperatur gemessen wird, ist diese abzuschätzen oder auch fest- zulegen. Eine Abschätzung kann z.B. aus der Motortemperatur (Wicklung) heraus erfolgen. Anhand des mechanischen Modells wird die Schmierfilmdicke ermittelt. Vorteilhafterweise wird dies im Frequenzbereich oder im Zeitbereich, d.h. dynamisch gemacht .
Bei einer einfachen Betrachtungsweise kann die Verwendung eines konstanten Schmierspaltes angenommen werden. Mit der Schmierfilmdicke und weiteren Daten wie der Lagerspannung oder indirekten Werten aus denen sich auf die Lagerspannung oder einen vergleichbaren Parameter schließen lässt, wird anhand von Kennlinien oder eines Modells die kraterwirksamen Energie oder ein vergleichbarer Parameter, der den zeitlichen Wärmeabfluss ( thermodynamische Betrachtung) berücksichtigt, ermittelt .
Anhand der Daten zum Lager (z.B. geometrische Daten und Mate ¬ rialdaten) und eines Modells für einen Materialabtrag (z.B. Riffelvolumen, Sublimationsenergie, Verdampfungsenergie und/oder Schmelzenergie pro Volumeneinheit), kann eine erwar ¬ tete Standzeit des Lagers ermittelt werden. Ein Vergleich mit den Anforderungen ergibt, ob Änderungen erforderlich sind. Diese können dann ggf. in einem neuen Durchlauf des Schemas bewertet werden. Je nach erforderlichen Änderungen kann ein kompletter Durchlauf erforderlich sein oder es ist nur ein Teildurchlauf notwendig.
Durch eine komplexere Modellbildung können auch verschiedene Elemente des Schemas zusammengefasst werden, z.B. durch ein Modell, was gleichzeitig die kraterwirksame Energie und den Materialabtrag umfasst. Es ist vorteilhaft, wenn mittels des Modells bzw. der Kennlinie Messungen mit den Simulationen und einer thermodynamischen Betrachtung, insbesondere der Wärmeableitung, kombiniert werden.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach einer Ermittlung des Lagerzustandes eine mechanische Änderung des La ¬ gers und/oder der elektrischen Maschine vorgenommen. Unter der Ermittlung des Lagerzustandes wird dabei beispielsweise folgendes verstanden:
- Ermittlung, Schätzung und/oder Berechnung eines Lagerstromes;
- Ermittlung, Schätzung und/oder Berechnung eines Verschleißes des Lagers;
- Ermittlung, Schätzung und/oder Berechnung einer Restlaufzeit des Lagers;
- usw . Unter einer mechanischen Änderung des Lagers und/oder der elektrischen Maschine wird beispielsweise folgendes verstan ¬ den : - eine Maßnahme zur Lagerisolation;
- eine Installation einer Erdungsbürste;
- eine Installation eines symmetrisch geschirmten Motoranschlusskabels;
- eine Installation einer Schirmkontaktierung über 360° Verbindungen;
- eine HF-Erdung einer oder mehrerer Komponenten wie z.B. der elektrischen Maschine, des Lagers und/oder des Umrichters ;
- eine Vermaschung der Anlagenerdung;
- die Herstellung eines Potentialausgleichs im System;
und/oder
- ein Einsatz eines Common-Mode-Filters .
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach einer Er- mittlung des Lagerzustandes eine mechanische Änderung des La ¬ gers und/oder der elektrischen Maschine vorgenommen, wonach eine weitere Ermittlung des Lagerzustandes durchgeführt wird
Ein System kann derart ausgebildet sein, dass das Modell bzw. die Modelle auf einem integrierten Prozessrechner ablaufen. Der Prozessrechner könnte beispielsweise eine speicherpro ¬ grammierbare Steuerung oder auch ein Leitrechner sein.
Bei dem System zur Lagerbeobachtung kann die verwendetet Aus- werteeinheit zur Ermittlung zumindest einer der folgenden Werte vorgesehen sein:
- einem Lagerstrom;
- über einen Lagerschmierspalt übertragene Energie;
- über einen Lagerschmierspalt übertragene Energiedichte;
- ein Wert für eine Lagerlebensdauer und/oder Restlaufzeit;
- einen Wert für einen Verschleißzustand des Lagers; bzw. - einen Wert für einen Verschleißzustand des Lagerfetts.
In einer Ausgestaltung des Systems weist dieses einen Stromrichter auf, wobei der Stromrichter mit zumindest einer der folgenden Einheiten datentechnisch verbunden ist:
- mit der Simulationseinheit;
- mit der Sensoreinheit;
- mit der Auswerteeinheit; bzw.
- mit einer Kombination der Einheiten.
Durch diese datentechnische Verbindung können Daten wie Spannung, Strom, Pulsmuster, Energie, Wirkleistung, Blindleistung, Zwischenkreisspannung, Frequenz, an die jeweilige Ein- heit übermittelt werden, um diese Information dort zu verar ¬ beiten .
Weitere mögliche Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Er ¬ findung ergeben sich in beispielhafter Weise aus der nachfol- genden Beschreibung von Ausführungsvarianten anhand der
Zeichnungen. Es zeigt z.B.:
FIG 1 eine prinzipielle Darstellung eines Aufbaus einer dy ¬ namoelektrischen Maschine mit umgebenden Anlagentei- len;
FIG 2 ein System zur Ermittlung eines Lagerzustandes eines
Lagers einer elektrischen Maschine;
FIG 3 ein Verfahren zur Ermittlung eines Lagerzustandes ei ¬ nes Lagers einer elektrischen Maschine; und
FIG 4 ein Verfahren zur Überprüfung einer Standzeit eines
Lagers .
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ¬ ben Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt im Prinzip eine prinzipielle Darstellung eines Aufbaus einer dynamoelektrischen Maschine mit umgebenden Anlagenteilen. Im Einzelnen ist dabei ein Umrichter 1 über An- Schlussleitungen 7 an eine dynamoelektrische Maschine ange ¬ schlossen, die sich innerhalb eines Motorgehäuses 10 befindet und einen Stator 11 und einen Rotor 12 aufweist, der über Lager 14 und eine Welle 13 über eine Kupplung 9 eine Lastma- schine 8 antreibt oder von ihr angetrieben wird.
Die elektrische Verbindung zwischen Umrichter 1 und dynamoelektrischer Maschine über die Anschlusskabel 7 weist ein Ka ¬ belschirm 6 auf, der eine entsprechende Anbindung 5 an die Erde von Umrichter bzw. Motorgehäuse erfährt. Sowohl Umrichter 1 als auch die Lastmaschine 8 sind über eine Erdung 2 bzw. 4 mit der Erde 3 verbunden. Auch der Motor kann mit Erde verbunden sein, allerdings ist dies in der Figur nicht darge ¬ stellt. Der Motor können z.B. zwei Erdungspunkte vorhanden sein. Ein Erdungspunkt liebt beispielsweise im Bereich eines Motorfußes. Ein weiterer Erdungspunkt liegt beispielsweise im Bereich eines Klemmkastens des Motors. Der Umrichter 1, ins ¬ besondere als Spannungszwischenkreisumrichter, zeigt seine Ausgangsspannung durch geregeltes Schalten des Gleichspan- nungszwischenkreises auf dem Ausgang. Ein Wechsel von positi ¬ ven und negativen Potential in schneller Folge führt bei ei ¬ nem Zweipunktwechselrichter zu einem Spannungsverlauf, dessen Summe der Dreiphasenspannung ungleich Null ist und die sogenannte Common-Mode-Spannung ergibt. Jeder dieser steilen Spannungsschalthandlungen verursacht hochfrequente Anregungen mit daraus resultierenden Strömen, welche über parasitäre Pfade zur Quelle zurück fließen.
Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt ein System, welches auf- weist:
• eine Sensoreinheit 20;
• eine Simulationseinheit 22;
• eine Auswerteeinheit 24; und
· einen Stromrichter 1.
Die Sensoreinheit 20 ist mit der Simulationseinheit 22 daten ¬ technisch verbunden. Die Simulationseinheit 22 ist mit der Auswerteeinheit 24 datentechnisch verbunden. Der Stromrichter 1 ist mit der Auswerteeinheit 24 datentechnisch verbunden. Die Auswerteeinheit 24 weist eine Bildschirmanzeige 26 (Dis ¬ play) auf. Vom Stromrichter 1 können Zustandswerte 31 zur Auswerteeinheit 24 übertragen und dort gespeichert werden.
Die Funktionen der Simulationseinheit 22 und der Auswerteeinheit 24 können mit Software und/oder Hardware realisiert sein .
In einer Ausgestaltung sind die Simulationseinheit 22 und die Auswerteeinheit in einem Prozessrechner 36 integriert. Der in FIG 2 gezeigte schematische Aufbau eines Systems zur Bewer ¬ tung eines Lagers zeigt, dass eine Echtzeitbewertung eines Lagerzustandes erzielt werden kann.
Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt ein Verfahren wie Lagerzu- standsdaten ermittelt werden können. Mittels einer Sensoreinheit 20 wird ein Messwert 21 ermittelt. Der Messwert 21 wird an die Simulationseinheit 22 übertragen. Die Simulationseinheit 22 weist ein Modell 33 auf. Mittels des Modells 33, wel ¬ ches auch eine Kennlinie sein kann, und dem Messwert 21 wird ein Ergebniswert 23 ermittelt. Der Ergebniswert 23 wird an die Auswerteeinheit 24 übermittelt. Die Auswerteeinheit 24 weist eine Bildschirmanzeige 26 auf, welche von einer Person 29 ablesbar ist. Mit Hilfe von Ergebniswerten 25, 27 wird zumindest ein Zustandswert 31 des zu betrachtenden Lagers er ¬ mittelt .
Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt ein Verfahren zur Überprü- fung einer Standzeit eines Lagers. Zunächst wird eine Messung 40 vorgenommen. Dies betrifft insbesondere Schwingungswerte und/oder Temperaturwerte. Über einen Datenpfad 42 werden die Werte in ein mechanisches Modell 44 übertragen. Mit Hilfe dieses mechanischen Modells 44 lässt sich z.B. eine Schmier- filmdicke, deren zeitlicher Verlauf und/oder ein entsprechender Amplitudenfrequenzgang, ermitteln. Diese Werte (z.B.
Schmierfilmdicke) werden über einen Datenpfad 46 weiter über ¬ mittelt um diese in eine Kennlinie 48 bzw. in ein Modell 48 zur Ermittlung kraterwirksamer Energie einzuspeisen. Dieses Zwischenmodell 48 (Kennlinie bzw. Modell zur kraterwirksamen Energie) wird nicht nur durch Werte 46 aus dem mechanischen Modell 44 gespeist, sondern auf durch weitere Werte 47. Dies sind z.B.:
Temperatur;
BVR (Bearing Voltage Ratio) ;
Zwischenkreisspannung eines Umrichters
GleichtaktSpannung,·
LagerSpannung;
usw .
Darüber hinaus können über einen Datenpfad 41 Messwerte der Messung 40 im Modell 48 verarbeitet werden.
Über einen Datenpfad 50 gelangen Ergebniswerte wie z.B. eine kraterwirksame Energie, welche durch eine Kennlinie bzw.
durch das Modell 48 ermittelbar ist, zu einem Modell für Ma- terialabtrag 52. Daten zum Lager werden über einen Datenpfad 51 in das Modell für Materialabtrag 52 eingespielt. Hieraus ergibt sich ein Wert bezüglich einer prognostizierten Lagerlebensdauer. Dieser Wert über die prognostizierte Lagerle ¬ bensdauer wird über einen Datenpfad 54 an eine Einrichtung 56 zur Bewertung einer erwarteten Standzeit übermittelt. Diese Einrichtung 56 wird über einen Datenpfad 55 mit Daten bzgl. der Anforderungen an die Standzeit des Lagers beschickt.
Ist beispielsweise die Bewertung der erwarteten Standzeit zu niedrig, kann z.B. eine Design-Änderung veranlasst werden, wonach wieder eine Messung 40 veranlasst wird. Dies wird durch den Pfad 57 angedeutet. Für den Fall, dass die Bewer ¬ tung der erwarteten Standzeit für in Ordnung anzusehen ist, kann diese Information über einen Datenpfad 58 beispielsweise graphisch über ein Display 60 ausgegeben werden.