Erkennung von Fehlerzuständen in umrichtergespeisten Antrieben

In der modernen Antriebstechnik werden, wegen ihrer ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften in jüngstes Zeit fast ausschließlich umrichtergespeiste Drehstrommaschinen eingesetzt. Gleichzeitig mit dieser Entwicklung nahm jedoch auch die Fehlerhäufigkeit der bis dahin sprichwörtlich robusten elektrischen Maschinen zu. Die am häufigsten von Fehlern betroffenen Elemente sind die Lager die 50% aller auftretenden Ausfälle verursachen, gefolgt von der Wicklungsisolation (35%) und - im Falle von Asynchronmaschinen - dem Rotorkäfig (10%). Die Ursache für Defekte in der Wicklungsisolation liegen in der erhöhten Spannungsbeanspruchung durch die schnellen Schaltvorgänge moderner Umrichter. Diese kritischen Defekte erfordern sofortige Maßnahmen um weiteren Schaden zu vermeiden. Eine Überwachung während des Betriebs der Maschine ist daher nötig um einem Notbetrieb zu ermöglichen und die Folgekosten zu reduzieren. Bei den Lagern sind zumeist Vibrationen und Lagerströme die Ursache für Korrosion und der Bildung von Riefen. Thermische Belastung und Vibrationen sind für die Bildung von Rotordefekten verantwortlich. Fehler in den Lagern bzw. im Rotor entstehen meist schleichend und sind daher nicht so zeitkritisch wie Isolationsfehler. Trotzdem können auch bei diesen Fehlern durch eine Überwachung während des Betriebes die Kosten für präventive Wartung reduziert und die Zuverlässigkeit des Antriebes erhöht werden. Die bisher bekannten Methoden zur Überwachung sind in ihrer Anwendung zumeist auf den Netzbetrieb spezialisiert. Darüber hinaus werden häufig zusätzliche Sensoren benötigt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, einen neuen Ansatz zur Überwachung der erwähnten Maschinenkomponenten zu untersuchen und darauf aufbauend Verfahren zu entwickeln, dass speziell für den Betrieb an einem Umrichter ausgelegt ist und auch eine Unterscheidung der unterschiedlichen Fehlerzustände ermöglicht. Kern des Verfahrens ist das transiente elektrische Verhalten der Maschine. Die durch Pulsweitenmodulation an die Maschinenklemmen geschalteten Spannungsblöcke verursachen Stromanstiege. Aus deren Vergleich kann sehr präzise die zur Fehlererkennung nötige Information gewonnen werden. Die geplanten Untersuchungen werden sowohl durch Simulation als auch durch Messungen an einem speziellen Maschinen - Prüfstand durchgeführt, der im Rahmen des Projektes ebenfalls aufgebaut wird. Das vorgeschlagene Projekt basiert auf den Ergebnissen eines vor kurzem abgeschlossenen, vom FWF finanzierten Projektes.

In der modernen Antriebstechnik werden, wegen ihrer ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften in jüngstes Zeit fast ausschließlich umrichtergespeiste Drehstrommaschinen eingesetzt. Gleichzeitig mit dieser Entwicklung nahm jedoch auch die Fehlerhäufigkeit der bis dahin sprichwörtlich robusten elektrischen Maschinen zu. Die am häufigsten von Fehlern betroffenen Elemente sind die Lager die 50% aller auftretenden Ausfälle verursachen, gefolgt von der Wicklungsisolation (35%) und - im Falle von Asynchronmaschinen - dem Rotorkäfig (10%). Die Ursache für Defekte in der Wicklungsisolation liegen in der erhöhten Spannungsbeanspruchung durch die schnellen Schaltvorgänge moderner Umrichter. Diese kritischen Defekte erfordern sofortige Maßnahmen um weiteren Schaden zu vermeiden. Eine Überwachung während des Betriebs der Maschine ist daher nötig um einem Notbetrieb zu ermöglichen und die Folgekosten zu reduzieren. Bei den Lagern sind zumeist Vibrationen und Lagerströme die Ursache für Korrosion und der Bildung von Riefen. Thermische Belastung und Vibrationen sind für die Bildung von Rotordefekten verantwortlich. Fehler in den Lagern bzw. im Rotor entstehen meist schleichend und sind daher nicht so zeitkritisch wie Isolationsfehler. Trotzdem können auch bei diesen Fehlern durch eine Überwachung während des Betriebes die Kosten für präventive Wartung reduziert und die Zuverlässigkeit des Antriebes erhöht werden. Die bisher bekannten Methoden zur Überwachung sind in ihrer Anwendung zumeist auf den Netzbetrieb spezialisiert. Darüber hinaus werden häufig zusätzliche Sensoren benötigt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, einen neuen Ansatz zur Überwachung der erwähnten Maschinenkomponenten zu untersuchen und darauf aufbauend Verfahren zu entwickeln, dass speziell für den Betrieb an einem Umrichter ausgelegt ist und auch eine Unterscheidung der unterschiedlichen Fehlerzustände ermöglicht. Kern des Verfahrens ist das transiente elektrische Verhalten der Maschine. Die durch Pulsweitenmodulation an die Maschinenklemmen geschalteten Spannungsblöcke verursachen Stromanstiege. Aus deren Vergleich kann sehr präzise die zur Fehlererkennung nötige Information gewonnen werden. Die geplanten Untersuchungen werden sowohl durch Simulation als auch durch Messungen an einem speziellen Maschinen - Prüfstand durchgeführt, der im Rahmen des Projektes ebenfalls aufgebaut wird. Das vorgeschlagene Projekt basiert auf den Ergebnissen eines vor kurzem abgeschlossenen, vom FWF finanzierten Projektes.