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Untersuchungen zur Wicklungstemperaturbestimmung an frequenzumrichtergespeisten Maschinen während des Betriebes

21.10.2010

Zur Bestimmung bzw. Abschätzung der Temperatur einer elektrischen Maschine stehen im Wesentlichen drei Ansätze zur Verfügung:

  • Die direkte Messung mittels in der Wicklung eingebetteter Pt100 - Temperaturfühler bzw. Kaltleiter
  • Die Abschätzung über ein im Schutzgerät hinterlegtes thermisches Maschinenmodell und den Maschinenstrom in Abhängigkeit der Frequenz und der Zeit.
  • Der Ansatz über die Parameteridentifikation, wobei während des Betriebes die Bestimmung eines temperaturabhängigen Parameters der Maschine, z.B. des Statorwiderstandes, erfolgt und für die Temperaturermittlung herangezogen wird.

 

Untersuchungen zur Parameteridentifikation

In einer ersten Untersuchung sollte geklärt werden, ob es prinzipiell möglich ist, die Temperatur einer Asynchronmaschine über die Auswertung der Oberschwingungsimpedanz zu bestimmen. Als Spannungsquelle wurde für diesen Versuch ein dreiphasiges Leistungsverstärkersystem verwendet, welches es ermöglicht, zusätzlich zur Grundschwingungsspannung (f = 50 Hz) eine zusätzliche Spannungsoberschwingung definierter Amplitude und Frequenz additiv zu überlagern. Ein Blockschaltbild des Aufbaus ist in Bild 1 dargestellt. Für diese Oberschwingung wurden dann nach Signalfilterung der Real- und der Imaginärteil bestimmt und über die Änderung des Realteiles (ohmscher Anteil) während des Betriebes der Maschine die Temperaturzunahme berechnet. Für die Messung der elektrischen Größen wurde ein Digital-Speicheroszilloskop verwendet, dessen Eingänge mit den internen Strom- und Spannungswandlern der Verstärker verbunden gewesen sind.

Versuchsaufbau zur Bestimmung der Maschinenimpedanz


Bild 1: Versuchsaufbau zur Bestimmung der Maschinenimpedanz

Die Auswertungen zeigten für alle untersuchten Oberschwingungsfrequenzen einen deutlich erkennbarer Zusammenhang zwischen dem Verlauf des bestimmten ohmschen Maschinenimpedanzanteiles während des Betriebes und der nach dem Abschalten der Maschine gemessenen Statorwicklungstemperatur. Dieses entspricht auch den in Veröffentlichungen anderer Autoren zu diesem Sachverhalt dargestellten Ergebnissen /2/.

In einem weiteren Schritt wurde untersucht, inwieweit die während des Betriebes erfasste und in eine Temperatur umgerechnete Widerstandsänderung auch bei Laständerungen die tatsächliche Temperatur abbildet. Hierzu wurde eine Maschine mit einem bereits bei der Herstellung in die Wicklung eingebrachten Thermoelement verwendet. Das Ergebnis des Versuches ist in Bild 2 dargestellt.
Bei der Auswertung zeigte sich, dass die berechneten Temperaturen alle innerhalb eines Intervalls von 10 K um den gemessenen Wert lagen.

Für den praktischen Einsatz ist das hier beschriebene Verfahren jedoch noch nicht geeignet, da in der praktischen Anwendung die Maschinen am Frequenzumrichter betrieben werden und keine derart idealisierten Randbedingungen wie bei der Speisung mittels Leistungsverstärkersystem vorliegen. Anstelle einer einzelnen, gezielt überlagerten Spannungsoberschwingung enthält das Umrichterausgangssignal ein Gemisch aus sehr vielen verschiedenen Oberschwingungen, wobei der Schwerpunkt im Bereich der Taktfrequenz und deren Umgebung liegt. Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, dass die Taktfrequenz aktueller Umrichter  im Bereich einiger Kilohertz liegt, und die Impedanz in diesem Frequenzbereich relativ große Werte annimmt. Es muss auch berücksichtigt werden, dass sich die Impedanz der Maschine in Abhängigkeit der Rotorstellung periodisch verändert und daher das Impedanzsignal nicht konstant ist, sondern eine überlagerte, in der Frequenz von der Motordrehzahl abhängige, Oberschwingung enthält.

Vergleich der berechneten Temperatur mit dem gemessenen Wert

Bild 2: Vergleich der berechneten Temperatur mit dem gemessenen Wert

 

Zusammenfassung

Es wurde gezeigt, dass die Möglichkeit besteht, die Maschinentemperatur während des Betriebes über eine der Grundschwingungsspannung überlagerten Oberschwingung reproduzierbar zu bestimmen. In einem ersten Schritt wurde zur Versorgung der Maschine und Bereitstellung der zur Messung verwendeten Oberschwingung ein Leistungsverstärkersystem verwendet, welches bezüglich der Signalform ideale Verhältnisse schafft.
Zur Zeit wird gerade untersucht, inwieweit dieses Verfahren an frequenzumrichtergespeisten Antrieben einsetzbar ist, und ob die durch den Umrichtereinsatz parasitär vorhandenen Spannungsoberschwingungen als Anregungssignal für die Temperaturbestimmung verwendet werden können. Weiterhin ist zukünftig auch eine Betrachtung dieses Verfahrens unter den Aspekten der Messunsicherheit geplant.

Weitere Informationen (Volltext)

 

Literatur

 

 

/1/ Lehrmann, C.: Über ein Zulassungsverfahren für explosionsgeschützte, umrichtergespeiste Käfig-läufer der Zündschutzart “Erhöhte Sicherheit“, Dissertation Leibniz-Universität Hannover, 2006, Shaker-Verlag Aachen
/2/ Fernando Briz, Michael W. Degner, Juan M. Guerro, Alberto B. Diez: Temperature Estimation in Inverter-Fed Machines Using High-Frequency Carrier Signal Injection; IEEE Transactions on Industry Applications, VOL.   44, No.3, Page 799 – 808, May/June 2008

 

 

 Ansprechpartner:

 

 C.Lehrmann, AG 3.72,  christian.lehrmann(at)ptb.de