vgbe energy journal 10 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

SFRA als zuverlässige Methode zur Fehlerdiagnostik an rotierenden Maschinen
lung besteht zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme
keine galvanische Verbindung.
Das ist z.B. dann der Fall, wenn der Sternpunkt
geöffnet ist und das Eingangssignal
an eine Klemme der Phase U angelegt wird
und die Antwort an der Phase V oder W gemessen
wird. Die Messungen werden dann
als „indirect“ bezeichnet. Alternativ kann
eine galvanische Verbindung gemessen werden,
d.h. Eingangs- und Ausgangsklemme
liegen jeweils an derselben Phase und werden
mit „direct“ bezeichnet.
Amplitude ratio (D in dB)
0
-10
-20
-30
-40
-50
SM 1: 37 kVA; p = 2
SM 2: 3,8 MVA; p = 2
SM 3: 260 MVA; p = 4
SM 4: 2,15 MVA; p = 12
SM 5: 6,3 MVA; p = 30
3 Charakteristischer
Amplitudengang
Um die erfolgreiche Anwendung der Methode
sicherzustellen, ist es zunächst nötig, den
allgemeingültigen und für rotierende Maschinen
charakteristischen Verlauf des Amplitudengangs
zu verstehen. Dazu werden an
Maschinen unterschiedlicher Leistungsklassen
und Typs Messungen durchgeführt. Die
folgenden Ta b e l l e 1 und Ta b e l l e 2 fassen
die Prüfobjekte zusammen. Die gezeigten
fünf Synchronmaschinen aus Ta b e l -
l e 1 haben Nennleistungen von 37 kVA bis
260 MVA. Die Polpaarzahlen weißen ebenfalls
große Unterschiede auf. SM 3 wird beispielsweise
als Antrieb eines Schwungradspeichers
mit p=4 eingesetzt. SM 4 und 5
hingegen sind Langsamläufer in Wasserkraftwerken
mit p=12 bzw. p=30.
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
Frequency (f in Hz)
Bild 1. ? Direct-Messkurven der SM am Beispiel der Phase U.
0
-10
Amplitude ratio (D in dB)
-20
-30
ASM 1: 6,8 kVA; p = 2
ASM 2: 1 MVA; p = 6
-40 ASM 3: 1,2 MVA; p = 6
ASM 4: 3,3 MVA; p = 7
-50 ASM 5a: 15 MVA; p = 2
ASM 5b: 15 MVA; = 2
-60
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
Frequency (f in Hz)
Bild 2. ? Direct-Messkurven der ASM am Beispiel der Phase U.
Auch die vorgestellten ASM haben unterschiedliche
Nennleistungen von 6,8 kVA bis
15 MVA. Die Polpaarzahlen variieren zwischen
p=2 und p=7.
Tab. 1. Leistungsdaten der Synchronmaschinen.
Spannung
Leistung
Alle Messkurven beginnen bei niedrigen
Frequenzen bei einer Dämpfung von 0 dB.
Anschließend tritt ein Tiefpassverhalten
auf, d.h. die Dämpfung steigt mit steigender
Drehzahl in
min -1
Polpaarzahl
SM 1 380 V 37 kVA 1500 2
SM 2 953 V 3,8 MVA 225 2
SM 3 10,5 kV 260 MVA 1500 4
SM 4 3,1 kV 2,15 MVA 250 12
SM 5 6,3 kV 6,3 MVA 100 30
Tab. 2. Leistungsdaten der Asynchronmaschinen.
Spannung
Leistung
Drehzahl in
min - 1
Polpaarzahl
ASM 1 400 V 6,8 kVA 1455 2
ASM 2 10 kV 1 MVA 496 6
ASM 3 10 kV 1,2 MVA 490 6
ASM 4 10 kV 3,3 MVA 420 7
ASM 6a 10 kV 15 MVA 1481 2
ASM 5b 10 kV 15 MVA 1481 2
In B i l d 1 sind zusammengefasst alle Messergebnisse
der SM dargestellt. Es sind jeweils
Direct-Messungen am Beispiel der
Phase U zu sehen. Die Leistungsklassen unterscheiden
sich deutlich, ebenso wie die
Bauweise der Maschinen, was an der Polpaarzahl
ersichtlich wird. Trotzdem sind in
den Kurven ähnliche Verhalten zu erkennen.
Frequenz. Es folgen mehrere Resonanzpunkte,
die als lokale bzw. globale Maxima
und Minima sichtbar werden.
Ähnliches Verhalten wie bei den SM ist auch
bei den ASM in B i l d 2 zu erkennen. Es
kommt zu einem Tiefpassverhalten, bevor
mehrere Resonanzpunkte auftreten. Aus
den Messungen ist zu erkennen, dass die
Kurven ähnlich sind, alle Maschinen aber
einen individuellen Verlauf aufzeigen. Daher
werden diese Messungen auch „Fingerprint-Messungen“
genannt, die in der späteren
Interpretation als Referenz der jeweiligen
Maschine verwendet werden können.
Die erläuterten SFRA-Messkurven der SM
und ASM wurden im Detail analysiert und es
konnte ein allgemeingültiger und charakteristischer
Verlauf für rotierende Maschinen
abgeleitet werden. Dieser ist in B i l d 3 ersichtlich
und kann in vier Frequenzbereiche
aufgeteilt werden. Alle Direct-Messungen
beginnen bei 20 Hz bei ca. 0 dB Dämpfung,
bevor im Bereich 1 ein Tiefpassverhalten
auftritt. Das wird deutlich, da die Messkurve
mit einer konstanten Steigung abfällt.
Das Tiefpassverhalten wird durch Bereich 2
unterbrochen und es ist eine Doppelresonanz
ersichtlich. Bei ASM oder SM mit kurzgeschlossener
Erregerwicklung gibt es diese
Doppelresonanz nicht. Im Bereich 3 ist ein
lokales Maximum zu sehen, bevor es im Bereich
4 zu einem globalen Minimum kommt.
Die vier Frequenzbereiche können sich zum
Teil überlagern und sind daher bei den Originalmessungen
nicht immer eindeutig detektierbar.
Ein wichtiger Einflussfaktor, den es bei rotierenden
Maschinen zu beachten gilt ist der
Rotorwinkel. Die relative Lage des Rotors
zum Stator beeinflusst den magnetischen
Kreis und hat damit auch Auswirkungen auf
die Frequenzantwort. Das ist auch dann der
Fall, wenn die Messleitungen ausschließlich
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