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

SFRA als zuverlässige Methode zur Fehlerdiagnostik an rotierenden Maschinen
Amplitude ratio (D in dB)
0
Simulation
-20
-40
-60
-80
2 1 3 4
-100
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
Frequency (f in Hz)
Bild 3. Charakteristischer Amplitudengang für Direct-Messungen bei geöffnetem Sternpunkt.
verwendet werden. Speziell bei rotierenden
Maschinen ergibt sich weiter die Möglichkeit,
den Drehwinkel zur Interpretation hinzuzufügen.
In bestimmten Fällen ist dann
keine Referenzmessung mehr nötig, d.h. die
SFRA kann bereits bei der ersten Anwendung
an einer Maschine erste Zustandsbewertungen
liefern.
Zunächst wird ein Beispiel zur Auswertung
von Messungen über den Phasenvergleich
gezeigt. Dazu wird je eine Messung an allen
Phasen durchgeführt und anschließend die
drei erhaltenen Ergebnisse miteinander verglichen.
Als Messobjekt dient ein defekter
Stator eines 500 MW Kraftwerkgenerators.
An der Innenseite des Stators sind Brandstellen
zu erkennen, die genaue Fehlerursache
ist allerdings nicht bekannt. Der Fehler
ist sowohl bei den direct als auch bei den
indirect-Messungen detektierbar, bei Letzteren
allerdings deutlicher, weshalb diese in
B i l d 6 dargestellt sind. Auffällig ist, dass
eine der drei Messungen bei niedrigen Frequenzen
stark von den anderen beiden abweicht.
Der flachere Verlauf der rot gepunkteten
Messung 3 ist untypisch für indirect-
Messungen und kann mit einem schwach
leitenden parallelen Pfad zwischen Eingangs-
und Ausgangsklemme begründet
werden. Grund dafür ist der Fehler, der dadurch
örtlich einer Phase zugeordnet werden
kann. Ferner können dessen Auswirkungen
auf die Messkurve in Modellen dis-
an Statorklemmen angeschlossen sind. Der
Messstrom erzeugt einen magnetischen
Fluss, der über das Ständerblechpaket und
den Rotor geführt wird. Um den Einfluss des
Rotorwinkels anschaulich darzustellen,
werden Messungen bei verschiedensten Rotorpositionen
in einem Diagramm zusammengefasst.
In B i l d 4 ist links beispielhaft
der Amplitudengang bei einem einzigen
Drehwinkel aufgetragen. Im rechten Teil der
Abbildung sind mehrere Messungen bei unterschiedlicher
Winkelpositionen in einem
Diagramm, indem eine dritte Achse mit dem
Titel „rotor angle“ eingefügt ist. Dadurch
wird die Abhängigkeit der Amplitudendämpfung
über der Frequenz und dem Rotorwinkel
darstellbar. Optional können die
einzelnen Messungen zu einer Oberfläche
zusammengefasst und zu einem Konturdiagramm
eingefärbt werden.
Die Relevanz der Rotorposition zeigt sich
beispielhaft in folgender B i l d 5 . Dargestellt
ist die direct-Messung der Phase U an
SM 1 bei geöffnetem Sternpunkt. Die Messung
beim Winkel 0° entspricht der aus Abbildung
1. Über den gesamten Drehwinkelbereich
von 0° bis 360° sind periodische Abhängigkeiten
zu erkennen. Diese sind nicht
bei allen Frequenzen, deutlich werden sie
v.a. in den Bereichen 2, 3 und 4, die mit Pfeilen
markiert sind. Auffällig ist, dass sind die
Messungen alle 90° wiederholen, d.h. es bildet
sich eine periodische, sinusförmige Abhängigkeit
aus. Die Anzahl der Perioden n
über den gesamten Drehwinkelbereich ist
abhängig der Polpaarzahl und kann mit der
Formel n = 360° /p berechnet werden. Der
konstruktive Grund dafür liegt im rotationssymmetrischen
Aufbau der Maschine mit
vier Polen.
4 Beispiele zur
Fehlerdetektion
Die Interpretation von SFRA Messungen erfolgt
üblicherweise durch den Vergleich einer
aktuellen Messung mit einer Referenzmessung.
Diese Referenzmessung ist im
Idealfall eine identische Messung an derselben
Maschine zu einem früheren Zeitpunkt.
Alternativ kann eine Messung an einer anderen
Phase oder einer Schwestermaschine
Amplitude ratio (D in dB)
0
-20
-40
-60
-80
-100
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
Frequency (f in Hz)
Bild 4. Visuelle Darstellung des Einflusses des Rotorwinkels.
Ratio (D in dB)
0
-10
-20
-30
-40
-50
360
270
180
90
Rotor angle (in o )
0
2 1 3 4
Frequency (f in Hz)
Simulation
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
Bild 5. Direct-Einzelphasenmessung der SM 1 (37 kVA, p = 2) der Phase U in Abhängigkeit der
Rotorposition.
kutiert werden, sodass die Fehlerursache
eingegrenzt werden kann.
Der Dämpferkäfig bei Synchronmaschinen
ist ähnlich aufgebaut wie ein Kurzschlusskäfig
von Asynchronmaschinen. Er besteht aus
axial angeordneten Stäben, die an beiden
Seiten über Kurzschlussringe kontaktiert
sind. Ein möglicher Defekt ist der Stabbruch,
d.h. einer oder mehrere Stäbe dieses
Dämpferkäfig sind gebrochen. Im schlechtesten
Fall können die gebrochenen Stäbe
aus dem Rotor hervorstehen und im Betrieb
erhebliche Schäden an der Statorinnenseite
hervorrufen. Um diesen Fehler nachzubilden
ist die SM 1 so modifiziert, dass solche
Fehler an fünf verschiedenen Stellen implementiert
werden können. Dazu sind im
36 | vgbe energy journal 10 · 2022