Das Team um Prof. Dr. Stephanie Uhrig und Lukas Ranzinger von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der HM arbeitet dafür mit der so genannten Sweep-Frequenzantwortanalyse (SFRA), die bereits erfolgreich zur Fehlerdiagnose bei Transformatoren angewandt wird.
Wie funktionert das?
Anstatt z. B. Generatoren zur Stromgewinnung für ihre Wartung oder beim Verdacht einer Fehlfunktion für längere Zeit stillzustellen, benötigt die Fehlerüberprüfung mit der SFRA-Methode nur eine kurze Unterbrechung: zwei Anschlüsse im Klemmkasten der Maschine können direkt zum Anlegen der Messklemmen genutzt werden. Mit einer Spannung von 10V messen die Wissenschaftler die Dämpfung sowie Phasenverschiebung bei verschiedenen Frequenzen, welche die Spannung beim Lauf durch die Maschine erfährt.
In einem Frequenzbereich von 20Hz bis zu 2MHz zeigt sich ein je nach Maschine oder Maschinentyp charakteristisches Profil als Frequenzantwort. Dieser Fingerabdruck ist einzigartig, bei Geräten einer Baureihe zumindest ähnlich. Wird das Frequenzprofil der Maschine erneut gemessen, können im Vergleich mit dem hinterlegten Fingerabdruck Fehler in der elektrischen, magnetischen und mechanischen Funktion erkannt werden, wie beispielsweise ein Kurzschluss oder ein Unterbruch.
Die Prüfutensilien ...
bei der Anwendung der SFRA-Methode passen in einen mobilen Diagnosekoffer, sie ist nichtinvasiv und laut Forschungsteam vergleichsweise schnell einzusetzen. Das reduziert die Ausfallzeiten von Kraftwerken. Zudem kann die SFRA-Methode mehr Fehlertypen erkennen als bisherige, einzelne Diagnosemethoden. Eine Besonderheit muss von den Forschenden hierbei beachtet werden, der Einfluss des Rotorwinkels auf die Frequenzantwort und die zugehörige Fehlererkennung. Denn abhängig von der relativen Position von Rotor zu Stator verändert sich das Frequenzprofil.
Um die Wirkung des Drehwinkels auf das Profil zu eruieren, untersuchte das Team erstmals Maschinen unterschiedlichster Leistungsklassen, von kleinen Labormaschinen bis zu riesigen Kraftwerks-Generatoren. Je nach Rotorposition besteht eine bessere oder schlechtere Kopplung zwischen Rotor und Stator. Daraus resultiert, dass die Rotorposition für einen statischen Vergleich der Frequenzprofile immer gleich sein muss.
Die Auswertung
Ihre Ergebnisse setzte das Carpe Diem Team in ein elektrisches Modell und Simulationen um, in das alle verfügbaren Informationen einflossen. Sie konnten hierbei die Änderungen in der Frequenzantwort bei unterschiedlichen Maschinentypen und Leistungsklassen zeigen. Die Grafiken stellen den Vergleich von Modell- mit Messergebnissen dar, welche beide die entsprechenden Frequenzverläufe zeigen. Modell und Simulationen machen es demnach möglich die realen Frequenzantworten besser zu verstehen. Abweichungen bei Messungen können theoretisch begründet werden und ermöglichen zudem Aussagen über die Fehlerart und den Fehlerort. Das heißt auch, dass Abweichungen in der Frequenzantwort bedingt durch Fehler oder durch die Rotorposition voneinander unterschieden werden können.
Das Projekt ...
Capability Analysis for Reliable and reProduciblE DIagnosis on Electrical Machines (Carpe Diem) leitet seit April 2020 Prof. Dr. Stephanie Uhrig von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der HM. Lukas Ranzinger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter. Projektpartner sind Fabian Öttl von Omicron Electronics GmbH Reinhard Hinterholzer von der Voestalpine Stahl GmbH. Das Projekt läuft noch bis April 2024.
