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Einrichtung zur Überwachung und Messung der Temperatur umlaufender
Flächen der Läufer von elektrischen Maschinen Bei bestimmten elektrischen Maschinen
(Synchronmaschinen) ergibt sich, daß gewisse anomale Betriebszustände, z. B. Schieflastbetrieb
oder asynchroner Lauf, zu einer zusätzlichen Erwärmung, und zwar insbesondere der
Oberfläche des Läufers führen.
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Dies hat zur Folge, daß unter Umständen die Belastungsfähigkeit der
Maschine begrenzt oder sogar die Betriebssicherheit der Maschine wegen übermäßiger
Erwärmung von Oberflächenteilen gefährdet wird.
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Man kann zwar anomale Betriebszustände, wie den Schieflastbetrieb
oder Asynchronbetrieb, bei Synchronmaschinen durch Messung der Ströme erfassen,
jedoch ist der Aufwand verhältnismäßig groß, wenn abhängig von derartigen Meßeinrichtungen
unter Berücksichtigung der betrieblichen Gegebenheiten, z. B. Kühlmitteltemperatur,
Erwärmungszustand der Maschine, ein Schutz gegen unzulässige Erwärmungen und Beanspruchungen
herbeigeführt werden soll.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lösung, bei der angestrebt wird,
die tatsächlich eintretende Erwärmung des Läufers an seiner Oberfläche bei Schieflast,
Asynchronbetrieb oder sonstigen in der Art der Belastung liegenden Störungen, z.
B. durch Oberwellen, genau zu messen oder zu überwachen. Man könnte eine derartige
Temperaturmessung der Oberfläche durch in derselben angeordnete Temperaturmeßelemente,
z. B. Thermoelemente, vornehmen.
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Eine derartige Lösung führt jedoch zu großen Schwierigkeiten, einerseits
im Hinblick auf die Anordnung der Wärmemeßelemente in der durch Fliehkräfte hochbeanspruchten
Läuferoberfläche, andererseits durch das Erfordernis der Übertragung der Meßwerte
von den umlaufenden Läufern auf eine stationär angeordnete Anzeigeeinrichtung. Praktisch
scheidet daher eine derartige Lösung für die Anwendung aus.
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Ein anderer Weg zur Messung der Oberflächentemperaturen des Läufers
besteht darin, an demselben aufgetragene Schichten aus sogenannten Thermocolorfarben
vorzusehen, die sich bekanntlich beim Erreichen einer bestimmten Temperatur ändern.
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Die Anwendung eines solchen Verfahrens hat jedoch zur Voraussetzung,
daß man die Anderung der Thermocolorfarben an den damit überzogenen Flächen von
außen beobachten kann. In der Regel wird dies bei vielen Maschinen, z. B. den gasdicht
gekapselten Generatoren, nicht oder nur in sehr begrenztem Umfange möglich sein.
Man wird daher bei Anwendung von Thermocolorfarben im allgemeinen die Maschine öffnen
oder den Läufer ausbauen müssen, um genaue Feststellungen über die änderung
der Thermocolorfarbenanstriche
durchführen zu können, was sehr umständlich ist und den Wert dieser Untersuchungsmethode
stark herabsetzt.
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Die Erfindung beschreitet nun zur Lösung der Aufgabe, die Oberflächentemperatur
an den Läufern elektrischer Maschinen zu bestimmen, einen anderen Weg, in dem die
Strahlung umlaufender Flächen des Läufers für die Temperaturmessung herangezogen
wird. Gemäß der Erfindung wird der Läufer zu diesem Zweck in definierten Bereichen,
deren Oberflächentemperatur festgestellt werden soll, durch Anstrich oder Auftrag
od. dgl. mit besonderen Strahlungsflächen versehen, denen gegenüber als Empfänger
eine feststehende Fläche hohen Absorptionsvermögens angeordnet ist, an der die Strahlung
der definierten Läuferoberfläche als ein Maß der Oberflächentemperatur gemessen
wird. Die erfindungsmäße Anordnung ermöglicht es, die Temperatur an unzugänglichen
Oberflächen der Läufer von elektrischen Maschinen mit einer verhältnismäßig großen
Genauigkeit zu messen, ohne daß hinsichtlich der Ausbildung der Läufer, abgesehen
von der Anbringung eines schwarzen Anstriches od. dgl., irgendwelche Anderungen
oder besonderen Maßnahmen erforderlich sind.
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Durch die Anwendung besonderer Strahlungsflächen, die durch einen
schwarzen Anstrich gebildet werden und zur Folge haben, daß sich die Strahlungsflächen
angenähert wie ein schwarzer Körper verhalten, wird erreicht, daß die von anderen
Maschinenteilen
kommende Strahlung wegen ihrer geringen Intensität
wirkungslos ist und die erforderliche Selektivität der Anzeige sichergestellt ist.
Auch die als Empfänger dienende Fläche hohen Absorptionsvermögens wird zweckmäßigerweise
als schwarzer Körper ausgebildet, um sicherzustellen, daß auch von der abgestrahlten
Wärmemenge des Läufers möglichst wenig durch Reflexion verlorengeht. Zur Ermöglichung
der Strahlungsmessung wird dem Empfänger wenigstens ein Thermoelement zugeordnet.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine besonders günstige, hochempfindliche
Meßeinrichtung dadurch erzielt werden, daß der mit mehreren Thermoelementen versehene
Strahlungsempfänger, dessen Thermospannungen einem elektrischen Meßgerät zugeführt
werden, einerseits einen der Läuferstrahlung ausgesetzten, als schwarzen Körper
ausgebildeten Strahlungsempfänger und andererseits einen reflektierenden weißen
Vergleichskörper enthält, der von dem kalten Kühlgas der Maschine umspült ist, wobei
die zur Messung der aufgenommenen Strahlungsenergie als Thermospannung dienenden
Thermoelemente mit ihrer warmen Lötstelle am schwarzen Strahlungsempfänger und mit
ihrer kalten Lötstelle am weißen Vergleichskörper anliegen und die Thermoelemente
gruppenweise gegeneinandergeschaltet sind.
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Bei dieser Anordnung ergibt sich, daß der Temperaturunterschied zwischen
dem schwarzen und dem weißen Körper ein Maß für die Erwärmung der Läuferoberfläche
darstellt. Hierbei ermöglicht die Gaskühlung des Vergleichskörpers durch das Kühlgas
trotz der Einfügung der Meßeinrichtung in den feststehenden Teil der Maschine, die
Meßeinrichtung von den änderungen der Ständertemperatur im wesentlichen unabhängig
zu machen und für die Messung eine verhältnismäßig unveränderliche Bezugstemperatur
zu schaffen.
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Diese Wirkung sei an Hand des Schaubildes der Fig. 3 näher erläutert,
in dem über die Erwärmung des schwarzen Strahlungsempfängers kennzeichnenden Temperaturdifferenz
für eine verschiedene Kaltgastemperatur des Kühlmittels als Parameter die aufgenommene
Strahlungsenergie E in cWm2 aufgetragen ist. Hierbei ergeben sich untereinander
unterschiedliche Kurven, die mit zunehmendem Temperaturunterschied immer mehr auseinanderlaufen,
aber in dem in Frage kommenden Temperaturbereich des Kühlgases zwischen 20 und 500
C doch so dicht nebeneinanderliegen, daß die aufgenommene Strahlungsenergie des
Strahlungsempfängers praktisch sich mit der Kaltgastemperatur nur wenig ändert,
und zwar im Verhältnis 3,75 : 4,5 : 4,75, wenn die zugehörigen Kaltgastemperaturen
XK 20, 40 und 500 C betragen.
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Das Gerät muß verständlicherweise zunächst geeicht werden. Man kann
es dabei beispielsweise auf eine Kaltgastemperatur von 400 C einstellen. Die in
das Schaubild eingetragene kritische Spannung, der eine bestimmte Erwärmung des
Strahlungsempfängers entspricht, schneidet die Kurven in einer Waagerechten, sie
möge beim Wert 5 .10-1 liegen (strichpunktiert eingetragen), dann sieht man, daß
bei einer Kaltgastemperatur von 200 C eine wesentlich stärkere Erwärmung des Strahlers
zulässig ist als bei einer Kaltgastemperatur von 40 oder gar 500 C. Diese Möglichkeit,
die kritische Thermospannung als Funktion der Wärmestrahlung in Beziehung zur Temperatur
des Kaltgases zu ersetzen, wird möglich, wenn
man gemäß der Erfindung den weißen
Körper als Vergleichsstrahler einsetzt, der im Kaltgasstrom liegt.
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Es sei erwähnt, daß an sich für Transformatoren bereits eine mit
Ausnutzung der Strahlung arbeitende Schutzeinrichtung bekanntgeworden ist, bei der
von der Wicklung ausgehende Wärmestrahlen mittels eines zylindrischen Hohlspiegels
gesammelt werden und durch Aufheizen eines gespannten Leiters diesen nach dem Erreichen
einer Grenztemperatur bzw.
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Grenzerwärmung aufschmelzen, wodurch ein Steuervorgang durch Unterbrechung
eines Relaisstromkreises durchgeführt wird. Wenn auch bei dieser bekannten Anordnung
schon die Strahlung zur Betätigung einer Schutzeinrichtung verwendet wird, so läßt
sich doch diese Einrichtung nicht mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung für umlaufende
Maschinenkörper vergleichen, bei denen es darauf ankommt, die Oberflächentemperatur
örtlich begrenzter Läuferabschnitte an dem schnell umlaufenden Maschinenkörper genau
zu messen.
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Aus den vielen Möglichkeiten für die Ausbildung des Strahlungsempfängers
sei die in Fig. 1 dargestellte Bauform ausgewählt, die besonders zweckmäßig erscheint.
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Der Läufer 1 mit seiner schwarzen Strahlerschicht la ist nur schematisch
angedeutet. Der Strahlungsempfänger ist in den Streukanal 2 im oberen Teil der durch
einen Keil 13 abgeschlossenen Nut 3 des Ständerkörpers 4 eingebaut. Seine aktiven
Teile sind der schwarze Körper 5, der weiße (reflektierende) Körper 8 und die Thermoelemente
11, von denen zur Erhöhung der Thermospannung in bekannter Weise eine Mehrzahl hintereinandergeschaltet
ist, wobei jeweils die warme Lötstelle dem schwarzen, die kalte Lötstelle dem weißen
Körper zugeordnet ist.
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Der schwarze Körper soll eine möglichst große Strahlungsmenge und
diese möglichst verlustfrei aufnehmen. Um das zu erreichen, liegt er hinter einer
Linse 7 aus einem Stoff, der für Infrarotstrahlen gut durchlässig ist, wie z. B.
aus einem Spezialglas, Steinsalz, Quarz oder durchsichtigem oder durchscheinendem
Kunststoff, und wird hierdurch gleichzeitig gegen den Spalt zwischen Läufer und
Ständer und damit gegen den warmen Kühlgasstrom abgeschirmt. Zur Halterung des Strahlungsempfängers
dient eine Stützplatte 12, die außerdem die Funktion hat, den Kanal 2 nach dem Maschineninneren
hin abzusperren. Es entsteht auf diese Weise ein Kanal, durch den Kaltgas hindurchströmt.
Diesem Kanal zugekehrt ist der weiße Vergleichskörper 8, der gegen Wärmestrahlungen
vom Maschineninneren her durch eine Reflexionsschicht 10 abgeschirmt ist. 9 ist
eine weitere Wärmeisolation.
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Im Betrieb gelangt die der Oberflächentemperatur entsprechende Strahlung
auf den schwarzen Körper 5.
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Dieser erwärmt sich und bringt die warmen Lötstellen der Thermoelemente
auf eine bestimmte Temperatur. Der weiße Körper 8 andererseits wird durch das Kaltgas
ebenfalls auf einer bestimmten Temperatur gehalten, welche die Temperatur der mit
dem Körper 8 verbundenen kalten Lötstellen ist. Es entsteht also eine Thermospannung
bestimmter Größe.
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Wenn man die Thermoelemente in Gruppen gegeneinanderschaltet, so erhält
man je nach der von der Läuferoberfläche abgestrahlten Wärmemenge eine bestimmte
Differenzspannung, die ein Maß für die Läufererwärmung ist, und zwar, was wichtig
ist, unter Berücksichtigung der Kaltgastemperatur.
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Da der Strahlungsempfänger und der diesem zugeordnete Vergleichskörper
dem Magnetfeld der Maschine ausgesetzt sind, ist es erforderlich, Maßnahmen zu treffen,
um Störungen durch Magnetfelder zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden die Meßkörper
wie auch die Halteteile aus einem Metall geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt,
beispielsweise aus einer Nickelchromlegierung. Zur weiteren Verringerung der Wirbelstromverluste
empfiehlt es sich, die den schwarzen und weißen Meßkörper bildenden Plättchen zu
lamellieren. Auch die Drähte der Thermoelemente sind zweckmäßig zu verdrillen.
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Bei der Anwendung der Erfindung ist man nicht auf den Fall beschränkt,
daß die Temperatur in einer Ringzone des Läufers erfaßt wird. Man kann die Methode
auch anwenden, um die Erwärmung einzelner längs verlaufender Zonen des Läuferkörpers
zu messen. Beispielsweise kann es von Interesse sein, die Keiltemperatur in bestimmten
Bereichen zu bestimmen. In diesem Fall wird, wie es Fig. 2 schematisch zeigt, die
Oberfläche der achsparallel angeordneten Keile 20 mit einem entsprechenden schwarzen
Anstrich versehen, während die zwischen den Keilen liegenden Außenflächen der Zahnköpfe
21 ohne Anstrich bleiben, besser aber noch mit einem reflektierenden z. B. weißen
Anstrich versehen werden. In diesem Fall verhält sich der Läuferkörper wie ein grauer
Strahler, dessen Strahlungsenergie jedoch im wesentlichen durch die Wärmestrahlung
der schwarzen Keile bestimmt ist.
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Die Einrichtung zur Messung der Wärmestrahlung kann leicht in ein
Schutzsystem eingegliedert werden, in der Weise, daß bei Erreichen der kritischen
Temperatur ein Relais anspricht, das den Maschinensatz abschaltet.