DE3443276C2

DE3443276C2 - Einrichtung und Verfahren zum Bestimmen der verbleibenden unklaren Lebensdauer eines Motors

Info

Publication number: DE3443276C2
Application number: DE3443276A
Authority: DE
Inventors: Robert Marshall Hardy; William James Premerlani
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2004-11-29
Also published as: FR2555781A1; US4525763A; IT1177209B; GB2150774A; IT8423593A1; GB8418382D0; IT8423593A0; JPS60144127A; GB2150774B; DE3443276A1; FR2555781B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der verbleibenden unklaren Lebensdauer eines Motors.

Einer der Hauptfaktoren, der die Lebensdauer von Induktions motoren begrenzt, ist die Verschlechterung der Wicklungsisolation, die durch wiederholte und übermäßige Überhitzung hervorgerufen wird. Die Hersteller spezifizieren üblicherweise zwei Wicklungstemperaturgrenzen: Eine für den stationären Zustand und eine für transiente bzw. flüchtige Zustände. In der Ver gangenheit wurde dies getan, weil es für bekannte Überhitzungs schutzvorrichtungen schwierig ist, die Wicklungstemperatur während transienter Zustände sehr genau vorherzusagen oder ein Modell zu bilden.

Ein Motor hält unter normalen Bedingungen erwartungsgemäß eine gewisse Anzahl von Jahren. Die Schalter jedoch, die den Motorstrom schalten, werden im allgemeinen entweder bei dem ersten Anzeichen eines ersten Überlastzustandes geöffnet, wodurch betriebliche Störungen bei den transienten Vor gängen hervorgerufen werden, oder die Motoren können bis zu einem gewissen gesetzten Punkt Überhitzungen erfahren, bevor eine Schalteröffnung erfolgt. Da in dem letztgenannten Fall die Überlastungen nicht gesteuert werden (d. h. beispielsweise Überlastungen einmal pro Stunde werden in der gleichen Weise behan delt wie Überlastungen einmal pro Jahr), gibt es eine weite Verteilung in der Lebensdauer von Motoren, da jede Überlast zu einem stufenweisen inkrementalen Verlust der erwarteten Nutzungs- bzw. Lebensdauer des Motors beiträgt.

Damit ein Motor seine erwartete Lebensdauer aushält, ist eine Lebensdauerkontrolle notwendig. Wenn beispielsweise ein Motor eine Lebenserwartung von 40 Jahren aufweist, sollte er im all gemeinen pro Jahr 1/40 seiner Lebensdauer verbrauchen. Wenn Überbelastungen des Motors in dem einen Jahr mehr als ein 1/40 seiner Lebensdauer verbrauchen, muß eine zusätzliche jährliche Lebensdauer entweder aus der Vergangenheit oder in der Zukunft gewonnen werden. Wenn weniger als 1/40 seiner Lebensdauer im Jahr verbraucht werden, dann können in den folgenden Jahren mehr als 1/40 seiner Lebensdauer verbraucht werden, um den Motor in seinem Lebensdauerplan zu halten.

Im Motorbetrieb wird es nützlich sein, zu bestimmen, wieviel Überlast der Motor standhalten können sollte und für wie lange, um den Motor in seinem Lebensdauerplan zu halten. Gegenwärtig gibt es mehrere Wege, um Motorüberbelastungen festzustellen und die Motoren gegen Überhitzung zu schützen. Bimetallschalter oder Bimetalle sind in den Stromkreisen von Motoren für viele Jahre verwendet worden, um die Motorerwärmung abzuschätzen und die Stromzufuhr zum Motor bei Überlastungszuständen zu unter brechen. Bimetalle haben jedoch eine relativ hohe Fehlergrenze, ein schlechtes transientes Ansprechverhalten und sie berück sichtigen nicht die vergangene Lebensdauer des Motors. Häufig werden widerstandsbehaftete Temperaturdetektoren in die Wick lungen größerer Motoren eingesetzt und liefern der Temperatur proportionale Ströme an Motorschutzgeräte.

Es ist auch bekannt (siehe DE 37 06 659 C2), den ohmschen Wicklungswiderstand durch Messung während einer Zeitspanne zu ermitteln, in welcher sich die Wicklung im stromlosen Zustand befindet.

Diese bekannten Einrichtungen haben alle Speicher bzw. Gedächtnisse kurzer Dauer jund arbeiten in festen Temperaturgrenzen. Wenn ein Motor von einer Überlastsituation abgekühlt ist, dann hat dieses Ereignis keinen weiteren Einfluß auf den Überlastdetektor. Deshalb wird, abgesehen während dieser Abkühlperiode, jede Überlast unabhängig von jeder anderen Überlast behandelt, obwohl jede Überlast ein Faktor bei der Bestimmung der erwarteten Lebensdauer des Motors ist.

Aus der DE 36 20 355 A1 ist zwar ein Verfahren zum Ermitteln der verbrauchten Lebensdauer für eine Turbomaschinenkomponente während eines Zeitintervalls bekannt. Dort wird aber das Kriechen von Materialien, aus denen die Turbinenkomponenten aufgebaut sind, als ein Hauptfaktor bei Ermittlung der Restlebensdauer verwendet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch die ein Elektromotor vor den Auswirkungen von Überbelastungen geschützt wird, indem verhindert wird, daß irgendeine Überbelastung die Motorlebensdauer auf weniger als die ursprünglich geplante Lebensdauer verkürzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Motor vor den Wirkungen einer Überbelastung geschützt wird, indem eine Überlast daran gehindert wird, die Lebensdauer des Motors auf weniger als seine ursprüngliche projektierte oder geplante Lebensdauer zu verkürzen. Ferner werden störende Schnellabschaltungen durch einen Überschutz eleminiert. Vorteilhafterweise wird eine Anzeige der erwarteten, verbleibenden Motorlebensdauer geliefert.

Die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ist ein funktionales Blockdiagramm der Einrichtung zum Schützen von Motoren und zum Vorhersagen der Motorlebensdauer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Kurvenbild und zeigt die Motorwicklungs- Ausfallrate über der Temperatur für einen typischen Motor.

Fig. 3 ist ein Kurvenbild für einen typischen Motorbetrieb.

Fig. 4 ist ein graphisches Beispiel der Motorlebensdauer vorhersage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild der Lebensdauer- Strategieschaltung.

Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm von einem bevor zugten Ausführungsbeispiel zum Implementieren der erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 7 ist ein logisches Fließbild der Motorlebensdauer vorhersage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 8 ist ein logisches Fließbild des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 9 ist ein weiteres Blockdiagramm der Einrichtung zum Schützen der Motoren und zum Vorhersagen der Motorlebenssdauer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Einer der Hauptfaktoren, die die Lebensdauer eines Induktions motors begrenzen, ist die Verschlechterung der Wicklungsisolation aufgrund von wiederholter und übermäßiger Überhitzung. Hersteller spezifizieren üblicherweise zwei Wicklungstemperaturgrenzen: Eine für stationäre und eine für transiente bzw. flüchtige Zustände. Die Wicklungsisolationscharakteristiken für einen gegebenen Motor sind im allgemeinen durch in der Industrie ver breitete Standards geregelt, beispielsweise in den Vereinigten Staaten von Amerika durch Flexible Electrical Insulation, Resins Used as Coatin and Coil Impregnants und Coated Electrical Sleeving, die jeweils durch die National Electric Manufactures Association (NEMA), Washington, D.C., verkündet sind. Daten von Motorherstellern sind gegenwärtig erhältlich bezüglich der Lebensdauer von Isolationssystemen über der Temperatur für verschiedene Motorklassen. Diese Daten werden bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung auf einer Realzeitbasis verwendet, um die Verkürzung der Lebensdauer aufgrund von Übertemperatur zu schätzen und dadurch die verbleibende nutzbare Lebensdauer eines Motors vorherzusagen und den Motor von katastrophalem Durchbrennen zu schützen, während schädliche Schnellabschaltungen der den Motor speisenden Schalter während transienter Stromausschläge vermieden werden.

In Fig. 1 ist ein funktionales Blockdiagramm der Über wachungseinrichtung von Motoren und zum Vorhersagen der Lebensdauer eines Motors 100 gezeigt. Die Einrichtung weist eine Temperatur-Überwachungseinrichtung 10, einen Schwellwertdetektor 15, eine Fehler-Überwachungseinrichtung 20, einen Zeitintegrator 25, eine logische Auslöseschaltung 30, eine Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 und eine Lebensdauer-Strategieschaltung 50 auf, die alle vorzugsweise durch einen Mikroprozessor, beispielsweise eine Type 8051 von Intel, implementiert sein können, wie es im folgenden beschrieben wird.

Der Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 wird die Umgebungs temperatur, eine Stromanzeige, beispielsweise von einem Stromwandler, und/oder die gemessene Wicklungstemperatur, beispielsweise von einem Thermoelement, von dem Motor 100 zugeführt. Die Temperatur der Motorwicklungen ist eine Funktion unter anderen Variablen, des Stroms und der Umgebungstemperatur, bei denen der Motor arbeitet. Für einen dreiphasigen Motor kann der der Temperatur-Überwachungs einrichtung zugeführte Strom beispielsweise ein Maß des durchschnitt lichen Stroms der drei Phasen oder der Strom jeder einzelnen Phase sein, aber vorzugsweise ist er ein Maß des Stromes der jenigen Phase, die den maximalen Strom führt. In einem bevor zugten Ausführungsbeispiel werden Proben des Stromes in jeder der drei Phasen in periodischen Intervallen und in einem kompa tiblen Format einem Mikroprozessor 120 (siehe Fig. 6) zugeführt, der ein Programm steuert zum Ermitteln des durchschnittlichen Stroms der drei Phasen und des Stromes jeder Phase und zum Wählen des Stromwertes, der der Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 zugeführt wird. Das Stromentnahmeprogramm und die Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 sind beide vorzugsweise in dem gleichen Mikroprozessor und seinem zugehörigen Speicher gespeichert, wodurch der Transfer von Daten zwischen der Temperatur-Überwachungs einrichtung 10 und den Stromabtastprogrammen vereinfacht ist. Die Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 weist Umwandlungsmittel auf, wie vorzugsweise ein in dem Speicher gespeichertes Programm, zum Um wandeln von Meßwerten des Stroms, der Umgebungstemperatur und, wenn verfügbar, der Wicklungstemperatur des Motors 100 in eine Hitzepunkttemperatur. Die Hitzepunkttemperatur ist eine Abschätzung der höchsten Temperatur, die in den Wicklungen des Motors 100 aufgetreten ist. Die gemessene Wicklungstemperatur ist ins besondere für kleinere Motoren nicht immer verfügbar, teilweise wegen der Größenerfordernisse der Fühler bzw. Sensoren. Weiterhin liegt der Hitzepunkt einer Wicklung im allgemeinen nahe der Mitte der Wicklungen innerhalb einer Statornut. Ein derartiger Hitzepunkt ist nicht immer einfach zugänglich für eine direkte Temperaturmessung, insbesondere wenn der Motor im Betrieb ist. Selbst wenn die Wicklungstemperatur direkt ge messen wird, wie bei einem Thermoelement, besteht eine Ver zögerung zwischen dem Augenblick, in dem ein transienter Strom auftritt, und der Zeit, wenn sich die gemessene Temperatur bei dem transienten Zustand ändert. Die Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 verwendet die zugeführten Eingangssignale, um einen Tempe raturwert zu ermitteln, der die tatsächliche Wicklungstemperatur des Motors 100 anzeigt, und sie liefert den Temperaturwert an einen ersten Eingang des Schwellwertdetektors 15 und an den Eingang der Fehler-Überwachungseinrichtung 20. Die jeweilige Konfi guration der Temperatur-Überwachungseinrichtung 10, die zur Erzeu gung eines Schätzwertes der Ist-Temperatur des Motors verwendet wird, und die Lage der Temperaturmeßstellen des Motors 100 werden bestimmt durch die speziellen Eigenschaften des Motors 100, die von dem Hersteller erfahren oder durch den Benutzer ohne übermäßigen experimentellen Aufwand ermittelt werden können. Wenn ein genau gemessener Motorwicklungstemperaturwert zur Verfügung steht, dann kann dieser Temperaturwert in geeignetem Format dem Schwell wertdetektor 15 und der Fehler-Überwachungseinrichtung 20 direkt zugeführt werden, ohne daß die Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 notwendig ist.

Einem zweiten Eingang des Schwellwertdetektors 15 wird eine maximale Temperaturgrenze T_max zugeführt, welche die diejenige Temperatur ist, oberhalb der die Leistungszufuhr zum Motor 100 sofort abgeschaltet werden muß, um eine katastrophale und irre versible Beschädigung der Isolation und der Motorwicklungen zu verhindern. Der Schwellwertdetektor 15 vergleicht den Temperaturwert von der Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 mit der Temperatur grenze T_max und erzeugt ein Auslösesteuersignal, wenn die Temperatur gleich oder größer als die Temperaturgrenze T_max ist. Das Auslösesteuersignal vom Ausgang des Schwellwertdetektors 15 wird einer Motorsteuerschaltung zugeführt, die Schalter (nicht gezeigt) aufweist, um die Stromzufuhr zum Motor auszuschalten.

Die Fehler-Überwachungseinrichtung 20 liefert ein Fehlerratensignal zur Zeitintegratorschaltung 25. Die Fehlerrate, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf den Bruchteil einer relativ großen Anzahl von identischen Motoren, die erwartungsgemäß in einem vorbestimmten Intervall ausfallen bzw. fehlerhaft werden. Die Fehlerrate ist eine Funktion des Eingangstemperaturwerts zur Fehler- Überwachungseinrichtung 20 und der Isolationsart des Motors 100 und kann beispielsweise durch eine Nachschlagetabelle durch einen Speicher oder eine analoge Umwandlungseinrichtung geliefert werden.

Der Zeitintegrator 25 erhält das Fehlerratensignal von der Fehler-Überwachungseinrichtung 20 an seinem ersten Eingang und inte griert es, um ein Signal zu erzeugen, das einen Fehlerauftrittswert oder eine vorhergesagte bzw. projektierte Anzahl von inkrementalen Fehlern erzeugt, die in dem Bereich von 0,0 bis 1,0 liegt, wobei 0,0 keine Ausfälle darstellt darstellt und 1,0 genügend inkrementale Fehler darstellt, um den Motor nicht länger betriebsbereit zu machen. Das Fehlerauf trittssignal wird von dem Zeitintegrator 25 einem ersten Eingang der logischen Auslöseschaltung 30 und dem Eingang einer der Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 zugeführt. Die Lebensdauer- Projektionsschaltung 40 prüft das Fehlerauftrittssignal während aufeinanderfolgender, vorbestimmter Zeitintervalle. Aus diesen Beobachtungen erzeugt die Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 ein Signal, das die projektierte bzw. vorhergesagte Lebensdauer oder die verbleibende nutzbare Lebensdauer des Motors darstellt, wobei dieses Signal einem ersten Eingang einer Lebensdauer-Strategieschaltung 50, die in Verbindung mit Fig. 5 näher erläutert wird, und einer Anzeigeeinrichtung 150 zugeführt wird, wie beispielsweise einer lichtemittierenden Diode oder einem Flüssig kristall, die ihrerseits eine direkte Anzeige der projektierten Lebensdauer des Motors liefert. Die projektierte Lebensdauer stellt dar, wie lange es dauern wird, die verbleibende Lebensdauer des Motors 100 zu nutzen, wenn die gemessene Rate der Lebenszeitnutzung konstant bleibt. Die Projektionsschaltung 40 speichert auch die Vergangenheit der gesamten vorhergehenden Motorverschlechterung und verfolgt die kummulative Laufzeit des Motors 100.

Ein Signal bezüglich der gewünschten Lebensdauer wird einem zweiten Eingang der Lebensdauer-Strategieschaltung 50 zugeführt. Die gewünschte Lebensdauer ist üblicheweise die erwartete Lebensdauer des Motors 100 unter normalen Betriebsbedingungen, wie sie vom Hersteller angegeben ist. Sie kann jedoch größer oder kleiner als die normale Lebensdauer sein, falls der Benutzer die Motorfunktion in einer Umgebung mit stärkeren bzw. kleineren Beanspruchungen zu haben wünscht. Das die gewünschte Lebensdauer darstellende Signal ist üblicherweise eine manuelle Eingabe mit einem Format, das mit dem die projektierte Lebensdauer darstellende Signal der Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 kompatibel ist oder durch die Lebensdauer-Strategieschaltung 50 konditioniert bzw. angepaßt werden kann, damit die projektierte Lebensdauer und die gewünschte Lebensdauer durch die Lebensdauer-Strategieschaltung 50 verglichen werden können. Die Lebensdauer-Strategieschaltung 50 erzeugt ein Fehlerschwellwertsignal, das einem zweiten Eingang der logischen Auslöseschaltung 30 zugeführt wird.

Bei gewissen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, einen Motor unter den maximalen Temperatur- oder Strombedingungen zu betreiben, die keine Verkürzung der erwarteten Lebensdauer des Motors erzeugen. In derartigen Fällen werden bestimmte kurz zeitige Überbelastungen, wie beispielsweise bei Anlauf des Motors, im allgemeinen gestattet. Wenn die Temperatur oder der Strom den Grenzwert überschreitet, der die erwartete Lebensdauer des Motors verkürzen würde, dann kann eine Strategie gewählt werden, um beispielsweise den Motor auszuschalten oder eine Warnung für die verkürzte Lebenserwartung zu liefern. Wenn eine Warnung gegeben wird, dann kann die Bedienungsperson entscheiden, ob der existierende Betriebszustand fortbestehen kann, die Belastung des Motors zu verkleinern oder den Motor anzu halten, bis er unter eine vorbestimmte Temperatur abkühlt. In jedem Fall gibt es eine kritische Temperatur oder einen Strom über der Zeit, oberhalb derer die dem Motor Strom zuführenden Schalter automatisch ausgelöst werden, und zwar unabhängig davon, welche Strategie gewählt ist, um einen katastrophalen und irre versiblen Fehler des Motors aufgrund von Isolationsbeschädigungen zu verhindern.

Die logische Auslöseschaltung 30 weist eine Vergleichseinrich tung bzw. einen Komparator auf, der sowohl das Fehlerauftrittssignal als auch das Fehlerschwellwertsignal empfängt und ein Auslösesignal erzeugt, das das Ausgangssignal aus der Auslöse schaltung 30 bildet. Das Ausgangssignal des Komparators nimmt alternative Werte an: Einen ersten Wert, wenn der Wert des Fehlerauftrittssignals gleich oder größer als der Wert des Fehlerschwellwertsignals ist, und einen zweiten Wert, wenn der Wert des Fehlerauftrittssignals kleiner als der Wert des Fehler schwellwertsignals ist. Das Auslösesignal, das von der logischen Auslöseschaltung 30 abgegeben wird, wird einer Verriegelungs- oder Speicherschaltung 35, die an ihrem Ausgang den Wert des Auslösesignals hält, bis es rückgesetzt wird, und es wird auch einem zweiten Eingang der Zeitintegratorschaltung 25 zugeführt, um den Integrator rückzusetzen. Das Auslöse steuersignal von der Verriegelungs- bzw. Sperrschaltung 35 wird einer Motorsteuerschaltung, die nicht gezeigte Schalter aufweist, zugeführt, um die Stromzufuhr zum Motor zu unterbrechen, indem die Schalter ausgelöst oder geöffnet werden. Die Sperre 35 wird durch ein Signal, das durch Intervention der Bedienungs person erzeugt wird, rückgesetzt, um sicherzustellen, daß die Zustände, die das vorherige Auslösesignal bewirkt haben, korri giert worden sind, und um ein Neustarten des Motors 100 zu ver hindern, während ein gestoppter Motor durch Personal untersucht wird.

In Fig. 2 ist eine Kurve gezeigt, die die Wicklungsfehlerrate über der Temperatur für einen üblichen Motor darstellt. Diese Kurve kann verwendet werden, um ein Fehlermodell für die Fehler- Überwachungseinrichtung 20 zu erzeugen. Die Kurve hat einen unteren Temperaturwert T_L, unterhalb dessen die Wicklungsfehlerrate unbedeutend ist und der Motor unbegrenzt laufen kann. Zwischen der unteren Temperatur T_L und einer höheren Temperatur T_max nimmt die Fehlerrate zu. Oberhalb der höheren Temperatur T_max wächst die Wicklungsfehlerrate dramatisch an, so daß ein Durch brennen oder ein katastrophaler Ausfall mit hoher Wahrschein lichkeit auftritt, wenn der Motor 100 weiterhin oberhalb dieser Temperatur betrieben wird.

In Fig. 3 ist eine Kurve des Zeitintervalls, in dem ein Strom durch einen typischen Motor fließen kann, über dem Strom gezeigt. Die Erwärmung oder der Temperaturanstieg aufgrund des Stromflusses durch einen gegebenen Motor ist gleich einer Kon stanten, multipliziert mit dem Quadrat des Stroms. Die Konstante ist eine Funktion der Größe und des Motortyps und ist von dem Hersteller zu erfahren oder kann von dem Benutzer ohne große Experi mente ermittelt werden. Für den Bereich der Kurve links oder unterhalb der unteren Temperaturlinie T_L kann der Motor konti nuierlich laufen, ohne daß die Temperatur die erwartete Lebensdauer der Isolation der Wicklung beeinflußt. In dem Bereich zwischen der unteren Temperaturlinie T_L und der hohen Tempera turlinie T_max arbeitet der Motor auf Kosten einer zunehmenden Isolationsverschlechterung, wodurch die erwartete Lebensdauer des Motors verkürzt wird. In dem Bereich oberhalb der hohen Temperaturlinie T_max muß der Strom verkleinert oder der Motor muß abgeschaltet werden, um einen katastrophalen Isolationsfehler und ein Durchbrennen des Motors zu vermeiden.

In Fig. 4 ist eine Lebensdauer-Projektionskurve von Fehlern über der Zeit gezeigt. Ein Fehlerauftritt von 1,0 zeigt an, daß der Motor nicht länger arbeiten kann. Beispielsweise kann zu einer will kürlich gewählten Zeit t₀ der Fehlerauftritt einen Wert haben, wie er dem Punkt P entspricht. Zu einer späteren Zeit t₁, die durch das Aktualisierungsintervall oder die Zeitbasis der Zeitinte gratorschaltung 25 (s. Fig. 1) bestimmt ist, kann der Fehler auftritt an einem Punkt Q sein. Durch lineare Extrapolation der Linie zwischen P und Q, bis sie die Linie schneidet, die einen Fehlerauftritt von 1,0 zeigt, kann eine Zeit t_n ermittelt werden. Die Zeit zwischen t₁ und t_n stellt die erwartete verbleibende Lebensdauer des Motors dar, wenn die Motorfehlerrate sich mit der gleichen Rate fortsetzt wie zwischen t₀ und t₁.

In Fig. 5 ist ein funktionelles Blockdiagramm der Lebensdauer- Strategieschaltung 50 gezeigt. Diese Strategieschaltung 50 weist einen Komparator 51 und einen Integrator 52 auf. Der invertierende Eingang des Komparators 51 empfängt ein projek tiertes Lebensdauersignal von der Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 (s. Fig. 1), und das die gewünschte Motorlebensdauer darstellende Signal wird an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 51 angelegt. Der Ausgang des Komparators 51 ist mit dem Eingang des Integrators 52 verbunden. Der Ausgang des Integrators 52, der auch das Ausgangssignal der Lebensdauer- Strategieschaltung 50 liefert, ist mit dem zweiten Eingang der logischen Auslöseschaltung 30 (s. Fig. 1) ver bunden. Der Integrator 52 glättet momentane Abweichungen im Ausgangssignal des Komparators 51 und nimmt auch den Durchschnitt des Signals aus dem Ausgang des Komparators 51. Der Komparator 51 liefert ein positives Ausgangssignal, wenn die gewünschte Lebensdauer größer als oder gleich der projektierten Lebensdauer ist, und er liefert ein negatives Ausgangssignal gleicher Größe, wenn die projektierte Lebensdauer größer als die gewünschte Lebensdauer ist. Wenn im Mittel die projektierte Lebens dauer größer als die gewünschte Lebensdauer ist, dann wird der von dem Integrator 52 gelieferte Fehlerschwellwert vermindert, wohingegen, wenn im Mittel die gewünschte Lebensdauer größer als die projektierte Lebensdauer ist, der Fehlerschwellwert aus dem Integrator 52 vergrößert wird, wodurch ein Betrieb mit mehr bzw. weniger Beanspruchung des Motors 100 (s. Fig. 1) gestattet wird, bevor durch die logische Auslöseschaltung 30 (s. Fig. 1) ein Auslöse- bzw. Schnellabschaltsignal erzeugt wird. Wenn im Mittel die projektierte Lebensdauer gleich der gewünschten Lebensdauer ist, dann bleibt der Schwellwertpegel des Integrators 52 auf seinem vorherigen Wert.

In Fig. 6 ist ein Blockdiagramm der Einrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ein Mikroprozessor 120, wie beispielsweise die Type 8031 von Intel oder ähnliches, hat eine zugehörige Speicher einheit 130, wie beispielsweise ein RAM 2148 von Intel oder ähnliches, von dem oder zu dem Information durch den Mikro prozessor 100 erhalten bzw. übertragen wird. Der Motor 100 gemäß Fig. 1 kann einen damit verbundenen Stromfühler 105 oder einen Temperaturfühler 107 oder beides aufweisen. Der Stromfühler 105 und der Temperaturfühler 107 liefern analoge Signale, die den Strom bzw. die Wicklungstemperatur des Motors 100 an einen Analog/Digitalwandler 110 liefern. Der A/D- Wandler 110 konditioniert die ihm zugeführten Signale und liefert digitale Signale, in denen der Stromwert und der Tempe raturwert kodiert sind, an den Mikroprozessor 120. Der Mikro prozessor 120 erhält auch digital kompatible Signale von einer Einangsschaltung 140. Die Eingangsschaltung 140, die eine Ein gangs/Ausgangs- bzw. I/O-Konsole, wie beispielsweise ein Tastenfeld oder, alternativ, einen Computer oder einen weiteren Mikroprozessor aufweisen kann, wird dazu verwendet, manuell die Parameter, wie beispielsweise Nachschlagetabellen, die zum Definieren der Temperatur-Überwachungseinrichtung 10 (s. Fig. 1) und der Fehler-Überwachungseinrichtung 20 (s. Fig. 1) verwendet werden, wie es vorstehend verwendet wurde, in den Mikroprozessor 120 in Form digitaler Signale für eine eventuelle Speicherung im Speicher 130 einzugeben. Der Mikroprozessor 120 liefert Signale an eine Anzeigeeinheit 150, die eine lichtemittierende Diode oder alternativ ein Flüssigkristall oder eine Glühlampenanzeige und eine Konditionierschaltung aufweist zum Anpassen der vom Mikroprozessor erhaltenen Signale, damit sie mit der jeweils verwendeten Anzeige kompatibel sind, und sie zeigt Vorhersagen, vergangene Ereignisse und Alarme für den Motor 100 an. Der Mikroprozessor 120 liefert auch ein Auslösesteuersignal an die nicht gezeigte Motorsteuerschaltung zum Anhalten des Motors 100.

In den Speicher 130 eingebettet sind Temperatur- und Fehler- Überwachungseinrichtungen, Alter und Vergangenheit bzw. verstrichene Betriebsdauer des Motors 100. Die in dem Speicher 130 gespeicherten Funktionen sind für den Mikroprozessor 120 auf einfache Weise zugreifbar für eine anschließende Übertragung zur Anzeigeeinheit 150 durch Steuersignale, die dem Speicher 130 durch den Mikroprozessor 120 zugeführt werden. Obwohl er als eine getrennte Einheit gezeigt ist, kann der Speicher 130 ein integraler Bestandteil des Mikroprozessors 120 sein.

In Fig. 7 ist ein logisches Fließbild der Lebensdauer-Projektions schaltung 40 (s. Fig. 1) des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, die in den Mikroprozessor 120 (s. Fig. 6) programmiert und im Speicher 130 gespeichert ist. Das Programm startet am Schritt 700 und geht zum Schritt 710, zu welcher Zeit der inkrementale Verlust an Lebensdauer oder Fehler von einem laufenden Schätzwert der verbleibenden Lebensdauer des Motors subtrahiert wird. Das Programm läuft dann zum Schritt 720 weiter, wo das Alter des Motors durch den Gesamtverlust an Lebensdauer des Motors dividiert und ein projektierter Fehler extrapoliert wird. Nach dem Schritt 720 führt das Programm den Schritt 730 aus, indem ein Ausgangssignal geliefert wird, das die projektierte Lebensdauer des Motors für eine Anzeige an der Anzeigeeinheit 150 (s. Fig. 1) darstellt und in die Lebens dauer-Strategieschaltung 50 (Fig. 1) eingegeben wird. Nach Ausführung des Schrittes 730 führt das Programm den Schritt 740 aus, um zum Schritt 700 zurückzukehren.

In Fig. 8 ist ein logisches Fließbild des den Motorschutz betreffenden Merkmals eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Das Programm startet am Schritt 800 und führt den Schritt 810 aus, indem ermittelt wird, ob die Motor temperatur größer als die Temperatur T_L ist. Wenn die Motor temperatur nicht größer als T_L ist, kehrt das Programm zum Start 800 zurück. Wenn die Temperatur des Motors größer als die Temperatur T_L ist, führt das Programm den Schritt 830 aus, indem ermittelt wird, ob die Motortemperatur kleiner als die Temperatur T_max ist. Wenn die Motortemperatur kleiner als T_max ist, dann führt das Programm den Schritt 840 aus, indem ein Auslösesteuersignal erzeugt wird, das zum Abschalten des Motors verwendet wird, um einen katastrophalen Ausfall aufgrund der Überhitzung der Isolation zu verhindern. Nach dem Schritt 840 kehrt das Programm zum Startschritt 800 zurück. Ist die Motortemperatur kleiner als die Temperatur T_max, dann führt das Programm den Schritt 860 aus, indem die Fehlerrate für den Motor ermittelt wird, wobei die Temperatur des Motors als ein Index für eine Nachschlagetabelle verwendet wird. Das Programm läuft dann weiter zur Ausführung des Schritts 870, indem die Fehlerrate, die im Schritt 860 ermittelt wurde, mit dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Ausführungen des Schritts 860 multipliziert wird, um einen in krementellen Lebensdauerverlust (ΔLOL) zu erzeugen. Das Pro gramm läuft dann weiter zum Schritt 880, indem der inkrementelle Lebensdauerverlust zum akkumulierten Wert (LOL) des gesamten vorhergehenden inkrementellen Lebensdauerverlustes addiert wird, wobei der neu akkumulierte Wert als das Fehlerauftritts signal verwendet wird, das der logischen Auslöseschaltung 30 (Fig. 1) zugeführt wird. Nach Ausführung des Schrittes 880 führt das Programm den Schritt 890 aus, um zum Schritt 800 zurückzukehren.

In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm von einem weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung gezeigt. Die Temperatur-Überwachungseinrichtung 10, der Schwellwertdetektor 15, die Fehler-Überwachungseinrichtung 20, die Zeitintegratorschaltung 25, die Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 und die Anzeigeschaltung 150 arbeiten in der vorstehend beschriebenen Weise. Eine Kalender- bzw. Zeit-aus-Jahr-Schaltung 60, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Teil des im Speicher 130 gespeicherten Mikroprozessorprogramm implementiert ist, empfängt das laufende Datum als ein digital codiertes Signal an einem ersten Eingang. Einem zweiten Eingang der Ka lenderschaltung 60 wird das gewünschte Fehlerdatensignal zu geführt, und einem dritten Eingang wird das projektierte Lebens dauersignal von der Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 zugeführt. Die Kalenderschaltung 60, in der eine kalendarische Tabelle ge speichert ist, wandelt das gewünschte Fehlerdatum in die gewünschte Lebensdauer und die projektierte Lebensdauer in das projektierte Fehlerdatum um. Das projektierte Fehlersignal von einem ersten Ausgang der Kalenderschaltung 60 wird der Anzeige einrichtung 150 zugeführt, wo das projektierte Kalenderdatum angezeigt wird. Das die gewünschte Lebensdauer betreffende Signal von einem zweiten Ausgang der Kalenderschaltung 60 wird einem ersten Eingang des Schwellwertdetektors 70 zugeführt. Einem zweiten Eingang des Schwellwertdetektors 70 wird das die projektierte Lebensdauer betreffende Signal vom Ausgang der Lebensdauer-Projektionsschaltung 40 zugeführt.

Der Schwellwertdetektor 70 vergleicht die projektierte Lebens dauer und die gewünschte Lebensdauer des Motors und gibt ein Warnsignal ab, wenn die projektierte Lebensdauer kürzer als die gewünschte Lebensdauer ist. Das Warnsignal kann verwendet werden, um ein visuelles oder hörbares Signal für eine Bedie nungsperson zu liefern.

In vielen Prozeßoperationen möchte eine Bedienungsperson wissen, welches die restliche Lebensdauer des Motors ist, anstatt daß er die gewünschte Lebensdauer des Motors verkürzt. Aus einer Schätzung der restlichen Lebensdauer des Motors kann eine Auswechselung des Motors zu einer zweckmäßigen Zeit geplant werden, um die unterbrechende und unnütze Erfahrung eines Motorausfalls während einer kritischen Phase eines Pro zesses zu verhindern.

Claims

1. Einrichtung zum Bestimmen der verbleibenden unklaren Lebensdauer eines Motors, gekennzeichnet durch:

a) eine mit dem Motor (100) verbundene Überwachungs einrichtung (10, 20), die die Temperatur der Motorwicklungen überwacht und in Abhängigkeit von der überwachten Temperatur ein Fehlerratensignal erzeugt, das die Wahrscheinlichkeit angibt, daß der Motor innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls versagt,
b) eine auf das Fehlerratensignal ansprechende Integratoreinrichtung (25), die ein Fehlerauftrittsignal liefert, das zu jedem Zeitpunkt die projektierte Anzahl von inkrementalen Fehlern für den Motor angibt, und
c) eine Lebensdauer-Projektionseinrichtung (40), die auf die Änderung im Wert des Fehlerauftrittsignals über aufeinanderfolgende vorbestimmte Zeitintervalle anspricht und durch Extrapolation die verbleibende Lebensdauer des Motors vorhersagt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerratensignal aus einer Nachschlagetabelle abgeleitet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (10, 20) auf den Motorstrom anspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (10, 20) auf die den größten Strom führende Motorwicklungsphase anspricht.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (10, 20) auf den mittleren Strom der Motorwicklungsphasen anspricht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Lebensdauer-Projektionseinrichtung (40) verbundene Anzeigeeinrichtung (150) zum Anzeigen der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer des Motors (100) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mit der Lebensdauer-Projektionseinrichtung (40) eine Lebensdauer-Strategieschaltung (50) verbunden ist, der ein die gewünschte Lebensdauer des Motors darstellendes Signal zuführbar ist und die ein Fehlerschwellwertsignal erzeugt, das sowohl von dem die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signal als auch von dem die gewünschte Lebensdauer des Motors darstellenden Signal abhängig ist, und
b) eine logische Auslöseschaltung (30) mit der Integratoreinrichtung (25) und mit der Lebensdauer- Strategieschaltung (50) verbunden ist und das Fehlerauftrittsignal und das Fehlerschwellwertsignal empfängt und ein Auslösesignal in Abhängigkeit davon erzeugt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensdauer-Strategieschaltung (50) aufweist:

a) einen Komparator (51), der an seinem invertierenden Eingang das projektierte Lebensdauersignal und an seinem nicht-invertierenden Eingang das gewünschte Lebensdauersignal empfängt, und
b) einen Integrator (52), der an seinem Eingang das Aus gangssignal des Komparators (51) empfängt und an seinem Ausgang das Fehlerschwellwertsignal liefert.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellwertdetektor (70) mit der Lebensdauer-Projektionseinrichtung (40) verbunden ist und ein der gewünschten Motor-Lebensdauer entsprechendes Signal an seinem ersten Eingang und ein projektiertes Motor-Lebensdauersignal von dem Ausgang der Lebensdauer-Projektionseinrichtung (40) an seinem zweiten Eingang empfängt und ein Warnsignal erzeugt, wenn der Wert der gewünschten Lebensdauer des Motors kleiner als der Wert des projektierten Motor- Lebensdauersignals ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalenderschaltung (60) vorgesehen ist, der das laufende Datum zugeführt ist und die mit der Lebensdauer-Projektionsschaltung (40) verbunden ist und die das projektierte Lebensdauersignal empfängt zum Erzeugen eines projektierten Fehlerdatumsignals und die ein gewünschtes Fehlerdatum empfängt zum Erzeugen des gewünschten Lebensdauersignals.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (150) mit der Kalenderschaltung (60) verbunden ist und das projektierte Fehlerdatumsignal empfängt zum Anzeigen des projektierten Fehlerdatums.

12. Verfahren zum Bestimmen der verbleibenden unklaren Lebensdauer eines Motors, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Fehlerratensignal für den Motor in Abhängigkeit von der Temperatur der Wicklungen des Motors zu einem ersten vorbestimmten Augenblick erzeugt wird, wobei das Fehlerratensignal die Wahrscheinlichkeit angibt, daß der Motor innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls ausfällt,
b) das Fehlerratensignal integriert wird zum Erzeugen eines ersten Fehlerauftrittsignals, das die projektierte Anzahl von inkrementalen Fehlern zu dem ersten Augenblick angibt,
c) die Schritte a) und b) zu einem zweiten vorbestimmten Augenblick wiederholt werden und ein zweites Fehlerauftrittsignal erzeugt wird, das die projektierte Anzahl von inkrementalen Fehlern zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, und
d) die Fehlerauftrittsrate extrapoliert wird, die durch die Änderung im Wert des Fehlerauftrittsignals zwischen den ersten und zweiten Augenblicken bestimmt ist, um eine projektierte Ausfallzeit für den Motor zu ermitteln.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal, das die augenblickliche Lebensdauer des Motors darstellt, von einem Signal subtrahiert wird, das die projektierte Ausfallzeit des Motors darstellt, um ein Signal zu liefern, das die verbleibende nutzbare Lebensdauer des Motors darstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Summe des die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signals und des die augenblickliche Lebensdauer darstellenden Signals mit einem Signal verglichen wird, das die gewünschte Lebensdauer des Motors darstellt, um ein Fehlerschwellwertsignal zu erzeugen,
b) der Betrieb des Motors in Abhängigkeit von dem Fehlerschwellwertsignal gesteuert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Motorbetriebssteuerung die Stromzufuhr zum Motor abgeschaltet wird, wenn die Summe des die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signals und des die augenblickliche Lebensdauer darstellenden Signals kleiner als das die gewünschte Lebensdauer darstellende Signal ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Motorbetriebssteuerung ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die Summe des die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signals und des die augenblickliche Lebensdauer darstellenden Signals kleiner als das die gewünschte Lebensdauer darstellende Signal ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerschwellwertsignal verkleinert wird, wenn das die gewünschte Lebensdauer darstellende Signal kleiner ist als die Summe des die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signals und des die augenblickliche Lebensdauer darstellenden Signals.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerschwellwertsignal vergrößert wird, wenn das die gewünschte Lebensdauer darstellende Signal größer ist als die Summe des die verbleibende nutzbare Lebensdauer darstellenden Signals und des die augenblickliche Lebensdauer darstellenden Signals.