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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektrische Maschinen, insbesondere für Asynchronmotoren als Schweissumformerantriebe, bei denen die Erfassung der Wicklungstemperatur durch temperaturabhängige Fühler erfolgt, denen ein Auswertegerät nachgeschaltet ist.
Asynchronmotoren und unter diesen hauptsächlich Drehstrommotoren, sind die häufigsten und zugleich einfachsten Antriebsmaschinen. Sie sind durch problemlosen Aufbau, grosse Betriebssicherheit und grundsätzlich sehr lange Lebensdauer ausgezeichnet. Die einzigen Gefahrenquellen sind starke Überlastung und Ausfall einer Phase des speisenden Drehstromnetzes, ganz besonders zum Zeitpunkt des Einschaltens beim stehenden Motor. In diesem Fall entsteht kein resultierendes Drehfeld, der Motor kann nicht hochlaufen und die Wicklungen durchfliesst ein Strom, der ein Mehrfaches des Nennstromes bei gleichzeitigem Wegfall der Ventilation beträgt.
Wenn nun der Motor nicht sofort vom Netz getrennt wird, heizt sich die Motorwicklung sehr stark auf und erreicht in kurzer Zeit eine so hohe Temperatur, dass das Isolationssystem zusammenbricht und die Wicklung durch nachfolgende Windungs- und Phasen- oder Eisenschlüsse bis zum Ausbrennen zerstört werden kann.
Es sind zahlreiche Schutzeinrichtungen bekannt, die ein rechtzeitiges Abschalten des Motors bei Überlast oder Netzstörung bewirken. Im grossen und ganzen lassen sich die Schutzeinrichtungen in zwei Gruppen teilen : Bei der einen spricht der Auslöser auf den Strom direkt an, bei der andern auf die Wicklungstemperatur.
Als stromabhängige Auslöser gelten Schmelzsicherungen, welche als Schutz speziell von Drehstrommotoren, wegen der Einzelleiterunterbrechung allerdings unverwendbar sind, direkt oder indirekt geheizte Bimetallschalter und elektro-magnetische Einrichtungen. Grundsätzlich fallen auch elektronische Schaltungen hierher, die auf die Stromanstiegsgeschwindigkeit reagieren, sie können aber ebenso wie Phasenausfallrelais nur Teil einer Schutzeinrichtung sein, da einfache Überlastfälle damit allein nicht zu beherrschen sind.
Als temperaturabhängige Auslöser sind in der Wicklung befindliche Bimetallschalter, Thermoelemente und nicht-lineare Temperaturfühler, hauptsächlich sogenannte Kaltleiter mit einer sehr ausgeprägten Knickstelle in ihrer Temperatur-Widerstandscharakteristik, in Verwendung.
Bleiben die Schmelzsicherungen von den weiteren Ausführungen ausgenommen, so können nur einige der genannten Auslöser die Ströme kleiner Motoren direkt schalten. Das bedeutet, dass bei Motorleistungen über 1 - 2 kW etwa, grundsätzlich der Auslöser einen Schalter betätigen bzw. ansteuern muss. Durch die Anschlussbestimmungen der einzelnen EVUs bedingt, dürfen Motoren ab einer vom jeweiligen Elektro-Ver- sorgungs-Unternehmen festgelegten Leistung nicht mehr direkt, sondern nur über Sterndreieckanlauf, in Sonderfällen unter Umständen mit Serien-Parallel-Schaltung an das Niederspannungsnetz geschaltet werden.
Motoren ab einer Leistung von ungefähr 5 kW, wobei diese Grenze regional stark verschieden ist, müssen daher entweder mit einem handbetätigten Anlaufschalter oder einer Sterndreieckschützkombination, die zumeist mit automatischer Schaltfolge arbeitet, ausgerüstet sein. Während nun das Ansteuern der Schützkombination durch irgendeinen der vorhin genannten Auslöser problemlos ist, kann ein handbetätigter Anlaufschalter, beispielsweise ein Sterndreiecknockenschalter üblicher Bauart, nicht angesteuert werden. Es müsste in diesem Fall ein Trennschütz eingefügt werden. Im Leistungsbereich bis etwa 20 kW sind aber Sterndreieckschützkombinationen entschieden teurer als handbetätigte Schalter und erfordern überdies ein grösseres Einbauvolumen, so dass gerade der Bereich zwischen 5 und 20 kW keine besonders kostengünstige und platzsparende Lösung hat.
Zu den gefährdetsten Drehstrommotoren gehören die Antriebe von Schweissumformern. Sie fallen in den vorhin genannten Leistungsbereich und sollen als ortsveränderliche Geräte möglichst raumsparend gebaut werden. Die Gefährdung resultiert hauptsächlich aus dem Einsatz auf Baustellen, wo vielfach
Schmelzsicherungen vorgesetzt sind, die im häufigsten Fehlerfall nur eine Netzphase unterbrechen.
Schützkombinationen stehen bei Schweissumformern wegen ihres hohen Preises und Raumbedarfes nur recht selten im Einsatz. Hingegen werden Trennschütze im Zusammenwirken mit handbetätigten Anlassschaltern bei hochwertigen Schweissumformern verwendet.
Eine weitere Besonderheit von Schweissumformern für Baustelleneinsatz ist die Auslegung des Antriebsmotors für verschiedene, durch Umlegen der Laschen einstellbare Netzanschlussspannungen. Bei Verwendung eines Trennschützes müsste noch ein umschaltbarer Steuertransformator hinzukommen, um die
Schützspule der jeweiligen Netzspannung anzupassen. Der Motorschutz wird damit recht aufwendig.
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Wegen der Notwendigkeit verschiedener Anschlussspannungen scheiden sämtliche stromabhängigen Auslöser aus, da ein Justieren auf so verschiedene Motorströme nicht möglich ist und von dem Bedienenden auch gar nicht verlangt werden könnte. Ein weiteres Hindernis gegen stromabhängige Auslöser entsteht aus der Belastungsart von Schweissgeräten. Nebn dem Dauerbetrieb sind kurzzeitig wesentlich höhere, mit der Wärmekapazität der Wicklung in Einklang stehende Kurzzeitbelastungen üblich.
Infolge des sehr grossen Unterschiedes zwischen der Wärmekapazität der Wicklung und des auslösenden Bimetallelements gelangt man hinsichtlich der Dimensionierung in unbefriedigende Grenzbereiche. Entweder findet die Auslösung beim Kurzzeitbetrieb statt oder der Motor ist bei Dauerlast nicht mehr zuverlässig geschützt. Zusätzlich ist noch das relativ breite Toleranzband derartiger Auslöser zu berücksichtigen, womit eine genaue Einstellung bei Ausnutzung bis an die Grenze der Maschine zum Problem wird.
In der AT-PS Nr. 294956 ist ein Schaltelement in Form eines Schaltröhrenrelais beschrieben, dessen Kennzeichnung eine bestimmte Lage im Schaltkreis und eine bestimmte Anordnung von einem Permanentmagneten darstellt. Bei diesem bekannten Gegenstand ist kein handbetätigter Anlassschalter möglich.
Ferner liegen beim Gegenstand der obigen AT-PS die Kaltleiter direkt im Relaiskreis.
Zur Abrundung des Standes der Technik wird noch bemerkt, dass beim Gegenstand der DE-OS 1463347 die PTC-Fühler direkt im Relaiskreis liegen. In der DE-AS 1289172 sind PTC-Fühler beschrieben, die zusammen mit Schütz, Gleichrichter und Teilerwiderstand direkt an Netzspannung liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schutzschaltung für Asynchronmotoren zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermeidet und trotzdem, beispielsweise bei Schweissmaschinen, für verschiedene Netzspannungen geeignet ist.
Die Schutzschaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertegerät über einen mit einer Auslösespule versehenen Auslösekreis mit einem handbetätigten Anlassschalter verbunden ist, der bei Auftreten eines Fehlers eine selbsttätige, durch einen Federspeicher hervorgerufene Trennung der Maschine vom Netz bewirkt und dass die Spannungsversorgung des Auslösekreises über einen Wicklungsteil dieser Maschine erfolgt.
Die erfindungsgemässe Schutzschaltung kommt ohne Trennschütz und dem dafür notwendigen Steuertrafo aus, obwohl die Anordnung für verschiedene Netzspannungen geeignet ist. Ausserdem kann mit gleichbleibenden Komponenten, ohne Zusatz, nur durch die Art der Schaltung, in vorteilhafter Weise eine Wiederanlaufsperre bei Netzunterbrechung und eine direkte Unterspannungsauslöse erreicht werden.
Dadurch, dass die Spannungsversorgung des Auslösekreises über einen Wicklungsteil der elektrischen Maschine erfolgt, wird der Steuertrafo vermieden, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass das Maschinenfeld mit praktisch konstanter Flussdichte umläuft und demnach ein Wicklungsteil stets konstante Spannung aufweist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt das Aufziehen des Federspeicher beim Quittieren nach einer erfolgten Auslösung. Dadurch ist die Funktion dieser Schutzschaltung mit einfachen Mitteln gewährleistet.
Gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erhält beim Einschaltvorgang des Motors das Auswertegerät die Spannungsversorgung durch einen voreilenden Kontakt im Anlassschalter früher als der Auslösekreis bzw. der Auslösekreis über einen nacheilenden Kontakt im Anlassschalter die Bereitschaft zur Auslösung verspätet. Dadurch wird das händische Abschalten der Maschine, wie später näher erläutert, sehr erleichtert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist unabhängig von dem Zustand der Temperaturfühler der Auslösekreis für eine kleinere Ansprechspannung bemessen als das Signalrelais im Auswertegerät, wobei auch die Verzögerungswerte in zeitlicher Hinsicht im Auslösekreis kleiner sind als im Auswertegerät. Dadurch ergeben sich Vorteile bei einer Spannungswiederkehr bei stehendem, aber in Betriebsstellung verbliebenem Schalter, wie später noch näher aufgezeigt wird.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Erläuterung erfolgt am Beispiel eines Schweissumformers für die Netzanschlussspannungen 220/380/440/500 V bei 50 Hz und 220/440 V bei 60 Hz.
Von den temperaturabhängigen Auslösesystemen bieten Kaltleiterfühler mit Auswertegerät die grösste Zuverlässigkeit, sind allerdings teurer als Bimetallschnappschalter. Letztere aber besitzen einen entscheidenden technischen Nachteil : Bei sehr hohen Aufheizgradienten ergibt sich ein beträchtlicher thermischer Nachlauf für den Bimetallschnappschalter, so dass zum Abschaltzeitpunkt die Wicklung schon
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weit darüber liegt, ausserdem kann der Schnappschalter durch die weitere Aufheizung infolge Angleichs an die Temperatur der Wicklung Beschädigungen bzw. Schaltpunktverschiebungen erleiden.
Die Kaltleiter- fühler-l, 2, 3--liegen, in bekannter Weise auf die 3 Phasen aufgeteilt, in den Wicklungsteilen--4, 5, 6-- der Ständerwicklung des Antriebsmotors --7-- sorgfältig eingebettet.
Das Auswertegerät --8--, welches in Abhängigkeit von dem Summenwiderstand der Kaltleiterfühler - l, 2, 3-- über das Signalrelais --11-- das Auslösesignal abgibt, liegt über einen Spannungswähler am Netz, was bei einer Stromaufnahme von wenigen mA kein Problem darstellt. Einen später noch zu erläuternden Vorteil bringt es, wenn der Kontakt --9-- des Signalrelais im spannungsfreien (Ruhe-) Zustand dieselbe Stellung hat wie er sie betriebsmässig zur Weitergabe des Auslösesignal im Fehlerfall einnimmt.
Als Schalter wird ein handbetätigter Anlassschalter --13-- verwendet, der jedoch die Möglichkeit besitzt, durch Anlegen einer Spannung bzw. eines Stromimpulses, den Motor vom Netz zu trennen.
Zweckmässig ist es, wenn der Bedienende vor neuerlichem Hochfahren des Umformers die elektromagnetisch erfolgte Auslösung erst quittieren muss, etwa dadurch, dass er den Schaltergriff - obwohl der Umformer bereits steht - händisch in die 0-Stellung bringen muss. Vorteilhaft ist es, wenn mit dieser Quittierung gleichzeitig der Federspeicher für die nächste Auslösung wieder aufgezogen wird. Der Anlassvorgang kann durch die übliche Sterndreieckschaltung bewirkt werden oder bei spannungsumschaltbaren Motoren für Schweissumformer fallweise auch durch Serien-Parallel-Schaltung.
Die Leistungsversorgung der Auslösespule --12-- des handbetätigten Schalters --13-- wird zur Vermeidung eines Steuertrafos vom Wicklungsteil --6-- des Motors entnommen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass das Motorfeld mit praktisch konstanter Flussdichte umläuft, sofern nur die Laschenstellung des Anschlussklemmbrettes --14-- mit der vorhandenen Netzspannung in Übereinstimmung gebracht wird und demnach ein bestimmter Wicklungsabschnitt stets konstante Spannung aufweist. Diese Trennung des Auslösekreises vom Netz bringt aber noch einen weiteren wesentlichen Vorteil : Unterspannungsauslösung und Wiederanlaufsperre, sollte das Netz bei unbeaufsichtigter Maschine ausgefallen sein und die wiederkehrende Spannung den in Dreieck geschalteten, aber stehenden Umformer treffen.
Die einzelnen Betriebs- und Auslösefälle mit den dafür notwendigen Schaltungen werden wie folgt erklärt, woraus der umfassende Schutz dieses Systems zu erkennen ist, das mit wenigen raumsparenden Komponenten gebaut wird, wobei die Vorteile nicht allein aus der geringen Zahl der Komponenten kommen, sondern auch aus der schaltungsmässigen Verknüpfung resultieren, was den Schutzumfang über die reine Temperaturauslösung hinaus vergrössert.
1. Einschalten bei ordnungsgemässem Netz : Das Auswertegerät --8-- wird über einen voreilenden
Kontakt im Schalter --13-- an Netzspannung gebracht oder bleibt, was bei zirka 1 VA-Aufnahme problemlos ist, überhaupt am Netz. Dadurch gelangt das Signalrelais --11-- von der Ruhe- stellung --9-- auf Betriebsstellung --10--, der Auslösekreis --6, 10, 12-- ist unterbrochen.
Beim Weiterschalten erhält die Motorwicklung Spannung und läuft hoch. Würde diese zeitliche
Verschiebung nicht gemacht werden, käme sofort eine Auslösung des Schalters --13--.
2. Überlastung des Motors bei ordnungsgemässem Netz : Die Fühler --1, 2, 3-- reagieren mit
Widerstandserhöhung, das Auswertegerät --8-- lässt das Signalrelais --11-- auf Ruhestellung - abfallen, die Spannung am Motorwicklungsteil --6-- schaltet über die Auslösespule --12-- den Schalter --13-- ab.
3. Händisches Abschalten : Liegt das Auswertegerät --8-- ständig am Netz, ist das Ausschalten problemlos. Ist das Auswertegerät --8-- jedoch über einen voreilenden Kontakt im Schalter --13-- an das Netz gelegt, so fällt das Signalrelais --11-- in die Ruhestellung --9-- zurück, ehe das Restfeld des auslaufenden Asynchronmotors den Ansprechwert für die Auslösespule - -12-- unterschritten hat. Es würde daher unmittelbar nach der händischen Abschaltung noch die magnetische Auslösung erfolgen, was für die Bedienung störend ist.
Es muss daher der
Auslösekreis über den in 0-Stellung des Schalters --13-- offenen Eckpunkt des Wicklungsteiles - geführt werden, womit der Auslösekreis unterbrochen wird, bevor das Signalrelais --11-- in die Ruhestellung zurückfällt.
4. Einschalten bei gestörtem Netz : Fehlt eine der beiden das Auswertegerät --8-- versorgenden
Netzphasen, so bleibt das Signalrelais --11-- auf Ruhestellung --9-- und die auch bei
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stillstehendem Motor am Wicklungsteil --6-- induzierte Spannung löst sofort über die Auslösespule --12-- aus, wobei diese Spule so dimensioniert sein muss, dass die kleinste, beim
Ausfall einer Phase im Wicklungsteil --6-- noch induzierte Spannung die Auslösung sicher bewirkt. Im Durchschnitt bleiben 30% der Nennspannung stehen, und da es sich hier nur um
Kurzbelastungen handelt, treten trotz magnetischer Dimensionierung für 30% der Nennspannung keine thermischen Probleme auf. Es kann also gar nicht eingeschaltet werden. Fehlt die
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Phase, so ist das der ungünstigste Fall für die Wicklung, ein Teil davon heizt sich auf und löst erst über die Temperatur aus.
5. Unterspannung bei laufendem Umformer : Wird das Signalrelais --11-- so dimensioniert, dass es bei etwa 0, 8 der Nennspannung abfällt, dann findet die Auslösung bei dieser Unterspannung statt, ohne erst die folgende mögliche Erwärmung abzuwarten. Dadurch wird zweifellos das
Isoliersystem geschont.
6. Ausfall irgendeiner Phase bei laufendem Umformer : Diese Netzstörung ist bei leerlaufendem oder schwach belastetem Umformer ohne Gefahr, daher erfolgt die Auslösung im allgemeinen erst über die Temperatur des überlasteten Wicklungsteiles, falls die Belastung gross genug gewesen ist.
Durch das umlaufende Motorfeld wird auch in den zur ausgefallenen Phase gehörenden
Wicklungsteilen nahezu die Nennspannung induziert, womit stets eine ausreichende Auslöse- energie am Wicklungsteil --6-- zur Verfügung steht.
7. Totaler Netzausfall bei laufendem Umformer : Der Umformer läuft wegen seiner grossen
Schwungmasse allmählich aus. Das im Läufer im Augenblick der Netzunterbrechung fixierte volle
Drehfeld klingt rasch ab, jedoch fällg wegen der unterschiedlichen Dimensionierung das Signalrelais-II-, sofern es im Abfall unverzögert oder nur schwach verzögert ausgelegt ist, früher ab als die Spannung im Wicklungsteil-6-- unter die Auslösegrenze abgesunken ist.
Damit löst wieder der Schalter --13-- aus.
8. Spannungswiederkehr bei stehendem, aber in Betriebsstellung verbliebenem Schalter --13-- : Die wiederkehrende Spannung gelangt gleichzeitig in das Auswertegerät und an die Motorwicklung.
Wegen der unterschiedlichen Dimensionierung - die Auslösespule --12-- spricht bereits bei 30% der Nennspannung an, das Signalrelais-11-- erst bei 80%-erfolgt die sofortige Auslösung, ehe noch das, überdies durch eine Siebkette schwach anzugsverzögerte Signalrelais --11--, in die Ruhestellung --9-- gelangen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schutzschaltung für elektrische Maschinen, insbesondere für Asynchronmotoren als Schweissumformerantriebe, bei denen die Erfassung der Wicklungstemperatur durch temperaturabhängige Fühler erfolgt, denen ein Auswertegerät nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertegerät (8) über einen mit einer Auslösespule (12) versehenen Auslösekreis mit einem handbetätigten Anlassschalter (13) verbunden ist, der bei Auftreten eines Fehlers eine selbsttätige, durch einen Federspeicher hervorgerufene Trennung der Maschine (7) vom Netz bewirkt, und dass die Spannungsversorgung des Auslösekreises über einen Wicklungsteil (6) dieser Maschine (7) erfolgt.