BE1027539B1

BE1027539B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes sowie Hybrid-Motorstarter

Info

Publication number: BE1027539B1
Application number: BE20195576A
Authority: BE
Inventors: Dirk Plewka; Matthias Borutta
Original assignee: Phoenix Contact Gmbh & Co
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-03-29
Also published as: WO2021043769A1; DE112020004165A5; BE1027539A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes, wobei das Drehfeld durch drei phasenmäßig versetzte Wechselströme erzeugt wird. Das Drehfeld entspricht einem sich drehenden Magnetfeld. Bei dem Verfahren wird die Stromstärke der Wechselströme in zwei der drei Phasen (L1, L2, L3) erfasst. Zur Ermittlung der Drehrichtung wird der Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität in einer Phase (L1, L2, L3) ermittelt, und ausgehend von diesem Punkt die Polarität einer Anzahl aufeinanderfolgender Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) erfasst. Die Auswertung dieser Messwerte erfolgt dahingehend, dass ermittelt wird, welcher Anteil der Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) eine bestimmte Polarität aufweist, um die Drehrichtung des Drehfeldes zu ermitteln.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes sowie Hybrid-Motorstarter Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes.

Der Vorschlag betrifft weiterhin einen Hybrid- Motorstarter, der zur Ansteuerung von Drehstrom-Elektromotoren dient.

Insbesondere im Industrie- und Anlagenbau werden vielfach Elektromotoren zum Antrieb von unterschiedlichen Maschinen, Pumpen usw. eingesetzt.

Viele Motoren werden mit Drehstrom betrieben.

Ein Motortyp, der mit Drehstrom betrieben wird, ist der Drehstrom-Asynchronmotor.

Es gibt diese Motoren in unterschiedlichen Leistungsklassen.

Solche Motoren können bei Fehlzuständen enormen Schaden an den Maschinen anrichten und sind auch selbst teuer und müssen selber geschützt werden, z.B. vor Überhitzung.

Zum Schalten, zur Überwachung und zum Schutz dienen Motorschutz- und Schützschaltungen oder auch Wendeschützschaltungen, mit denen z.B. auch die Drehrichtung des Motorlaufs umgekehrt werden kann.

Solche Wendeschützschaltungen werden typischerweise in Schaltschränken an Tragschienen, auch Hutschienen genannt, montiert.

Diese Wendeschützschaltungen werden zunehmend von Hybrid- Motorstartern abgelöst, die Elektronik beinhalten, flexibler einsetzbar sind und geringerem Verschleiß unterliegen.

Zur Überwachung des Motorlaufs werden vielfach noch separate Schaltungen eingesetzt, die auch eine Drehfelderkennung ermöglichen.

Es gibt eine VDE- Richtlinie, die vorschreibt, dass Drehstrominstallationen so erfolgen sollen, dass die drei Phasen L1 bis L3, wenn korrekt an den Elektromotor angeschlossen, ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen, dessen Drehrichtung der Rechtsdrehrichtung entspricht.

Es gibt spezielle Drehrichtungsanzeiger, die zur Überprüfung der Drehstrominstallationen dienen.

Das sind Messgeräte, die der Elektroinstallateur verwendet.

Daneben gibt es Unterspannungsmess-Relais mit Drehfelderkennung, die ebenfalls in den Schaltschränken zusätzlich installiert werden, um eine dauerhafte Drehfeldüberwachung zu ermöglichen.

Bei diesen werden alle drei Phasen der Drehstromleitung überwacht. Sinkt die Spannung einer der drei angeschlossenen Phasen unter den eingestellten Wert, fällt das Relais nach Ablauf der eingestellten Zeitverzögerung in seine Ruhelage zurück und schaltet damit den Drehstrom-Elektromotor ab.

Aus der DE 10 2016 203 755 A1 ist ein Motorstarter und ein zugehöriges Diagnoseverfahren bekannt. Dieser ist in der ersten und zweiten Phase mit einem passiven Überstromschutz versehen.

Aus der US 4 887 018 und US 5 003 242 sind Motorstarter bekannt, bei denen eine Drehfelderkennungsschaltung eingesetzt wird.

Die bekannten Lösungen haben allerdings den Nachteil, dass die Drehfelderkennung eine Überwachung der drei Phasen voraussetzt, wobei der Hardwareaufwand erhöht ist.

Es besteht deshalb der Bedarf für eine verbesserte Lösung zur Drehfelderkennung, die mit weniger Hardwareaufwand auskommt. Dies wurde im Rahmen der Erfindung erkannt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes gemäß Anspruch 7 und einen Hybrid-Motorstarter gemäß Anspruch 14 gelöst.

Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.

Der erfindungsgemäße Vorschlag betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes, wobei das Drehfeld durch drei phasenmäßig versetzte Wechselströme erzeugt wird. Nach VDE-Richtlinie werden die Phasen bei den Drehstrom-Steckdosen immer so angeschlossen, dass sich ein rechtsdrehendes Drehfeld ergibt. Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung überwacht, die lediglich zwei der drei Phasen auswertet. Es wird in zwei Phasen die Stromstärke und Polarität der Wechselströme erfasst. Dies geschieht erfindungsgemäß so, dass der Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität in einer der beiden überwachten Phasen ermittelt wird und, dass ausgehend von diesem Punkt die Polarität einer Anzahl aufeinanderfolgender Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen der beiden Phasen erfasst wird und, dass eine Auswertung erfolgt, welcher Anteil der Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase eine bestimmte Polarität aufweist, um die Drehrichtung des Drehfeldes zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt mit lediglich zwei Stromwandlern aus, die benötigt werden, um den Drehsinn erfassen zu können. Dies spart Material und Herstellungskosten.

Dabeiist es für den Auswertealgorithmus vorteilhaft, wenn der zu bestimmende Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität bei der ersten Phase dem Übergang von negativer zu positiver Polarität entspricht. Dieser Punkt lässt sich in den Abtastwerten der entsprechenden Phase schnell und zuverlässig bestimmen. In einer anderen Ausgestaltung wäre es auch möglich, den Übergangspunkt von positiver zu negativer Polarität zu ermitteln.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante wird die Anzahl der aufeinanderfolgenden Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen der beiden Phasen so bemessen, dass die Momentanwerte in einer Viertelperiodendauer des Wechselstroms ab dem ermittelten Übergangspunkt erfasst werden. Dies ist ein guter Kompromiss, um eine sichere Erkennung des Drehsinns zu erzielen und gleichzeitig eine schnelle Erkennung zu ermöglichen, damit bei Erkennung eines unerwünschten Drehsinns eine schnelle Abschaltung und Fehleranzeige möglich wird.

In einer Ausführungsform sind die beiden Phasen, an die die Stromwandler angeschlossen werden, die erste L1 und die zweite Phase L2. Bei dieser

Variante ist es vorteilhaft, wenn der Auswertealgorithmus so arbeitet, dass auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn die Anzahl der bei der zweiten Phase L2 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase L1 bei größer als zwei Dritteln der insgesamt in T/4 ermittelten Momentanwerte liegt. Die ideale Signalform bei korrekter Installation zeigt sogar, dass alle in diese Messperiode fallenden Abtastwerte die negative Polarität aufweisen sollten. In einer zweiten Ausführungsform werden die erste Phase L1 und die dritte Phase L3 für die Messwerterfassung ausgewählt. Dafür wird dann ein Auswertealgorithmus eingesetzt, der so arbeitet, dass auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn kein linksdrehendes Drehfeld anliegt. Der Auswertealgorithmus ermittelt zunächst, ob ein linksdrehendes Drehfeld anliegt. Ein linksdrehendes Drehfeld erkennt der Auswertealgorithmus daran, dass die Anzahl der bei der dritten Phase L3 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase L1 bei größer als zwei Dritteln der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt. Diese Variante hat den Vorteil der höheren Zuverlässigkeit der Drehfelderkennung, insbesondere wenn kleine Phasenverschiebungen zwischen den Phasen der Drehstromleitung vorkommen. Gemäß einer dritten Variante, werden die zweite Phase L2 und die dritte Phase L3 erfasst, wobei durch den Auswertealgorithmus auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn die Anzahl der bei der dritten Phase L3 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Ubergangswertes bei der zweiten Phase L2 bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt. Auch diese Variante bietet die gleichen Vorteile.

Bei allen drei Varianten kann ein Fehlerzustand ausgegeben werden, wenn der Auswertealgorithmus einen anderen Zustand feststellt.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für diese Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Eingangsanschlüsse für die Anschaltung der drei Phasen einer Drehstromleitung aufweist, und die Vorrichtung mit zwei Stromwandlern 5 ausgestattet ist, die zur Erfassung der Stromstärke und Polarität bei zwei ausgewählten Phasen der Drehstromleitung dienen. Zusätzlich ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung eine Auswerteelektronik aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Zeitpunkt zu bestimmen, um eine Messwerterfassung für die Momentanwerte bei der zweiten der zwei Phasen zu starten und eine Auswertung der erfassten Messwerte vorzunehmen, um die Drehrichtung des Drehfeldes zu bestimmen. Die Vorrichtung kommt mit nur zwei Stromwandlern aus, um die Drehrichtung erfassen zu können. Für die Vorrichtung ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Auswerteelektronik ausgelegt ist, den Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität in der ersten der beiden Phasen, deren Momentanwerte der Stromstärke durch die beiden Stromwandler erfasst werden, zu bestimmen, der Art, dass der Zeitpunkt für den Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität beider ersten der beiden Phasen dem Zeitpunkt des Wechsels von negativer zu positiver Polarität entspricht. Dies entspricht der entsprechenden Maßnahme bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bietet den gleichen Vorteil, dass sich dieser Punkt in den Abtastwerten der entsprechenden Phase schnell und zuverlässig bestimmen lässt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung besteht darin, dass die Auswerteelektronik so ausgelegt wird, dass sie die Anzahl der aufeinanderfolgenden Momentanwerte der Stromstärke und Polarität bei der anderen Phase so bemisst, dass die Momentanwerte in einer Viertelperiodendauer des Wechselstroms erfasst werden. Dies entspricht der Realisierung eines günstigen Kompromisses bzgl. Zuverlässigkeit der Drehsinnerkennung und Schnelligkeit der Drehsinnerkennung.

Die beschriebenen drei Varianten der Realisierung des Auswertealgorithmus sind alle gleich vorteilhaft. In der ersten Variante werden die beiden Phasen L1 und L2 der Wechselstromleitung für die Auswertung eingesetzt. Die Auswerteelektronik ist dabei so ausgelegt, dass sie ein rechtsdrehendes Drehfeld daran erkennt, dass die Anzahl der bei der zweiten Phase L2 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase L1 bei größer als zwei Dritteln der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

Bei der zweiten Variante werden die beiden Phasen L1 und L3 der Wechselstromleitung für die Auswertung eingesetzt. Die Auswerteelektronik ist dabei so ausgelegt ist, dass sie ein rechtsdrehendes Drehfeld daran erkennt, dass kein linksdrehendes Drehfeld anliegt. Dies entspricht der bereits oben beschriebenen zweiten Variante für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung des Drehsinns eines Drehfeldes. Ein linksdrehendes Drehfeld wird wieder daran erkannt, dass die Anzahl der bei der dritten Phase L3 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase L1 bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

Bei der dritten Variante werden die beiden Phasen L2 und L3 der Wechselstromleitung für die Auswertung eingesetzt. Die Auswerteelektronik ist so eingerichtet, dass sie die beiden Phasen L2 und L3 der Wechselstromleitung für die Messwerterfassung einsetzt. Die Auswerteelektronik ist hier so ausgelegt, dass sie ein rechtsdrehendes Drehfeld daran erkennt, dass die Anzahl der bei der dritten Phase L3 ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der zweiten Phase L2 bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

Eine vorteilhafte Abtastrate für die Auswerteelektronik, um die Momentanwerte der Stromstärke und Polarität zu erfassen, entspricht einer Abtastrate von 4k Abtastwerten pro Sekunde.

Die beschriebene Drehfelderkennung kann ebenfalls in mobilen oder fest installierten Messgeräten wie in einem Unterspannungsmess-Relais eingesetzt werden.

Sehr vorteilhaft kann die beschriebene Vorrichtung bei einem Hybrid- Motorstarter für die Ansteuerung eines Drehstrom-Elektromotors eingesetzt werden. Der Hybrid-Motorstarter ist typischerweise mit einer programmierbaren Elektronik ausgestattet, die auch den Auswertealgorithmus ausführen kann. Der Messaufwand ist gering, weil nur bei zwei Phasen Abtastwerte erfasst werden müssen. Der Hardwareaufwand ist ebenfalls reduziert, weil nur bei zwei Phasen Messwerte erfasst werden müssen. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe eines Auswertealgorithmus, der von einer programmierbaren Recheneinheit abgearbeitet wird, wie Mikrocontroller, FPGA, ASIC usw. Diese Lösung kann so einfach in einem Hybrid-Motorstarter integriert werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes; Fig. 2 ein Flussdiagramm für einen Auswertealgorithmus zum Test, ob ein rechtes Drehfeld installiert wurde, durch Auswertung der Phasen L1 und L3; Fig. 3 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei Installation eines rechtsdrehenden Drehfeldes für den Auswertealgorithmus nach Fig. 2; Fig. 4 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei Installation eines linksdrehenden Drehfeldes und Auswertung der Phasen L1 und L3;

Fig. 5 ein Flussdiagramm für einen Auswertealgorithmus zum Test, ob ein rechtes Drehfeld installiert wurde, und Auswertung der Phasen L1 und L2; Fig.6 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei Installation eines rechtsdrehenden Drehfeldes und Auswertung der Phasen L1 und L2; Fig. 7 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei entsprechender Installation eines linksdrehenden Drehfeldes und Auswertung der Phasen L1 und L2; Fig. 8 ein Flussdiagramm für einen Auswertealgorithmus zum Test, ob ein rechtes Drehfeld installiert wurde, und Auswertung der Phasen L2 und L3; Fig. 9 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei Installation eines rechtsdrehenden Drehfeldes und Auswertung der Phasen L2 und L3;

Fig. 10 ein Signaldiagramm mit den Stromverläufen bei den drei Phasen einer Drehstromleitung bei Installation eines linksdrehenden Drehfeldes und Auswertung der Phasen L2 und L3; und Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Hybrid-Motorstarters, der eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes enthält.

Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäRen Offenbarung.

Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäRfen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes.

Die drei Phasen der Drehstromleitung 5 sind mit L1 bis L3 bezeichnet.

Der Neutralleiter N und der Schutzleiter PE sind zwar in der Drehstromleitung 5 vorhanden, allerdings zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt.

Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Vorrichtung, die zwischen einer Drehstrom-Last 20 und der Drehstromleitung 5 geschaltet wird.

Diese Vorrichtung 10 dient auch zum Schutz der Drehstromanwendung.

Typische Drehstromlasten sind Drehstrom-Elektromotoren und Heizgeräte, wie Elektroherde, Durchlauferhitzer und Warmwasserspeichergeräte.

Die

Hauptanwendungen für Drehstrom sind die Elektromotoren, bei denen das sich drehende Magnetfeld einen Läufer antreibt.

Dazu wird nachfolgend noch ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.

Mit der Bezugszahl 12 sind zwei Stromwandler bezeichnet, die die Messwerterfassung in zwei Phasen der Drehstromleitung 5 ermöglichen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste

Stromwandler 12 an die erste Phase L1 angeschlossen und der zweite Stromwandler 12 an die dritte Phase L3. Für die zweite Phase L2 ist kein Stromwandler vorgesehen.

Typische Stromwandler sind Transformatoren, kleiner Leistung, die hohe Ströme in leicht messbare Werte transformieren.

In einer Variante wird die Eingangswicklung in den Leiter der jeweiligen Phase L1,

L2 geschaltet und wird von dem zu messenden Strom durchflossen.

An die Ausgangswicklung wird z.B. ein konventioneller Strommesser (Ampere-Meter) angeschlossen.

Dadurch, dass die Primärwicklung nur wenige Windungen oder sogar nur eine Windung aufweist, die Sekundärwicklung hingegen eine wesentlich größere Zahl von Windungen, können hohe Stromwerte von einigen

Hundert Ampere mit konventioneller Messtechnik (Ampere-Metern) erfasst werden.

Eine andere Variante von Stromwandlern sind sogenannte Durchsteck- Stromwandler, durch die der Leiter, dessen Strom erfasst werden soll, hindurch gesteckt wird.

Damit können sogar noch höhere Stromwerte erfasst werden.

Dies ist vorteilhaft für Leiter, die z.B.

Stromschienen betreffen, die aber nicht mehr mit geringem Aufwand gewickelt werden können.

Eine dritte Variante von Stromwandlern 12, die ebenfalls bei der beschriebenen Vorrichtung einsetzbar sind, sind Halleffekt-Stromwandler.

Bei diesen wird der Hall-Effekt ausgenutzt, der darin besteht, dass in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet, eine elektrische Spannung generiert wird. Solche Hall-Generatoren werden typischerweise flächig ausgeführt, wobei ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt wird, das senkrecht zu dem flächigen Leiter ausgerichtet ist. Die Hall-Spannung wird an den äußeren Rändern des flächigen Leiters quer zur Stromrichtung abgegriffen. Die Messwerte werden von der Auswerteelektronik 14 der Vorrichtung erfasst und für die Auswertung zwischengespeichert. Die Auswerteelektronik 14 kann als Mikrocontroller ausgeführt sein. Dieser ist mit A/D-Wandler und Abtasteinheit ausgestattet, um aufeinanderfolgende Messwerte zu erfassen. Er beinhaltet ebenfalls einen Speicher (z.B. CMOS-RAM-Speicher), um die Messwerte zwischen zu speichern. Die Hauptkomponente ist ein Mikrorechner, der programmierbar ist und den Auswertealgorithmus ausführt. Eine weitere Komponente ist eine Ausgabeeinheit, über die die verschiedenen Schaltsignale ausgegeben werden. Darüber wird dann z. B. die Last an die Drehstromleitung angeschaltet, wenn die Auswertung der Messwerte zum Ergebnis hat, dass eine korrekte Strominstallation vorliegt. Dazu können die einzelnen Phasen überwacht werden, z.B. mit einem hochohmigen Messwiderstand (nicht dargestellt), um zu testen, ob die jeweilige Phase L1, L2, L3 überhaupt Strom führt. Dies kann aber ebenfalls davon abhängig gemacht werden, ob die Installation die Phasen auch korrekt belegt hat, damit sich ein Drehfeld mit Rechtsdrehsinn ergibt. Dies ist nach VDE für eine Drehstrominstallation vorgeschrieben.

Um den Drehsinn messtechnisch zu erfassen, werden die beiden Stromwandler 12 eingesetzt. Bei der ersten Variante wird die Vorrichtung 10 so installiert, dass die beiden Stromwandler 12 an die Phasen L1 und L3 angeschlossen werden. Für diese Variante wird ein Auswertealgorithmus eingesetzt, dessen Flussdiagramm in der Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Auswertealgorithmus arbeitet in folgender Weise. Der Start des Programms ist mit der Bezugszahl 50 bezeichnet. Das Programm kann bei erstmaliger Anschaltung an das Versorgungsnetz gestartet werden. Bevorzugt wird das Programm von einem Timer, der z.B. in dem Mikrocontroller enthalten sein kann, periodisch gestartet.

Das hat den Vorteil, dass eine laufende Überwachung der Installation erfolgt und auch Fehler erkannt werden können, die im laufenden Betrieb der Anlage auftreten.

Im Programmschritt 51 wird der Startpunkt gesucht, ab dem eine Messwerterfassung erfolgen soll.

Dazu wird ein besonderer Signal-Übergang ÜUL1 auf der ersten Phase L1 gesucht.

Bevorzugt wird der Signal-Übergang so ermittelt, dass die Polarität der Momentanwerte der erfassten Stromstärke erfasst wird und als Signal-Übergang bei Phase L1 derjenige Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die Polarität der Messwerte von negativer Polarität nach positiver Polarität wechselt.

Nachdem dieser Signal-Übergang gefunden wurde, startet im

Programmschritt 52 die Messwerterfassung bei der dritten Phase L3. Die Messwerte werden für die Dauer von einem Viertel der Periodendauer T des Wechselstroms bei Phase L3 erfasst.

Das passende Signaldiagramm ist in Fig. 3 gezeigt.

Die Netzfrequenz beträgt in

Deutschland 50 Hz.

Ein Viertel der Periodendauer T entspricht daher einer Zeitspanne von 5 ms.

Die Abtastrate für die Messwerterfassung liegt im Bereich von kS/s.

Bei den gezeigten Signaldiagrammen in den Figuren betrug die Abtastrate 4 kS/s.

Sie kann aber auch darunter oder auch darüber liegen.

Die Fig. 3 zeigt ein Signaldiagramm, bei dem das Wechselstromverhalten bei den drei Phasen L1, L2, L3 gezeigt wird.

Bei korrekter Installation wird ein rechtes Drehfeld erzeugt.

Dann sind die Signalverläufe wie in Fig. 3 dargestellt.

Zwischen den Phasen L1, L2, L3 ist Jeweils eine Phasendifferenz von 120° eingestellt.

Die gezeigten Signalverläufe mit Phasendifferenz von 120° erzeugen in dem Ständer eines Elektromotors mit drei um 120° versetzt angeordneten

Spulen ein sich im Rechtssinn drehendes Magnetfeld.

Wie beschrieben, erfolgt die Auswertung der Signalverläufe in diesem Fall so, dass aus Zuverlässigkeitsgründen geprüft wird, ob ein linkes Drehfeld vorliegt.

Das Vorliegen des rechten Drehfeldes wird dann daran erkannt, wenn die Auswertung ergibt, dass kein linkes Drehfeld vorliegt.

Im Programmschritt 53 erfolgt die Auswertung der erfassten Messwerte.

Darin wird analysiert, ob 2/3 der erfassten Messwerte bei Phase L3 negative Polarität aufweisen.

In Fig. 4 sind die Signalverläufe für die Erzeugung eines linken Drehfeldes gezeigt.

An den Signalverläufen in Fig. 4 lässt sich erkennen, dass im Bereich von 0 bis 5 ms (0 bis z/2) oder im Bereich von 20 bis 25 ms (2x bis 57/2) des Signalverlaufes von L3 sich negative Abtastwerte ergeben sollten.

Dies wird mit dem Algorithmus überprüft.

In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen NPL3 den Bereich, in dem die Messwerte mit negativer Polarität bei der Phase L3 liegen.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, verzweigt das Programm im Programmschritt 53 zum

Programmschritt 54, in dem das Ergebnis festgelegt wird, dass ein rechter Drehsinn vorliegt.

Andernfalls wird in dem Programmschritt 55 das Ergebnis festgelegt, dass ein Fehler bei der Installation vorliegt.

In den Programmschritt 54 und 55 kann jeweils ein entsprechender Registereintrag gesetzt werden.

Ein anderer Programmteil (nicht dargestellt) greift auf dieses Register zu und kann entsprechende Anzeigen ansteuern, um den Benutzer zu informieren.

In einer Variante können verschiedene LEDs zum Leuchten gebracht werden, also eine LED, die den Rechtslauf des Drehfeldes anzeigt, und eine LED, die einen Fehlerzustand ausgibt.

Nachdem der Rechtslauf angezeigt wird, folgt im

Programmschritt 56 das Anschalten der Last 20 an den Drehstrom.

Dies unterbleibt bei Vorliegen des Fehlerzustandes.

Das Programm endet in Programmschritt 57. Die Fig. 4 zeigt die Stromverläufe, wenn ein linkes Drehfeld installiert werden muss.

Die Erkennung des Drehsinns mit linker Drehrichtung kann mit einem ähnlichen Auswerteprogramm erfolgen.

Es wird wieder der Übergang ÚL1 von negativer nach positiver Polarität auf Phase L1 gesucht.

Dieser Punkt liegt erneut bei t = 20 ms.

Die Abtastwerte für die folgende T/4-Periode für Phase L3 sollten dann, wie gezeigt, gänzlich negative Werte ergeben.

Der

Auswertealgorithmus wird dies entsprechend überprüfen.

So kann auch der Links-Lauf verifziert werden.

Fig. 5 zeigt das Flussdiagramm eines Auswertealgorithmus für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei diesem werden die Stromwandler 12 an

Phase L1 und L2 angeschlossen, um den Drehsinn zu erfassen.

Fig. 6 zeigt die Phasenlage der Stromverläufe für die Erzeugung eines rechten Drehfeldes und den Bereich, in dem die Momentanwerte des Stromverlaufs bei

Phase L2 erfasst werden. Der Auswertealgorithmus ermittelt wieder den Übergangspunkt ÚL1 bei Phase L1 wie zuvor beschrieben in dem entsprechenden Programmschritt 61. Die Abtastwerte werden für Phase L2 erfasst. Dies erfolgt im Programmschritt 62. In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen NPL2 den Bereich, in dem die Messwerte mit negativer Polarität bei der Phase L2 liegen. Die Auswertung erfolgt in Programmschritt 63. Darin wird getestet, ob mindestens 2/3 der Messwerte die negative Polarität haben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird in Programmschritt 64 bestimmt, dass die Drehrichtung Rechts erkannt wurde. Falls dieser Test negativ ausfällt, wird in Programmschritt 65 der Fehlerzustand registriert. Wenn der Rechts-Drehsinn erkannt wurde, wird in Programmschritt 66 die Last 20 an den Drehstrom geschaltet. Danach endet das Programm in Programmschritt 67, wie auch nach Registrierung des Fehlerzustandes.

Fig. 7 zeigt die Stromverläufe für den Fall, dass ein Drehfeld mit linkem Drehsinn installiert werden muss. Dann ergibt sich für die Abtastwerte bei Phase L2, dass 2/3 der Messwerte die positive Polarität aufweisen. Dies würde vom Auswertealgorithmus überprüft.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Flussdiagramm eines Auswertealgorithmus. Das dort gezeigte Flussdiagramm ist für ein weiteres Ausführungsbeispiel vorgesehen. Bei diesem werden die Stromwandler 12 an Phase L2 und L3 angeschlossen, um den Drehsinn zu erfassen. Fig. 9 zeigt die Phasenlage der Stromverläufe für die Erzeugung eines rechten Drehfeldes. In diesem Fall führt die Suche des Übergangs von negativer zu positiver Polarität bei Phase 2 in dem Programmschritt 71 zu dem Punkt ÜL2, der ca. bei 7 ms liegt. Die Abtastwerte werden für Phase L3 erfasst. Dies erfolgt im Programmschritt 72. In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen NPL3 den Bereich, in dem die Messwerte mit negativer Polarität bei der Phase L3 liegen. Die Auswertung erfolgt in Programmschritt 73. Bei korrekter Phasenlage werden alle Abtastwerte von Phase L3 negative Polarität haben. Es wird deshalb in Programmschritt 73 getestet, ob mindestens 2/3 der Messwerte die negative Polarität haben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird in Programmschritt 74 bestimmt, dass die

Drehrichtung Rechts erkannt wurde. Falls dieser Test negativ ausfällt, wird in Programmschritt 75 der Fehlerzustand registriert. Wenn der Rechts-Drehsinn erkannt wurde, wird in Programmschritt 76 die Last 20 an den Drehstrom geschaltet. Danach endet das Programm in Programmschritt 77, wie auch nach Registrierung des Fehlerzustandes.

Die Fig. 10 zeigt schließlich noch die Stromverläufe, wenn ein linkes Drehfeld installiert werden soll. In dem Fall liegen 2/3 der Abtastwerte im Bereich positiver Polarität. Dies wird dann von dem entsprechenden Auswertealgorithmus überprüft. Die Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Fall, dass die beschriebene Vorrichtung in einem Hybrid-Motorstarter integriert wird. Solche Hybrid- Motorstarter werden in Schaltschränken von Industrieanlagen oder anderen Anlagen per Hutschienen-Montage installiert, um Drehstrom-Elektromotoren zu steuern und zu überwachen. Durch sie können die sonst üblicherweise zu installierenden Wende-Schützschaltungen und Motorschutzeinrichtungen ersetzt werden, was den Installationsaufwand verringert. Hybrid-Motorstarter stellen typischerweise die folgenden Funktionen zur Verfügung: Steuerfunktionen mit Anlauf des Motors für Linkslauf, Anlauf des Motors für Rechtslauf, Wendefunktion, Motorabschaltung; Diagnosefunktionen mit interner und externer Fehlererkennung, und Motorschutzfunktionen (Fehler beim Linkslauf, Fehler beim Rechtslauf, Phasenausfall), etc.; und Statusfunktionen mit Signalisierungsmöglichkeit über den Zustand des Motors Linkslauf, Rechtslauf, Fehlerfall.

In der Fig. 11 bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gleichen Komponenten wie in Fig. 1. Daneben sind noch weitere Komponenten gezeigt. Die Bezugszahl 30 bezeichnet den Drehstrom-Elektromotor. Es handelt sich z.B. um einen

Drehstrom-Asynchronmotor.

Die Bezugszahl 16 bezeichnet Triacs, deren Funktion darin besteht, den Wechselstrom bei Phase L2 und Phase L3 in beiden Stromrichtungen zu schalten.

Über den Steuerstrom kann eingestellt werden, ob die Phase an den Motor voll angeschaltet wird oder nur teilweise.

Damit kann eine Leistungsregelung, ein Sanftanlauf, usw. realisiert werden.

Die Triacs 16 werden von der Auswerteelektronik 14 angesteuert.

Mit der Bezugszahl 17 sind Relais bezeichnet, die als Überlastschutzrelais ausgeführt sein können.

Eine andere wichtige Funktion der Triacs 16 besteht darin, dass es dadurch möglich ist, dass die Relais 17 stromlos geschaltet werden, so dass die Relaiskontakte wesentlich weniger verschleiBbehaftet sind.

Bei den Phasen L1 und L2 sind Eingangsschalter 18 vorgesehen, die eine Phasenanschaltung und -abschaltung vornehmen können.

Bei den Phasen L1 und L3 sind Ausgangsschalter 19 vorgesehen, mit denen die Phasen an den Elektromotor an- oder abgeschaltet werden können, auch umgesteuert werden können.

Auch die Schalter 18 und 19 werden von der Auswerteelektronik 14 angesteuert.

Darüber kann der Rechts- Linkslauf des Elektromotors eingestellt werden.

Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software,

Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können.

In einer bevorzugten Variante werden Mikrocontroller mit integriertem RAM-Speicher und integrierten l/O-Schnittstellen eingesetzt.

Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und / oder Field

Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen.

Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert.

Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert.

Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer

Computerplattform, die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (1/0) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert.

Die verschiedenen

Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein oder ein Teil, der über das Betriebssystem ausgeführt wird.

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.

Bezugszeichenliste Drehstromleitung 5 Vorrichtung 10 Stromwandler 12 Auswerteelektronik 14 Triac 16 Relais 17 Eingangsschalter 18 Ausgangsschalter 19 Wechselstrom-Last 20 Elektromotor 30 verschiedene Programmschritte eines 1. Computerprogramms 50 - 56 verschiedene Programmschritte eines 2. Computerprogramms 60 - 66 verschiedene Programmschritte eines 3. Computerprogramms 70-76 erste Phase L1 zweite Phase L2 dritte Phase L3 Úbergangspunkt bei Phase L1 UL1 Übergangspunkt bei Phase L2 UL2 Messbereich bei Phase L2 mit negativer Polarität NPL2 Messbereich bei Phase L3 mit negativer Polarität NPL3

Claims

(Patent-) Ansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes, wobei das Drehfeld durch drei phasenmäßig versetzte Wechselströme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei Phasen (L1, L2, L3) die Stromstärke und Polarität der Wechselströme erfasst wird, dass der Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität in einer Phase (L1, L2, L3) ermittelt wird, dass ausgehend von diesem Punkt die Polarität einer Anzahl aufeinanderfolgender Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) erfasst wird und, dass eine Auswertung erfolgt, welcher Anteil der Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) eine bestimmte Polarität aufweist, um die Drehrichtung des Drehfeldes zu ermitteln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität bei der ersten Phase (L1, L2, L3) dem Übergang von negativer zu positiver Polarität entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anzahl der aufeinanderfolgenden Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) so bemessen wird, dass die Momentanwerte in einer Viertelperiodendauer des Wechselstroms erfasst werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die erste und die zweite Phase (L1, L2) sind, wobei auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn die Anzahl der bei der zweiten Phase (L2) ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase (L1) bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die erste (L1) und die dritte Phase (L3) sind, wobei auf ein linksdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn die Anzahl der bei der dritten Phase (L3) ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase (L1) bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt und, wobei auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn kein linksdrehendes Drehfeld erkannt werden konnte.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die zweite (L2) und die dritte Phase (L3) sind, wobei auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn die Anzahl der bei der dritten Phase (L3) ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der zweiten Phase (L2) bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

7. Vorrichtung zur Ermittlung der Drehrichtung eines Drehfeldes, wobei die Vorrichtung Eingangsanschlüsse für die Anschaltung der drei Phasen (L1, L2, L3) einer Drehstromleitung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit zwei Stromwandlern (12) ausgestattet ist, die zur Erfassung der Stromstärke und Polarität bei zwei Phasen (L1, L2, L3) der Drehstromleitung (5) dienen und, dass die Vorrichtung eine Auswerteelektronik (14) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Zeitpunkt zu bestimmen, um eine Messwerterfassung für die Momentanwerte bei der zweiten der zwei Phasen (L1, L2, L3) zu starten, und eine Auswertung der erfassten Messwerte vorzunehmen, um die Drehrichtung des Drehfeldes zu bestimmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Auswerteelektronik (14) ausgelegt ist, den Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität in der ersten der beiden Phasen (L1, L2, L3), deren Momentanwerte der Stromstärke durch die beiden Stromwandler (12) erfasst werden, zu bestimmen, der Art, dass der Zeitpunkt für den

Übergang des Momentanwertes der Stromstärke von einer Polarität zu der anderen Polarität bei der ersten der beiden Phasen (L1, L2, L3) dem Zeitpunkt des Wechsels von negativer zu positiver Polarität entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Auswerteelektronik (14) so ausgelegt ist, dass sie die Anzahl der aufeinanderfolgenden Momentanwerte der Stromstärke bei der anderen Phase (L1, L2, L3) so bemisst, dass die Momentanwerte in einer Viertelperiodendauer des Wechselstroms erfasst werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die erste (L1) und die zweite Phase (L2) der Wechselstromleitung (5) sind und die Auswerteelektronik (14) so ausgelegt ist, dass sie ein rechtsdrehendes Drehfeld daran erkennt, dass die Anzahl der bei der zweiten Phase (L2) ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase (L1) bei größer als zwei Dritteln der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die erste (L1) und die dritte Phase (L3) der Wechselstromleitung (5) sind und die Auswerteelektronik (14) so ausgelegt ist, dass sie ein linksdrehendes Drehfeld daran erkennt, wenn die Anzahl der bei der dritten Phase (L3) ermittelten Momentanwerte mit negativer Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der ersten Phase (L1) bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt und, wobei auf ein rechtsdrehendes Drehfeld geschlossen wird, wenn kein linksdrehendes Drehfeld erkannt werden konnte .

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die beiden Phasen (L1, L2, L3) die zweite (L2) und die dritte Phase (L3) der Wechselstromleitung (5) sind und die Auswerteelektronik (14) so ausgelegt ist, dass sie ein rechtsdrehendes Drehfeld daran erkennt, dass die Anzahl der bei der dritten Phase (L3) ermittelten Momentanwerte mit negativer

Polarität nach Erkennung des Übergangswertes bei der zweiten Phase (L2) bei größer als zwei Drittel der insgesamt ermittelten Momentanwerte liegt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Auswerteelektronik (14) die Momentanwerte der Stromstärke und Stromrichtung mit einer Abtastrate von 4k Abtastwerten pro Sekunde erfasst.

14. Hybrid-Motorstarter für die Ansteuerung eines Drehstrom-Elektromotors (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Hybrid-Motorstarter eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 aufweist.