CH663863A5

CH663863A5 - Anlaufschutz fuer eine asynchrone drehfeldmaschine.

Info

Publication number: CH663863A5
Application number: CH689283A
Authority: CH
Inventors: Franz Maier
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1988-01-15
Also published as: DE3405002A1

Description

BESCHREIBUNG Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Anlaufschutz für asynchrone Drehfeldmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik wie er in der CH-PS 615 538 beschrieben ist. Bei diesem Anlaufschutz wird der Anlaufvorgang einer asynchronen Drehfeldmaschine durch Erfassung einer drehzahlabhängigen Grösse, wie etwa des Wirkwiderstandes, überwacht. Ein Anlaufvorgang wird dann als gelungen beurteilt, wenn innerhalb einer fest vorgegebenen Anlaufzeit ein vorgegebener Wert der drehzahlabhängigen Grösse, etwa des Wirkwiderstandes, erreicht wird. Mit dem bekannten Anlaufschutz lässt sich jedoch nicht der gesamte kritische Bereich einer elektrischen Maschine beim Anlauf, welcher zwischen Stillstand und Kipppunkt liegt, überwachen. Erst nach Durchlaufen des Kipppunktes, d.h. derjenigen Stelle, an der bei stehender Drehzahl das Drehmoment der Maschine rasch abnimmt, kann mit Sicherheit ausgesagt werden, dass ein Anlaufvorgang gelungen ist. Insbesondere bei Maschinen mit extremer Materialausnutzung kann je nach Läuferausführung ein Spannungseinbruch vor Erreichen des Kippunktes nachteilige Folgen haben.

Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Anlaufschutz der gattungsgemässen Art zu schaffen, welcher in einfacher Weise eine sichere Überwachung des gesamten kritischen Bereiches während des Anlaufvorganges der zu überwachenden Maschine ermöglicht.

Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte kritische Bereich für den Anlaufvorgang einer asynchronen Drehfeldmaschine überwacht wird, dass gefährliche Spannungseinbrüche vor Überschreiten des Kippunktes der Maschine berücksichtigt werden können, und dass darüber hinaus eine fortlaufende Korrektur der Anlaufzeit unter Beachtung der bei einem Anlaufvorgang wirkenden Speisespannung ermöglicht ist. Ferner bietet der erfindungsgemässe Anlaufschutz die Möglichkeit, durch Verwendung verschiedener Kriterien für den Anlauf- und einen zusätzlich vorgesehenen Kurzschlussschutz eine vollständige Fehlerselektivität zu erreichen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Funktionsschema eines erfindungsgemäss ausgeführten Anlaufschutzes,

Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem die Abhängigkeit des Wirkstromes Iw und des Phasenwinkels (p der Maschine vom Schlupf s hervorgeht, und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines selektiven Anlauf- und Kurzschlussschutzes, bei dem der erfindungsgemässe Anlaufschutz gemäss Fig. 1 verwendet wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Anlaufschutz bezeichnet 1 eine asynchrone Drehfeldmaschine, deren Speisung dreiphasig (R, S, T) über einen Schalter 2 erfolgt, welcher von einem Betätigungsorgan 3, beispielsweise einem Magneten, geöffnet oder geschlossen werden kann. Über einen Stromwandler 4 und einen Spannungswandler 5 werden Strom I und Speisespannung U gemessen. Die Messwerte werden über Messwertgeber 6 und 7 einem Analog-Digital-Wandler 8 zugeführt. Die digitalen Strom- und Spannungswerte werden nach Abgabe eines von einem Steuer- und Rechenwerk 9 erzeugten und sich in differentiellen Zeitabständen At periodisch wiederholenden Speichersignals in einen mit dem Steuer- und Rechenwerk 9 in Wirkverbindung stehenden Speicher 10 übertragen. Mit dem Steuer-und Rechenwerk 9 in Wirkverbindung steht ferner ein weiterer Speicher 11, in welchem die Werte

In und Un von Nennstrom und -Spannung der Drehfeldmaschine,

Imax eines den Anlaufstrom anzeigenden, ein Mehrfaches des Nennstromes In betragenden Wertes des Stroms I,

s

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30

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65

3

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tA der Nennanlaufzeit der Drehfeldmaschine 1 (d.h.

der Zeit, innerhalb welcher die Maschine vom Stillstand auf die Nenndrehzahl bei definiertem Last-und Trägheitsmoment sowie bei Nennspannung Un hochgelaufen ist), und ti der Zeitspanne, innerhalb welcher das Gleichstrom glied im Ausgleichsvorgang des Einschaltvorganges ab geklungen ist,

eingegeben sind.

Das Steuer- und Rechenwerk 9 seinerseits weist Ausgänge auf, von denen einer mit dem Betätigungsorgan 3 und zwei weitere mit Eingängen eines UND-GLiedes 12 in Wirkverbindung stehen.

Die vom Spannungswandler 5 analog gemessene Spannung U der Maschine 1 wird auch einem Impulsumformer 13 zugeführt, dessen Ausgang mit einem weiteren Eingang des UND-Gliedes 12 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gliedes 12 ist an ein Steuerorgan eines bipolaren Schalters 14 gelegt, welcher seinerseits über eine Bürde 15 am Ausgang des Messwertgebers 6 und andererseits über ein Filter 16 am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 8 angeschlossen ist.

Diese Anlage wirkt nun wie folgt:

Beim Einschalten der Drehfeldmaschine zum Zeitpunkt t = 0 ermitteln Strom- und Spannungswandler fortlaufend die Werte von Strom I und Speisespannung U. In der Anlaufphase der Drehfeldmaschine 1 steigt der Strom I stark an. Das Steuer-und Rechenwerk 9 ruft nach Abgabe eines Speichersignals innerhalb eines sich periodisch wiederholenden Zeitintervalls At den gerade im Speicher 10 abgelegten Wert des Stromes I(m) zum Zeitpunkt m • At, wobei m = 1, 2, 3, ..., und den im Speicher 11 abgelegten Schwellenwert Imax des Stromes ab und vergleicht diese Werte miteinander. Überschreitet der Strom I(m) zum Zeitpunkt M • At den Schwellenwert Imax, so legt das Steuer- und Rechenwerk 9 ein Aktivierungssignal Ai an einen Eingang des UND-Gliedes 12.

Das Steuer- und Rechenwerk 9 weist zudem einen nicht dargestellten Zeitgeber auf, dessen Zeitangabe fortlaufend mit dem nach jeder Zeitspanne At aus dem Speicher 11 abgerufenen Wert der Abklingzeit ti verglichen wird. Überschreitet die Zeitangabe des Zeitgebers die Abklingzeit ti, so wird vom Steuer-und Rechenwerk 9 ein Aktivierungssignal A2 an einen anderen Eingang des UND-Gliedes gelegt. Das UND-Glied 12 ist nun aktiviert und die im Impulsumformer 13 in Rechteckimpulse umgeformten Analogwerte der Speisespannung U sind nun an das Steuerorgan des bipolaren Schalters 14 geführt. Der sol-chermassen angesteuerte Schalter 14 bildet zusammen mit dem nachgeschalteten Filter 16 ein dem Wirkstrom Iw = I • cos <p proportionales Spannungssignal, wobei (p der Phasenwinkel zwischen Strom I und Speisespannung U ist. Dieses Signal wird im Analog-Digital-Wandler 8 digitalisiert und entsprechend den digitalisierten Werten von Strom I und Speisespannung U im Speicher 10 abgelegt.

Das Steuer- und Rechenwerk 9 ruft innerhalb der Zeitspanne At die zuvor zu den Zeitpunkten m • At und (m +1) At gespeicherten Werte I$'und I(w+1) des Wirkstromes aus dem Speicher 10 ab und ermittelt hieraus durch Differenzbildung den differentiellen Wirkstrom.

AIw = I$+1)-I<$.

Das Vorzeichen des solchermassen ermittelten differentiellen

Wirkstromes A Iw wird fortlaufend in einer im Steuer- und Rechenwerk 9 vorgesehenen (nicht dargestellten) Einrichtung auf Vorzeichenwechsel überwacht.

Aus den innerhalb jeder Zeitspanne At aus dem Speicher 10 abgerufenen Werten U(m) der Speisespannung zu den Zeitpunkten m • At, wobei m = 1, 2, 3, ..., und den im Speicher 11 abgelegten Werten von tA und Un ermittelt das Steuer- und Rechenwerk 9 fortlaufend die von der Speisespannung U(m) abhängige Anlaufzeit t a der Maschine nach dem Algorithmus

UN

t A = tA ( )2-

U(m)

Der auf diese Weise ermittelte Wert der Anlaufzeit tA der Maschine 1 wird über das nicht dargestellte Zeitwerk der Steuer- und Recheneinheit 9 fortlaufend überwacht. Wechselt der différentielle Wirkstrom A Iw innerhalb dieser Anlaufzeit t'A sein Vorzeichen, so ist die Maschine erfolgreich angelaufen. Ändert sich hingegen das Vorzeichen nicht, so ist der Anlaufvorgang gestört, beispielsweise durch Blockierung des Läufers der Maschine 1, und das Steuer- und Rechenwerk 9 erteilt an das Betätigungsorgan 3 einen Befehl A, durch welchen der Schalter 2 zum Unterbrechen des Stromes I betätigt wird.

Hierbei macht sich der erfindungsgemässe Anlaufschutz die in Fig. 2 in vereinfachter Weise dargestellte Wirkungsweise einer asynchronen Drehfeldmaschine zunutze, dass nämlich der Wirkstrom Iw der Maschine beim Anlaufen mit zunehmender Drehzahl n bzw. abnehmendem Schlupf s zunächst monoton zunimmt, beim Kippschlupf SkP ein Maximum erreicht und danach monoton abnimmt. Beim Nennschlupf sn, wenn die Maschine I im Nennbetrieb läuft und der Phasenwinkel <p zwischen Strom I und Speisespannung U ein Minimum durchläuft, hat der Wirkstrom Iw bereits wieder erheblich abgenommen, so dass der différentielle Wirkstrom A Iw schon lange vorher sein Vorzeichen gewechselt hat.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann der erfindungsgemässe Anlaufschutz in einfacher Weise mit einem Kurzschlussschutz zusammenwirken. Der hierbei vorgesehene Kurzschlussschutz weist drei identische Differenzstromwandler Wr, Ws, WT mit Ringkernen auf, welche jeweils gegensinnig von den als Primärwicklungen wirkenden Zuleitungen jeweils eines von drei Wicklungssträngen Lr, Ls, Lt der Maschine 1 durchdrungen sind. Die Sekundärwicklungen der Stromwandler Wr, Ws, Wt sind der Reihe nach an nicht dargestellte Erregerorgane von identischen Differentialrelais Dr, Ds und Dt angeschlossen, welche auf das Betätigungsorgan 3 des Schalters 2 und auf den mit E bezeichneten Anlaufschutz der Maschine 1 wirken. Beim Auftreten eines Kurzschlusses, etwa zwischen den Wicklungssträngen Lr und Ls der Maschine 1, bewirkt der die Differenzstromwandler Wr und Ws unkompensiert durchflutende Kurzschlussstrom in den Sekundärwicklungen dieser Stromwandler Ströme, welche oberhalb eines beispielsweise beim 0,1- bis 0,2fachen des Nennstromes In der zu schützenden Maschine liegenden Schwellwertes eine Auslösung der Differentialrelais Dr und Ds verursachen. Diese Relais geben Auslösesignale Ar und As sowie Verriegelungssignale Vr und Vs ab. Die Auslösesignale bewirken die Öffnung des Schalters 2 und damit die Unterbrechung der Stromzufuhr der elektrischen Maschine. Hingegen bewirken die Verriegelungssignale Vr und Vs eine Blockierung des Anlaufschutzes E.

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60

v

2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Anlaufschutz für eine rotierende asynchrone Drehfeldmaschine (1) mit einem Stromwandler zur Erfassung des Stromes (I), einem Spannungswandler zur Erfassung der Speisespannung (U), einer Vorrichtung zur Erzeugung einer drehzahlabhängigen Grösse der Maschine (1) aus den erfassten Werten von Strom (I) und Speisespannung (U) und einer Steuervorrichtung zur Überprüfung dieser Grösse und zur Erzeugung eines Befehls (A) zum Ausschalten der Maschine bei Ausbleiben eines den gelungenen Anlauf der Maschine innerhalb einer Anlaufzeit (t'A) signalisierenden Wertes der drehzahlabhängigen Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung als drehzahlabhängige Grösse den Wirkstrom (Iw) der Maschine erfasst und bei gelungenem Anlauf der Maschine ein den Befehl (A) unterdrückendes Signal bildet, welches bei Überschreiten des Kippunktes (skP) der Maschine innerhalb der Anlaufzeit (t'A) vom Wirkstrom (Iw) hervorgerufen wird.

2. Anlaufschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung einen ersten Speicher (10) und ein Steuer- und Rechenwerk (9) aufweist, dass im Speicher (10) periodisch ermittelte Werte des Wirkstroms (I^1) der Maschine abgelegt sind, und dass das Steuer- und Rechenwerk (9) fortlaufend die Differenz (A Iw) von aufeinanderfolgend abgelegten Werten des Wirkstromes (1^, I^+l>) bildet, und bei einem Vorzeichenwechsel des solchermassen gebildeten differentiellen Wirkstromes (A Iw) das Unterdrückungssignal erzeugt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Anlaufschutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Speicher (10) periodisch ermittelte Werte (U(m)) der Speisespannung abgelegt sind, und dass das Steuer- und Rechenwerk (9) fortlaufend die Anlaufzeit nach dem Algorithmus

UN

= tA ( )2

u(m)

ermittelt, wobei t^ die fortlaufend ermittelte Anlaufzeit,

tA die Anlaufzeit bei definierten Last- und Massenträgheitsmomenten sowie bei definierter Speisespannung (Nennspannung),

Un die Nennspannung der Maschine, und U(m) die Speisespannung zum Zeitpunkt m • At mit At als

Periode der ermittelten Werte und m = 1,2, ...

bedeuten.

4. Anlaufschutz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Speicher (10) periodisch ermittelte Werte (I(m)) des Stromes abgelegt sind, welche das Steuer- und Rechenwerk (9) fortlaufend aus dem ersten Speicher (10) abruft und mit einem in einem zweiten Speicher (11) gespeicherten Schwellwert (Imax) des Stromes (I) vergleicht.

5. Anlaufschutz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuer- und Rechenwerk (9) ein Zeitglied vorgesehen ist, welches nach Überschreiten des Schwellwertes (Imax) und nach Ablauf einer Abklingzeit (ti) von Gleichstromkomponenten, welche bei Einschalten der Maschine auftreten, die Vorrichtung zur Erzeugung der drehzahlabhängigen Grösse der Maschine aktiviert.

6. Anlaufschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang für ein Blockiersignal (Vr, Vs) vorgesehen ist, welches von einem Kurzschlussschutz der Maschine bei dessen Ansprechen abgegeben wird.