DE102007030634A1

DE102007030634A1 - Verfahren zum synchronen Umschalten von Drehstrommaschinen vom Frequenzumrichter zum Drehstromnetz

Info

Publication number: DE102007030634A1
Application number: DE200710030634
Authority: DE
Inventors: Dieter Seifert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Zur Durchführung des Hochlaufs eines Drehstrommotors vom Stillstand bis zur Betriebsdrehzahl kann man Frequenzumrichter verwenden. Nach dem Hochlauf kann die Maschine vom Frequenzumrichter auf das Drehstromnetz umgeschaltet werden. Damit dieses Umschalten ohne großen Stromstoß und ohne großen Drehmomentstoß erfolgt, muss die induzierte Maschinenspannung mit der Netzspannung synchronisiert und im idealen Zeitpunkt geschaltet werden. Die Bestimmung des idealen Umschaltzeitpunktes erfordert die Berücksichtigung der während der Umschaltzeit auftretenden Änderung der Phasenlage zwischen der Netzspannung und der Maschinenspannung. In der Erfindung wird der ideale Umschaltzeitpunkt durch eine Mess- und Steuerelektronik durch Messen von Netz- und Maschinenspannung ermittelt. Die Elektronik berücksichtigt die während der Umschaltzeit zu erwartende Änderung der Phasendifferenz. Diese Phasendifferenz kann in einem Vorversuch durch die Mess- und Steuerelektronik messtechnisch ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum synchronen Umschalten von Drehstrommaschinen vom Frequenzumrichter zum Drehstromnetz mit geringstem Umschalt-Stromstoß und geringstem Umschalt-Drehmomentstoß.
Frequenzumrichter werden meist zur Drehzahlverstellung von Drehstrommaschinen verwendet. Aber auch die Durchführung des Hochlaufs vom Stillstand zur Betriebsdrehzahl ist ein Grund für den Einsatz eines Frequenzumrichters. Dadurch ist zum Beispiel der Anlauf einer Asynchronmaschine mit geringem Anlaufstrom, z. B. bei Bemessungsstrom und mit Bemessungsmoment möglich. Falls keine Drehzahlverstellung notwendig ist, kann die Maschine nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl vom Frequenzumrichter auf das Drehstromnetz umgeschaltet werden.
Damit das Umschalten ohne großen Stromstoß und ohne großen Drehmomentstoß erfolgt, müssen der zeitliche Verlauf der Netzspannung und der zeitliche Verlauf der induzierten Maschinenspannung möglichst gleich sein. Diese Forderung kann man bekanntlich [1] in vier Einzelforderungen für die Netz- und die Maschinenspannung aufteilen:

1. Gleiche Amplituden
2. Gleiche Phasenfolge
3. Gleiche Frequenz
4. Gleiche Phasenlage

Beim Zuschalten von Synchrongeneratoren an das Netz können diese Forderungen relativ leicht erfüllt werden, da die Drehzahl des Synchrongenerators durch die mechanische Antriebsmaschine, z. B. eine Dampfturbine konstant gehalten wird.
Beim Umschalten von Motoren treten jedoch Schwierigkeiten dadurch auf, dass sich die Drehzahl während der stromlosen Umschaltpause, d. h. der Zeit zwischen dem Abschalten des Frequenzumrichters und dem Zuschalten an das Drehstromnetz, je nach Drehmoment der Arbeitsmaschine und Trägheitsmoment des gesamten Antriebs ändern kann. Die Drehzahländerung bewirkt dabei auch eine Änderung der Frequenz und der Phasenlage der Motorspannung. Wird dies beim Umschalten nicht berücksichtigt, können sich große Umschalt-Stromstöße und große Umschalt-Drehmomentstöße ergeben [2].
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, welches das synchrone Umschalten von Drehstrommaschinen auch bei Drehzahländerung während des Umschaltens ermöglicht. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der passende Umschaltzeitpunkt unter Berücksichtigung der während der stromlosen Umschaltzeit auftretenden Änderung der Frequenz und der Phasenlage der Maschinenspannung vorausbestimmt wird.
Ausführungsbeispiel
Zur Erläuterung der Erfindung wird eine Anordnung nach Bild 1 betrachtet. Zum Hochlaufen des Drehstrommotors (1) wird wie folgt vorgegangen. Der Frequenzumrichter (2) wird über den Schütz (3) an das Drehstromnetz (4) geschaltet und der Motor (1) über den Schütz (5) an den Frequenzumrichter (2) angeschlossen. Bei stillstehendem Motor wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters (2) von Null aus, meist gemäß einer Rampenfunktion, erhöht. Die Grundschwingung der Ausgangsspannung des Frequenzumrichter (2) wird dabei ebenfalls von Null an, etwa linear mit der Umrichterfrequenz erhöht. Der Motor (1) kann auf diese Weise z. B. mit Bemessungsstrom und Bemessungsmoment auf seine Bemessungsdrehzahl hochlaufen.
Nach erfolgtem Hochlauf werden die Zündimpulse des motorseitigen Stromrichters im Frequenzumrichter (2) gesperrt. Der Motorstrom wird dadurch unterbrochen. Der Schütz (5) wird jetzt geöffnet. Danach wird der Motor (1) über den Schütz (6) an das Drehstromnetz (4) geschaltet.
Der zeitliche Ablauf der Schalthandlungen wird durch eine Steuer- und Messeinrichtung (7) nach Bild 2 gesteuert. Sie besteht aus einer elektronischen Schaltung zur Messung und Signalkonditionierung (8) der Netz- und Motorspannung, einem Mikrokontroller (9) und Relais-Kontakten (10), die vom Mikrokontroller (9) gesteuert werden. Netz- und Motorspannung werden an den Kontakten des Schütz (6) gemessen.
Die Relais-Kontakte haben folgende Bedeutung:

S1: Frequenz auf
S2: Frequenz ab
S3: Zündimpulse
S4: Schütz K1
S5: Schütz K2
S6: Schütz K3

Die Ermittlung der Änderung der Phasenlage und des Drehzahlabfalls während der stromlosen Pause erfolgt in einem Testlauf. Dazu steuert der Mikrokontroller (9) über die Kontakte (S1) und (S2) den Frequenzumrichter (2) so, dass seine Ausgangsfrequenz mit der Frequenz des Drehstromnetzes (4) innerhalb einer vorgegebenen Abweichung übereinstimmt. Beide Frequenzen werden dabei durch die Steuer- und Messeinrichtung (7) gemessen. Der Mikrokontroller (9) blockiert dann über den Relais-Kontakt (S3) die Zündimpulse des Frequenzumrichters (2). Die Drehzahl des Motors (1) nimmt dadurch je nach Last und Trägheitsmoment ab. Den Drehzahlabfall und die Änderung der Phasenlage zwischen Netzspannung und Motorspannung während einer Zeit, die der Umschaltpause entspricht (z. B. 50 ms), wird durch die Messung mit der Steuer- und Messeinrichtung (8) und der Auswertung durch den Mikrokontroller (9) ermittelt.
Nach Ablauf der Messdauer können die Zündsignale wieder frei gegeben werden oder es muss ein erneuter Hochlaufvorgang mit Beginn bei Ausgangsfrequenz Null erfolgen. Eine Freigabe der Zündimpulse kann bei solchen Frequenzumrichtern erfolgen, die in der Lage sind sich ohne Störung auf einen laufenden Motor zu schalten.
Mit bekannter Drehzahländerung kann der Mikrokontroller (9) jetzt über die Kontakte (S1) und (S2) eine Umrichterfrequenz vorgeben, die über der Netzfrequenz liegt. Dadurch kann man erreichen, dass der Motors (1) beim Zuschalten ans Netz durch den Schütz K3 (6) eine hohe Drehzahl im Bereich der Bemessungsdrehzahl hat. Außerdem kann der Mikrokontroller (9) mit der von der Steuer- und Messeinrichtung (8) gemessenen Motorspannung und der Netzspannung sowie der bekannten Änderung der Phasenlage während der stromlosen Pause den idealen Zeitpunkt zur Auslösung des Umschaltvorganges bestimmen.
Dieser Umschaltvorgang beginnt mit der Blockierung der Zündimpulse durch den Kontakt S3. Nach vorgegebener Zeit von z. B. 10 ms wird durch den Kontakt (S5) der Schütz K2 (5) geöffnet. Nach vorgegebener Zeit von z. B. 20 ms wird durch den Kontakt (S6) der Schütz K3 (6) geschlossen.
Der Motor (1) wird auf diese Weise ohne Stromstoß und ohne Drehmomentstoß an das Drehstromnetz (4) geschaltet. Über den Kontakt (S4) kann man den Schütz K1 (3) öffnen und so den Frequenzumrichter (2) vom Drehstromnetz (4) trennen.
Literatur

[1] Fischer, R. Elektrische Maschinen Hanser Verlag München 2004
[2] Seifert, D. Stoßstrom und Stoßmoment der Asynchronmaschine etzArchiv Bd. 11 (1989) H. 9

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fischer, R. Elektrische Maschinen Hanser Verlag München 2004 [0015]
- Seifert, D. Stoßstrom und Stoßmoment der Asynchronmaschine etzArchiv Bd. 11 (1989) H. 9 [0015]

Claims

Verfahren zum synchronen Umschalten von Drehstrommaschinen vom Frequenzumrichter zum Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, dass der ideale Umschaltzeitpunkt unter Berücksichtigung der während der stromlosen Umschaltpause auftretenden Änderung der Phasenlage zwischen der induzierten Motorspannung und dem zuschaltenden Drehstromnetz voraus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die induzierten Spannung nach dem Abschalten des Frequenzumrichters gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die Spannung des Drehstromnetzes gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die Änderung der Phasenlage zwischen der induzierten Motorspannung und dem zuschaltenden Drehstromnetz messtechnisch oder rechnerisch voraus bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die Änderung der Phasenlage zwischen der induzierten Motorspannung und dem zuschaltenden Drehstromnetz durch einen Vorversuch voraus bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die Schaltzeiten der elektromagnetischen Schalter berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des idealen Umschaltzeitpunkts die Verzögerungszeit der Rechenschaltung oder die Verzögerungszeit der Logik- und Steuerschaltung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlabfall während der stromlosen Umschaltpause gemessen oder berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltzeitpunkt so gewählt wird, dass die Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Motorspannung während der stromlosen Umschaltpause minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Frequenzumrichters gegenüber der Netzfrequenz so verstellt wird und der Umschaltzeitpunkt so gewählt wird, dass die Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Motorspannung während der stromlosen Umschaltpause minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Frequenzumrichters gegenüber der Netzfrequenz so verstellt wird, dass der Drehzahlabfall während der stromlosen Umschaltpause ganz oder teilweise korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Spannungen gefiltert oder geglättet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den gemessenen Spannungen nur bestimmte Augenblickswerte, wie die Nulldurchgänge ausgewertet werden.