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Die
vorliegende Erfindung betrifft Wendeschütze zur Steuerung der Drehrichtung
von Wechselstrommotoren.
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Das
Ein- und Ausschalten von Wechselstrommotoren wird üblicherweise
mit Hilfe von Schützen
durchgeführt.
Diese Schütze
sind aufgrund ihres Aufbaus zum Schalten größerer Leistungen geeignet.
Die Gruppe der Wendeschütze
bietet dem Anwender zudem die Möglichkeit
einer Umkehr der Drehrichtung des Wechselstrommotors.
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Derartige
Wendeschütze
sind grundsätzlich bekannt.
Sie umfassen entweder hochwertige mechanische Schaltelemente, die
beispielsweise eine zweifache Unterbrechung der Schaltkontakte beim Öffnen aufweisen,
oder elektronische Schaltelemente, beispielsweise Thyristoren.
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Ausführungen
mit mechanischen Schaltelementen benötigen in der Regel einen größeren Einbauraum
als Ausführungen
mit elektronischen Schaltelementen. Die bekannten Ausführungsformen
mit mechanischen und elektronischen Schaltelementen sind jedoch
aufgrund ihrer hochwertigen mechanischen und/oder elektronischen
Komponenten relativ teuer.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wendeschützbaugruppe
zur Ansteuerung eines Wechselstrommotors zu schaffen, die bei gleichen Merkmalen
und gleicher Leistungsfähigkeit
kostengünstiger
als die erwähnten
bekannten Ausführungsformen
herstellbar ist.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist eine elektronische Wendeschützbaugruppe mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer Wendeschützbaugruppe
nach Anspruch 14 vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Wendeschützbaugruppe
zeichnet sich durch die Verwendung von einfachen, kostengünstigen
Schaltrelais als Schaltelementen der Wendeschützbaugruppe aus. Der Microcontroller
stellt sicher, dass die Schaltrelais zum Steuern der Drehrichtung
zu jedem Zeitpunkt höchstens
eine Phase der Netzspannung an Motoranschlusskontakten anlegen und
steuert alle Schaltrelais so an, dass die Schaltvorgänge der
Schaltrelais zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der an den Schaltrelais
anliegenden Phasen der Netzspannung erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst, dass eine Phasenlage der Phasen einer an der elektronischen
Wendeschützbaugruppe
anliegenden Netzspannung kontinuierlich gemessen wird und die Abfallzeiten
und Anzugszeiten der Schaltrelais der elektronischen Wendeschützbaugruppe
kontinuierlich gemessen werden. Aus der gemessenen Phasenlage der
Phasen der Netzspannung und den gemessenen Abfallzeiten und Anzugszeiten
der Schaltrelais werden Schaltzeitpunkte der Schaltrelais so berechnet,
dass die Schaltrelais zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der jeweils
anliegenden Phasen der Netzspannung schalten. Entsprechend werden
die Schaltrelais derart angesteuert, dass Schaltvorgänge der
Schaltrelais zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der anliegenden Phasen
der Netzspannung erfolgen.
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Durch
die erfindungsgemäße Baugruppe und
das erfindungsgemäße Verfahren
wird es ermöglicht,
in der Wendeschützbaugruppe
einfache, kostengünstige
Schaltrelais einzusetzen, welche die in diesem Umfeld normalerweise
erforderlichen Schaltleistungen nicht dauerhaft aushalten würden. Dadurch,
dass aufgrund der erfindungsgemäßen Baugruppe
und des erfindungsgemäßen Verfahrens ein
Schalten der Schaltrelais bei einem Nulldurchgang der anliegenden
Netzspannungsphasen erreicht werden kann, minimiert sich eine von
den Schaltrelais zu schaltende Schaltleistung und die Lebensdauer
der Schaltrelais erhöht
sich entsprechend. Das kontinuierliche Messen der Anzugs- und Abfallzeiten
(Schaltzeiten) der Schaltrelais stellt zudem sicher, dass umgebungs-
und/oder altersbedingte Änderungen
bei den Schaltzeiten der Schaltrelais nachgeführt werden und die Langlebigkeit
der Schaltrelais somit sichergestellt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
ermittelt der Microcontroller selbsttätig die Phasenlage der Netzspannungsphasen,
die an den Schaltrelais anliegen. Zu diesem Zweck sind für jede Phase
Stromwandler vorgesehen, die neben der Ermittlung der Phasenlage
der Netzspannungsphasen auch zur Messung des Motorstroms zu dem
angeschlossenen Wechselstrommotor verwendet werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
ermittelt der Microcontroller die Abfallzeiten und Anzugszeiten
der mehreren Schaltrelais selbsttätig. Zu diesem Zweck sind Messungen
der Phasenlage der Phasen der Netzspannung vorgesehen, die als eine
indirekte Spannungsmessung mit Hilfe der Stromwandler erfolgen können.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
verwendet den Microcontroller zur Berechnung der Schaltzeitpunkte
der mehreren Schaltrelais in Abhängigkeit
von der ermittelten Phasenlage der an den mehreren Schaltrelais
anliegenden Phasen der Netzspannung und den ermittelten Abfallzeiten
und Anzugs zeiten der mehreren Schaltrelais. Auf diese Weise kann
erreicht werden, dass die mehreren Schaltrelais ihre jeweils erforderlichen
Schaltvorgänge
zu Zeitpunkten durchführen,
bei denen die jeweils anliegende Netzspannungsphase einen Nulldurchgang
aufweist. Die Schaltvorgänge
dieser Schaltrelais erfolgen somit bei einem minimalen Schaltleistungspegel,
wodurch Belastungen der Schaltrelais aufgrund von Abbrand, Lichtbogen
etc. minimiert und damit die Lebensdauer der jeweiligen Schaltrelais verlängert wird.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
ermittelt der Microcontroller die Abfallzeiten und Anzugszeiten
der mehreren Schaltrelais sowie die Phasenlage der Phasen der Netzspannung kontinuierlich
und stellt damit sicher, dass einerseits durch Umgebungseinflüsse und/oder
Alterung bedingte Veränderungen
des Schaltzeitverhaltens der Schaltrelais und andererseits Schwankungen
oder Driften der Phasenlagen erfasst und bei der Berechnung der
Schaltzeitpunkte der Schaltrelais berücksichtigt werden. Dies trägt zu einer
erweiterten Lebensdauer der Schaltrelais und somit der Wendeschützbaugruppe
bei.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
weist einen ersten Abschaltweg auf, der verwendet wird, um den angeschlossenen
Wechselstrommotor gezielt abzuschalten, wenn eine Schwelle für den Motorstrom überschritten
wird. Die Messung des Motorstroms erfolgt hierbei vorteilhafterweise
durch die zur Ermittlung der Phasenlage der Netzspannungsphasen
vorgesehenen Stromwandler. Somit lässt sich ohne Zusatzaufwand
die Funktion eines Motorschutzschalters in die Wendeschützbaugruppe
integrieren. Besonders bevorzugt ist es, die Schwelle für den Motorstrom, über welcher
die Abschaltung des Wechselstrommotors erfolgt, einstellbar zu gestalten.
Somit kann die gewünschte Schwelle
ab Werk und/oder durch den Anwender vor Ort eingestellt bzw. angepasst
werden.
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Der
erste Abschaltweg wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
verwendet, um den Wechselstrommotor bei einer Unterbrechung einer oder
mehrerer Phasen (Phasenausfall) gezielt abzuschalten, um damit einer
Gefährdung
oder einer Beschädigung
des Wechselstrommotors vorzubeugen. Zur Detektion eines Phasenausfalls überwacht
der Microcontroller die Phasen der Netzspannung vorteilhafterweise
mit Hilfe der erwähnten
Stromwandler.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
wird die häufig
erforderliche Selbsthaltefunktion von optionalen Hilfskontakten
durch den Microcontroller angesteuert. Somit liefern die Hilfskontakte,
die mit der Selbsthaltefunktion ausgestattet sind, bei Schaltvorgängen keine
kurzen Schaltimpulse, sondern stetige Pegel, die zur Statusanzeige
sowie zum Schalten optional angeschlossener Vorrichtungen geeignet
sind.
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Bei
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
ist in dem Pfad einer jeden Phase der Netzspannung durch die Wendeschützbaugruppe ein
weiteres Schaltrelais vorgesehen. Diese zusätzlichen Schaltrelais bilden
zusammen einen separaten zweiten Abschaltweg für den Motor und bieten damit die
Funktionalität
eines in die Wendeschützbaugruppe
integrierten Hauptschützes.
Diese Integration bietet dem Anwender sowohl Kostenvorteile als
auch Vorteile bei der Montage, da der benötigte Einbauplatz minimiert
wird.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. In dieser ist:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
mit einem Microcontroller, Stromwandlern und zwei Abschaltwegen.
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Das
in 1 gezeigte Blockschaltbild stellt eine bevorzugte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe
für einen
(nicht gezeigten) Wechselstrommotor dar. Der nicht gezeigte Wechselstrommotor
kann dabei beispielsweise ein Dreiphasen-Drehstrommotor sein. Der
in 1 unten gezeigte Microcontroller ist mit allen
gezeigten Schaltrelais (RL1 bis RL7), den Stromwandlern (SW1 bis
SW3) und diversen Statusanzeigen (mit OK bezeichnet) über gestrichelte
Linien verbunden, die Signalleitungen darstellen. Über diese
Signalleitungen sendet der Microcontroller Ein/Ausschaltbefehle
an die Schaltrelais, schaltet die Statusanzeigen (und analog nicht
dargestellte Hilfskontakte) ggf. mit Selbsthaltung ein oder aus
und empfängt
kontinuierlich Spannungs- bzw. Stromsignale von den Stromwandlern.
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Die
mit L1, L2 und L3 bezeichneten Phasen der Netzspannung werden zunächst an
den ersten Abschaltweg geführt,
der in der gezeigten Ausführungsform
aus den beiden Schaltrelais RL1 und RL2 besteht. Die Schaltrelais
RL1 und RL2 können
die Netzspannungsphasen L1 und L3 abschalten; die Netzspannungsphase
L2 kann in dieser Ausführungsform
durch den ersten Abschaltweg nicht abgeschaltet werden. Optional
ist es selbstverständlich möglich, auch
für die
Netzspannungsphase L2 ein Schaltrelais in dem ersten Abschaltweg
vorzusehen, obwohl ein Abschalten von zwei Phasen ausreicht, um
den Wechselstrommotor anzuhalten.
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Die
Kernfunktion der Wendeschützbaugruppe
wird bei der gezeigten Ausführungsform
von den als „Wenderelais" bezeichneten Schaltrelais
RL3 und RL4 übernommen.
Der Microcontroller schaltet die Schaltrelais RL3 und RL4, um die
Drehrichtung des Wechselstrommotors festzulegen. In der Darstellung von 1 ist
die Phase L1 mit einem Motoranschlusskontakt W verbunden und die
Phase L3 mit einem Motoranschlusskontakt U. Die Schaltrelais RL3
und RL4 können
von dem Microcontroller umgeschaltet werden, so dass stattdessen
die unterbrochen dargestellten Leitungen L1U und L3W aktiv sind und
somit die Phase L1 mit dem Motoranschlusskontakt U bzw. die Phase
L3 mit dem Motoranschlusskontakt W verbunden ist. Dabei stellt der
Microcontroller sicher, dass zu jedem Zeitpunkt an jedem der Motoranschlusskontakte
U und W höchstens
eine Phase der Netzspannung anliegt. Durch dieses Vertauschen zweier
Phasen der Netzspannung wird die Drehrichtung des an den Motoranschlusskontakten U,
V und W angeschlossenen Wechselstrommotors umgedreht.
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In 1 ist
ein zweiter Abschaltweg dargestellt, der die Schaltrelais RL5, RL6
und RL7 umfasst. Dieser zweite Abschaltweg bietet die Funktion eines Hauptschützes, um
den nicht gezeigten Wechselstrommotor vollständig abzuschalten und stromfrei zu
stellen. Bei vielen Anwendungsfällen
ist eine derartige Funktion vorgeschrieben und wird in der Regel durch
ein separates Hauptschützmodul
realisiert. Diese Lösung
beansprucht jedoch zusätzlichen
Einbauraum für
das Hauptschützmodul
und ist zudem teurer als eine Integration in die erfindungsgemäße Wendeschützbaugruppe.
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Die
Stromwandler SW1, SW2 und SW3, an welche die drei Phasen L1, L2
und L3 der Netzspannung geführt
werden, messen den Phasenverlauf der jeweils anliegenden Phase der
Netzspannung über eine
indirekte Span nungsmessung sowie den über die jeweilige Phase fließenden Motorstrom
und melden die Messwerte kontinuierlich an den Microcontroller.
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Der
Microcontroller überwacht
anhand der von den Stromwandlern SW1, SW2 und SW3 gelieferten Spannungs-
und Stromwerte die Schaltzeiten (Abfallzeit sowie Anzugszeit) eines
jeden Schaltrelais sowie den Verlauf der Phasen der Netzspannung. Aus
diesen kontinuierlich aktualisierten Messwerten berechnet der Microcontroller
für jedes
Schaltrelais den Zeitpunkt, an dem das jeweilige Schaltrelais einen
entsprechenden Schaltbefehl erhalten muss, um exakt beim nächsten Nulldurchgang
der anliegenden Phase der Netzspannung zu schalten. Die bei den Schaltvorgängen eines
jeden Schaltrelais auftretenden Schaltzeiten werden nach jedem Schaltereignis gemessen
und die aktuellen Werte für
die Abfallzeit bzw. Anzugszeit eines jeden Schaltrelais werden ggf. abgespeichert.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sämtliche Schaltrelais immer
genau zu denjenigen Zeitpunkten schalten, an denen die erforderliche Schaltleistung
des Schaltrelais minimal ist, da die anliegende Phase der Netzspannung
zu diesem Zeitpunkt einen Nulldurchgang durchläuft.
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Der
Microcontroller verwendet die kontinuierlich aktualisierten Messwerte
der Stromwandler SW1, SW2 und SW3 auch zur Überwachung des Motorstroms
sowie der Netzspannung. Wenn die Messwerte einen Motorstrom anzeigen,
der über
einer einstellbaren Grenze liegt, dann werden die Schaltrelais des
ersten Abschaltwegs ausgeschaltet, um die daran angeschlossenen
Phasen vom Wechselstrommotor zu trennen und den Wechselstrommotor
damit stromfrei zu stellen. Damit kann verhindert werden, dass ein
zu großer
Strom zu einer Überhitzung
und Beschädigung
des Wechselstrommotors führt.
Auf ähnliche
Weise kann der Microcontroller einen Phasenausfall einer angeschlossenen
Phase der Netzspannung erkennen und die daran angeschlossenen Phasen
der Netzspannung über den
ersten Abschaltweg vom Wechselstrommotor trennen, um eine mögliche Gefährdung oder
Beschädigung
aufgrund eines unsachgemäßen Betriebs
zu vermeiden. Die den Schaltrelais RL1 und RL2 des ersten Abschaltwegs zugeordneten
Statusanzeigen (jeweils mit OK bezeichnet) werden von dem Microcontroller
angesteuert, um den Status der jeweiligen Schaltrelais (geschlossen
oder geöffnet)
zu signalisieren, beispielsweise durch eine LED.
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Des
Weiteren verfügt
die in 1 abgebildete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wendeschützbaugruppe über einen
zweiten, separaten Abschaltweg, der für jede angeschlossene Phase
der Netzspannung ein eigenes Schaltrelais (RL5, RL6, RL7) aufweist.
Der Microcontroller steuert auch diesen Abschaltweg und die zugeordneten
(mit OK bezeichneten) Statusanzeigen. Hierzu weist die dargestellte
Wendeschützbaugruppe
in der Regel (nicht gezeigte) Signaleingänge und/oder manuelle Betätigungsmittel
zum Eingeben eines Ein- bzw. Ausschaltwunsches auf. Bei Erhalt eines
entsprechenden Signals schaltet der Microcontroller sämtliche Schaltrelais
des zweiten Abschaltwegs entsprechend ein oder aus, wobei der jeweilige
Schaltzeitpunkt wiederum vom Microcontroller errechnet wird, um
ein Schalten jedes Schaltrelais im zweiten Abschaltweg bei einem
Nulldurchgang der jeweils anliegenden Phase der Netzspannung zu
erreichen. Die Statusanzeigen werden vom Microcontroller entsprechend geschaltet.
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Die
erfindungsgemäße Wendeschützbaugruppe
kann zudem mehrere zusätzliche
Hilfskontakte aufweisen, die zur Statusanzeige und/oder zum Schalten
weiterer Vorrichtungen (z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen)
geeignet sind. So können
beispielsweise die Schaltzustände
einzelner Schaltrelais über
derartige Hilfskontakte abgegriffen werden; auch kann ein Fehlersignal,
z. B. Überstrom oder
Phasenausfall, über
derartige Hilfskontakte ausgegeben werden. Zudem können derartige
Hilfskontakte je nach Konfiguration entweder Signalimpulse oder
stetige Signalpegel ausgeben, wobei die für stetige Signalpegel benötigte Selbsthaltefunktion
durch den Microcontroller realisiert wird.