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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Mittelspannungs-Softstarter für Induktionsmotoren und im Speziellen auf einen Softstarter, der eine Strombegrenzungsdrossel beinhaltet.
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Hintergrund
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Ein Induktionsmotor ist ein AC Motor, wo die Energie an den Rotor mittels elektromagnetischer Induktion geliefert wird. Solche Motoren werden oft in industriellen Antrieben genutzt. Der Prozess des Startens eines Induktionsmotors kann den Motor beschädigen und kann die Eigenschaften des elektrischen Energieversorgungssystems beeinflussen. Dies ist speziell der Fall in Mittelspannungsanwendungen. Wenn der Motor mit einem signifikant höheren Strom als den Bemessungsstrom gestartet wird, können mechanische und thermische Belastungen auf den Motor oder die Lasten einwirken. Hohe Spannungsschwankungen und tiefe Absackungen können in dem elektrischen Energieversorgungssystem zusammenhängend mit dem Starten des Motors auftreten. Dieses Problem wurde teilweise durch Festkörper-Softstarter, speziell durch Mittelspannungs-Festkörper-Softstarter angesprochen. Mittelspannungs-Festkörper-Softstarter schützen den Motor vor Ausfall und exzessiver Wartung, verursacht durch einen mechanischen Stoß während des Startens und Stoppens, durch das Ermöglichen von sanfter, schrittloser Beschleunigung und gesteuerter Verlangsamung.
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Viele dieser Softstarter beinhalten einen silikongesteuerten Gleichrichter (im Folgenden „SCR”) um den Strom zu steuern. Stand der Technik zeigt eine einpolige Darstellung von einer Grundausführung des Softstarters 16. Der Softstarter 16 nutzt SCRs 8, Umgehungs-Schütz 7, Netztrennungs-Vakuumschütz 4 und Motorstarter-Ausgangsanschluss 12 und ist mit einem Energieversorgungssystem, beinhaltend Energieversorgungsnetz 1, Netzkabel 13 und Induktionsmotor 14, verbunden.
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Der Softstarter 16 beinhaltet auch einen Lasttrennschalter 2 mit einer Erdungsschiene 18, Motorsicherung 3, Stromtransformator 5, Niederspannungs-Steuerschrank 9, Isolationstransformator 10 und Glasfaserkabel 11. Mit der hauptsächlichen Aufmerksamkeit in dem Entwurf, der Entwicklung und der Anwendung von Softstartern gerichtet auf Motorschutz, pulsierende Drehmomente, Schwingungen und Absenkungen und Abfälle in dem Energieversorgungssystem, wurde dem Schutz des SCR keine Aufmerksamkeit gewidmet. Der Startprozess kann elektrische Transienten produzieren in der Form von Stromänderungsereignissen, die eine Hauptgefahr für die SCR darstellen. Diese Ereignisse und ihre Werte werden verstärkt durch ein Anstieg in der gesamten Systemkapazität und Betriebsspannungsniveaus.
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Eine Kapazität eines Systems hat drei Ursprünge. Der erste Kapazitätsursprung sind Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren. Diese Kapazität kann einfach eliminiert werden, durch das Ausschalten des Kondensators während des Motorstartens. Der zweite Ursprung sind statische VAR Kompensatoren. Diese netz-eingangs verbundene Kondensatoren können typischerweise nicht während des Motorstartens entfernt werden, weil sie in vielen Fällen genutzt werden um eine schwache Energiezufuhr zu unterstützen. Der dritte Kapazitätsursprung ist die innewohnende Kapazität von dem Softstarter- und den Energieversorgungssystemelementen, wie das Netzkabel, Schütze, Transformatoren, usw. Diese sind unvermeidbar während des Motorstartens. Sogar einfache Vorkehrungen, wie das Erhöhen der Kabel-Länge oder -Anzahl kann den Kapazitätswert beeinflussen. Eine bekannte Eigenschaft von einem Kondensator ist, dass die Spannung durch den Kondensator nicht augenblicklich geändert werden kann. Wenn eine Spannung an einen Kondensator angelegt wird, versucht deshalb ein hoher Strom augenblicklich in den Kondensator zu fliesen, um ihn auf den Wert von der angelegten Spannung zu laden. Diese schnelle Stromänderung kann größer sein als das Leistungsvermögen von dem SCR und somit zu seinem Versagen führen.
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Dieser Festkörper-Softstarter fügt dem System Flexibilität hinzu, weil es angepasst werden kann, um ein optimales Startstromprofil an den Induktionsmotor zu liefern. Dies kann zu geringeren Wartungskosten und einer erhöhten Lebensdauer von der mechanischen Last, genauso wie zu einer verbesserten Energieeffizienz führen. Starter, die SCRs beinhalten, nutzen typischerweise anti-parallele oder Rücken-an-Rücken angeordnete SCRs. Ihre Schaltsignale sind von dem Spannungsnulldurchgang verzögert, so dass der angelegte Motorstrom signifikant geringer ist als typische Startströme. Nachdem der Motor seine volle Drehzahl erreicht hat, werden die SCRs durch ein Schütz umgangen.
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Um die Induktionsmaschine zu starten, werden die SCRs eingeschaltet und es gibt keine Einflussnahme auf die Strommenge, die durch sie fliesen. Dieser Strom, durch die SCRs, wird einzig durch die externe Impedanz, die in der Schaltung verbunden ist und der angelegten Spannung bestimmt. Die maximale Erhöhungsrate des Stroms während des SCR Schaltens, die der SCR aushalten kann, wird die kritische Stromanstiegsrate für das Gerät genannt. Die kritische Anstiegsrate wird spezifiziert bei einer maximalen Sperrschicht-Temperatur. Während der ersten Mikrosekunden nach dem Einschalten, leitet nur ein kleiner Bereich des Gates den Anodenstrom. Wenn der Strom zu schnell steigt, wird örtlich begrenztes Überhitzen stattfinden und die SCRs können dauerhaft beschädigt werden.
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Nun bezugnehmend auf Stand der Technik bis , transiente Ströme werden während des SCR-Schaltens gezeigt. In diesen bis stellt „mV” Amper dar. Der durchschnittliche Stromanstieg, ΔI/Δt, ist deshalb ΔmV/Δt. hebt die Stromschwankung mit gestrichelten Kreisen hervor. zeigt einen extremen Fall, wo der durchschnittliche Stromanstieg 318 A/μs beträgt. Der allgemeine durchschnittliche Stromanstieg beträgt 140–150 A/μs. Solch ein typisches Fall wird in mit einem Stromanstieg von 140.7 A/μs gezeigt. Dieser Stromanstieg während der Einschaltphase kann die SCRs wegen der innewohnenden Kapazität in dem System schaden. Obwohl ein SCR eine Stromänderungsrate von 200 oder sogar von 300 A/μs einmalig aushalten kann, ist dies nicht der Fall für eine praktische Anwendung. Deshalb existiert ein Bedürfnis für einen Festkörper-Mittelspannungs-Softstarter, der Stromanstiege steuert, um innerhalb von Grenzen zu bleiben, die die SCRs des Startes nicht beschädigen.
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Zusammenfassung von der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen Softstarter und einen Induktionsmotor-Bausatz, beinhaltend den Softstarter von der vorliegenden Erfindung.
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In seiner grundsätzlichsten Form beinhaltet der Softstarter von der vorliegenden Erfindung eine grundsätzliche Softstarterkonfiguration mit einem SCR und einer Strombegrenzungsdrossel. Die grundsätzliche Softstarterkonfiguration benutzt antiparallele SCRs und Umgehungs- und Leitungsisolationsschütze, wie in Stand der Technik gezeigt. Der Softstarter von der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch eine Strombegrenzungsdrossel. Die Strombegrenzungsdrossel und ihre Platzierung innerhalb der Umgehungsschleife, vor oder nach den SCRs ist ein Mittel zum Reduzieren des Stromanstiegs während des Einschaltens von den SCRs. Die Strombegrenzungsdrossel kann entweder vor oder nach den SCRs angeordnet sein, aber innerhalb der Umgehungs-Schütz-Schleife, innerhalb des Softstarters. Durch das Umgehen der SCRs und der Drossel, ist es nicht notwendig die Drossel für Dauerbetrieb mit dem vollen Bemessungsstrom zu entwerfen. Dieses ermöglicht es der Drossel viel kleiner zu sein, was es ihr ermöglicht einfacher in das Gehäuse des Softstarters hinein zu passen. Es wird bevorzugt, dass die Strombegrenzungsdrossel unter den SCRs angebracht ist.
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Die Strombegrenzungsdrossel von der vorliegenden Erfindung bietet verschiedene zusätzliche Vorteile. Die Strombegrenzungsdrossel muss nur mit dem Softstarternetzwerk für das Starten von den SCRs verbunden sein. Wenn sie unter den SCRs angebracht ist, bietet die Drossel mechanische Unterstützung für die SCRs. Die SCRs, die mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden, sind vorzugsweise Teil einer Kühlkörper-Baugruppe für den Softstarter und die darunter angebrachte Drossel bietet auch Unterstützung für die gesamte Kühlkörper-Baugruppe. Zuletzt ermöglicht die relativ geringe Größe der Drossel es, ein Teil von dem größeren Softstartergehäuse zu sein, so dass die Drossel kein eigenes Gehäuse benötigt. Dies ermöglicht beides, Platz und Geld zu sparen.
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Durch umfangreiche Forschung und Analyse, praktische Messungen und allgemeiner Erfahrung, haben die Erfinder von der vorliegenden Erfindung geschlussfolgert, dass um die SCRs in dem Softstarter zu schützen, der Strom nicht 75 A/μs übersteigen sollte. Dieser Parameter schreibt eine Drosselinduktivität von 50–100 μH vor. Jedoch kann diese Induktivität größer oder kleiner als dieser Bereich sein. Diese Bestimmungen wurden teilweise durch mathematische Modelle und Elektromagnetische Transient Programm (im Folgenden „EMTP”) Simulationen von dem Softstarter gebildet, um die Natur des Transient-Prozesses zu verstehen und die relevanten Parameter, die ihn beeinflussen. Weiterhin werden analytische Formeln benutzt für die Berechnung des transienten Stroms ohne EMTP Simulation und zur Bestimmung von der geforderten Induktivität um den Stromanstieg auf ein sicheres Niveau für SCRs zu begrenzen.
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Die relevante Formel ist wie folgt: LR = VP/(ΔI/Δt)
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Wobei:
- LR
- die benötigte Induktivität in μH ist, um den Stromverbrauch zu begrenzen.
- VP
- ist die System Spannungsspitze in V; und
- ΔI/Δt
- ist der sichere Stromanstieg für SCRs in A/μs.
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In seiner grundsätzlichsten Form beinhaltend der Induktionsmotor-Bausatz von der vorliegenden Erfindung ein Induktionsmotor, der Integral ist zu einem Softstarter, wie oben beschrieben.
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Deshalb ist es ein Aspekt von der vorliegenden Erfindung einen Softstarter bereitzustellen, der den Stromanstieg während des Einschaltens begrenzt, um so die SCRs des Softstarters zu schützen.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung einen Softstarter mit geringer Wartungsanfälligkeit und höherer Lebenszeit bereitzustellen.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung einen Softstarter bereitzustellen, der eine Strombegrenzungsdrossel mit einer Induktivität von 50–100 μH hat.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung eine Drossel bereitzustellen, die vor oder nach den SCRs und in der Umgehungs-Schütz-Schleife installiert werden kann.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung eine sehr kleine Drossel bereitzustellen, die einfach in das Gehäuse des Softstarters hineinpasst.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung SCRs in Kombination mit Kühlkörpern bereitzustellen, zum Absorbieren der Hitze von dem Betrieb des Softstarters.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorliegenden Erfindung die Strombegrenzungsdrossel unterhalb der SCR/Kühlkörper-Baugruppe anzubringen um mechanische Unterstützung für diese Merkmale bereitzustellen.
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Es ist ein weiterer Aspekt von der vorlegenden Erfindung eine Strombegrenzungsdrossel bereitzustellen, die klein genug ist, um in das Gehäuse des Softstarters hineinzupassen.
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Diese Aspekte von der vorliegenden Erfindung sind nicht beabsichtigt abschließend zu sein und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile von der vorliegenden Erfindung werden für den durchschnittlichen Fachmann leicht erkennbar sein, wenn sie im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Darstellungen gelesen werden.
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Kurze Beschreibung von den Abbildungen
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ist eine Stand der Technik Darstellung von einem Mittelspannungs-Softstarter, beinhaltend antiparallele SCRs.
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ist ein Diagramm, das transiente Ströme während des SCR Einschaltens hervorhebt.
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ist ein Diagramm, das einen extremen Durchschnittsstromanstieg mit einem Stand der Technik Softstarter zeigt.
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ist ein Diagramm, das einen typischen Durchschnittsstromanstieg mit einem Stand der Technik Softstarter zeigt.
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ist eine Darstellung von einem Mittelspannungs-Softstarter, beinhaltend antiparallele SCRs und die Strombegrenzungsdrossel von der vorliegenden Erfindung vor den SCRs.
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ist eine Darstellung von einem Mittelspannungs-Festkörper-Softstarter, beinhaltend antiparallele SCRs und die Strombegrenzungsdrossel von der vorliegenden Erfindung nach den SCRs.
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ist ein Diagramm, das einen Durchschnittsstromanstieg zeigt, bei dem der Softstarter die Strombegrenzungsdrossel von der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
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ist eine Fotografie von dem bevorzugten Softstarter von der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Zuerst bezugnehmend auf und , es wird der Softstarter 24 von der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Softstarter 24 ist ein Mittelspannungs-Festkörper-Softstarter und beinhaltet alle von den Merkmalen von dem Stand der Technik Softstarter 16, wie in gezeigt wird, genauso wie eine Strombegrenzungsdrossel 6. Im Besonderen nutzt Softstarter 24 SCRs 8, Umgehungs-Schütz 7, Netztrennungs-Vakuumschütz 4 und Motorstarter-Ausgangsanschluss 12 und ist mit einem Energieversorgungssystem, beinhaltend Energieversorgungsnetz 1, Netzkabel 13 und Induktionsmotor 14, verbunden. Der Softstarter 24 beinhaltet auch einen Lasttrennschalter 2 mit einer Erdungsschiene 18, Motorsicherung 3, Stromtransformator 5, Niederspannungs-Steuerschrank 9, Isolationstransformator 10 und Glasfaserkabel 11. Die Strombegrenzungsdrossel 6 ist innerhalb der Umgehungs-Schütz-Schleife 20 angeordnet, entweder vor SCR 8, wie in gezeigt wird, oder hinter SCR 8, wie in gezeigt wird. Die Strombegrenzungsdrossel 6 ist ein Mittel 22 zum Reduzieren des Stromanstiegs während des Einschaltens von den SCRs 8. und zeigen auch einen Bausatz 26 von der vorliegenden Erfindung, wie sie Softstarter 24 als wesentlich für Induktionsmotor 14 zeigen.
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Nun bezugnehmend auf , ein Diagramm ist bereitgestellt, das einen Durchschnittsstromanstieg nach dem Einschalten der SCRs 8 von Softstarter 24 von der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Softstarter 24 beinhaltet Strombegrenzungsdrossel 6 mit einer Induktivität von 100 μH. Der durchschnittliche Stromanstieg in diesem Fall beträgt 53.2 A/μs. Dies ist bedeutsam geringer als die Fälle, die in und dargestellt sind, 318 A/μs, beziehungsweise 140.7 A/μs mit dem Stand der Technik Softstarter 16, der nicht die Strombegrenzungsdrossel 6 beinhaltet. Wie die Studien der Erfinder gezeigt haben, können SCRs beschädigt werden mit einem Stromanstieg von mehr als 75 A/μs , und zeigen klar an, dass der Stand der Technik Softstarter 16 seine SCRs 8 während des Einschaltens beschädigen kann, während Softstarter 24 von der vorliegenden Erfindung es nicht tun wird.
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Nun bezugnehmend auf , eine Fotografie von dem bevorzugten Softstarter von der vorliegenden Erfindung wird gezeigt. Von oben nach unten sind beinhaltet Leiterplatinen-Baugruppe 30, SCR/Kühlkörper-Baugruppe 28 und Strombegrenzungsdrossel 6. Die SCR/Kühlkörper-Baugruppe 28 beinhaltet SCRs 8, wie oben beschrieben, in Kombination mit Kühlkörpern zum Absorbieren von Hitze durch den Betrieb des Softstarters. Dies ist ein einzigartiger Aspekt von der vorliegenden Erfindung. Die Strombegrenzungsdrossel 6 ist unter der SCR/Kühlkörper-Baugruppe 28 angebracht, um mechanische Unterstützung für dieses Merkmal bereitzustellen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlichen Details beschrieben wurde mit Bezug zu bestimmten bevorzugten Versionen davon, wären andere Versionen für den durchschnittlichen Fachmann leicht erkennbar. Deshalb sollte der Geist und der Umfang der Erfindung nicht auf die Beschreibung von den bevorzugten Versionen, die hierin enthalten sind, begrenzt werden.
