DE102016204837A1

DE102016204837A1 - Anlaufverfahren und Motoranordnung

Info

Publication number: DE102016204837A1
Application number: DE102016204837.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kurbjuweit; Markus Riech; Wolfgang Feil
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anlaufverfahren (100) für einen Elektromotor (10) mit einem Stern-Schalter (20), einem Dreieck-Schalter (22) und einem Netzschalter (26), der an eine Stromversorgung (12) angeschlossen ist. Das Verfahren (100) umfasst einen ersten Verfahrensschritt, in dem ein Schließen des Netzschalters (26) und des Sternschalters (26) und Hochlaufen des Elektromotors (10) in Stern-Schaltung erfolgt. Anschließend wird der Elektromotor (10) durch Öffnen des Netzschalters (26) von der Stromversorgung (12) getrennt. In einem anschließenden Verfahrensschritt erfolgt ein Öffnen des Stern-Schalters (20) und ein Schließen des Netzschalters (26). Im Anschluss daran wird der Dreieck-Schalter (22) geschlossen. Erfindungsgemäß wird solange der Netzschalter (26) geöffnet ist, eine Motorrestspannung (17) in mindestens einer der Phasen (14) ermittelt. Mindestens eine der späteren Betätigungen des Sternschalters (20), des Netzschalters (26) und/oder des Dreieck-Schalters (22) erfolgen in Abhängigkeit von der ermittelten Motorrestspannung (17). Die Erfindung betrifft auch eine hierzu geeignete Software (50) zur Durchführung des Anlaufverfahrens (100), eine geeignete Steuereinheit (28) und eine entsprechende Motoranordnung (30).

Description

Die Erfindung betrifft ein Anlaufverfahren zum Betrieb einer Motoranordnung mit einem Elektromotor, der zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung umschaltbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Programm, das dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Anlaufverfahren umzusetzen und auf einer erfindungsgemäßen Steuereinheit ausführbar ist. Gleichermaßen betrifft die Erfindung eine Motoranordnung, die mit einer entsprechenden Steuereinheit ausgestattet ist.
Aus EP 2 421 143 A2 ist ein Verfahren zum Umschalten eines Drehstrommotors von Sternbetrieb auf Dreieckbetrieb bekannt, in dem zunächst ein Sternschütz bei stromlosen Kontakten eingeschaltet wird. In darauffolgenden Verfahrensschritten wird ein Netzschütz eingeschaltet und der Motor zeitgesteuert auf ca. 80% der Nenndrehzahl hochläuft. Ferner wird durch ein Zeitrelais das Sternschütz und das Netzschütz ausgeschaltet. Darauf wird das Dreieckschütz mit stromlosen Kontakten eingeschaltet und anschließend das Netzschütz eingeschaltet.
Bei der Aktivierung der Dreieckschaltung können Inrush-Ströme auftreten, die zu einer übermäßigen Beanspruchung der Schaltkomponenten führen. Hierdurch steigt die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls eines Antriebs. Es wird angestrebt, derartige Beanspruchungen zu minimieren. Folglich besteht Bedarf an einer Motoranordnung mit einem Elektromotor mit Stern-Dreieck-Schaltung, die über ein geeignetes Verfahren beim Hochfahren vom Stern- und den Dreieckbetrieb umschalten kann. Dabei sind Inrush-Ströme und Umschaltstöße zuverlässig zu minimieren. Hierfür wird eine einfache und effiziente Umsetzung angestrebt.
Die skizzierte Aufgabenstellung wird durch das erfindungsgemäße Anlaufverfahren gelöst. Das Anlaufverfahren ist für einen Elektromotor ausgelegt, der über einen Stern-Schalter, einen Dreieck-Schalter und einen Netzschalter mit einer Stromversorgung gekoppelt ist. Ein Stromfluss durch den Elektromotor liegt vor, wenn der Netzschalter zusammen mit dem Stern-Schalter oder dem Dreieck-Schalter geschlossen sind. Im erfindungsgemäßen Anlaufverfahren werden die Schalter zunächst in einem geöffneten Zustand bereitgestellt. In einem ersten Verfahrensschritt werden der Netzschalter und der Stern-Schalter geschlossen. In der dadurch vorliegenden Sternschaltung erfolgt ein Hochlaufen des Elektromotors. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die Stromversorgung des Elektromotors unterbrochen, indem der Netzschalter geöffnet wird. Dadurch, dass der Stern-Schalter noch geschlossen ist, liegt in den Phasen auf der vom Netzschalter aus gesehen, netzabgewandten Seite des Netzschalters eine messbare Motorrestspannung vor. Die messbare Motorrestspannung bildet einen aussagekräftigen Parameter zur Anpassung der weiteren Schaltvorgänge. Die Motorrestspannung wird in mindestens einer der Phasen ermittelt. Erfindungsgemäß wird mindestens einer der weiteren Schaltvorgänge in Abhängigkeit von der in mindestens einer Phase ermittelten Motorrestspannung durchgeführt.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird auch der Stern-Schalter geöffnet und der Netzschalter geschlossen. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die Dreieck-Schaltung hergestellt, indem der Dreieck-Schalter geschlossen wird. Dabei wird mindestens einer dieser beiden Schaltvorgänge derart durchgeführt, dass eine Minimierung der Inrush-Ströme bzw. Umschaltstöße in wenigstens einer der Phasen eintritt.
Das erfindungsgemäße Anlaufverfahren erfordert eine geringe Anzahl an Verfahrensschritten und greift mit der Motorrestspannung auf eine physikalische Größe zurück, die in einfacher Weise mit Mitteln messbar ist, die in einem Elektromotor typischerweise ohnehin vorhanden sind. Ferner läuft das erfindungsgemäße Verfahren ereignisgesteuert ab. Infolge der Einfachheit ist das erfindungsgemäße Verfahren ohne aufwendige Modifikationen auch im Zuge einer Nachrüstung bei bestehenden Motoranordnungen umsetzbar. Insbesondere ist beim beanspruchten Verfahren die Verwendung einer zusätzlichen Messleitung entbehrlich. Die geringe Anzahl an Verfahrensschritten erlaubt es, das erfindungsgemäße Anlaufverfahren in die Betriebssteuerung eines Elektromotors zu implementieren ohne einen für den Benutzer erkennbaren Verzug beim Anlaufen hervorzurufen. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Hardware mit geringer Rechenleistung umsetzbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird während des Verfahrensschritts, in dem der Netzschalter geöffnet und der Stern-Schalter nach dem Hochlauf geschlossen ist, eine Amplitude, Frequenz und/oder ein Frequenzverlauf der Motorrestspannung gemessen, die in zumindest einer der Phasen vorliegt. Der Frequenzverlauf umfasst insbesondere die zeitliche Änderung der Frequenz, kurz df/dt. Die Messung erfolgt dabei in einem Zeitraum, der sich unmittelbar an das Öffnen des Netzschalters anschließt, also kurz nach dem Öffnen des Netzschalters. Aufgrund der 120°-Symmetrie in einem Dreiphasensystem genügt im erfindungsgemäßen Verfahren die Messung von lediglich einer Phase. Zur Steigerung der Genauigkeit kann alternativ auch in zwei oder allen drei Phasen die jeweilige Motorrestspannung ermittelt werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Erfassung einer Motorrestspannung anhand von mindestens drei charakteristischen Punkten. Charakteristische Punkte können dabei Nulldurchgänge und/oder Amplitudenextrema sein. So kann die Motorrestspannung beispielsweise aus einer Abfolge eines Amplitudenextremums, also Amplitudenmaximum oder Amplitudenminimum, einem anschließenden Nulldurchgang und einem anschließenden weiteren Amplitudenextremums erfolgen. Eine Erfassung der Motorrestspannung ist damit innerhalb einer halben Schwingungsdauer der Motorrestspannung möglich. Die Messung der Amplitude, der Frequenz und/oder des Frequenzverlaufs der Motorrestspannung liefert einen Parameter, der einfach zur Ermittlung einer optimierten Betätigung des Dreieck-Schalters, insbesondere zu einem optimierten Betätigungszeitpunkt, auswertbar ist. Die Amplitude und die Frequenz der Motorrestspannung bilden deren Schwingungsform ab. Das erfindungsgemäße Anlaufverfahren ermöglicht damit eine schnelle Umschaltung bei minimierten Umschaltstößen.
Des Weiteren kann im beanspruchten Verfahren während des Schritts, in dem der Netzschalter geöffnet und der Stern-Schalter geschlossen sind, bei der Messung der Motorrestspannung in der entsprechenden Phase ein schwebungsartiger Überlagerungszustand ermittelt werden. Der schwebungsartige Überlagerungszustand wird durch die Motorrestspannung und eine Vergleichsspannung erzeugt. Der schwebungsartige Überlagerungszustand bildet sich durch eine Überlagerung der Motorrestspannung mit der Vergleichsspannung. Die Motorrestspannung und die Vergleichsspannung weisen im Verfahrensschritt, in dem der Netzschalter geöffnet und der Stern-Schalter geschlossen sind, eine geringe Differenz ihrer Frequenzen auf. Als Vergleichsfrequenz kann die vorliegende Netzspannung in der jeweiligen Phase dienen, die hierzu von einer zusätzlichen Messvorrichtung zu messen ist. Alternativ kann auch eine Modellfrequenz, die simulationsartig die Netzfrequenz abbildet, als Vergleichsfrequenz dienen. In beiden Fällen kann zusätzlich die Spannungsamplitude in der jeweiligen Phase im Netz erfasst werden. Durch Kombinieren der Motorrestfrequenz mit der Vergleichsfrequenz, also der Netzfrequenz oder der Modellfrequenz, wird eine Überlagerungsschwingung ermittelt. Die Überlagerungsschwingung bzw. der daraus resultierende Kurvenverlauf können der Ermittlung der optimierten weiteren Verfahrensschritte zugrundegelegt werden. Besonders bevorzugt wird die Erfassung der Motorrestspannung mit einer Abtastfrequenz durchgeführt, die mindestens dem Zehnfachen der Netzfrequenz entspricht.
Die Netzfrequenz wird bei heutigen Elektromotoren und/oder deren Steuerungen häufig gemessen, so dass das erfindungsgemäße Verfahren lediglich auf Parameter zurückgreift, die ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand in einer Steuereinheit vorliegen. Eine direkte Erfassung der Netzfrequenz als Vergleichsfrequenz erlaubt es, direkt Netzschwankungen beim Anlaufen des Elektromotors automatisch mit zu berücksichtigen. Bei Netzen mit vernachlässigbaren Netzschwankungen können die Netzfrequenz und Spannungsamplitude im Netz in einfacher Weise als harmonische Schwingung modelliert werden. Die Modellfrequenz und die Spannungsamplitude im Modell erfordern lediglich eine einmalige Synchronisation mit dem Spannungsverlauf im Netz. Eine solche Modellfrequenz ist mit wenig Rechenaufwand durch eine Steuereinheit einer Motorsteuerung simulierbar.
In der beschriebenen Ausführungsform nutzt das erfindungsgemäße Verfahren die Erkenntnis aus, dass überlagerte Schwingungsformen, also Wellenfunktionen, mit geringfügigem Frequenzunterschied in einen eindeutig definierten und berechenbaren Zustand, nämlich den schwebungsartigen Überlagerungszustand, eintreten, durch den die Wechselwirkung zwischen beiden überlagerten Schwingungen abgebildet ist. Dies erlaubt es, die angestrebte optimierte weitere Betätigung des Stern-Schalters, Netzschalters und/oder Dreieck-Schalters iterationsfrei, also in einem Rechengang, durchzuführen. Das beanspruchte Verfahren ist damit effizient und schnell durchführbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nur die zeitliche Änderung der Frequenz, df/dt, der Motorrestspannung ermittelt. Der Verlauf der Überlagerungsschwingung wird in einer Anwendung von der vorliegenden Netzfrequenz und dem Verzögerungsverhalten des Elektromotors beeinflusst. Vorzugsweise ist der Verlauf der Überlagerungsschwingung für die jeweilige Anwendung bereits ermittelt und liegt für das Verfahren vor. Basierend auf der zeitlichen Änderung der Frequenz df/dt der Motorrestspannung und dem zugehörigen vorberechneten Verlauf der Überlagerungsschwingung wird der Simulations- und Rechenaufwand während der Durchführung des Verfahrens minimiert. Auf eine Echtzeitsimulation kann damit verzichtet werden, was die Anforderungen an die eingesetzte Hardware weiter verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Überlagerungsfrequenz, also die Frequenz der Einhüllenden der Überlagerungsschwingung, bei bis zu 10 Hz, bevorzugt bei bis zu 5 Hz, und besonders bevorzugt bei bis zu 1 Hz. Die Überlagerungsfrequenz ist damit niedriger als die Netzfrequenz von üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz. Bei einer derartig niedrigen Überlagerungsfrequenz ist der weitere Schwingungsverlauf auch bei einer Messung mit reduzierter Genauigkeit und ohne weitere Korrekturmaßnahmen präzise berechenbar. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt folglich als Grundlage zur Optimierung der Betätigung der Stern-Schalters, Dreieck-Schalters und Netzschalters eine Schwingungsform, bei der ein höheres Maß an Vorhersagegenauigkeit bei verringerter erforderlicher Messgenauigkeit erzielbar ist. Dadurch wird auch bei einfacher Hardware und/oder widrigen Betriebsbedingungen eine weitgehende Reduzierung von Umschaltstößen erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei gleichzeitigt robust.
Vorzugsweise wird in der beanspruchten Lösung in dem Verfahrensschritt, in dem der Netzschalter geöffnet und der Stern-Schalter geschlossen sind, als Schaltzeitpunkt für das Schließen des Dreieck-Schalters ein Nulldurchgang einer Einhüllenden der Überlagerungsschwingung ermittelt. Vorzugsweise wird die Lage eines solchen Nulldurchgangs gemäß folgender Gleichung berechnet:
Wobei gilt: t_n = t – t₀, und t₀ der Abschaltzeitpunkt des Stern-Schalters ist, und c = 2π df / dt wobei f die Frequenz der Motorrestspannung ist, und n = 1,3,5, ...
Im Bereich eines Nulldurchgangs der Einhüllenden der Überlagerungsschwingung sind die Amplituden der Überlagerungsschwingung minimal, so dass auch bei einer Abweichung zwischen dem Modell, das dem Verfahren zugrundeliegt, und den realen Komponenten immer noch ein reduzierter Umschaltstoß erzielbar ist. Derartige Abweichungen können beispielsweise durch Fertigungstoleranzen und Degradation von Komponenten hervorgerufen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nur eine verringerte Fertigungspräzision und ist damit wirtschaftlich in der Herstellung. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren robust gegen Verschleißerscheinungen seiner Hardwarekomponenten und damit für einen dauerhaften Einsatz geeignet. Die erfindungsgemäße Lösung ist deshalb kosteneffizient und langlebig.
In einer besonders bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Ermittlung eines Betätigungszeitpunkts für den Dreieck-Schalter die Anzugzeit des Dreieck-Schalters selbst mitberücksichtigt. Der Betätigungszeitpunkt entspricht im Wesentlichen dem Zeitpunkt, zu dem ein entsprechender Betätigungsbefehl den Dreieck-Schalter erreicht und das Anziehen des Dreieck-Schalters einsetzt. Der Betätigungszeitpunkt wird vorzugsweise so gewählt, dass ert um die Dauer der Anzugzeit vor dem angestrebten Schaltzeitpunkt liegt. Die Anzugzeit des Dreieck-Schalters liegt bei Motorleistungen von bis zu 15 kW vorzugsweise bei 10 ms bis 20 ms, weiter bevorzugt bei 13 ms bis 17 ms, besonders bevorzugt bei 15 ms. Alternativ liegt die Anzugzeit des Dreieck-Schalters bei Motorleistungen von über 15 kW vorzugweise bei 30 ms bis 80 ms, weiter bevorzugt bei 40 ms bis 70 ms, besonders bevorzugt bei 50 ms bis 60 ms. Hierdurch ist der Zeitpunkt für den Verfahrensschritt, in dem der Dreieck-Schalter geschlossen wird, mit gesteigerter Präzision wählbar, so dass der Umschaltstoß weiter minimiert wird.
Die zugrundeliegende Aufgabenstellung wird auch durch das erfindungsgemäße Programm und die erfindungsgemäße Steuereinheit gelöst. Das Programm ist dazu ausgebildet, in einer Steuereinheit aus der Automatisierungstechnik, insbesondere einer Steuereinheit eines Elektromotors, gespeichert und ausgeführt zu werden. Das Programm verfügt über eine Schnittstelle, die dazu geeignet ist, Messdaten zu empfangen, die von einer Messvorrichtung erzeugt werden, die an einem Elektromotor angeordnet ist, der der Steuereinheit zumindest funktionell zugeordnet ist. Das Programm ist auch dazu ausgebildet, Betätigungsbefehle an einen Stern-Schalter, einen Dreieck-Schalter und/oder Netzschalter auszugeben. Das Ausgeben der Betätigungsbefehle erfolgt im beanspruchten Programm in Abhängigkeit von den empfangenen Messergebnissen. Das Programm ist dazu ausgebildet, mindestens eines der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren am Elektromotor auszuführen. Das erfindungsgemäße Programm ist frei von Iterationen und Rekursionen, so dass ein schneller Programmablauf gewährleistet ist. Infolge der Einfachheit des zugrundeliegenden Verfahrens ist das erfindungsgemäße Programm auch auf Hardware mit geringer Rechenleistung schnell durchführbar und kann deshalb auch im Rahmen eines Nachrüstsatzes für bestehende Elektromotoren verwendet werden. Infolgedessen kann die erfindungsgemäße Steuereinheit aus einfachen und damit kosteneffizienten Hardwarekomponenten aufgebaut sein. Alternativ beansprucht das erfindungsgemäße Programm nur wenig Rechenleistung in der Steuereinheit, so dass ausreichend Rechenkapazität für zusätzliche Funktionen der Steuereinheit zur Verfügung stehen.
Gleichermaßen wird die zugrundeliegende Aufgabenstellung durch eine Motoranordnung gelöst, die einen anzusteuernden Elektromotor umfasst, der mit einer Stromversorgung verbunden ist. Die Stromversorgung umfasst mindestens zwei Phasen und ist durch einen Stern-Schalter, einen Dreieck-Schalter und einen Netz-Schalter unterbrechbar. Die Motoranordnung umfasst auch eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Stern-Schalter, den Dreieck-Schalter und den Netzschalter separat anzusteuern. Des Weiteren gehört eine Messvorrichtung zur Motoranordnung, die dazu ausgebildet ist, die Motorrestspannung in mindestens einer der Phasen zu erfassen, wenn der Netzschalter geöffnet und der Stern-Schalter geschlossen ist. Die Messvorrichtung ist, vom Netzschalter aus gesehen, auf einer netzabgewandten Seite der Phasen zwischen dem Elektromotor und einem Abzweig zum Dreieck-Schalter angeordnet. Hierdurch ist eine zusätzliche Messleitung entbehrlich. Die so von der Messvorrichtung erfassten Messwerte werden der Steuereinheit zur Verfügung gestellt. Auf der Steuereinheit ist ein erfindungsgemäßes Programm gespeichert, das dazu geeignet ist, das oben beschriebene Verfahren in zumindest einer Ausführungsform am anzusteuernden Elektromotor auszuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Stern-Schalter, der Dreieck-Schalter und/oder der Netzschalter als Schütz mit einer Halbleiterstrecke ausgebildet. Die Halbleiterstrecke ist parallel zu mindestens einem elektromechanischen Schaltkontakt in einer sog. Bypass-Schaltung angeordnet. Hierdurch ist der elektromechanische Schaltkontakt zwecks einer schnellen und zeitlich präzisen Betätigung für eine bestimmte Dauer überbrückbar. Hierdurch wird eine schnelle und exakte Betätigung des Stern-Schalters, des Dreieck-Schalters und/oder Netzschalters erzielt, so dass eine weitere Reduzierung des Umschaltstoßes erzielbar ist.
Darüber hinaus kann in der erfindungsgemäßen Motoranordnung die Messvorrichtung als application-specific integrated circuit, kurz ASIC, ausgebildet sein. Eine derartige Messvorrichtung bietet bei geringer Baugröße für eine Vielzahl an Wertebereichen eine schnelle und präzise Spannungsmessung. Insbesondere ist eine Abtastrate erzielbar, bei der die Amplitude und/oder Frequenz der Motorrestspannung in maximal einer Periodendauer der Motorrestspannung also, bis zu 20 ms erzielbar ist. Ferner ist ein ASIC preiswert herstellbar und robust gegen widrige Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Vibrationsbeanspruchungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsformen in den 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen
1 den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motoranordnung,
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anlaufverfahrens,
3 Schwingungsdiagramme mit einem schwebungsartigen Überlagerungszustand gemäß dem beanspruchten Anlaufverfahren.
In 1 ist schematisch der Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motoranordnung 30 dargestellt. Die Motoranordnung 30 umfasst einen dreiphasigen Elektromotor 10, der je Phase 14 eine Wicklung 16 aufweist. Die Phasen 14 stellen eine Verbindung zu einer Stromversorgung 12 her, die eine Netzspannung 13 mit einer Netzfrequenz 15 bereitstellt. Die Phasen 14 sind mittels eines Netzschalters 26, der drei separate Schaltkontakte 24 aufweist, unterbrechbar. Der Netzschalter 26 ist als Schütz ausgebildet, das über Betätigungsbefehle 25 von einer Steuereinheit 28 angesteuert wird. Zur Motoranordnung 30 gehört auch ein Stern-Schalter 20, der dazu ausgebildet ist, die Phasen 14 mit drei separaten Schaltkontakten 24 in einem Sternpunkt 11 zusammenzuschließen. Ebenso gehört ein Dreieck-Schalter 22 mit drei Schaltkontakten 24 zur Motoranordnung 30. Sowohl der Dreieck-Schalter 22 als auch der Stern-Schalter 20 sind als Schütze ausgebildet und einzeln über Betätigungsbefehle 25 ansteuerbar, die von der Steuereinheit 28 ausgegeben werden. Der Elektromotor ist durch Schließen des Stern-Schalter 20 oder des Dreieck-Schalters 22 wahlweise im Stern- oder Dreieckbetrieb betreibbar. Auf einer der Stromversorgung 12, also dem Netz, abgewandten Seite 19 ist in den Phasen 14 eine Messvorrichtung 18 angeordnet. Die Messvorrichtung 18 umfasst einen ASIC und ist dazu ausgebildet, in jeder der drei Phasen 14 einen Spannungs- und oder Stromstärkeverlauf zu erfassen. Erfasste physikalische Größen werden von der Messvorrichtung 18 als Messdaten 27 an die Steuereinheit 28 geleitet. Die Steuereinheit 28 weist einen nicht näher abgebildeten Speicher und eine Recheneinheit auf, mittels derer ein Programm 60 ausführbar ist, dass die Motoranordnung 30 ansteuert. Das Programm 60 ist dazu ausgebildet, Messdaten 27 zu empfangen und auszuwerten. Auf Basis der empfangenen und ausgewerteten Messdaten 27 werden Schaltbefehle 25 erzeugt, die den Netzschalter 26, den Stern-Schalter 20 und den Dreieck-Schalter 22 koordiniert ansteuern um ein optimierte Umschalten zwischen Stern- und Dreieckbetrieb mit minimalem Umschaltstoß durchzuführen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anlaufverfahrens 100 für einen Elektromotor 10 in einer Motoranordnung 30, wie beispielsweise in 1 abgebildet. Dem Anlaufverfahren 100 liegt ein Elektromotor 10 zugrunde, der über einen Stern-Schalter 20, einen Dreieck-Schalter 22 und einen Netzschalter 26 mit einer Stromversorgung 12 gekoppelt ist. Das Anlaufverfahren 100 geht von einem Ausgangszustand aus, in dem der Netzschalter 26, der Stern-Schalter 20 und der Dreieck-Schalter 22 geöffnet sind. In einem ersten Verfahrensschritt 110 werden der Netzschalter 26 und der Stern-Schalter 20 geschlossen. Das Schließen des Netzschalters 26 und des Stern-Schalters 20 erfolgt durch Schaltbefehle 25, die von der nicht näher abgebildeten Steuereinheit 28 auf Basis eines Programms 60 ausgegeben werden. Hierdurch wird der Elektromotor 10 in der Sternschaltung mit Strom versorgt und es erfolgt ein Hochlaufen des Elektromotors 10.
Darauf folgt ein zweiter Verfahrensschritt 120, in dem der Netzschalter 26 wieder geöffnet wird, so dass der Elektromotor 10 von der Stromversorgung 12 getrennt wird. Im getrennten Zustand nach dem Öffnen des Netzschalters 26 stellt sich im Elektromotor 10 eine nicht näher gezeigte Motorrestspannung 17 ein, die im Wesentlichen eine Schwingungsform 34 aufweist. Die Motorrestspannung 17 liegt mit im Wesentlichen gleicher Schwingungsform 34 mit 120°-Versatz auf der vom Netzschalter 24 aus gesehen netzabgewandten Seite 19 der Phasen 14 vor. Zur Schwingungsform 34 der Motorrestspannung 17 gehören deren Amplitude, Frequenz 42, und/oder zeitliche Änderung der Frequenz. Die Motorrestspannung 17 und ihre Schwingungsform 34 werden in mindestens einer der Phasen 14 mit der Messvorrichtung 18 erfasst und die Messdaten 27 zur Steuereinheit 28 gesendet. Ferner wird im zweiten Verfahrensschritt 120 eine Überlagerungsschwingung 36 zwischen der Schwingungsform 34 der Motorrestspannung 17 und einer Schwingungsform 32 der Netzspannung 13 ermittelt.
Die empfangenen Messdaten 27 dienen im zweiten Verfahrensschritt 120 dazu, einen optimierten Betätigungszeitpunkt 35 für den Dreieck-Schalter 22 zu ermitteln. Im dritten Verfahrensschritt 130 wird der Stern-Schalter 20 geöffnet und der Netzschalter 26 wieder geschlossen. Gemäß 3 ist der dritte Verfahrensschritt 130 abgeschlossen, bevor der darauffolgende vierte Verfahrensschritt 140 eingeleitet wird.
Im vierten Verfahrensschritt 140 wird von der Steuereinheit 28 ein Betätigungsbefehl 25 zum Dreieck-Schalter 22 gesendet. Die Umsetzung des Betätigungsbefehls 25 verzögert sich um eine Anzugzeit 37, die im Programm 60 der Steuereinheit 28 gespeichert ist. Der Betätigungszeitpunkt 35 wird für den vierten Verfahrensschritt 140 derart bestimmt, dass das Schließen des Dreieck-Schalters 22 im Bereich eines Nulldurchgangs 38 einer Einhüllenden 33 erfolgt, die die Überlagerungsschwingung 36 umgibt. Nach dem vierten Verfahrensschritt 140 befindet sich der Elektromotor 10 im Dreieckbetrieb. Das Umschalten von Sternbetrieb in den Dreieckbetrieb erfolgt durch das erfindungsgemäße Anlaufverfahren 100 mit einem minimierten Umschaltstoß.
In 3 ist in Schwingungsdiagrammen 48, 49, 50 die Bestimmung des Betätigungszeitpunkts 25 für den Dreieckschalter, die im Anlaufverfahren 100 gemäß 2 im zweiten Verfahrensschritt 120 stattfindet, näher dargestellt. Die Schwingungsdiagramme 48, 49, 50 gemäß 3 weisen eine horizontale Zeitachse 45 und eine vertikale Größenachse 47 auf. Die Größenachse 47 zeigt im ersten und zweiten Schwingungsdiagramm 48, 49 die vorliegenden Spannungen, nämlich die Schwingungsform 32 einer Vergleichsschwingung und die Schwingungsform 34 der Motorrestspannung 17. Als Vergleichsschwingung dient im ersten Schwingungsdiagramm 48 die Netzspannung 13 mit der im Wesentlichen konstanten Netzfrequenz 15. Die im zweiten Schwingungsdiagramm 49 gezeigte Motorrestspannung 17 ist auf der nicht näher gezeigten, vom Netzschalter 24 aus gesehen, netzabgewandten Seite 19 in jeder der Phasen 14 messbar. Die Motorrestspannung 17 weist entlang der Zeitachse 45 eine zunehmende Periodendauer, also eine abnehmende Frequenz 42, auf. Die abnehmende Frequenz 42 der Motorrestspannung 17 wird durch die sinkende Drehzahl des nicht näher dargestellten Elektromotors 10 hervorgerufen, der beim erfindungsgemäßen Verfahren 100 vorübergehend nicht angetrieben wird. Des Weiteren ist die Amplitude der Motorrestspannung 17 entlang der Zeitachse 45 rückläufig. Die rückläufige Amplitude wird durch den Rotorwiderstand hervorgerufen, durch den Energie im nicht näher dargestellten Elektromotor 10 abgebaut wird.
Im dritten Schwingungsdiagramm 49 ist eine Überlagerungsschwingung 36 abgebildet, die sich aus einer Superposition der Schwingungsformen 32, 34 der Motorrestspannung 17 und der Netzspannung 13 ergibt. Die an der Größenachse 47 im dritten Schwingungsdiagramm 50 abgebildete Größe stellt ein Maß für die Intensität eines zu erwartenden Umschaltstoßes beim Schließen eines Dreieck-Schalters 22 dar. Die Motorrestspannung 17 weist eine Frequenz 42 auf, die von der Netzfrequenz 15 verschieden ist. Die Netzfrequenz 15 und die Motorrestspannungsfrequenz 42 sind in 3 durch die korrespondierenden Periodendauern mit den Bezugszeichen 15, 42 abgebildet. Infolge des Unterschieds zwischen der Netzfrequenz 15 und der Motorrestspannungsfrequenz 42 stellt sich im dritten Schwingungsdiagramm 49 eine Überlagerungsschwingung 36 ein, die einen schwebungsartigen Überlagerungszustand 40 ausbildet. Die Überlagerungsschwingung 36 wird durch zwei komplementäre Einhüllende 33 umschlossen, die selbst wiederum eine Schwingung bilden. Die Einschnürungsstellen 38 stellen die Zeitpunkte dar, zu denen ein minimierter Umschaltstoß zu erwarten ist. Die Überlagerungsfrequenz 39, also die Frequenz der Einhüllenden 33, wird in 3 durch deren Periodendauer mit dem Bezugszeichen 39 dargestellt. Die Überlagerungsfrequenz 39 ist deutlich geringer als die Netzfrequenz 15 und die Motorrestspannungsfrequenz 42. Gemäß 3 wird der Betätigungszeitpunkt 35 für den Dreieck-Schalter 22 derart gewählt, dass das Schließen des Dreieck-Schalters 22 nach Verstreichen der unvermeidlichen Anzugzeit 37 an einem Einschnürungsstellen 38 der Einhüllenden 38 erfolgt. Das Schließen des Dreieck-Schalters 22 wird in 3 durch das Bezugszeichen 41 dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2421143 A2 [0002]

Claims

Anlaufverfahren (100) für einen Elektromotor (10) mit einem Stern-Schalter (20), einem Dreieck-Schalter (22) und einem Netzschalter (26), der an eine Stromversorgung (12) angeschlossen ist, umfassend die Schritte: a) Schließen des Netzschalters (26) und des Sternschalters (26) und Hochlaufen des Elektromotors (10) in Stern-Schaltung; b) Trennen des Elektromotors (10) von der Stromversorgung (12) durch Öffnen des Netzschalters (26); c) Öffnen des Stern-Schalters (20) und Schließen des Netzschalters (26); d) Schließen des Dreieck-Schalters (22), wobei im Schritt b) bei geöffnetem Netzschalter (26) eine Ermittlung einer Motorrestspannung (17) in mindestens einer der Phasen (14) erfolgt und mindestens einer der Schritte c) und d) in Abhängigkeit von der ermittelten Motorrestspannung (24) durchgeführt wird.
Anlaufverfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) eine Amplitude, Frequenz (42) und/oder Frequenzverlauf einer Motorrestspannung (17) mindestens einer der Phasen (14) mit einer Messvorrichtung (18) erfasst wird.
Anlaufverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) ein schwebungsartiger Überlagerungszustand (40) in mindestens einer der Phasen (14) ermittelt wird.
Anlaufverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) eine Überlagerungsfrequenz (39) einer Überlagerungsschwingung (36) anhand der Frequenz (42) der Motorrestspannung (17) und einer Vergleichsfrequenz ermittelt wird.
Anlaufverfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsfrequenz (39) bis zu 10 Hz, bevorzugt bis zu 5 Hz, besonders bevorzugt bis zu 1 Hz beträgt.
Anlaufverfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) als Betätigungszeitpunkt (35) für den Schritt d) ein Nulldurchgang (38) der Überlagerungsschwingung (36) ermittelt wird.
Anlaufverfahren (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungszeitpunkt (35) für den Schritt d) unter Berücksichtigung einer Anzugzeit (37) des Dreieck-Schalters (22) bestimmt wird.
Programm (60) zur Speicherung und Durchführung in einer Steuereinheit (28), das dazu ausgebildet ist, Messwerte (27) von einer Messvorrichtung (18) an einem Elektromotor (10) zu empfangen und in Abhängigkeit der Messwerte (27) Betätigungsbefehle (25) an einen Stern-Schalter (20), einen Dreieck-Schalter (22) und/oder einen Netzschalter (26) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm (60) dazu ausgebildet ist, das Ausgeben der Betätigungsbefehle (25) nach mindestens einem der Anlaufverfahren (40) gemäß der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Steuereinheit (28), umfassend einen Speicher, ein Rechenwerk und mindestens einen Ausgang zur Ausgabe eines Betätigungsbefehls (25) an mindestens einen Stern-Schalter (20), einen Dreieck-Schalter (22) oder einen Netzschalter (26), dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (28) ein Programm (60) gemäß Anspruch 8 ausführbar gespeichert ist.
Motoranordnung (30), umfassend einen Elektromotor (10), der mit einer Stromversorgung (12) mit mindestens zwei Phasen (14) verbunden ist, einen Stern-Schalter (20), einen Dreieck-Schalter (22), einen Netzschalter (26) und eine Steuereinheit (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (40) gemäß Anspruch 9 ausgebildet ist.
Motoranordnung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stern-Schalter (20), der Dreieck-Schalter (22) und/oder der Netzschalter (26) als Schütz mit einer Halbleiterstrecke ausgebildet ist, die parallel zu mindestens einem elektromechanischen Schaltkontakt (24) angeordnet ist.