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Einrichtung zum Überwachen des Synchronlaufes eines Synchronmotors
und zum Abschalten der Motorerregung bei Außertrittfall Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum Überwachen des Synchronlaufes eines Synchronmotors und zum Abschalten
der Motorerregung bei Außertrittfall, die in Abhängigkeit von dem beim Schlupf in
der Feldwicklung induzierten Wechselstrom gebracht ist.
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In den bekannten Kippschutzeinrichtungen für Synchronmotoren sind
elektromechanische Relais verwendet, die nachteiligen Einflüssen, wie z. B. Vibrationen,
Stößen oder verunreinigter Luft, ausgesetzt sind. Nachteilig sind ferner der große
Raumbedarf, der für andere Zwecke verlorengeht, und die in vielen Fällen unzulängliche
Reaktionsgeschwindigkeit dieser Einrichtungen für einen befriedigenden Schutz des
Motors.
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Zur selbsttätigen Ein- und Ausschaltung der Erregung eines Synchronmotors
sind Einrichtungen bekannt, die bewirken, daß ein infolge Überlastung außer Tritt
gefallener Motor während der überlastung als Asynchronmotor läuft und nach Wegfall
der Überlastung wieder synchronisiert wird. Ferner sind selbsttätige Regeleinrichtungen
bekannt, die das Außertrittfallen synchronisierter Asynchronmotoren bei Pendelungen
durch Regelung der Erregung verhindern sollen.
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Es ist außerdem bekannt, einen außer Tritt gefallenen Synchronmotor
wieder zu synchronisieren und zur Erleichterung des Wiedersynchronisierens besonsondere
Hilfsmaschinen zu verwenden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung
von kontaktlosen Schaltelementen eine Einrichtung zu schaffen, welche die Erregung
nur in solchen Fällen, in denen ein Außertrittfallen unvermeidlich ist, abschaltet,
eine Abschaltung der Erregung jedoch verhindert, wenn Störungen auftreten, die für
gewöhnlich nicht zum Außertrittfallen des Motors führen. Gemäß der Erfindung wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zur Erregerwicklung ein Serien-Re-Glied
geschaltet ist, von dessen Widerstand die Spannung als den Außertrittfall anzeigendes
Signal abgegriffen und über eine Umkehrstufe dem ersten von zwei Eingängen eines
Weder-Noch-Gatters zugeführt ist, dessen Ausgang seinerseits mit einem Eingang einer
ersten Gedächtnisstufe, über deren Ausgang die Ein-und Ausschaltung der Erregung
gesteuert wird, verbunden ist, und daß der Ausgang dieser ersten Gedächtnisstufe
zusätzlich mit dem Eingang einer zweiten Gedächtnisstufe verbunden ist, dessen -
auf den letztgenannten Eingang bezogener komplementärer - Ausgang seinerseits mit
dem zweiten Eingang des Weder-Noch-Gatters verbunden ist, und daß ferner zwischen
dem Ausgang der zweiten Gedächtnisstufe und dem zweiten Eingang des Weder-Noch-Gatters
eine Diode eingeschaltet ist und außerdem zwischen dem zweiten Eingang des Weder-Noch-Gatters
und dem Spannungsbezugspunkt ein Kondensator geschaltet ist und daß die Diode derart
gepolt ist, daß beim Anlauf des Motors der Kondensator über den signalführenden
Ausgang der zweiten Gedächtnisstufe aufgeladen und beim Übergang in den Synchronismus,
d. h. nach Verschwinden des Signals am Ausgang der zweiten Gedächtnisstufe, über
den zweiten Eingang des Weder-Noch-Gatters in der Weise entladen wird, daß das Signal
am zweiten Eingang des Weder-Noch-Gatters erst mit einer durch den Kondensator bestimmten
Verzögerung nach dem Übergang in den Synchronismus verschwindet. Durch diese Einrichtung
werden Fehlschaltungen infolge vorübergehender Spannungseinbrüche oder Spannungserhöhungen
vermieden, die normalerweise nicht zu einem Außertrittfallen des Motors führen.
Ferner werden Fehlschaltungen infolge kurzzeitiger überlastungen vermieden, die
normalerweise kein Außertrittfallen des Motors verursachen würden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit weiteren,
in den Unteransprüchen gekennzeichneten Merkmalen wird an Hand der folgenden Beschreibung
erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,
F
i g. 2 eine oszillographische Darstellung -des Stromes in der Feldwicklung des Synchronmotors
während des Außertrittfallens und F i g. 2A das in Abhängigkeit vom Feldstrom ausgelöste
Steuersignal.
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In F i g. 1 ist ein Synchronmotor 2 dargestellt, der über einen Schalter
12 an ein Netz 6 angeschlossen ist. Die Feldwicklung 4 -ist an den positiven, mit
der Erde 10 verbundenen Pol einer Gleichspannungsquelle 8 und über einen Feldsteller
23 sowie einen Schließer 20 eines Erregerschützes 14 an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle
8 angeschlossen. Parallel zur Feldwicklung 4 liegen ein Entladewiderstand 22 und
ein Öffner 18 des Erregerschützes 14. Das Schütz 14 ist in, seiner erregten Stellung
dargestellt. Zur Messung des in der Feldwicklung 4 induzierten Stromes ist ferner
zur Feldwicklung 4 ein aus den Widerständen 500, 502 und 504 bestehender Spannungsteiler
parallel geschaltet. Die Widerstände 502 und 504 sind durch-einen
nichtlinearen Widerstand 514 überbrückt. An den zwischen den Widerständen 502 und
504 liegenden Spannungsteilerabgriff sind ein Frequenzmeßglied 24, ein Polaritätsmeßglied
26 und eine -Einrichtung 28 zur Erfassung des Synchronlaufes des Motors 2
angeschlossen. Den Meßgliedern 24 und 26 und der Einrichtung 28 ist ein Verstärker-
und Leistungsschaltglied 30 nachgeschaltet. Das Leistüngsschaltglied 30 enthält
eine aus -Weder-Noch-Gattern 300 und 302 aufgebaute bistabile Kippstufe 304, deren
Ausgang über einen Widerstand 306 an die Basis 310 eines Transistors 308 angeschlossen
ist. - Der Kollektor 318 dieses Transistors ist über--ein- en Widerstand 320 mit
dem negativen Pol 72 einer Gleichspannungsquelle verbunden, während der Emitter
316 an die Basis 314 eines Leistungstransistors 312 und über einen Widerstand 322
an den positiven Pol 70 der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Der
Kollektor 313 des Leistungstransistors ist über die Schutzspule 16 des Erregerschützes
14, der eine Diode 324 parallel geschaltet ist, mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle
8 und der Emitter 315 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 8 verbunden.
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Diese Teile bilden eine Einrichtung zur Synchronisierung des als Asynchronmotor
anlaufenden Synchronmotors 2 durch Einschaltung der Erregung zu einem Zeitpunkt,
der durch Unterschreiten einer bestimmten Frequenz der durch das Ständerdrehfeld
in der Erregerwicklung induzierten Wechselspannung einerseits und durch die Polarität
dieser Wechselspannung andererseits bestimmt ist. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung
wird im Zusammenhang mit einer derartigen Synchronisiereinrichtung beschrieben,
die selbst und deren Teile im übrigen jedoch über, das aus den Ansprüchen ersichtliche
Maß hinaus nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehören.
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Zur erfindungsgemäßen überwachung des Synchronlaufes des Synchronmotors
und zum Abschalten der Motorerregung bei Außertrittfall ist eine Schutzeinrichtung
44 vorgesehen, die ein NOR-Gatter (Weder-Noch-Gatter) 512, ein NOR-Gatter 516 und
eine aus den NOR-Gattern 518 und 520 gebildete Kippstufe (Gedächtnis) 522 umfaßt.
Das NOR-Gatter 512 spricht auf den in der Feldwicklung 4 induzierten Wechselstrom
an. Der Ausgang des NOR-Gatters 512 stellt ein Ausgangssignal für das zweite NOR-Gatter
516 zur Verfügung. Der in der Feldwicklung induzierte Strom erzeugt an dem Widerstand
502 eine Signalspannung, die mit dem induzierten Strom in Phase ist und auf einen
Stromkreis übertragen wird, der einen Kondensator 506 und Widerstände 508,510 enthält.
Das NOR-Gatter 512 ist mit dem Verbindungspunkt A zwischen Kondensator 506 und Widerstand
508 verbunden.
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Im Normalbetrieb ist der Kondensator 506 auf die Höhe der Signalspannung
aufgeladen. Nach einem Außertrittfallen des Synchronmotors, und zwar während der
negativen Halbwelle des dann in der Feldwicklung induzierten und dem Erregergleichstrom
überlagerten- Wechselstromes,- entsteht--am Eingang des NOR-Gatters 512 ein Signal
von positiver Polarität, weil sich der Kondensator 506 nun über die Erde 10 entladen
kann und dadurch der Punkt A positiv wird. Bei der positiven Halbwelle des induzierten
Wechselstromes wird aber der Punkt A negatives Potential annehmen, weil jetzt Strom
von der Erde 10 nach Punkt A fließt, so daß 'am Eingang des NOR-Gatters 512 ein
,negatives Signal ansteht und dadurch das Ausgangssignal am NOR-Gatter 512 verschwindet.
Damit liefert das NOR-Gatter 516 ein Ausgangssignal, das dem Leistungsschaltglied
30 ein Außertrittfallen des Motors anzeigt. Daher wird ein Außertrittfallsignal
nur bei einer überlast von bestimmter Größe und Dauer gegeben, wie F i g. 2 und
2 A zeigen.
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In F i g. 2 ist der Feldstrom IF in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt,
während aus F i g. 2 A hervorgeht, daß nur bei einer bestimmten Polarität und Größe
der induzierten Wechselspannung ein Signal gegeben wird. In diesem Fall wird das
Erregerschütz 14 entregt und fällt ab. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des
NOR-Gatters 516 dem Eingang des Frequenzmeßgliedes 24 zugeführt, das die in .dieser
Einrichtung vorgesehene Gedächtnisfunktion so beeinflußt, daß eine Wiedersynchronisierung
eingeleitet wird, falls dies erwünscht ist. Selbstverständlich ist eine Wiedersynchronisierung
nicht erforderlich, wenn der Motor nach dem Außertrittfallen stillgesetzt werden
soll. Ist dies erwünscht, so wird durch geeignete Mittel der Hauptschalter 12 ausgelöst.
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Während des Hochlaufs, und zwar unmittelbar nach dem Einschalten der
Erregerspannung, wird der Kondensator 506 auf eine durch die Widerstände 502 und
504 gegebene Spannungshöhe aufgeladen. Beim Einschalten der Feldwicklung 4 während
des Synchronisiervorganges wird ein Störsignal auf das NOR-Gatter 512 gegeben, dessen
Dauer von der Ladezeit des Kondensators 506 abhängt.
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Damit von der Schutzeinrichtung 44 ausgehende Auslösesignale während
der normalen Synchronisierungsperiode unwirksam sind, ist die Gedächtnisstufe 522
vorgesehen. Die Gedächtnisstufe 522 ist so geschaltet, daß der Ausgang des NOR-Gatters
518 ein Signal abgibt, bevor der Motor angelassen wird. Der Eingangsimpuls wird
von dem Frequenzmeßglied 24 bereitgestellt, und zwar wenn das Meßglied durch Verbindung
des Kondensators 102 mit dem negativen Pol 72 in die Ausgangsstellung umgeschaltet
wird. Der Ausgang des NOR-Gatters 518 ist über einen Gleichrichter 526 mit einem
Kondensator 524. verbunden, der beim Auftreten eines Ausgangssignals geladen wird.
Dabei steht ein Eingangssignal am NOR-Gatter 516 an, wodurch ein Außertrittfallsignal
während des -Hochlaufens des Motors von diesem NOR-Gatter ferngehalten wird. Nach
Erreichen
der Synchronisierungsbedingungen gibt das NOR-Gatter
302 ein Signal auf das NOR-Gatter 518, so daß am Ausgang der bistabilen Kippstufe
522 im Augenblick der Felderregung kein Signal erscheint. Der Kondensator 524 muß
sich jedoch über das NOR-Gatter 516 entladen, weil die Diode 526 den Ladestromkreis
sperrt. Auf diese Weise kommt ein Eingangssignal für das NOR-Gatter 516 von genügender
Dauer zustande, so daß die bei der Synchronisierung auftretenden Störeinflüsse von
der Schutzeinrichtung 44 ferngehalten werden. Nach der Entladung .des Kondensators
524 sperrt das Ausgangssignal am NOR-Gatter 512 ein Außertrittfallsignal so lange,
bis ein negatives Eingangssignal von genügender Größe am Punkt A erscheint, wie
im vorhergehenden beschrieben.
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Damit die Kippstufe 304 vor dem Schließen des Hauptschalters stets
eine definierte Ausgangsstellung einnimmt, ist eine Einrichtung 103 mit einem Kondensator
102 vorgesehen, der über einen Begrenzungswiderstand 104 zwischen
dem negativen Pol 72
und Erde 10 angeordnet ist. Wenn der negative Pol 72
vor der Erregung des Motors gespeist wird, entsteht durch den Ladestrom an dem Widerstand
104 ein negativer Impuls, der auf den Eingang des NOR-Gatters 302 gegeben wird.
Dadurch wird ein Signal am Ausgang dieses Gatters verhindert. Infolgedessen steht
am Ausgang des NOR-Gatters 300 ein Signal an, wodurch ein Ausgangssignal an dem
NOR-Gatter 302 verhindert wird, auch wenn der Eingangsimpuls vom Kondensator 102
wieder verschwindet. Daher steht auch am Ausgang der Kippstufe 304 kein Signal an,
so daß die Arbeitsspule 16 des Erregerschützes 14 nicht erregt wird, bevor der Motor
angelassen wird.
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Damit vorübergehende Störeinflüsse, beispielsweise Spannungsschwankungen
in der Spannungsquelle, die den Motor normalerweise nicht außer Tritt fallen lassen,
kein Auslösesignal hervorrufen können, ist der Widerstand 510 als Potentiometer
ausgeführt. Mit diesem Potentiometer kann die Größe und Frequenz des in der Feldwicklung
induzierten Wechselstromes eingestellt werden, bei der ein Auslösesignal gegeben
werden soll. Ändert sich die an dem Kondensator 506 auftretende Signalspannung rasch,
so wird die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung relativ groß, so daß der Strom,
der durch die Widerstände 508 und 510 fließt, ebenfalls relativ groß wird. Durch
Einstellung des Widerstandswertes an dem Potentiometer 510 kann die Größe des von
Erde 10 nach dem Punkt A und der negativen Platte des Kondensators 506 fließenden
Stromes eingestellt werden. Das NOR-Gatter 512 ist so gewählt, daß es erst bei einer
Spannung von wenigstens einigen Volt anspricht. Bei vorübergehenden Störungen wird
daher an dem NOR-Gatter 512 kein für eine Umschaltung des Gatters ausreichend großes
Eingangssignal auftreten.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung spricht bei einem Außertrittfallen
des Motors schnell an. Außerdem sind Mittel zur Einstellung der Empfindlichkeit
der Einrichtung vorgesehen, so daß sie zwischen vorübergehenden und bleibenden Überlastungen
des Motors unterscheiden kann. Große Spannungsänderungen der Versorgungsspannungen
werden von der Schutzeinrichtung ferngehalten. Die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit
ist durch die Verwendung von ruhenden Elementen sehr hoch, die eine Feineinstellung
zulassen und keinen großen Raumbedarf erfordern.
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An Stelle des Erregerschützes 14 können ebenfalls kontaktlose, ruhende
Schaltelemente verwendet werden. Auch können an Stelle der dargestellten PNP-Transistoren
- nach entsprechender Änderung der Polarität - Transistoren der NPN-Type Verwendung
finden. In diesem Fall spricht die Einrichtung auf die negative Halbwelle der induzierten
Spannung an.