DE19930685A1 - Elektronische Schaltung zur Kurzschlußerkennung in einem Elektromotor - Google Patents

Abstract

Eine elektronische Schaltung dient zur Kurzschlusserkennung in einem Elektromotor, vorzugsweise einem Drehstrom-Asynchronmotor, der von einem Stromzwischenkreisumrichter betreibbar ist. Damit eine derartige elektronische Schaltung einen Kurzschluss zuverlässig erkennt, ist eine Auswerteschaltung vorgesehen zum Auswerten des Anteils mit sechsfacher Netzfrequenz in der Spannung des Umrichters (Abb. 3).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Kurzschlußerkennung in ei­ nem Elektromotor, vorzugsweise in einem Drehstrom-Asynchronmotor, der von ei­ nem Stromzwischenkreisumrichter betreibbar ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor, vorzugsweise einen Drehstrom-Asynchronmotor, sowie eine Anlage mit einem derartigen Motor und einem Stromzwischenkreisumrichter. Der Strom­ zwischenkreisumrichter besteht üblicherweise aus einem Frequenzumrichter mit Stromzwischenkreis.

Drehstrom-Asynchronmotoren, die von einem Frequenzumrichter mit Stromzwi­ schenkreis gespeist werden, sind bereits bekannt. Sie werden unter anderem in explosionsgefährdeten Bereichen, beispielsweise im Steinkohlebergbau unter Ta­ ge, eingesetzt. Ein Strom über eine Kurzschlußstelle könnte in dieser Umgebung zu einer Explosion führen. Um dies zu verhindern, besteht eine Vorschrift, daß ein sol­ cher Kurzschluß innerhalb einer vorgegebenen Zeit abzuschalten ist, nämlich in­ nerhalb von 130 ms. Dabei kann es sich um einen zweipoligen oder dreipoligen Kurzschluß handeln.

Beim Betrieb eines Elektromotors am Netz fließt in der Regel ein so hoher Kurz­ schlußstrom, daß eine vorgeschaltete Sicherung ausreichend schnell abschaltet. Bei Umrichterbetrieb kann es jedoch vorkommen, daß ohne Zusatzmaßnahmen ein Kurzschluß nicht erkannt werden würde, beispielsweise bei einem sehr kleinen Strom.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung der eingangs angegebenen Art zur zuverlässigen Kurzschlusserkennung vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die elektronische Schaltung umfasst eine Auswerteschaltung zum Auswerten des Anteils mit sechsfacher Netzfrequenz in der Spannung des Umrichters. Die elektro­ nische Schaltung wertet die Motorspannung aus und gewinnt daraus die Informati­ on über einen vorliegenden Kurzschluss. Die Auswertung erfolgt dabei dadurch, daß das Signal der verketteten Spannung durch ein 300 Hz-Bandpass-Filter be­ wertet wird. Im Normalbetrieb beinhaltet die Motorspannung bei I-Umrichterbetrieb einen gewissen Anteil mit sechsfacher Netzfrequenz, also mit einer Frequenz von 300 Hz (wenn die Netzfrequenz - wie üblich - 50 Hz beträgt). Dieser Anteil stammt von der Gleichrichter-Ausgangsspannung des Umrichters, die zu einem gewissen Teil an der Zwischenkreisdrossel abfällt und zum anderen Teil an der Streuindukti­ vität des Motors. Zur Verdeutlichung sei auf die nachfolgende Abb. 1 verwiesen, die den prinzipiellen zeitlichen Verlauf des 300 Hz-Anteils der verkette­ ten Motorspannung zeigt. In der Abszisse ist die Zeit aufgetragen, wobei ein Käst­ chen der Zeit von 1 ms entspricht. Die Ordinate zeigt die Spannung in Volt, wobei ein Kästchen einer Spannung von 10 Volt entspricht.

Jeder Zündvorgang des Eingangsgleichrichters bedeutet einen Sprung der Gleich­ richter-Ausgangsspannung. Dann fällt die Spannung sinusförmig ab (Ausschnitt aus der Netzspannung), bis der nächste Zündvorgang den nächsten Sprung einleitet. Die so entstehende, etwa sägezahnförmige Spannung fällt zum größten Teil an der Zwischenkreisdrossel ab. Etwa 10% werden von der Motorstreuung aufgenommen. So entsteht ein 300 Hz-Anteil der Motorspannung.

Im Kurzschlußfall ist diese Streuinduktivität nicht mehr vorhanden, und der 300 Hz- Anteil auf der Motorspannung verschwindet. Dieser Umstand wird ausgewertet und nach einer gewissen Zeitverzögerung wird die Störmeldung ausgegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteschaltung ein Filter, vorzugsweise ein Band­ passfilter, mit sechsfacher Netzfrequenz aufweist. Wenn die Netzfrequenz 50 Hz beträgt, wird vorzugsweise ein 300 Hz-Bandpass-Filter verwendet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteschaltung eine Abbildungsschaltung zum Abbilden der Motorphasen in Si­ gnale, die den verketteten Spannungen entsprechen, aufweist.

Die Auswerteschaltung weist ferner vorzugsweise eine Schwellenschaltung auf zum Vergleichen des vorzugsweise gleichgerichteten Ausgangssignals des Filters bzw. Bandpassfilters mit einem Schwellenwert.

Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteschaltung einen Impulsgeber aufweist, vor­ zugsweise einen Monoflop-Baustein, zum Abgeben einer Kurzschluss-Meldung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Testschaltung vorgesehen zum Testen der elektronischen Schaltung. Das Testen erfolgt vorzugsweise da­ durch, daß von der Testschaltung ein Kurzschluss simuliert wird. Das Testen erfolgt vorzugsweise im eingebauten Zustand der Testschaltung.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Test­ schaltung eine Zeitverzögerungsschaltung aufweist zum Bestimmen der Zeit ab dem Beginn des Tests bis zum Abfall des Hauptschützes.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Test­ schaltung eine Logikschaltung aufweist zum Ausgeben und ggf. Anzeigen eines ersten Signals bei einem gelungenen Test und zum Ausgeben eines zweiten Si­ gnals bei einem mißlungenen Test.

Bei einem Elektromotor, vorzugsweise einem Drehstrom-Asynchronmotor, der von einem Stromzwischenkreisumrichter betreibbar ist, wird die der Erfindung zugrun­ deliegende Aufgabe durch eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung zur Kurzschlusserkennung gelöst. Bei einer Anlage mit einem Elektromotor, vorzugs­ weise einem Drehstrom-Asynchronmotor, und mit einem Stromzwischenkreisum­ richter zum Betreiben des Elektromotors bzw. Drehstrom-Asynchronmotors wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine erfindungsgemäße elektroni­ sche Schaltung gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt die

Abb. 2 den zeitlichen Verlauf der verketteten Motorspannung bei einer Kurzschlussabschaltung, und

Abb. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung.

In der nachfolgend wiedergegebenen Abb. 2 ist der zeitliche Verlauf der ver­ ketteten Motorspannung dargestellt. In der Abszisse ist die Zeit aufgetragen, wobei ein Kästchen 20 ms entspricht. In der Ordinate ist die Spannung aufgetragen, wo­ bei ein Kästchen 100 Volt entspricht.

Die nachfolgend wiedergegebene Abb. 3 zeigt ein Blockschaltbild der elektro­ nischen Schaltung einschließlich der zugehörigen Testschaltung.

Die in Abb. 3 dargestellte elektronische Schaltung zur Kurzschlusserkennung weist einen Eingang 1 auf, an den die drei Phasen des Drehstrom- Asynchronmotors angeschlossen werden. Diese drei Motorphasen werden elektro­ nisch erfasst und von einer Abbildungsschaltung 2 in 3 Signale, die den verketteten Spannungen entsprechend, abgebildet. Dies erfolgt, wie aus der Abb. 3 er­ sichtlich, für jede Phase gesondert, also phasenweise.

Ein anschließender 300 Hz-Filter (Bandpass-Filter) 3 misst den Anteil mit sechsfa­ cher Netzfrequenz, also den Anteil mit einer Frequenz von 300 Hz. Auch dies ge­ schieht phasenweise. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 3 wird in dem Gleichrichter 4 gleichgerichtet und in einer Schwellenschaltung 5 mit einem Schwellenwert verglichen.

Bei Unterschreiten des Schwellenwerts schaltet ein Komparator, und eine Zeitver­ zögerung wird in einer Zeitverzögerungsschaltung 6 gestartet. Die Zeitverzöge­ rungsschaltung 6 dient zur Erhöhung der Störsicherheit.

Das Überschreiten der in der Zeitverzögerungsschaltung 6 vorgegebenen Zeitdauer wird von einem Baustein 7 erkannt, der mit den drei in der Zeitverzögerungsschal­ tung 6 enthaltenen Messungen durch eine Oder-Verknüpfung verbunden ist. So­ bald in einer Phase die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, wird ein Signal an den als Monoflop-Baustein ausgebildeten Impulsgeber 8 gegeben. Der Monoflop-Baustein 8 löst einen Impuls aus, der einerseits eine Hautpschützansteuerung 9 unterbricht, so daß das Hauptschütz abgeschaltet wird, und der andererseits über die Leitung 11 eine Meldung an die Steuerelektronik des Umrichters weitergibt. Wie aus der Abb. 3 ersichtlich, ist die Auswerteschaltung dreifach vorhanden, sodaß auch ein zweipoliger Kurzschluss sicher erkannt wird.

Der obengenannte Schwellenwert und die obengenannte Zeitverzögerung wurden so gewählt, daß das Hauptschütz im Kurzschlussfall innerhalb von 130 ms ab­ schaltet, wobei die Abfallzeit des Schützes 50 ms betragen darf. Außerdem funktio­ niert die Schaltung auch in der Vorladephase des Umrichters. In diesem Betriebsfall fließt nur ein kleiner Gleichstrom in zwei Motorphasen. Die 300 Hz-Spannung ist jedoch auch hier vorhanden.

In die in Abb. 3 dargestellte elektronische Schaltung ist eine Testschaltung eingebaut, die drei Relais 12, 13, 14 aufweist, durch die jeweils ein zweipoliger Kurzschluss zwischen beliebigen Motorphasen simuliert werden kann. Die Simula­ tion erfolgt dadurch, daß ein externer Taster gedrückt wird, der eines der drei Re­ lais 12, 13, 14 ansteuert. Sobald ein Relais anzieht, wird eine Zeitmeßschaltung 18 gestartet, die eine genaue Zeitmessung durchführt. Die Zeitmessung wird gestoppt, wenn das Hauptschütz rückmeldet, daß es abgefallen ist. Die Zeitmeßschaltung 18 gibt ein Zeitmeßsignal an eine Logikschaltung 19 ab. Der Logikschaltung 19 wird ferner über eine Leitung 20 ein Rückmeldesignal vom Hauptschütz zugeführt. Die Logikschaltung entscheidet, ob die in der Zeitschaltung 18 vorgegebene Zeit einge­ halten worden ist. Wenn diese Zeit eingehalten worden ist, wird von der Logik­ schaltung 19 eine grüne LED 21 aktiviert, die einen erfolgreichen Test anzeigt. An­ dernfalls wird von der Logikschaltung 19 eine rote LED 22 aktiviert, die einen miß­ lungenen Test anzeigt. Auf diese Weise wird angezeigt, ob das Ausschalten durch die elektronische Schaltung rechtzeitig, also innerhalb der vorgegebenen 130 ms erfolgt ist oder nicht.

Die elektronische Schaltung zur Kurzschlusserkennung muss zum Testen dieser Schaltung nicht ausgebaut werden, da die Testschaltung in die elektronische Schaltung implementiert ist. Sie simuliert auf Knopfdruck einen Kurzschluss und vergleicht die Zeit, bis das Hauptschütz abgefallen ist, mit der erlaubten Dauer von 130 ms. Ein Überschreiten dieser Dauer wird von einem roten LED signalisiert, ein rechtzeitiges Abschalten von einer grünen LED.

Abb. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung. In der Kurve 1 ist zunächst der 300 Hz-Anteil dargestellt, der während der ersten 80 ms unverändert bestehen bleibt. Danach fällt diese Spannung unter den Schwellenwert. Die Kurve 2 zeigt die Rückmeldung des Hauptschützes, durch deren Ansteigen der Abfall des Schützes angezeigt wird.

Durch die Erfindung wird eine elektronische Kurzschlusserkennung für einen dreh­ zahlveränderbaren Antrieb mit Frequenzumrichter und Asynchronmotor geschaffen. Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, die einen Kurzschluss in einem Drehstrom-Asynchronmotor oder in seiner Zuleitung erkennt und innerhalb 130 ms zur Abschaltung bringt, wobei der Motor von einem Frequenzumrichter mit Strom­ zwischenkreis gespeist wird. Gemäß der Erfindung wird eine elektronische Schal­ tung vorgeschlagen, die sowohl einen zweipoligen als auch einen dreipoligen Kurz­ schluss bei jeder Ausgangsfrequenz des Umrichters (einschließlich der Frequenz Null) und bei jedem Lastzustand der Maschine sicher erkennt. Nach einer gesetzli­ chen Vorschrift, die für explosionsgefährdete Bereiche gilt, muss die Wirksamkeit der Kurzschlusserkennungseinrichtung in bestimmten Abständen überprüft werden. Eine Störmeldung ist zu speichern; sie darf nur durch gleichzeitiges Ausüben von zwei Aktionen rücksetzbar sein. Die Abschaltung muss innerhalb der vorgegebenen 130 ms erfolgen, wobei die Abfallzeit eines Schützes, welches am Umrichterein­ gang installiert ist, mit 50 ms zu berücksichtigen ist. Alle diese Anforderungen wer­ den von der Erfindung erfüllt.

Durch die Erfindung wird eine elektronische Schaltung geschaffen, die einen Kurz­ schluss in oder vor einem am Stromzwischenkreisumrichter betriebenen Motor er­ kennt, indem sie den Anteil sechsfacher Netzfrequenz in dessen Spannung erfasst und bei Unterschreiten einer Schwelle eine Meldung ausgibt. Die Platine ist mit ei­ ner eigenen Testschaltung versehen, die es ermöglicht, die Wirksamkeit im einge­ bauten Zustand zu kontrollieren, wobei auch angezeigt wird, ob die Abschaltung innerhalb einer vorgegebenen Zeit erfolgt ist.

Claims (10)

1. Elektronische Schaltung zur Kurzschlusserkennung in einem Elektromotor, vor­ zugsweise einem Drehstrom-Asynchronmotor, der von einem Stromzwischen­ kreisumrichter betreibbar ist, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung zum Auswerten des Anteils mit sechsfacher Netzfre­ quenz in der Spannung des Umrichters.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung ein Filter (3) vorzugsweise ein Bandpassfilter, mit sechsfa­ cher Netzfrequenz aufweist.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Abbildungsschaltung (2) zum Abbilden der Motorphasen in Signale, die den verketteten Spannungen entsprechen, auf­ weist.

4. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Schwellenschaltung (5) zum Vergleichen des vorzugsweise gleichgerichteten (4) Ausgangssignals des Filters (3) bzw. Bandpassfilters mit einem Schwellenwert aufweist.

5. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Impulsgeber (8), vorzugs­ weise einen Monoflop-Baustein, zum Abgeben einer Kurzschluss-Meldung auf­ weist.

6. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Testschaltung zum Testen der elektronischen Schaltung.

7. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung bzw. Testschaltung eine Zeitverzö­ gerungsschaltung (6) zum Bestimmen der Zeit ab dem Beginn des Tests bis zum Abfall des Hauptschützes aufweist.

8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Testschaltung eine Logikschaltung (19) zum Ausgeben eines ersten Signals (21) bei gelungenem Test und zum Ausgeben eines zweiten Signals (22) bei mißlungenem Test aufweist.

9. Elektromotor, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmotor, der von einem Strom­ zwischenkreisumrichter betreibbar ist, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Anlage mit einem Elektromotor, vorzugsweise einen Drehstrom- Asynchronmotor, und mit einem Stromzwischenkreisumrichter zum Betreiben des Elektromotors bzw. Drehstrom-Asynchronmotors, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.