DE2104994C3 - Anlaufschaltung für Motoren, die über Wechselrichter betrieben werden - Google Patents

Description

leistung der Motoren nicht wesentlich übersteigt, bc- spannung des Wechselrichters mit der Netzspannung trieben werden. J_1n UmschaltzeitpunkL Wäre nämlich die Phasen-

Dies wird erfindungsgemäß möglich und die ge- Übereinstimmung nicht wenigstens annähernd gegestellte Aufgabe somit gelöst durch eine Umschalt- ben, so wäre auch die von: laufenden Motor indueinrichtung, die den Motor nach seiner Einschaltung 5 zierte Gegenspannung mit der Speisespannung nicht zunächst an das Wechselstromnetz anlegt und nach in Phase, und der Wechselrichter würde wiederum Empfang eines die Phasengleichheit zwischen der infolge Überlastung ausfallen. Versuche haben erge-Spannung des Wechselstromnetzes urd der Ausgangs- bea daß die Umschaltung eines mit seiner Solldrehspannung des Wechselrichters anzeigenden Signals zahl laufenden Motors vom Netz auf den Wechsel- und nach Beendigung des Anlaufvorgangs auf den io richter jedenfalls dann ohne Schwierigkeiten verläuft. Wechselrichter umschaltet, femer durch eine Phasen- wenn der Phasenunterschied zwischen den beiden Vergleichseinrichtung zur Feststellung der °hasen- Spannungen kleiner als 20^c ist. gleichheit, durch eine auf den Taktgeber des Wech- Die Anlaufschaltung muß also sicherstellen, daß

selrichters einwirkende Synchronisiervorrichtung zur die Umschaltung des Motors — das Abklingen des Aufiechterhaltung der Phasengleichheit und durch 15 Anlaufstroms vorausgesetzt — erst dann erfolgt, eine auf die Höhe des Motorstroms ansprechende wenn Phasengleichheit herrscht. Zu diesem Zweck Schwellwertschaltung. Es wird also eine den Wech- ist die Phasenvergleichseinrichtung 12 vorgesehen, selrichter ergänzende Anlaufschaltung vorgesehen. Da die Frequenz des frei schwingenden Taktgebers die selbsttätig den Motor beim Einschalten zunächst zur Steuerung des Wechselrichters im allgemeinen an das norrr-ie Wechselstrcmnetz (Drehstromnetz) 20 von der Netzfrequenz geringfügig abweicht, ist nicht legt, bis die Betriebsdrehzahl erreicht und der auf- gewährleistet, daß eine ausreichende Übereinstimgenommene Strom gesunken ist. Erst dann erfolgt die mung der Phasen am Ende des durch ein die Gleich-Umschaltung auf den Ausgang des Wechselrichters. heit anzeigendes Signal ausgelösten Umschaltvor-Die Tatsache, daß solche externen Geräte, bei denen gangs noch gegeben ist. Der Wechselrichter muß also Antriebsmotoren die wesentlichen Stromverbraucher »5 mindestens für eine gewisse Zeit mit der Netzfresind, bei fehlender Netzspannung nicht eingeschaltet quenz phasenstarr synchronisiert werden. Hierzu werden können, bedeutet keine wirkliche Einschrän- dient die Synchronisiervorrichtung 13, die aus den kung. Bei einem Netzausfall muß die vorhandene Nulldurchgängen der Netzspannung Impulse ableitet. Batteriekapazität ausschließlich zur Datensicherung die ihrerseits die Nulldurchgänge der Oszillatorvervvendet werden. Bereits laufende Geräte werden 30 scuwingung im Taktgeber S bestimmen. Um die daher an geeigneten Programmstellen meist abge- Funktion des Wechselrichters nicht zu stören, hat es schaltet, zusätzliche Geräte dürfen nicht eingeschaltet sich als notwendig erwiesen, mit der Synchronisierung werden. in jedem Fall erst dann zu beginnen, wenn zwischen

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der der Netzspannung und der Ausgangsspannung des Zeichnung näher erläutert. Es werden einige Varia- 35 nicht synchronisierten Wechselrichters zufällig Phationsmöglichkeiten dargelegt. sengleichheit herrscht. Dazu ist der von der Phasen-

Die Zeichnung zeigt in Form eines Blockschalt- Vergleichseinrichtung gesteuerte Schalter D in der bildes die Wechselrichtereinheit 1 und die Anlauf- Verbindungsleitung von der Synchronisiervorrichtung schaltung 2. Der nicht gezeichnete Verbraucher (Mo- 13 zum Taktgeber 5 vorgesehen. Voraussetzung fur tor) ist über einen ebenfalls nicht dargestellten Ein 40 ein gutes Funktionieren des gesamten Vorgangs ist, Aus-Schalter an die Klemme 3 angeschlossen. Der daß weder ein zu großer noch ein zu kleiner Fieeigentliche Wechselrichter 4 innerhalb der Wechsel- quenzunterschied zwischen dem Netz und dem Wecnrichtereinheit wird von einem Taktgeber S gesteuert selrichter besteht. Zweckmäßig ist eine Frequenz- und im Normalbetrieb über einen Gleichrichter 6 aus differenz von etwa 0,5 Hz.

dem Wechselstromnetz gespeist. Die Netzspannung 45 Eine besonders einfache Ausführung der Anlautwird über die Klemme 7 zugeführt. Die Wechsel- schaltung gemäß der Erfindung ergibt sich, wenn die richtereinheit 1 enthält ferner noch den Ladegleich- Synchronisierung des Wechselrichters br*, seines richter 8 zur Ladung einer Pufferbattcrie 9, beispiels- Taktgebers durch das Netz ständig erfolgt. Die Urnweise einer 60-V-Batterie. Ein elektronischer Um- schaltung des Motors vom Netzbetrieb auf Wechselschalter 10 schaltet den Eingang des Wechselrich- 50 richterbetrieb ist dann nur noch von der Beendigung ters 4 bei Netzausfall innerhalb weniger Millisekun- des Anlaufs abhängig. Rüstet man die Umschalteinden auf die Pufferbatterie um. In der Anlaufschaltung richtung 11 mit einem Zeitverzögerungsglied aus, so dient der von der Umschalteinrichtung 11 gesteuerte genügt ein zusätzlicher Kontaktsatz im Em-Aus-Umschaltkontakt U zur Umschaltung des an der Schalter für den Motor, um gleichzeitig mit dem bin-Klemme 3 angeschlossenen Motors -wischen der 55 schalten des Motors den Ablauf der durch das VerSpeisung aus dem Wechselstromnetz — im folgenden zögerungsglied bestimmten Verzögerungszeit ²¹¹J^j-" kurz als Netz bezeichnet — und der Speisung aus tea. Nach Beendigung der Verzögerungszeit erfolgt dem Wechselrichter. Bei nicht eingeschaltetem Mo- die Umschaltung. Zur Anpassung an die jeweiligen tor und während seines Anlaufs ließt der Umschalt- Gegebenheiten ist es vorteilhaft, die Verzogerungskontakt U in der gezeichneten Stellung, d. h. am 60 zeit einstellbar zu machen. Als zweckmäßig haben Netz. Erst nach Beendigung des Anlaufvorgangs sich die drei Werte 10 see, 20 see und 30 see herauswird der Umschaltkontakt U umgelegt, so daß der gestellt. ,. Motor nunmehr am Ausgang des Wechselrichters 4 Eine erhöhte Sicherheit gegen eventuelle mögliche Hegt. Bedienungsfehler (falsche Einschaitfolge) läßt sich Es würde aber nicht zum Ziel führen, wenn die 65 erreichen, wenn der Ablauf der Verzögerungszeit fur Umschaltung allein vom Abklingen des erhöhten An- die Umschaltung nicht durch das Schließen eines laufstroms abhängig wäre. Eine sehr wichtige Bedin- Kontaktes, der gleichzeitig mit einem Kontakt zum gung ist vielmehr die Phasengleichheit der Ausgangs- Schließen des Motorstromkreises betätigt wird, son-

dem durch das Überschreiten eines Schwellwerts für schreitens des unteren oder des oberen Schwellwerts

den über die Klemme 3 fließenden Strom ausgelöst erfolgt. Die Phasenvergleichseinrichtung 12 stellt nur

wird. Hierzu dient die Schwellwertschaltung 14, die die erste darauffolgende Phasenübereinstimmung

beispielsweise über einen Stromwandler W angesteu- zwischen der Ausgangsspannung des Wechselrichters

ert wird. Sinkt der Motorstrom /„ wieder unter der. 5 und der Netzspannung fest und schaltet von diesem

Schwellwert, z. B. beim Abschalten des Motors, so Zeitpunkt ab die von der Netzspannung abgeleiteten

legt der Kontakt U automatisch um und verbindet Synchrorrisierimpulse auf den Taktgeber S des Wech-

die Klemme 3 wieder mit dem Netz. selrichters 4. Der Synchronismus wird dadurch bis

Hierbei ist folgendes zu bemerken: Es scheint zu- auf weiteres aufrechterhalten. Gleichzeitig gibt die nächst, daß der Ansprechschwellwert der Schwell- 10 Phascnvergleichseinrichtung ein Signal an die Umwertschaltung besonders niedrig, d. h. bei sehr kies- schalteinrichtung 11, welches die Betätigung des Umnen Strömen /_v liegen müßte, da sonst die Anlauf- schaltkontaktes D vorbereitet, aber noch nicht beschaltung gegebenenfalls gar nicht vom Netzbetrieb wirkt.

auf Wechselrichterbetrieb umschaltet. Derart nied- Während dieser Zeit ist auch der Motor angelaufen rige Schwellwerte lassen sich bei Sehwcllwertschal- 15 und erreicht schließlich eine stationäre Drehzahl mit tungen der vorliegenden Art, nämlich bei auf Abso- der Folge, daß der von ihm aufgenommene Strom /„ lutwerte ansprechenden Schwellwertschaltungen im unter die obere Ansprechschwelle der Schwellwertallgemeinen nur schwer bzw. mit größerem Aufwand schaltung 14 absinkt. Dies löst nunmehr die Umerreichen. Tatsächlich genügt es aber im allgemeinen, schaltung des Schalters V und die Sperrung der Zuwenn die Schwellwertschaltung etwa bei einem Dritte! ao führung von Synchronisie. impulsen zum Taktgeber S des für den betreffenden Wechselrichter zulässigen aus. Die Sperrung der Synchronisierimpulse wird Dauerstroms anspricht. Für Motoren, deren Strom- zweckmäßig mit Hilfe ein«s Zeitverzögerungsgliedes aufnahme auch im Anlauf nicht über diesem Schwell- noch so lange verzögert, bis der Umschaltvorgang wert liegt, ist eine besondere AnIaufschaltung ohne- mit Sicherheit beendet ist

hin nicht erforderlich, sie können unmittelbar am »5 I_n Fällen, in denen der anlaufende Motor nur re

Wechselrichter anlaufen. Es kann aber zweckmäßig i_atj_v geringe Massen zu beschleunigen hat, kann es

sein, die Schwellwertschaltung mit einer nennens- vorkommen, daß er seine normale Drehzahl erreicht,

werten Hysterese auszustatten, um zu verhindern, bevor der Synchronismus zwischen der Wechsel-

daß relativ kleine Motoren nach Beendigung des An- richterausgangsspannung und der Netzspannung her-

laufs auf das Netz zurückgeschaltet werden. 30 gestellt ist, insbesondere dann, wenn sich die Fre-

Eine weitere Möglichkeit für den Aufbau der An- quenzen der beiden Wechselspannungen vor dem !aufschaltung gemäß der Erfindung besteht darin. Einsetzen der Synchronisierung nur sehr geringfügig für die Schwellwertschaltung 14 einen unteren und unterscheiden. Es ist daher notwendig, die Erfüllung einen oberen Schwellwert vorzusehen. Dabei ent- der beiden Bedingungen für die Umschaltung hinspricht der untere Schwellwert etwa dem vorher be- 35 sichtlich ihrer Auswirkung auf die Umschaltcinnchschriebenen, der obere Schwellwert liegt ungefähr tung gleichrangig zu bewerten (UND-Verknüpfung), beim Nennstrom des Wechselrichters. Da der Strom /„ Eine weitere Ausführungsforro der Anlaufschalvor dem Einschalten des Motors Null war, also un tung hat beispielsweise die folgende Funktionsweise, terhalb des unteren Schwellwerts lag, ist die ars der sich ihr Aufbau ohne weiteres ergibt. Vor-Klemme 3 /»nächst mit dem Net7 verbunden. Nach 40 ausgesetzt sei nunmehr, daß die Schwellwertschaltung dem Einschalten läuft der Motor also wie gewünscht wiederum nur mit einer (unteren) Ansprechschwelle am Netz an. Der Aniaufstiom übersteigt dabei vor- ausgestattet ist. Nach dem Einschalten des Motors aussetzungsgemäß den oberen Schwellwert der stellt die Schwellwertschaltung das Überschreiten des Schwellwertschaltung. Erst kurz vor Erreichen der Schwellwerts für den Strom /_r fest und gibt demzu-Solldrehzahl des Motors wird der obere Schweüwert 45 folge die Ph äsen Vergleichseinrichtung 12 frei Wie wieder unterschritten. Das veranlaßt die Umschalt- schon beschrieben, wartet die Phasenvergleichseineinrichtung 11, die Umschaltung des Motors auf den richtung die erste Phasengleichheit ab und schließt Wechselrichterausgang unmittelbar durchzuführen. daraufhin den Schalter D, so daß die Synchronisier-Dementsprechend benötigt die Umschalteinrichtung impulse aus der Synchronisiervorrichtung 13 zum 11 in diesem Fall kein Zeitverzögerungsglied. 50 Taktgeber 5 gelangen können. Gleichzeitig gibt sie

Es wurde bisher davon ausgegangen, daß die Aus- wieder em Signal an die Umschalteinrichtung 11,

gangsspannung des Wechselrichters 4 ständig in Pha- welches hier den Ablauf einer durch ein Zeitverzöge-

senübereinstimiming mit der Netzspannnng gehalten nmgselicd bestimmten Ver«5gerungszeit fei Gang

■wurde. For eine Reihe von handelsöbfichen Wechsel- setzt. Ό'-c Verzögenragszeit win!, wie ebenfalls schon

richtern ist aber nach Angaben der Hersteller eine 55 beschrieben wurde — dem jeweiligen Anwendungs-

danernde Synchronisierung nicht zn empfehlen. In fall entsprechend — in groben Stufen so festgelegt,

solchen Fällen wird der Syncroismus nur während daß der Motor inzwischen seinen Anlauf sicher be-

des Anlanfvorgangs anfrecaierhalten. endet hat. Nad* Ablauf der Verzöe»ngszeit erfolgt

Setzt man voraus, daß die Schwellwertschaltung 14 die Umschal tune. Die Synchronisierung wird zweck-

zwei Ansprechscbwellen besitzt, so ergibt sich bei- ^fo aräeir erst wieder nach Ablauf einer zweiten kurzen

spielsweise folgender Funktionsablaof der Anlauf- Verzögcrungyzeit zur Überbrückung der Umschalt-

schaltuns: Nach dem Einschalten des Motors ober- dauer auf sehoben.

steigt seme Stromaofnahme zunächst sowohl den nn- Der Zeichnung wurde ein Einphasen-Wecbseitercn als auch den oberen SchweRwert für das Aa- stromnetz und dementsprechend auch ein Wechselsprechen der SchweHwertschaltiHK». Hierdurch wird ⁶S richter mit einphasiger Ausgusspmg und ein die Phasenvergleichseinrichtung 12 freigegeben, wo- Einphasenmotor zugrunde gelegt. Die Airiaofscha!- bri es hn Prinzip gleicfigSftig ist ob die Freigabe tong kann aber ebenso put bei einer dreiphasigen der PhascnvCTgleichsenHichtimg auf Grund des Ober- Stromversorgung m Verfcmdrne mit eurem Drei-

phasenasynchronmotor Verwendung finden. Dabei ändert sich die Anlaufschaltung praktisch nicht So genügt es beispielsweise auch in diesem Fall, den notwendigen Phasenvergleich zwischen einer (Phase)

der drei verketteten Netzspannungen und der ent- 5 werden.

sprechenden Ausgangsspannung (Phase) der drei Wechselrichterausgangsspannungen durchzuführen. Lediglich müssen naturgemäß an Stelle des einen Umschaltkontakts U nunmehr deren drei vorgesehen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

8. Anlaufschaltung nach einem der Ansprüche 1 _ oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Patentansprüche: Umschalteinrichtung ein ZeitverzögerungsgUed enthält, das bewirkt, daß die Synchronisierung

1. Anlaufschaltung für Motoren, insbesondere 5 des Wechselrichters (4) erst kurze Zeit nach erAsynchronmotoren, die über Wechselrichter, de- folgter Umschaltung des Motors aufgehoben ren Nennleistung die Dauerleistung der Motoren wird.

nicht wesentlich übersteigt, betrieben werden,
gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (11), die den Motor nach seiner Ein- _lo
schaltung zunächst an das Wechselstromnetz anlegt und nach Empfang eines die Phasengleichheit

zwischen der Spannung des Wechselstromnetzes
und der Ausgangsspannung des Wechselrichters
(4) anzeigenden Signals und nach Beendigung des ₁₅
Anlaufvorgangs auf den Wechselrichter (4) umschaltet, ferner durch eine Phasenvergleichseinrichtung (12) zur Feststellung der Phasengleich- .

heat, durch eine auf den Taktgeber (5) des Wech- ^{Fur die} unterbrechungsfreie Stromversorgung bei selrichters (4) einwirkende Synchronisiervorrich- _2O Datenverarbeitungsarciagen werden m zunehmendem tung (13) zur Aufrechterhaltung der Phasen- Maße elektronische em- oder dreiphasige Wechselgleichheit und durch eine auf die Höhe des Mo- richteranlagen m Verbindung mit Batterien eingetorstroms ansprechende Schwellwertschaltung ^setzt- ^{Zu den} Datenverarbeitungsanlagen gehören in (14). der Regel periphere Geräte, wie Drucker, Lochkar-

2. Anlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch tengeräte, Platten- und Trommelspeicher, Magnetgekennzeichnet, daß die phasenstarre Synchroni- ⁵ handgeräte usw., deren Mechanik von relativ kleinen sierung des Wechselrichters (4) auf die Spannung Motoren nut einer Nennleistung von etwa 0,5 bis des Wechselstromnetzes unmittelbar nach dem ^{l KVA} angetrieben wird. Der hierzu am häufigsten Einschalten des WechseLtromnetzes vorgenom- verwendete Motor ist der Asynchronmotor. Er ist men und so lange aufrechterhalten wird, als die robust, benötigt kaum Wartung, wirkt aber bei Still-Spannung des Wechselstromnetzes vorhanden ist. ³° stand wie ein sekundärseitig kurzgeschlossener, pri-

3. Anlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch märseitig aber an voller Spannung liegender Transgekennzeichnet, daß die Synchronisierung des formator, so daß der Strom in den Zuleitungen beim Wechselrichters (4) auf die Spannung des Wech- Einschalten sehr hohe Werte erreicht. Die im Augenselstromnetzes erst nach dem Einschalten des blick des Einschaltens auftretende Stromstärke beMotors beginnt und nach der Umschaltung des ³⁵ trägt schon bei kleinen Motoren etwa das Sechsfache Motors auf den Wechselrichter (4) beendet wird. der Nennstromstärke. Zudem wird verschiedentlich

4. Anlaufschaltung nach Anspruch 2 oder 3. das Leistungsvermögen der Motoren absichtlich nicht dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Motor- ausgenutzt, sei es, um im Betrieb einen möglichst strom ansprechende Schwellwertschaltung (14) geringen Schlupf gegenüber der Frequenz der Wecheine obere und eine untere Ansprechschwelle auf- ⁴° selspannung zu erzielen, sei es. um die Anlaufzeit, weist und so auf die Umschalteinrchtung (11) die in einzelnen Fällen unter Last ohnehin mehrere einwirkt, daß die Motoranschlußleitungen beim Sekunden betragen kann, nicht unerwünscht zu ver-Unterschreiten des oberen Ansprechschwellwerts längern. Dabei sinkt zwar auch die Stromaufnahme für den Motorstrom auf den Wechselrichter (4) im stationären Betrieb unter den Nennstrom, aber und beim Unterschreiten des unteren Ansprech- *^s der Anlaufstrom behält seine vorher genannte Größe, schwellwerts auf das Wechselstromnetz geschal- Nun besitzen elektronische Wechselrichter zwar tet werden. erhebliche Vorteile gegenüber rotierenden Umfor-

5. Anlaufschaltung nach Anspruch 2 oder 3. mern, aber gerade für den vorliegenden Fall erweist dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert- es sich als nachteilig, daß sie nicht wie letztere bei schaltung (14) nur eine (untere) Ansprech- ⁵° dynamischen Überlastungen durch Spannungs- und schwelle aufweist, deren Unterschreiten durch eventuell Frequenzeinbrüche nachgeben, sondern sich den Motorstrom bewirkt, daß die Motoranschluß- relativ steif verhalten. Kurzzeitige Spitzenbelastungen leitungen auf das Wechselstromnetz geschaltet bis zur etwa dreifachen Nennleistung werden dabei werden, und daß die Umschalteinrichtung (11) im allgemeinen noch gut vertragen. Höhere Belastunein Zeitverzögerungsglied mit einstellbarer Ver- 55 gen führen, auch wenn sie nur eine Halbwelle lang zögerungszeit für die Umschaltung des Motors auftreten, zum Aussetzen der Kommutierung des an den Wechselrichter (4) enthält, die jeweils so Wechselrichters und damit zum Ausfall der unterbemessen ist, daß die Anlaufzeit des Motors mit brechungsfreien Stromversorgung. Die geringe ÜberSicherheit überbrückt wird. lastbarkeit der elektronischen Wechselrichter führt

6. Anlaufschaltung nach Anspruch 5, dadurch ^6o in Verbindung mit den hohen Einschaltströmen der gekennzeichnet, d3ß die Verzögerungszeit beim Motoren, insbesondere von Asynchronmotoren, zu Einschalten des Motors zu laufen beginnt und einer unerwünschten Überdimensionierung der unterdaß die Umschaltung des Motors auch nach Ab- brechungsfreien Stromversorgungsanlage.

lauf der Verzögerungszeit frühestens nach Eintritt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

des Phasengleichlaufs erfolgt. 65 Überdimensionierung der Anlage zu vermeiden. Die

7. Anlaufschaltung nach Anspruch 5, dadurch Erfindung geht daher aus von einer Anlaufschaltung gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit mit für Motoren, insbesondere Asynchronmotoren, die dem Eintritt des Phasengleichlaufs begjnnt. über Wechselrichter, deren Nennleistung die Dauer-