DE2549850B2

DE2549850B2 - Thermische Überlastschutzeinrichtung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2549850B2
Application number: DE19752549850
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Nimes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-11-06
Filing date: 1975-11-06
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2549850C3; DE2549850A1

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Überlastschutzeinrichtung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche thermische Überlastschutzeinrichtung für eine drehzahlgesteuerte elektrische Maschine ist aus der DE-PS 8 89 799 bekannt. Ein thermisches Überlastrelais ist hierzu über ein Vergleichsglied an einem stänclerstromgespeisten Stromwandler angeschlossen und das Vergleichsglied steht in Abhängigkeit vom Drehzahlsteller für die Maschine, so daß der das Überlastrelais durchfließende Strom unabhängig von der Drehzahl des Motors ein eindeutiges Maß für dessen Erwärmung wird, d. h. daß er bei niedrigerer Drehzahl des Motors einem niedrigeren Ständerstrom und bei höherer Drehzahl einem höheren Ständerstrom entspricht, wodurch der Einfluß der drehzahlabhängigen Kühlung bei überlastungsfreiem Betrieb berücksichtigt wird. Das thermische Überlastrelais wird in Abhängigkeit von der Strömwärme also nur bei thermischer Überlastung ausgelöst.

Diese bekannte Schutzeinrichtung ist aber dann nicht voll wirksam, wenn bei gestörtem Anlauf oder bei gestörtem Betrieb mit von der vom Drehzahlsteller vorgegebenen Drehzahl abweichender Drehzahl oder gar Stillstand eine thermische Überlastung eintritt Weiterhin kann, insbesondere bei Asynchronmotoren, zwar während des störungsfreien Hochlaufvorganges der Läuferstrom etwa proportional dem Ständerstrom angenommen werden, jedoch tritt infolge der Schlupffrequenz in den Leitern des Läufers eine Stromverdrängung ein, wodurch die äußeren Leiterschichten von einem höheren Strom durchflossen und damit stärker erwärmt werden. Da beim Hochlaufen dar Maschine

ίο also die gleiche Wärmemenge von einem kleineren Volumen aufgenommen werden muß, erwärmen sich die entsprechenden Teile des Läufers beim Hochlauf stärker als bei Nennbetrieb.

Es ist aus der DE-OS 23 25 767 ein schnell

'S ansprechendes elektronisches Überlastrelais bekannt, das auch für eine ungeregelte elektrische eigenbelüftete Maschine zur Temperaturüberwachung bei Nenndrehzahl oder bei Lastspiel brauchbar ist und zur Erfassung der Erwärmungsverhältnisse bei Stillstand entspre-

chend von Hand umschaltbar ist Dieses Überlastrelais weist ein vom gleichgerichteten ständerstromproportionalen Wandlerstrom gespeistes Quadrierglied auf. das über eine Subtraktionsstufe und einen Analog-Digital-Wandler mit einem Umkehrzähler zur Beeinflussung einer Auslösestufe des Überlastrelais verbunden ist, dessen zweite Eingänge über Grenzwertstufen mit dem Ausgang der Subtraktionsstufe verbunden sind und dessen Ausgang über einen Digital-Analog-Wandler auf einen zweiten Eingang der Subtraktionsstufe rückgeführt ist.

Eine genaue Erfassung der Läufertemperatur bei Hochlauf der Maschine, bei festgebremsten Läufer und/oder bei störungsbedingtem erschwerten Hochlauf der Maschine ist hiermit jedoch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnellansprechende thermische Überlastschutzeinrichtung zu schaffen, die auf rein elektrischem Auslöseprinzip und ohne gesonderte Temperaturmeßeinrichtungen im Läufer eine genaue Erfassung der Läufertemperatur bei Stillstand, beim Hochlauf und in> Betrieb ermöglicht und die damit einen vollen Schutz für den Läufer der Maschine und damit für die Maschine insgesamt ermöglicht.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der

⁴^ Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Durch die Zuführung der Differenz aus einer konstanten Bezugsspannung und aus einer der Drehzahl der Maschine proportionalen elektrischen Spannung

5" kann somit durch das Überlastrelais auch die im Läufer durch die Stromverdrängung bedingte stärkere Erwärmung berücksichtigt werden.

Bei eigenbelüfteten Maschinen, bei denen kein Tachogenerator zur Gewinnung einer drehzahlabhängigen Spannung vorhanden ist oder der Anbau eines solchen Tachogenerators zu aufwendig ist, kann die drehzahlabhängige Größe auch dadurch gewonnen werden, daß mittels einer Meßeinrichtung die Geschwindigkeit der Kühlluft gemessen, in eine elektrische

*>° Spannung umgeformt und dies dann zur Differenzbildung herangezogen wird.

Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Darin ist mit 1 z. B. ein schwer anlaufender Asynchronmotor bezeichnet, mit dem ein Tachogenerator 2 gekuppelt ist. Über einen Leistungsschalter 3 ist der Motor an ein Netz 4 anschaltbar. Dem Leistungsschalter 3 ist eine elektromagnetische Auslösespule 5

zugeordnet. Durch einen in der Motorzuleitung angeordneten Stromwandler 6 wird der Ständerstrom des Motors erfaßt und einem Überlastrelais 7 zugeführt. Ein solches Überlastrelais 7 (bekannt aus der DE-OS 23 25 767) besteht aus einem Gleichrichter 8, an dessen Ausgang ein Quadrierglied 9 angeschlossen ist. Der Ausgang des Quadriergliedes 9 ist mit dem einen Eingang einer Subtraktionsstufe 10 verbunden. Der Ausgang dieser Subtraktionastufe liegt über ein erstes Potentiometer 11 am Eingang eines Analog-Digital- ι ο Wandlers 12, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang einen Umkehrzählers 13 verbunden ist Der Ausgang des Umkehrzählers 13 ist sowohl mit einer als Kippstufe (Grenzwertstufe) ausgebildeten Auslösestufe

14 als auch mit einem Digital-Analog-Wandler 15 verbunden. Der Ausgang des Digital-Analcg-Wandlers

15 ist über ein zweites Potentiometer 16 an dem anderen Eingang der Subtraktionsstufe 10 angeschlossen. An dem Ausgang der Subtraktionsstufe sind neben dem Analog-Digital-Wandler 12 noch zwei Grenzwertstufen 17 und 18 angeschlossen. Die Grenzwertstufen sind so ausgelegt, daß die Grenzwertstufe !7 bei positivem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe 10 einen Befehl an den Umkehrzähler 13 für Vorwärtszählen gibt. Die Grenzwertstufe 18 gibt dagegen bei negativem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe 10 einen Befehl für Rückwärtszählen an den Umkehrzähler 13. Das Überlastrelais ist somit in der Lage, anhand des gemessenen Ständerstromes ein genaues, thermisches Abbild des Motors im Normalbetrieb zu liefern. w

Wie bereits eingangs erwähnt, werden beim Hochlauf der Maschine die äußeren Wicklungsschichten der Läuferwicklung infolge der Stromverdrängung stärker erwärmt. Bei schwer anlaufenden Maschinen, bei denen der Hochlauf eine relativ lange Zeit in Anspruch nimmt, Ji muß die durch die Stromverdrängung bedingte stärkere Erwärmung der äußeren Wicklungsschichten berücksichtigt werden. Hierzu wird nunmehr die Ausgangsspannung des Tachogenerators 2 über einen einstellbaren Widerstand 19 einem Spannungs-Vergleichspunkt 4n 20 zugeführt An diesem Spannungs-Vergleichspunkt 20 liegt ferner eine von einer Batterie 21 gelieferte konstante Spannung an. In dem Spannungs-Vergleichspunkt 20 wird die Differenz zwischen der von der Batterie 21 gelieferten konstanten Spannung und der von dem Tachogenerator 2 gelieferten Spannung gebildet. Die in dem Spannungs-Yergleichspunkt 20 gebildete Differenzspannung wird in einem Summationspunkt 22 zu der Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13 addiert. Die gebildete Summenspannung wird « der Auslösestufe 14 zugeführt.

Die Überlastschutzeinrichtung arbeitet wie folgt: Die am Ausgarg des Umkehrzählers 13 des Überlastrelais 7 anstehende Ausgangsspannung ist ein Maß für die Erwärmung der Maschine im Normalbetrieb. Dieser Ausgangsspannung wird nunmehr die von dem Spannungs-Vergleichspunkt 20 gelieferte Differenzspannung zugefügt. Bei Beginn des Hochlaufens ist die Drehzahl des Motors 1 noch gering und damit auch die Ausgangsspannung des Tachogenerators klein. Daher m> entspricht die von dem Spannungs-Vergleichspunkt 20 an den Summationspunkt 22 gelieferte Differenzspannung nahezu der konstanten Spannung der Batterie 12. Die Polung der Batteriespannung erfolgt so, daß beim Überwiegen der Batteriespannung eine positive Diffe- to renzspannung an dem Summationspunkt 22 geliefert wird. Die Größe dei Batteriespannung ist so gewählt, daß sie für sich allein nicht den Ansprechwert der Auslösestufe 14 erreicht. Die Addition der vom Umkehrzähler 13 gelieferten Ausgangsspannung und der vom Spannungs-Vergleichspunkt 20 kommenden Differenzspannung bedeutet, daß zum Erreichen des Ansprechwertes der Auslösestufe 14 eine kleine Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13 ausreicht. Die Überlastschutzeinrichtung ist so ausgelegt, daß bei normalem Hochlauf die aus der Batteriespannung und der Tachospannung gebildete Differenzspannung entsprechend dem Temperaturanstieg, d. h. entsprechend dem Anstieg der Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13, abnimmt. Somit wird bei störungsfreiem Hochlauf nicht der Ansprechwert der Auslösestufe 14 erreicht.

Bei gestörtem Hochlauf, z. B. zu langsamen Hochlauf oder Hängenbleiben des Läufers, nimmt die Differenzspannung einen anderen Verlauf und es kommt zu einem Ansprechen der Auslösestufo 14. Dies soll am Beispiel des Hängenbleibens des Läufers erläutert werden. Der Ansprechwert der Auslösestufe 14 sei beispielsweise 14 V. Die Batteriesrr.nnung soll 12 V betrafen. Der Läufer ssi FsSt⁰CGr^mS* somit ^i** Drehzahl und die Tachospannung Null. An dem Summationspunkt 22 liegt damit eine Differenzspannung von 12 V an, die konstant bleibt. Die Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13 steigt nunmehr entsprechend der Erwärmung des Läufers der Maschine an. 1st diese Ausgangsspannung bis auf einen Wert von 2 V angestiegen, ist der Ansprechwert der Auslösestufe 14 von 14 V erreicht und diese gibt einen Ausschaltbefehl. Durch die Differenzspannung kann somit die stärkere Erwärmung des Läufers gegenüber dem Ständer beim Hochlauf der Maschine berücksichtigt werden. Beim Betrieb mit Nenndrehzahl ist der Ständerstrom sowohl ein Maß für die Erwärmung des Ständers als auch des Läufers. Daher werden die Tachospannung und die Batteriespannung so aufeinander abgestimmt, daß bei Nenndrehzal die Differenz dieser beiden Spannungen Null ist. im Nennbetrieb erfolgt daher nur dann eine Auslösung über die Auslösestufe 14, wenn die Ausgangsspannung des Urrkehrzählers 13 den Ansprechwert der Auslösestufe 14 für sich allein erreicht.

Bei zu langsamem Hochlauf nimmt dip Differenzspannung ebenfalls entsprechend langsam ab. Damit ist die für den normalen Hochlauf vorgesehene Übereinstimmung von Anstieg der Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13 und Abnahme der Differenzspannung nicht mehr gegeben. Das bedeutet, daß wegen der nunmehr langsamer kleiner werdenden Differenzspannung der Ansprechwert der Auslösestufe 14 erreicht und die Maschine rechtzeitig abgeschaltet wird.

Durch die beschriebene Überlastschutzeinrichtung werden alle Störungen während des Hochlaufvorganges einer Maschine erfaßt. Ist der Läufer der Maschine, wie erwähnt, festgebremst, so wird von dem Trchogeiierator 2 keine Spannung geliefert und es liegt volle Spannung der Batterie an dem Summationspunkt 22, so daß der Ansprechwert der Auslösestufe 14 sehr schnell erreicht wird. Die Abschaltung der Maschine erfolgt dadurch so rechtzeitig, daß der Läufer trotz der stärkeren Erwärmung noch nicht über die zulässigen Grenzen erwärmt wurde.

Ein weiterer Störungsfall kann darin bestehen, daß der Motor während des Hochlaufes hängenbleibt. Dies bedeutet, daß an di_Ti Summationspunkt 22 ab dem Hängenbleiben des Motors eine konstante Differenzspannung ansteht, die dann zusammen mit der weiter

ansteigenden Ausgangsspannung des Umkehrzählers 13 sehr schnell den Ansprechwert der AuslOsestufe 14 erreicht.

Anstelle einps Tarhngpnerators 2, der zur Erfassung der Drehzahl dient, kann bei einem eigenbelüfteten Motor auch die Geschwindigkeit der Kühlluft gemessen werden. Die Geschwindigkeit der Kühlluft ist nämlich ebenfalls der Drehzahl proportional. Durch Umformung der gemessenen Kühlluftgeschwindigkeit in einen proportionalen Strom oder eine proportionale Spannung kann das Überlastrclais 7 dann in der gleichen Weise wie durch die von dem Tachogenerator 2 gelieferte Spannung bzw. den gelieferten Strom beeinflußt werden.

Die beschriebene Überlastschutzeinrichtung gewährleistet nicht nur während des Hoehlaufvorganges einen sicheren Schutz für die elektrische Maschine, sondern auch während des Betriebes. Die Überlastschutzeinrichtung ist so ausgelegt, daß nach erfolgtem Hochlauf die Differenzspannung Null wird. Tritt während des normalen Betriebes infolge einer Lasterhöhung ein Drchzahlsbfall ein, der wiederum eine stärkere Erwärmung des Läufers zur Folge hat, so erscheint an dem Spannungs-Vergleichspunkt 20 wiederum eine Differenzspannung und beeinflußt entsprechend das Überlastrelais 7.

Eine Gefährdung der Maschine durch wiederholtes Anfahren kann bei der beschriebenen Überlastschutzeinrichtung auf einfache Weise dadurch vermieden werden. daU an den Ausgang des Umkehr/ählers 13 eine Meldestufe angeschlossen wird, die die Einschaltung der Maschine blockiert, wenn das Ausgangssignal des Umkehrzählers 13 einen bestimmten Wert aufweist. Die Wiedereinschaltung der Maschine wird erst dann freigegeben, wenn dieser Wert am Ausgang des Umkehrzählers unterschritten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermische Oberlastschutzeinrichtung für eine elektrische Maschine, mit einem die Erwärmung derselben bei unterschiedlichen Drehzahlen erfassenden thermischen Überlastrelais, welches die Maschine bei Überschreitung der zulässigen Betriebstemperatur bei jeder Drehzahl abschultet, wobei dem thermischen Überlastrelais einerseits eine vom Ständerstrom der Maschine abhängige Größe und andererseits eine drehzahlabhängige Korrekturgröße zugeführt wir, die von einem Höchstwert bei Stillstand bis auf Null bei Ner.ndrehzahl der Maschine abnimmt, und welche derart gewählt ist, daß der Gesamtstrom im thermischen Überlastrelais unabhängig von der Drehzahl der •Maschine ein eindeutiger Ausdruck für deren Erwärmung ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrekturgröße die unterhalb der Auslöseschwelle der thermischen Überlastschutzeinrichtung liegende Differenz einer konstanten elektrischen Bezugsspsryiung und einer der Drehzahl der Maschine proportionalen elektrischen Spannung vorgesehen ist.

2. Überlastschutzeinrichtung nach Anspruch 1 für eine eigenbelüftete Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft proportionale elektrische Spannung als drehzahlabhängige elektrische Größe zur Differenzbildung mit der konstanten elektrischen Spannung benutzt isL

3. Thermische Überlastschutzeinrichtung nach Anspruch 1, unter Verwendung eines bekannten elektronischen Überlistrelais Jas ein Quadrierglied für den Ständerstrom de Maschine sowie einen vom quadrierten Ständerstrom abhä gigen Umkehn:ähler und eine mit diesem verbundene, als Kippstufe ausgebildete Auslösestufe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösestufe zusätzlich die Korrekturgröße zugeführt ist.