DE2715935A1 - Verfahren zur ueberwachung des hochlaufs von asynchronmotoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur ueberwachung des hochlaufs von asynchronmotoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2715935A1
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Description

?fl75935 4.3.1977
Ka/Ca
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz-)
Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von Asynchronmotoren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von - vorzugsweise explosionsgeschützten - Asynchronmotoren durch Erfassung einer drehzahlabhängigen physikalischen Grosse innerhalb einer erlaubten Blockierzeit und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Ueberwachung des Hochlaufs von Motoren ist für einige Anwendungen unerlässlich, so etwa bei explosionsgeschützten Motoren, bei denen eine zu starke Erhitzung der stromdurchflossenen Wicklungen bei Blockierung dadurch vermieden wird, dass die erlaubte Blockierzeit t„ kleiner als die Anlaufzeit t. gewählt wird. Bei den bekannten Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von Asynchronmotoren ist es üblich, die Drehzahlen mittels eines Drehzahlwächters unmittelbar
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nach dem Einschalten des Motors und nach Ablauf einer bestimmten innerhalb der Blockierzeit liegenden Zeitverzögerung zu ermitteln. Ist nach dem Zuschalten der Spannung der Motor nach Ablauf der eingestellten Zeitverzögerung nicht auf einer vorgeschriebenen Drehzahl, z.B. ^O % n, so wird der Motor wieder spannungsfrei geschaltet. Ein derartiges Verfahren ist jedoch aufwendig und umständlich, da auf der Motorwelle eine Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung angebracht werden muss und darüber hinaus auch die Reproduzierbarkeit der angezeigten Messwerte fraglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, ein Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von Asynchronmotoren anzugeben, bei dem durch das ausschliessliche Ermitteln elektrischer Grossen eindeutige und reproduzierbare Aussagen über den Betriebszustand des Motors gemacht werden können und das Verfahren darüber hinaus mit Hilfe einer wartungsfreien und wenig Raum beanspruchenden Vorrichtung durchzuführen ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Wert einer vom Phasenwinkel zwischen Motorstrom und -spannung abhängigen elektrischen Grosse nach Ablauf einer ersten Zeitverzögerung nach dem Einschalten des Motors sowie der Wert dieser Grosse nach Ablauf einer zweiten Zeitverzögerung nach dem Einschalten des Motors
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ermittelt und beide Werte miteinander verglichen werden. Als Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind Mittel zum Umwandeln der vom Motor ausgehenden Strom- und Spannungsignale, zur Einleitung und Bestimmung der Dauer der Messung der phasenwinkelabhängigen Grosse, zur Ermittlung der zeitlichen Aenderung der phasenwinkelabhängigen Grosse und zur Abgabe eines Auslösebefehls vorgesehen.
Neben der Zuverlässigkeit und der Problemlosigkeit beim Anbringen einer Ueberwachungsvorrichtung zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren vor allem dadurch aus, dass es insbesondere in Kernkraftwerken, wo bei Kühlmittel-Pumpenmotoren der Motorraum nicht betreten werden darf, oder anderen Anlagen, in denen ein Drehzahlwächter aus betrieblichen Gründen nicht beobachtet und gewartet werden kann, mit Vorteil einzusetzen ist.
Das erfindungsgemäss Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung beruhen auf der Erkenntnis, dass sich während des Hochlaufs eines Asynchronmotors der Wert einer vom Phasenwinkel f zwischen Motorstrom I und Motorspannung U abhängigen Grosse,etwa der effektive Widerstand R = U/I · cos ^p, den der Motor dem Netz entgegensetzt, stark ändert. Diese Aenderung wird dadurch bewirkt, dass sich die abgegebene mechanische Leistung zum eigentlichen
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ohmschen Widerstand des Motors addiert. Da die mechanische Leistung bei verschwindender Drehzahl nicht messbar ist, tritt eine Aenderung dieser Leistung und damit eine Aenderung des effektiven Widerstandes R nur dann ein, wenn der Motor beschleunigt. Entsprechend wurde die Abhängigkeit "der Motordrehzahl vom Phasenwinkel lf erkannt und für das erfindungsgemässe Verfahren ausgenutzt.
Es empfiehlt sich,die erste Zeitverzögerung so zu wählen, dass die beim Einschalten auftretenden Gleichstromkomponenten bei der Ermittlung der Werte der phasenwinkelabhängigen Grosse im wesentlichen abgeklungen sind.
Zur Durchführung des Verfahrens wird lediglich eine elektronische Messvorrichtung an einen Strom- und Spannungswandler des Motors angeschlossen, in der Messvorrichtung die Zeitverzögerungen sowie der Motornennstrom eingestellt, der Messvorgang nach Ueberschreiten eines vorgegebenen Stromscheitelwertes eingeleitet, der nach der ersten Zeitverzögerung ermittelte Wert A der phasenwinkelabhängigen Grosse gespeichert, der Wert A der phasenwinkelabhängigen Grosse nach Ablauf der zweiten Zeitverzögerung ermittelt, zum Wert A ein als Sicherheitsmarge dienender Wert B addiert, der um B vermehrte Wert A mit dem Wert A verglichen und bei Uebertreffen des Wertes A durch den um die Marge B vermehrten Wert A die Abschaltung des Motors
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bewirkt. Ein derartig ausgestaltetes Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von Asynchronmotoren ist besonders vorteilhaft, da an Spannung und Strom des Motors lediglich eine elektronische Messvorrichtung angeschlossen werden muss. Nach Einstellen der für den zu schützenden Motor charakteristischen Zeitverzögerungen, also der für das Abklingen der Gleichstromkomponenten nach dem Einschalten erforderlichen Zeitspanne t und der Zeitspanne t„, welche höchstens so gross wie die Blockierzeit t„ gewählt werden darf, sowie des Nennstroms Iw des Motors, ist die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung über lange Zeiträume ohne aufwendige Wartung einsatzfähig. Da lediglich elektrische Messwerte ermittelt werden, braucht deren Auswertung nicht in unmittelbarer Nähe des Motors zu erfolgen,sondern können diese Messwerte leicht und ohne besonderen Aufwand in entlegene Räume zur Auswertung übermittelt werden. Zusätzlich ist es noch von Vorteil, dass das erfindungsgemässe Verfahren erst nach Ueberschreiten eines bestimmten Stromscheitelwertes (z.B. 2 IM, wobei I = Nennstrom des Motors) wirksam wird, so dass betrieblich bedingte Laständerungen und Spannungssehwankungen im Netz nicht zu Fehlverhalten führen können.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht wiedergegeben. Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich auf das in der Zeichnung
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Dargestellte nicht beschränkt
Es zeigt:
Fig. 1 ein Relais zur Durchführung des erfindungsge-
v. massen Verfahrens, bei der der effektive Wider-
stand des Motors als phasenwinkelabhängige Grosse
verwendet wird und
Fig. 2 ein Relais zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem der Phasenwinkel'/ zwischen Motorstrom I und Motorspannung U als phasenwinkelabhängige Grosse verwendet wird.
In beiden Figuren sind gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile bezogen.
Gemäss Fig. 1 wird das erfindungsgemässe Relais über Zwischenwandler 1 an den Motor bzw. die Strom- und Spannungswandler des Motors angeschlossen. Ein an den Zwischenwandler 1 angeschlossener Gleichrichter 2 erzeugt eine zur Motorspannung proportionale Gleichspannung U. Ein an den Zwischenwandler 1 angeschlossener Impulsumformer 7 formt die sinusförmige Motorspannung in ein phasengleiches Rechtecksignal um. Ein bipolarer Schalter 11 wird über das Gatter 8 durch das Rechtecksignal angesteuert und bewirkt zusammen mit dem Filter 12 die Erzeugung eines dem Produkt I ■ cos ^ proportionalen GleichspannungssignalB. Zur
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Anpassung an den Motornennstrom ist eine über den Zwischenwandler 1 angeschlossene Bürde 15 vorgesehen. In einem Dividierer 3 wird der effektive Widerstand R durch Division des Gleichspannungssignals U durch das Produkt I · cos Γ gebildet.
Die Spannung an der Bürde 15 wird nicht nur zur Bildung des Produks I · cos f verwendet, sondern auch dazu, um den Anlaufbeginn des Motors zu erkennen. Nach dem Einschalten steigt der Strom sehr stark an. Bei einem fest vorgegebenen Scheitelwert, beispielsweise I ~^· 2xl„, wobei I = der Nennstrom des Motors, spricht ein Trigger 16 an. Da ein Trigger aber nur auf Scheitelwert reagiert, sind Mittel 17 zur Impulsverlängerung vorgesehen, um so ein kontinuierliches Signal nach dem Ansprechen zu bilden. Nach dem Ansprechen von Trigger 16 und Inipulsverlängerung 17 beginnen die Zeitverzögerungsglieder 22 und 13 zu laufen. Das Verzögerungsglied 22 ist auf eine Zeitverzögerung t.. von beispielsweise 0,1 s eingestellt, welche dazu dient, das Ausklingen der Gleichstromkomponenten im Strom abzuwarten, bevor die erste widerstandsmessung des Relais beginnt.
Das Verzögerungsglied 13 ist auf eine Zeitverzögerung t ' eingestellt, welche grosser als t^ ist, aber höchstens gleich der erlaubten Blockierzeit t,-,.
Nach Ablauf von t1 wird über einen ersten monostabilen Multivibrator 23 und Gatter 24, 25 ein zweiter monosta-
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biler Multivibrator 26 getriggert. Der Ausgang dieses zweiten monostabilen Multivibrators startet für eine bestimmte Anzahl von Perioden, etwa 5> über Gatter 18, 19, 27 die Messung des Produktes I · cos f . Ist diese Messung beendet, so wird der über den Dividierer 3 gebildete Wert R, = U/I* cos '" über einen Analog-Digital-Wandler ty in einen Speicher 5 eingegeben.
Nach Ablauf der Zeitverzögerung t wird in entsprechender Weise eine Messung des Produktes I · cos r veranlasst. Der entsprechend ermittelte Wert des effektiven Widerstandes R wird in einem Komparator 10 mit dem an dem Speicher 5 über einen Digital-Analog-Wandler 6 abgerufenen Wert R verglichen. Zuvor wird jedoch zum Wert des effektiven Widerstandes R, in einem Addierer 9 noch ein als Sicherheitsmarge dienender Wert B addiert. Ist der Wert R der zweiten Widerstandsmessung mindestens um diesen Wert B grosser als R,, so war der Start des Motors erfolgreich und das Relais hat keinen Auslösebefehl zu erteilen. Ist der Wert des Widerstandes der zweiten Messung jedoch kleiner als der um die Sicherheitsmarge B vermehrte Wert des Widerstandes der ersten Messung, so ist der Motor blockiert. Das Relais gibt nun über das Gatter lty, den monostabilen Multivibrator 20 und das Auslöserelais 21 einen Auslösebefehl.
Gemäss Fig. 2 wird das erfindungsgemässe Relais über den
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Zwischenwandler 1 an den Motor bzw. die Strom- und Spannungs wandler des Motors angeschlossen. Ein an den Zwischenwandler 1 angeschlossener erster Impulsumformer 7 formt die sinusförmige Motorspannung in ein phasengleiches Rechtecksig- nal und ein an den Zwischenwandler 1 angeschlossener zwei- ter Impulsformer 7' formt das an der Bürde I5 dem sinusförmigen Motorstrom angepasste Signal ebenfalls in ein phasengleiches Rechtecksignal um. Ueber das Filter 12 wird der Phasenwinkel ',/ zwischen motorstrom- und motorspannungsproportionalen Signalen ermittelt. Die Einleitung und Bestimmung der Dauer der Messung der Phasenwinkel f, und :/> , die Ermittlung der zeitlichen Aenderung des Phasenwinkels f während der Anlaufphase des Motors und die Abgabe des Auslösebefehls erfolgt genau so wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel, bei dem der effektive Widerstand und nicht der Phasenwinkel als Bestimmungsgrösse verwendet wurde.
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Claims (13)

BBC Baden 21/77 Patentansprüche
1.J Verfahren zur Ueberwachung des Hochlaufs von - vorzugs-
weise explosionsgeschützten - Asynchronmotoren durch Er-"-fassung einer drehzahlabhängigen physikalischen Grosse innerhalb einer erlaubten Blockierzeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (A ) einer vom Phasenwinkel (V') zwischen Motorstrom (I) und -spannung (U) abhängigen elektrischen Grosse nach Ablauf einer ersten Zeitverzögerung (t ) nach dem Einschalten des Motors sowie der Wert (A_) dieser Grosse nach Ablauf einer zweiten Zeitverzögerung (t„) nach dem Einschalten des Motors ermittelt und beide Werte (A1 , A„) miteinander verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitverzögerung (t..) so gewählt wird, dass die beim Einschalten auftretenden Gleichstromkomponenten im wesentlichen abgeklungen sind, und dass die zweite Zeitverzögerung (t„) grosser als die erste Zeitverzögerung (t,) aber kleiner oder höchstens gleich der erlaubten Blockierzeit (t ) gewählt wird.
-ti
3· Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Messvor-
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richtung an einen Strom- und einen Spannungswandler des Motors angeschlossen wird, in der Messvorrichtung die Zeitverzögerungen (t,, t„) sowie der Motornennstrom (In) eingestellt werden, der Messvorgang nach Ueberschreiten eines vorgegebenen Stromscheitelwertes (z.B. 2 I) eingeleitet, der nach der ersten Zeitverzögerung (t,) ermittelte Wert (A ) der phasenwinkelabhangigen Grosse gespeichert, der Wert (A„) der phasenwinkelabhangigen Grosse nach Ablauf der zweiten Zeitverzögerung (t„) ermittelt, zum Wert A ein als Sicherheitsmarge dienender Wert B addiert, der um B vermehrte Wert A mit dem Wert A„ verglichen und bei Uebertreffen des Wertes A durch den um die Marge B vermehrten Wert A die Abschaltung des Motors bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als phasenwinkelabhängige Grosse der effektive Widerstand (R - U/I · cos'/') verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nennstrom (IM) an einer Bürde (15) angepasst, durch Triggerung der Ablauf der Zeitverzögerungen (t , t ) eingeleitet, nach Ablauf der Zeitverzögerung t.. der Strom I · cos ^ über einige Perioden (z.B. 5) gemessen und in einem Dividierer (3) der effektive Widerstand R
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in entsprechender Weise ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als phasenwinkelabhängige Grosse der Phasenwinkel (ψ ) verwendet wird.
7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nennstrom (In) an einer Bürde (15) angepasst, durch Triggerung der Ablauf der Zeitverzögerungen (t,, t?)
eingeleitet und nach Ablauf der Zeitverzögerung t durch Vergleich der Phasenlage von Motorstrom (I) und -span-
nung (U) der Phasenwinkel γ-, und nach Ablauf der Zeitverzögerung t_ der Phasenwinkel </*„ in entsprechender
Weise ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als phasenwinkelabhängige Grosse der Cosinus des Phasenwinkels V7verwendet wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel zum Umwandeln der vom Motor ausgehenden
Strom- und Spannungssignale, zur Einleitung und Bestimmung der Dauer der Messung der phasenwinkelabhängigen
Grosse, zur Ermittlung der zeitlichen Aenderung der
phasenwinkelabhängigen Grosse und zur Abgabe eines Auslösebefehls vorgesehen sind.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Einleitung und Bestimmung der Dauer der Messung der phasenwinkelabhangigen Grosse ein Trigger (16) und eine Einrichtung (17) zur Impulsverlängerung sowie ein nach Ablauf einer fest einstellbaren Zeitverzögerung t einen monostabilen Multivibrator (26) aktivierendes erstes Verzögerungsglied (22, 23) und ein nach Ablauf einer fest einstellbaren Zeitverzögerung t„ den monostabilen Multivibrator (26) aktivierendes zweites Verzögerungsglied (13) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder lo, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Ermittlung der zeitlichen Aenderung der phasenwinkelabhangigen Grosse ein Speicher (5) zum Abruf der nach Ablauf der Zeitverzögerung t, ermittelten Grosse A,, ein Addierer (9) zum Vermehren der Grosse A, um einen Wert B und ein Komparator (10) zum Vergleich der Grossen A, + B und Ap vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum Umwandeln der vom Motor ausgehenden Strom- und Spannungssignale bei der Ermittlung von effektiven Widerständen (FL, Rp) als phasenwinkelabhängiger Grosse folgende Elemente vor-
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gesehen sind:
ein an einen Zwischenwandler (1) angeschlossener Gleichrichter (2) zur Erzeugung einer der Motorspannung proportionalen Gleichspannung U,
ein an den Zwischenwandler (1) angeschlossener Impulsumformer (7) zum Umformen der sinusförnigen Motorspannung in ein phasengleiches Rechtecksignal, ein durch das Rechtecksignal angesteuerter bipolarer Schalter (11) und ein Filter (12) zur Erzeugung eines dem Produkt I · cos </' proportionalen Gleichspannungssignals, wowie
eine Bürde (15) zur Anpassung an den Motornennstrom (I„), und ein Dividierer (3) zur Bildung des effektiven Widerstandes (U/I cos y' ).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum Umwandeln der vom Motor ausgehenden Strom- und Spannungssignale bei der Ermittlung der Phasenwinkel ( XP , ^f0) als phasenwinkelabhängiger Grosse folgende Elemente vorgesehen sind:
ein an einem Zwischenwandler (1) angeschlossener erster Impulsformer (7) zum Umformen der sinusförmigen Motorspannung in ein phasengleiches Rechtecksignal, ein an den Zwischenwandler (1) angeschlossener zweiter Impulsformer (7) zum Umformen des an der Bürde (15) an den sinusförmigen Motorstrom angepassten Signals in ein phasengleiches Rechtecksignal, und
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ein Filter (12) zur Ermittlung des Phasenwinkels Γ zwischen motorstrom- und motorspannungsproportionalen Signalen.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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