DE2811123A1

DE2811123A1 - Verfahren zum anfahren eines synchronmotors mit hilfe eines umrichters

Info

Publication number: DE2811123A1
Application number: DE19782811123
Authority: DE
Inventors: Hans Lohest
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1978-03-15
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2811123C2; US4371823A

Description

b a r m a g

Banner Maschinenfabrik

Aktiengesellschaft

Sitz Remscheid-Lennep

"Verfahren zum Anfahren eines Synchronmotor mit Hilfe eines Umrichters"

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zun Anfahren eines Synchronmotor und auf eine Vorrichtung zur Durchführung d·· Verfahrene.

Synchronraotoren werden üblicherweise in Spülmaschinen zum Antrieb der Treibwalzen benutzt. Ihre Drehzahl wird durch Einstellen der Frequenz an einem Umrichter bestimmt.

Bisher war es üblich, die Synchronmotoren bei der der Betriebsdrehzahl entsprechenden Frequenz aus dem Stillstand einzuschalten. Dies· Frequenz lag üblicherweise über 100 Hz. Dementsprechend war der Anlaufstrom des Synchronmotors 10-bis 20-fach größer als der Nennstrom. Demzufolge wurden die Umrichter stark belastet und mußten wegen des hohen Anlaufstroms im Gegensatz zum Betriebsstrom sehr stark überdimensioniert werden.

Bei Anlagen mit vielen Synchronrootoren mußte auch aus Sicherheitsgründen der Umrichter so groß ausgelegt werden, daß der höh« Anlaufetrom eines Motors als Leistungsreserve in dem Umrichter bereits vorhanden war.

Dieses Verfahren konnte solange angewendet werden, als Betriebsdrehzahlen von ca. 4.OOO m/rain gefordert wurden.

Neuerdings werden jedoch Aufwickelgeschwindigkeiten von 5.OOO and 6.000 n/Min verlangt. Würden hierbei die Motoren bei der dieser Drehzahl entsprechenden Frequenz eingeschaltet, so wftre der Anlaufs troaa so hoch, daß bei der verlängerten Anlaufzeit die Motoren zerstört würden.

Deshalb ist »an dazu übergegangen, Hochlaufumrichter zusätzlich tu den bisherigen Umrichtern zu verwenden. Die Hochlaufumrichter werden nur zun Anlaufen der Motoren benutzt. Hierbei werden die

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Motoren mit einer niedrigeren als der Betriebsfrequenz eingeschaltet .

Diese Hochlaufumrichter lassen die Motoren bei einer geringen Frequenz anlaufen und synchronisieren, ändern dann etwa zeitlinear die Frequenz und übergeben nach Erreichen der Betriebsdrehzahl dann den Motor an den Betriebsumrichter.

Auch bei der hierfür verwendeten niedrigeren Drehzahl wird immer noch ein hoher Strom zum Synchronisieren (ca. 8- bis 10-facher Nennstrom) benötigt. Hierbei findet nämlich ein"mechanisches - in-den-Synchronismus-Fallen" statt, das unter Umständen noch durch vorhandene Permanentmagnete erschwert wird. Diese Einrichtungen haben also den Nachteil, daß auch der Hochlaufumrichter für sehr hohe Ströme ausgelegt werden mußte.

Werden jedoch nur wenige Synchronmotoren von einem Leitungsnetz versorgt (Versuchs-, Laboranlagen), so muß der Umrichter (eventuelle mit Hochlaufumrichter) wegen des hohen Stroms zum Synchronisieren überproportional stark ausgelegt werden, wodurch kleine Anlagen nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können.

Aufgab« der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung «ur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, bei dem Synchronmotor* bei einem Strom, der die Größe des Nennstromes nicht überschreitet, synchronisiert werden können und mit den auch kleine Anlagen Mit geringer Anzahl von Synchronmotoren ohne technischen und wirtschaftlichen Aufwand betrieben werden können.

Die Lösung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des ersten Anspruchs. Der Vorteil der Lösung besteht darin, daß hierbei zum Synchronisieren nur noch ein Stroa in der Größenordnung des Nennstromes benötigt wird. Hierdurch ist es Möglich, jedes einzelnen Motor einen Umrichter zuzuordnen,

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der dessen Betriebsenergiebedarf deckt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in Hochlaufunrichtern verwendet werden. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß beim Anfahren des Motors mit sehr geringer Frequenz und vor Erreichen der dieser Frequenz entsprechenden Drehzahl durch da* Herunterschalten der Frequenz der zum Motor fließende Stro* auf den Leerlaufwert herabfällt und der Motor bei etwas geringerer Frequent elektrisch in den Synchronismus fällt. Hierzu bleibt der von Motor aufgenommene Strom in der Größenordnung des Leerlaufstromes. Dadurch ist es möglich, den Umrichter alt einer Strombegrenzung auszurüsten, bzw. nur für den Nennstrom des Motors auszulegen. Nach dem Synchronisieren kann der Motor mit seinem sehr geringen Strom- der den Nennstroa nicht überschreitet - auf Betriebsdrehzahl synchron hochgefahren werden (Anspruch 2).

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß durch das kurzzeitige Herabsetzen der Frequenz der Motor Energie in den Zwischenkreis surückspeist, wodurch die Zwischenkreisspannung ansteigt und ein kurzzeitig höheres Spannungs-Frquenzverhältnis erreicht wird, was den Synchronisationsvorgang unterstützt.

Di· Anspruch· 3 bis 6 geben Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens wieder. Hierbei wurde insbesondere aaf Wirtschaftlichkeit und aOglichst einfach· Bedienung wertgelegt. Durch Verwendung «Ines Integrators 1st es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren nur alt zwei wechselweise alt den Integrator zu verbindende Sollwertgeber durchzuführen. Hierbei hat der Integrator die Aufgabe, den Motor von der einen Drehzahl zur anderen, neu vorgegebenen Drehzahl zu führen, ohne daß hierbei der Motor außertritt fällt.

Durch Anspruch 4 wird erreicht, daß der Synchronisierungsvorgang voll automatisch abläuft.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines ausgesuchten Beispiels näher erläutert.
Es stellen dart

Fig. 1 einen schematisierten Schaltplan zum

Anlauf und Betrieb eines Synchronmotors; Fig. 2 den zu Fig. 1 gehörenden Stromlaufplan; Fig. 3 eine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des

AnlaufVorganges nach der Erfindung; Fig. 4 die Integratorkennlinie vom Stillstand

bis zum Erreichen der Betriebsdrehzahl des

Motors.

In Fig. 1 wird der Synchronmotor 1 über einen Umrichter 2, einen Schütz 3 und eine Sicherung 4 an das Versorgungsnetz angeschlossen. Der Umrichter 2 hat die Aufgabe, die vom Versorgungsnetz konstant angelieferte Frequenz einstellbar bereitzustellen. Dazu wird der vom Versorgungsnetz angelieferte Drehstrom in einem Zwischenkreis in einen Gleichstrom übergeführt und von dort wieder zurück in einen Drehstrom mit einstellbarer Frequenz.

Um die Höhe der Ausgangsfrequenz des Umrichters einzustellen, ist an dem Zwischenkreis ein Integrator 5 angeschlossen. Dieser Integrator ist Über ein Relais 6 wahlweise mit einem Betriebssollwertgeber 7(veränderbar) oder mit einem Anlaufsollwertgeber 8 (fest eingestellt) verbunden. Der Integrator 5 fährt den Motor anhand einer, dessen Charakteristik berücksichtigenden Kennlinie auf jede gewünschte Drehzahl, die an dem Betriebssollwertgeber 7 eingestellt wird.

Zum Anlaufen des Synchronmotors 1 wird der Drucktaster I (Fig. 2) betätigt. Dadurch wird das selbsthaltende Schütz 3 eingeschaltet,

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wodurch der Umrichter mit Energie versorgt wird. Gleichzeitig werden dadurch die Relais 9 und 10 mit Energie versorgt, wobei sie jedoch mit einer Anzugsverzögerung ausgestattet sind. Die Anzungsverzögerung ist derart ausgelegt, daß das Relais 9 vor dem Relais 10 schaltet (Fig. 4), wobei zu berücksichtigen ist, daß auch das Relais 9 aufgrund seiner Anzugsverzögerung nicht sofort schaltet. Die Schaltelemente der beiden Relais sind in Reihe in dem Strompfad zu dem Relais 6 geschaltet. Hierbei ist der Schalter 9¹ des Relais 9 in Ruhestellung geöffnet, während der Schalter 10' des Relais 10 in Ruhestellung geschlossen ist.

Nach Ablauf der vorbestimmten Anzugsverzögerung schaltet der Schalter 9." des Relais 9, wodurch das Relais 6 erregt wird. Dadurch wird der Anlaufsollwertgeber 8 mit dem Integrator 5 verbunden, wodurch der Betriebssollwertgeber 7 abgeschaltet wird. Durch den Anlaufsollwertgeber 8 wird die Synchronisation des Motors 1 erreicht.

Wenn der Motor angelaufen ist und synchronisiert hat, muß er durch den Betriebssollwertgeber 7 auf die Betriebsdrehzahl hochgefahren werden. Dazu muß dieser mit dem Integrator verbunden werden. Dies geschieht durch das Zeitrelais 10, das nach der empirisch ermittelten Anlauf- und Synchronisierzeit schaltet. Dadurch schaltet der Schalter 10' des Zeitrelais 10, wodurch der Stromfluß zu dem Relais 6 unterbrochen wird. Dadurch fällt das Relais 6 ab, wodurch der Anlaufsollwertgeber 8 vom Integrator 5 getrennt und der Betriebssollwertgeber 7 wieder mit dem Integrator 5 verbunden ist.

Anhand der Kennlinie in Fig. 3, 4 soll der Synchronisiervorgang des Motors 1 näher erläutert werden. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie in Fig. 3 entspricht der eines Asynchronmotors, dessen Drehzahl durch Einstellen der Frequenz gesteuert wird. Zur Ver einfachung sei hier angenommen, daß die erreichbare Enddrehzahl

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auf der Kennlinie A bei einer Frequenz von f = 6 Hz erreicht wird. Ferner wird angenommen, daß das Außertrittfallmoment des Synchronmotors 1,35-mal dem Nennmoment entspricht (Punkt A₂). Ferner wird angenommen, daß sich bei Vorgabe einer Frequenz von f s* 5 Hz" die Kennlinie C ergibt.

Der Synchronmotor kann anhand dieser Drehmoment/Drehzahlkennlinie angefahren werden, wenn er sich wie ein Asynchronmotor verhalten kann. Dies wird erreicht, wenn der Motor unbelastet angelassen wird.

Zum Anfahren wird das Schütz 3 (Fig. 2, 4) betätigt. Aufgrund der Zeitverzögerung der Relais 9 und 1o ist der Betriebssollwertgeber 7 mit dem Integrator 5 verbunden. An dem Betriebssollwertgeber 7 ist ein der Betriebsdrehzahl entsprechender Wert eingestellt. Aufgrund der Kennlinie des Integrators 5 läuft der Motor asynchron an. Er läuft auf der in Fig. 3 dargestellten Drehmoment/Drehzahlkennlinie A bis zum Punkt A., der durch die Drehzahl n^ und 0,25-faches Nennmoment gekennzeichnet ist-

Hat der Motor diese Drehzahl n₃ erreicht - der Motor zeigt immer noch asynchrones Verhalten - , so ist die Zeit t- verstrichen. In diesem Zeitpunkt schaltet das Relais 9 (Fig. 4). Dadurch wird das Relais 6 mit Strom versorgt, wodurch der Betriebεsollwertgeber 7 vom Integrator 5 getrennt und der Anlaufsollwertgeber 8 mit dem Integrator 5 verbunden wird. Damit ist in diesem Beispiel die Kennlinie C (f = 5 Hz) vorgegeben, was einer Enddrehzahl von n₂ entspricht. Der Motor läuft nun mit der Drehzahl n^ leer, da er nicht mehr beschleunigt wird. Dadurch fällt der vom Motor aufgenommene Strom auf die Höhe des Leerlaufstromes ab. Da der Motor nun kein Moment mehr aufbringen muß, erreicht er sehr schnell den Punkt B₁.. Hierbei gibt er Energie an den Zwischenkreis ab. Dadurch wird dort die Spannung erhöht und damit der Strom, der zu dem Motor 1 zurückfließt.

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Durch die Vorgabe der neuen Frequenz von f «■ 5 Hz durch den Anlaufsollwertgeber 8 ändert der Integrator 5 die dem Motor 1 aufgegebene Frequenz stetig. Wird diese Änderung schneller durchgeführt als der Motor von Punkt A- nach dem Punkt B₁ gelangt, so kann der Motor in den Generatorbereich gelangen, von wo er dann den Punkt B_ ansteuert. Anderenfalls gelangt der Motor auf der Drehzahlachse vom Punkt B- zum Punkt B^,

Im Punkt B ist er synchronisiert, da er dort die ihm vorgegebene Drehzahl erreicht hat. Er ist also elektrisch in den Synchronismus gefallen. Dies wurde durch die Rückspeisung von Energie durch den Motor in den Zwischenkreis und das dadurch kurzzeitig erhöhte Spannungs/Frequenz-Verhältnis noch unterstützt.

Die Zeit bis zum Erreichen der Drehzahl n- entspricht der Zeitdifferenz t₂ - t₁ in Fig. 4. Bei Erreichen der Zeit t„ schaltet das Relais 10 ein, wodurch das Relais 6 stromlos wird und abfällt (Fig. 2, 4). Damit 1st der Anlaufsollwertgeber 8 vom Integrator 5 getrennt und der Betriebssollwertgeber 7 wieder mit dem Integrator 5 verbunden.

Die Zeit t_? wird empirisch ermittelt. Hierbei ist in diesem Beispiel noch eine Zeitreserve eingeplant worden (Parallelverlauf der Kennlinie zur Zeitachse in Fig. 4), um absolut sicher auszuschließen, daß der Motor bei einem weiteren Hochlauf bzw. bei Aufbringen einer Last noch nicht synchronisiert hat.

Der Motor läuft nun (Fig. 4) auf einer parallel zur ersten Kennlinie verschobenen Kennlinie im Integrator 5 auf die der Betriebsdrehzahl entsprechende Frequenz hoch.

Das Hochfahren bedeutet in Fig. 3, daß die Kennlinie B₂ t B^, die bei einer Drehzahl n₂ bis auf die Höhe des 1,35-fachen

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Nennmoinentes vom Motor in seinem synchronen Arbeitsbereich erreicht werden kann, parallel verschoben wird. Hierbei kann der Motor auch schon belastet werden.

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Claims

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Ansprüche

/ 1. ', Verfahren zum Anfahren eines Synchronmotors

v_ _mit Hilfe eines Umrichters, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor am Umrichter asynchron bis nahe zu der Drehzahl, welche einer vorgegebenen, geringen Anlauffrequenz entspricht, hochfährt und daß die Frequenz eodsnn so weit abgesenkt wird, daß der Motor synchronisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor nach dem Synchronisieren synchron durch stetige Erhöhung der ümrichterfrequenz auf Betriebsdrehzahl hochgefahren wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umrichter (2) ein Integrator (5) zur stetigen Erhöhung der Frequenz auf einen Sollwert zugeordnet 1st, der wahlweise mit einem veränderbaren Betriebssollwertgeber (7) und mit einem fest eingestellten Anfahreollwertgeber (8) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten von dem Betriebssollwertgeber (7) auf den fest eingestellten Anfahrsollwertgeber (8) und zurück Zeitrelais (9, 10) benutzt werden.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daft di· von Anfahrsollwertgeber (8) vorgegebene Frequenz geringfügig unter der Frequenz beim Umschalten von dem Betriebssollwertgeber (7) auf den Anfahrsollwertgeber (8) liegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bia 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (2) mit einer Strombegrenzung auf die Höhe des Nennstromes des Synchronmotors ausgerüstet ist.

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