DE2811123C2

DE2811123C2 - Verfahren zum Anfahren und Hochfahren eines Synchronmotors auf Betriebsdrehzahl mit Hilfe eines Umrichters

Info

Publication number: DE2811123C2
Application number: DE2811123A
Authority: DE
Inventors: Hans 5630 Remscheid Lohest
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1978-03-15
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE2811123A1; US4371823A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

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

Dabei verwendet man Hochlaufumrichter zusätzlich zu den Umrichtern. Die Hochlaufumrichter werden nur zum Anlaufen der Motoren benutzt. Hierbei werden die 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 ein hoher Strom zum Synchronisieren (ca. 8- bis lOfacher Nennstrom) benötigt. Hierbei findet nämlich ein »mechanisches — in-den-Synchronismus-Fallen« statt, das unter Umständen noch durch vorhandene Permamentmagnete erschwert wird. Diese Einrichtungen haben also den Nachteil, daß auch der Hochlaufumrichter für sehr hohe Ströme ausgelegt werden mußte.

Ein solcher Hochlaufumrichter ist bekannt durch die ASEA Zeitschrift 1976, Jahrg. 21, H.4, S. 75-80, bei welchem die Synchrondrehzahl, bei der synchronisiert wird, zugleich die Betriebsdrehzahl des Motors ist.

Werden jedoch nur wenige Synchronmotoren von einem Leitungsnetz versorgt (Versuchs-, Laboranlagen),

ίο so muß der Umrichter (eventuell mit Hochlaufumrichter) wegen des hohen Stroms zum Synchronisieren überproportional stark ausgelegt werden, wodurch kleine Anlagen nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können.

is Des weiteren ist die DE-AS 20 29 460 bekanntgeworden. Darin wird vorgeschlagen, zum Synchronisieren von Synchronmotoren einen Umrichter und einen Asynchrongenerator mit Antriebsmotor sowie veränderbarem Widerstand als Anfahrsatz zu verwenden.

Der Anfahrsatz arbeitet auf ein Hilfsnetz, an dem der Motor bis zur Übergabe an das Betriebsnetz angeschlossen ist. Nach diesem Verfahren wird bei niedrigen Frequenzen, aber hoher Leistung — abgegeben vom Asynchrongenerator — synchronisiert. Hat der Synchronmotor synchronisiert, so wird er bis etwas unter der Synchrondrehz^hl des Betriebsnetzes gefahren. Sodann werden einige Schaltungsvorgänge innerhalb des Anfahrsatzes notwendig, um den Motor an das Betriebsnetz zu übergeben.

Die hohen Leistungen beim Synchronisieren sind deshalb notwendig, weil der Synchronmotor mechanisch in den Synchronismus gerät, d. h. unter Aufnahme eines sehr hohen Stromes, der von dem Anlaufsatz bereitgestellt werden muß, wird der dem Drehfeld nacheilende Rotor des Synchronmotors mit einem Ruck in das umlaufende Drehfeld einrasten, wodurch er synchronisiert ist. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß ein Asynchrongenerator samt Antrieb vorgesehen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, bei dem Synchronmotore bei einem Strom, der die Größe des Nennstromes nicht überschreitet, synchronisiert werden können und mit dem auch kleine Anlagen mit geringer Anzahl von Synchronmotoren mit geringem technischen und wirtschaftlichen Aufwand betrieben werden können.

Die Lösung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des ersten Anspruchs.

so Der Vorteil der Lösung besteht darin, daß hierbei zum Synchronisieren nur noch ein Strom in der Größenordnung des Nennstromes benötigt wird. Hierdurch ist es möglich, jedem einzelnen Motor einen Umrichter zuzuordnen, der dessen Betriebsenergiebedarf deckt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in Hochlaufumrichtern 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

bo das Herunterschalten der Frequenz der zum Motor fließende Strom auf den Leerlaufwert herabfällt und der Motor bei etwas geringerer Frequenz elektrisch in den Synchronismus fällt. Hierzu bleibt der vom Motor aufgenommene Strom in der Größenordnung des Leerlaufstromes. Dadurch ist es möglich, den Umrichter mit einer Strombegrenzung auszurüsten, bzw. nur für den Nennstrom des Motors auszulegen. Nach dem Synchronisieren kann der Motor mit seinem sehr

geringen Strom — der den Nennstrom 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 zurückspeist, wodurch die Zwischenkreisspannung ansteigt und ein kurzzeitig höheres Spannungs-Frequenzverhältnis erreicht wird, was den Synchronisationsvorgang unterstützt

Die Ansprüche 3 bis 6 geben Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens wieder. Hierbei wurde insbesondere auf Wirtschaftlichkeit und möglichst einfache Bedienung wertgelegt. Durch Verwendung eines Integrators ist es möglich, das erfmdungsgemäße Verfahren nur mit zwei wechselweise mit dem 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 die Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird erreicht, daß der Synchronisierungsvorgang %oll automatisch abläuft

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert Es stellt dar

F i g. 1 einen schematisierten Schaltplan zum Anlauf und Betrieb eines Synchronmotors;

F i g. 2 den zu F i g. 1 gehörenden Stromlaufpäan;

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 F i g. 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 angeliederte 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 Auslaufen des Synchronmotors 1 wird der Drucktaster / (Fig. 2) betätigt. Dadurch wird das selbsthaltende Schütz 3 eingeschaltet, wodurch der Umrichter mit Energie versorgt wird. Gleichzeitig ^v> werden dadurch die Relais 9 und 10 mit Energie versorgt, wobei sie jedoch mit einer Anzugsverzögerung ausgestattet sind. Die Anzugsverzögerung ist derart ausgelegt, daß das Rlais 9 vor dem Relais 10 schaltet (F i g. 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 9' des Relais 9 in Ruhestellung gec'fmrt, während der Schalter 10' in ^b3 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 Synchronidervorgang des Motors 1 näher erläutert werden. Die Drehmoment-Dreivahl-Kennlinie in Fig.3 entspricht der eines Asynchronmotors, dessen Drehzahl durch Einstellen der Frequenz gesteuert wird. Zur Vereinfachung sei hier angenommen, da ^ die erreichbare Enddrehzahl auf der Kennlinie A bei einer Frequenz von / = 6 Hz erreicht wird. Ferner wird angenommen, daß das Außertritifalimoment des Synchronmotors t35mal dem Nennmoment entspricht (Punkt A2). Ferner wird angenommen, daß sich bei Vorgabe einer Frequenz von /= 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) beitätigt Aufgrund der Zeitverzögerung der Relais 9 und 10 ist der Betriebssollwertgeber 7 mit dem Integrator 5 verbunden. An dem Betriebssollwertgeber I 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 A4, der durch die Drehzahl n₃ und 0,25faches Nennmoment gekennzeichnet ist.

Hat der Motor diese Drehzahl n₃ erreicht — der Motor zeigt immer noch asynchrones Verhalten —, so ist die Zeit fi verstrichen. In diesem Zeitpunkt schaltet das Relais 9 (Fig.4). Dadurch wird das Relais 6 mit Strom versorgt, wodurch der Betriebssollwertgeber 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 /J₃ 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 B\. Hierbei gibt er Energie an den Zwischenkreis ab. Dadurch wird dort die Spannung erhöht und damit der Strom, der zu dem Motor 1 zurückfließt.

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 At nach dem Punkt ö, gelangt, so kann der Motor in den Generatorbercich gelangen, von wo er dann den Punkt Bj ansteuert. Anderenfalls gelanet der

Motor auf der Drehzahlachse vom Punkt B\ zum Punkt B₂.

Im Punkt S₂ ist er synchronisiert, da er dort die ihm vorgegebene Drehzahl erreicht hat. br 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 /ϊι entspricht der Zeitdifferenz fj — fi in F i g. 4. Bei Erreichen der Zeit I: schaltet das Relais IO ein. wodurch das Relais 6 stromlos wird und abfällt (Fig. 2. 4). Damit ist der Anlaufsollwertgeber 8 vom Integrator 5 getrennt und der Betriebssollwertgeber 7 wieder mit dem Integrator 5 verbunden.

Die Zeit I: wird empirisch ermittelt. Hierbei ist in diesem Beispiel noch eine Zeitreserve eingeplant worden (Parallelverlauf der Kennlinie zur Zeitachse in F i g. 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 entsprechenden Frequenz hoch.

Das Hochfahren bedeutet in F i g. 3. daß die Kennlinie S> -t- Bi, die bei einer Drehzahl n> bis auf die Höhe des 1,35fuch.cn Nennmomentes vom Motor in seinem synchronen Arbeitsbereich erreicht werden kann, parallel verschoben wird. Hierbei kann der Motor auch schon belastet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren und Hochfahren eines Synchronmotors auf Betriebsdrelizahl mit Hilfe eines Umrichters, bei welchem der Motor am Umrichter mit einer vorgegebenen Anfahrtfrequenz gespeist asynchron bis zu seiner im Asynchronbetrieb erreichbaren Drehzahl anfährt und sodann auf seine Synchrondrehzahl synchronisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation dadurch erfolgt, daß die Umrichterfrequenz nach Erreichen der im Asynchronbetrieb erreichbaren Drehzahl so weit abgesenkt wird, daß die synchrone Drehzahl des Synchronmotors bei dieser abgesenkten Frequenz geringer ist als die im Asynchronbetrieb erreichte Drehzahl bei der vorgegebenen Anfahrfrequenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dp3 der Motor nach dem Synchronisieren synchron dureh stetige Erhöhung der Umrichterfrequenz 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 ist, der wahlweise mit einem veränderbaren Betriebssollwertgeber (7) und mit einem fest eingestellten Anfahrsollwertgeber (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 Zeh/elais (9, 10) benutzt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom 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 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (2) mit einer Strombegrenzung auf die Höhe des Nennstromes des Synchronmotors ausgerüstet ist.