DE2857295A1 - Vorrichtung zum betrieb einer dynamo- elektrischen maschine - Google Patents
Vorrichtung zum betrieb einer dynamo- elektrischen maschineInfo
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Description
PATENTANWALT BODE · D-4030 RATINGEN 6 - HÖSEL - POSTFACH 6140 - TELbFON 02102-600OL-Ιξ1ί£858SJ66
-H-
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Coal Industry (Patents) Limited
Hobart House, Grosvenor Place,
London, SWlX 7AE, England
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London, SWlX 7AE, England
Vorrichtung zum Betrieb einer dynamo-elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer dynamo-elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen
Motors, mit einer Schutzschaltung zum Ausschalten der Maschine beim Auftreten eines Kurzschlußstroms bestimmter Größe.
In vielen Fällen, bei denen dynamo-elektrische Maschinen als
Antriebe für schwere industrielle Apparate oder Anlagen verwendet werden, sind die elektrischen Maschinen in erheblicher
Entfernung von ihrer Spannungsquelle angeordnet und mit dieser
durch ein langes Schleppkabel verbunden. Derartige Anordnungen gibt es z.B. im untertSgigen Bergbau zum Antrieb von Kohlegewinnungsmaschinen
oder Tunnelvortriebsmaschinen. Beim Anlaufen nimmt der Motor während einer kurzen Zeitspanne einen großen
Strom auf und die Größe dieses Stroms unterscheidet sich nur wenig vom Kurzschlußstrom am Ende eines langen Schleppkabels.
Die Anordnung ist gewöhnlich mit einer Schutzeinrichtung versehen, die die Leitung zum Motor beim Auftreten eines Kurzschlusses
im Motor oder im Schleppkabel unterbricht, die jedoch zur Vermeidung unerwünschter Auslösung beim Anlauf so hoch eingestellt
ist, daß die Gefahr besteht, daß sie im Kurzschlußfall nicht anspricht und auslöst. Diese Einstellung zur Auslösung
nur bei sehr hohen Kurzschlußströmen hat zur Folge, daß die Schutzeinrichtung für kleinere Kurzschlußströme unempfindlich
ist und nicht anspricht, sodaß diese Kurzschlußströme über längere Zeit fließen können, ohne daß sie entdeckt werden und
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die Maschine sowie das Kabel gegen Überhitzung und Beschädigung geschützt werden können. Wenn die Schutzeinrichtung im
Hinblick auf derartige Schäden auf einen niedrigeren Wert eingestellt ist, besteht die Gefahr, daß sie zu früh und insbesondere
auch beim Anlauf der Maschine anspricht und die Versorgung der Maschine unterbricht, sodaß diese nicht in der
Lage ist, anzulaufen, weil die Schutzeinrichtung nicht zwischen einem hohen Anlaufstrom und einem länger dauernden
Kurzschlußstrom unterscheiden kann.
Es ist ein Schaltkreis zur Messung des Leistungsfaktors bekannt
(US-PS 24 25 133). Dieser Schaltkreis ist aber nicht für die Steuerung von Maschinen bestimmt, weil ihm eine Einrichtung
zur Messung von^Cur zschlußströmen fehlt.
Außerdem ist es bekannt, den Betrieb eines Motors zwischen oberen und unteren Belastungsgrenzen mit Hilfe eines Relais
zu steuern und dazu den gemessenen gleichphasigen Arbeitsstrom des Motors zu verwenden (US-PS 27 22 648). Eine Gleichspannung
am Ausgang entsteht durch Unterdrückung oder Neutralisierung des reaktiven Effektes des Arbeitsstromes. - Mit
einer weiteren bekannten Schaltung (US-PS 2 8 29 343) wird die Belastung eines Motors durch Erfassen der gleichphasigen Stromkomponente
ermittelt.
Ferner kennt man Schaltkreise zum Bestimmen der Änderungen von Phasenwinkeln (US-PS 34 öl 3o7) oder zum Überwachen des LeistungsrückfluBses
in Übertragungsnetzwerken mit Schutzrelais (US-PS 36 97 811). Schließlich ist auch eine Schaltung bekannt,
die auf der Grundlage des Leistungsfaktors bei Überschreiten eines bestimmten Drehmomentes einen Überlastsehalter
auslöst (DE-PS 83 21 6 8).
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Aufgabe der Erfindung ist es 3 eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung anzugeben, die bereits bei verhältnismäßig
kleinen Kurzschlußströmen anspricht, z.B. beim Dreifachen
des Arbeitsstromes, und die nichtsdestoweniger bei
erheblich höheren Anlaufströmen nicht anspricht.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Gattung gelöst, welche gekennzeichnet ist durch einen zwischen die Anschlußleitungen der Maschine geschalteten
Spannungswandler und einen Stromwandler, dessen Eingang an der Stromversorgung der Maschine liegt, zur Abgabe eines dem
Maschinenstrom proportionalen Gleichspannungssignals , das
während der für Strom und Spannung gleichphasigen Zykluszeit
an der Schutzschaltung anliegt.
Vorzugsweise besteht eine derartige Schaltung aus einer Vollweggleichrichter-Brückenschaltung,
die an den Enden ihrer einen Diagonale an den Ausgang des Spannungswandiers angeschlossen
ist, der wiederum mit der Spannungsversorgung für die Maschine verbunden ist, und deren Enden der anderen Diagonale
am Stromwandler sowie einem damit in Reihe geschalteten Widerstand liegen, wobei der Widerstand einen Abgriff aufweist,
der zur Übertragung der Gleichspannung an die Schutzschaltung an diese angeschlossen ist.
Wenn die dynamo-elektrische Maschine eine Dreiphasen-Maschine
ist, empfiehlt es sich, eine gesonderte Vorrichtung in jede Phase der Maschine zu legen. Ein Kondensator kann in die an
den Spannungswandler angeschlosse Ausgangsschaltung geschaltet
sein, um die Ansprechzeit der Vorrichtung zu steuern.
Als Alternative zu einer Gleichrichter-Brückenschaltung können
auch schnellschaltende Halbleiter, wie Transistoren verwendet
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werden. Eine weitere Alternative ist die Verwendung eines
Hall-Plättchen-Wandlers.
Hall-Plättchen-Wandlers.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile werden im wesentlichen darin gesehen, daß es nunmehr möglich ist, zwischen
einem Anlaufstrom hoher Reaktivität und geringem Leistungsfaktor sowie einem Kurzschlußstrom mit großer ohmscher Komponente und dementsprechend großem Leistungsfaktor zu unterscheiden. Das bedeutet, daß keine Gefahr besteht, daß die
Schutzschaltung eine Maschine bereits beim Anlauf ausschaltet, weil sie den hohen Anlaufstrom als Kurzschlußstrom identifiziert. Dementsprechend kann die Schutzschaltung so eingestellt werden, daß sie die Maschine oder auch ein damit verbundenes langes Schleppkabel durch Stromabschaltung schützt, wenn ein verhältnismäßig geringer Kurzschlußstrom auftritt, der z. B- dreimal so groß ist wie der Arbeitsstrom. Andererseits läßt die Schutzschaltung einen verhältnismäßig hohen Anlaufstrom, der z.B. siebenmal so groß sein kann wie der Arbeitsstrom, zu, ohne daß die Maschine ausgeschaltet wird.
einem Anlaufstrom hoher Reaktivität und geringem Leistungsfaktor sowie einem Kurzschlußstrom mit großer ohmscher Komponente und dementsprechend großem Leistungsfaktor zu unterscheiden. Das bedeutet, daß keine Gefahr besteht, daß die
Schutzschaltung eine Maschine bereits beim Anlauf ausschaltet, weil sie den hohen Anlaufstrom als Kurzschlußstrom identifiziert. Dementsprechend kann die Schutzschaltung so eingestellt werden, daß sie die Maschine oder auch ein damit verbundenes langes Schleppkabel durch Stromabschaltung schützt, wenn ein verhältnismäßig geringer Kurzschlußstrom auftritt, der z. B- dreimal so groß ist wie der Arbeitsstrom. Andererseits läßt die Schutzschaltung einen verhältnismäßig hohen Anlaufstrom, der z.B. siebenmal so groß sein kann wie der Arbeitsstrom, zu, ohne daß die Maschine ausgeschaltet wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer
dynamo-elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen Motors, mit einer Schutzschaltung, wobei die-Maschine beim
Auftreten eines Kurzschlußstromes mit einer ohmsehen Komponente bestimmterGröße abgeschaltet wird. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung in Abhängigkeit von Änderungen des Leistungsfaktor im Arbeitsstrom der Maschine gesteuert wird, in dem die an die Maschine gelegte Wechselspannung überwacht und zusammen mil: einer von der Maschine abgeleiteten sowie dem in der Maschine fließenden Strom unmittelbar entsprechenden Stromsignal an
eine Gleichrichter-Brückenschaltung gelegt wird und eine den? ohmsehen' Komponente des ArbeitsStroms entsprechende Gleich-
Auftreten eines Kurzschlußstromes mit einer ohmsehen Komponente bestimmterGröße abgeschaltet wird. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung in Abhängigkeit von Änderungen des Leistungsfaktor im Arbeitsstrom der Maschine gesteuert wird, in dem die an die Maschine gelegte Wechselspannung überwacht und zusammen mil: einer von der Maschine abgeleiteten sowie dem in der Maschine fließenden Strom unmittelbar entsprechenden Stromsignal an
eine Gleichrichter-Brückenschaltung gelegt wird und eine den? ohmsehen' Komponente des ArbeitsStroms entsprechende Gleich-
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spannung an die Schutzschaltung gelegt wird.
Nach bevorzugter Ausführungsform soll über eine Diagonale eines
Vollweggleichrichters eine der Versorgungsspannung der Maschine
entsprechende Spannung gelegt werden und über die andere Diagonale ein aus dem Maschinenstrom abgeleiteter Strom gelegt
werden, wobei die Gleichrichter-Brückenschaltung einen Ausgangsstrom liefert, der von den relativen Phasen von Strom und
Spannung sowie von der Amplitude des Maschinenstroms abhängt, und wobei davon eine zu diesem Ausgangsstrom proportionale
Spannung gebildet wird, die an die Schutzschaltung gelegt wird.
Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Motors,
Fig. 2) Phasenbeziehungen zwischen Spannung und Strom
und 35 bei verschiedenen Leistungsfaktoren,
Fig. M- eine grafische Darstellung des Einflusses des
Leistungsfaktors auf die Eingangsspannung der Schutzschaltung bei verschiedenen Vielfachen
des vollen ArbeitsStroms.
Die in Figur 1 dargestellte Schaltung ist zum Schutz eines 15oKW-Motors einer untertägigen Gewinnungsmaschine bestimmt und
soll Beschädigungen, die aus Kurzschlüssen während des Betriebes entstehen können, vermeiden. Die Gewinnungsmaschine
arbeitet in einem Streb von ca. 25o m Länge und wird über ein Schleppkabel versorgt, das den Motor der Gewinnungsmaschine
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mit einem Transformator am Ende des Strebs verbindet.
Die Schaltung nach Figur 1 weist einen Spannungswandler 1 auf, der mit seiner Primärseite an die Spannungsquelle 2 für die
Maschine angeschlossen ist und dessen Sekundärseite an die Enden einer Diagonale einer Vollweggleichrichter-Brückenschaltung
3 bei a und c angeschlossen ist. Eine Stromwandler-Spule 4 ist in Reihe mit einem Lastwiderstand 5 an die Enden b und
d der Brückenschaltung 3 und dementsprechend an die Enden der anderen Diagonale der Brückenschaltung 3 angeschlossen. Im
übrigen ist die Stromwandler-Spule 4- an die Versorgungsleitung
der nicht dargestellten Maschine angeschlossen und liefert einen Ausgang entsprechend dem in der Maschine fließenden
Strom. An einem Widerstand 5 wird eine Gleichspannung abgegriffen
und an eine Schutzschaltung 6 gelegt, die ein bei Kurzschluß auslösender Baustein herkömmlicher Art ist, wie
z.B. ein Baldwin- und -Francis-Baustein 0/L6,der eingesetzt
ist, um die Maschine von der Spannungsquelle 2 abzuschalten, wenn ein hoher Strom innerhalb der Maschine auftritt. Die
Schutzschaltung 6 kann so eingestellt werden, daß sie über einen Bereich unterschiedlicher Ströme arbeitet. Sie ist gewöhnlich
so eingestellt, daß sie bei einem Vielfachen des Arbeitsstroms der Maschine anspricht. Vorzugsweise ist dieses
Vielfache so gering wie möglich, um eine Beschädigung der Maschinenwicklung und dergleichen durch Überhitzung zu vermeiden.
Das Vielfache kann jedoch nicht beliebig klein sein, weil beim Anlauf die Maschine bzw. der Motor einen&nlaufstrom
zieht, der erheblich über dem Arbeitsstrom liegt und die Schutzschaltung 6 beim Auftreten eines hohen Anlaufstroms
nicht ansprechen soll.
Bekanntlich ist die Leistung beim Anfahren hauptsächlich reaktiv und der Anlaufstrom besitzt einen geringen Leistungs-
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faktor (üblicherweise ungefähr ο, 1O. Demgegenüber besitzt
ein Strom bei kurzzeitigen Kurzschlüssen hauptsächlich ohmsche Komponenten und einen großen Leistungsfaktor von ungefähr o,9.
Erfindungsgemäß wird diese Tatsache genutzt. Die Schaltung
nach Figur 1 ist in der Lage, Phasen von Strom und Spannung zu vergleichen. Bei Anlaufbedingungen mit einem Leistungsfaktor
von 0,4- liegt die Stromwelle I an den Enden b ,d , wobei
sie gegenüber der Spannungswelle V phasenverschoben ist, wie
das in Figur 2 dargestellt ist. Die beiden Wellen sind nur während einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne P gleichphasig
und dementsprechend steht nur die integrierte Leistung im Bereich der schraffierten Fläche R am Widerstand 5 zur Verfügung.
Diese Leistung wird in eine Gleichspannung gewandelt und als solche an den Eingang der Schutzschaltung 6 gelegt.
Figur 3 zeigt ein Diagramm mit Wellenformen bei einem Leistungsfaktor
von ca. 0,9. Man erkennt, daß die Stromwelle I der Spannungswelle V nur um eine geringe Zeitspanne nacheilt und
daß die beiden Wellen über einen wesentlichen Teil des Zyklus gleichphasig zueinander sind. Das bedeutet, daß wesentlich
mehr Leistung zur Verfügung steht, wie das durch die schraffierte Fläche S angedeutet ist, als im vorangehenden, in Figur
2 wiedergegebenen Fall und daß dementsprechend die Gleichspannung am Widerstand 5 bzw. an der Schutzschaltung 6 entsprechend
höher ist.
Dementsprechend ist es möglich, in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor
und durch Erfassen der Phasendifferenzen von Strom- und Spannungswellen die Schutzschaltung 6 zu steuern und dadurch
die Maschine bzw. den Motor gegen Kurzschlüsse zu schützen, bei denen gegenüber dem Arbeitsstrom eier dreifache Strom fließt,
während beim Anlauf, wenn Ströme bis zum Siebenfachen des Arbeitsstromes fließen, die Schutzschaltung nicht anspricht.
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Weitere Einzelheiten sind in Figur 4 erläutert.
In Figur 4 ist als Ordinate A die Eingangs Gleichspannung für die Schutzschaltung 6 aufgetragen, die notwendig ist,
um die Auslösung der Schutzschaltung zu bewirken, während
die Abszisse B den Leistungsfaktor angibt. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die Schutzsie schaltung 6 so eingestellt xst, daß/dxe Maschine abschaltet,
wenn ein Kurzschlußstrom von der Größe des dreifachen Arbeitsstromes
auftritt. Die für die Auslösung erforderliche Gleichspannung entspricht dann der Linie C bei 4,8 Volt.
Die Linie 3X entspricht der Kennlinie für Gleichspannung bei dreifachem Arbeitsstrom. Man erkennt, daß bei einem
Leistungsfaktor von o,96, wie er beim Betrieb der Maschine üblich ist, die Linie C von der Linie 3X geschnitten wird.
Wenn dementsprechend die Gleichspannung diesen Wert erreicht, löst die Schutzschaltung 6 aus. Wenn nur der zweifache Arbeitsstrom
entsprechend der Linie 2X auftritt, dann gibt es keinen Schnittpunkt mit der Linie C und die Schutzschaltung
spricht unter diesen Umständen nicht an. Die Linien 4X, 5X, 6X und 7X entsprechen dem Vierfachen, Fünffachen, Sechsfachen
und Siebenfachen des ArbeitsStroms. Die Figur 4 läßt den Zusammenhang
zwischen verschiedenen Leistungsfaktoren und Strömen erkennen. Bei einem Leistungsfaktor von o,85 spricht
die Schutzschaltung 6 solange nicht an, bis der Kurzschlußstrom das Vierfache des Arbeitsstroms, entsprechend der Linie
4X, erreicht, während bei einem Leistungsfaktor von o,63
(dem Schnittpunkt der Linie C mit der Linie 7X) die Schutzschaltung
erst anspricht, wenn der siebenfache Arbeitsstrom erreicht ist.
Wenn es sich um einen dreiphasigen Motor handelt, muß in jede Phase die in Figur 1 dargestellte Schaltung gelegt werden.
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Die Ansprechzeit der Schaltung kann durch einen Widerstand 7 und einen einstellbaren Kondensator 8 verändert werden, welche
eine Unterschaltung innerhalb der Schaltung für die Sekundärseite
des Spannungswandlers 1 bilden, wie das mit gestrichelten Linien in Figur 1 dargestellt ist. Die Ansprechzeit kann
durch Verändern der Kapazität eingestellt werden, wodurch gleichzeitig auch die Blindlast der Schaltung verändert wird.
Versuche haben gezeigt, daß die dargestellte Vorrichtung zuverlässig
auch bei beträchtlicher Unterspannung im Versorgungssystem für den Motor arbeitet. Unterspannungen bis zu 3o%
haben keinen nennenswerten Einfluß auf die Arbeitsfähigkeit
der Vorrichtung.
VII/Gr
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Claims (7)
1. Vorrichtung zum Betrieb einer dynamo-elektrischen Maschine,
insbesondere eines elektrischen Motors, mit einer Schutzschaltung zum Ausschalten der Maschine beim Auftreten eines
Kurzschlußstroms bestimmter Größe, gekennzeichnet durch einen zwischen die Anschlußleitungen der
Maschine geschalteten Spannungswandler (1) und einen Stromwandler C1+), dessen Eingang an der Stromversorgung der Maschine
anliegt, zur Abgabe eines dem Maschinenstrom proportionalen
Gleichspannungssignales , das während der für Strom und Spannung/gleichphasigen Zykluszeit/an der Schutzschaltung
(6) anliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet
durch eine Vollweggleichrichter-Brückenschaltung (3),
an deren Enden (a, c) der einen Diagonale die Ausgänge des Spannungswandlers (1) gelegt sind, dessen Eingang an die
Spannungsversorgung für die Maschine angeschlossen ist, und an deren Enden (b, d) der anderen Diagonale die Spule des
Stromwandlers (M-) in Reihe mit einem Widerstand (5) angeschlossen
ist, wobei der Widerstand einen Abgriff aufweist, über welchen die Gleichspannung an die Schutzschaltung (6)
gelegt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet
durch eine Schalteinrichtung, die die Ausgänge des Stromwandlers (4) und des Spannungswandlers (1) nur während
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der gleichphasigen Zykluszeit von Strom und Spannung an die
Schutzschaltung legt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzei chnet.
durch einen Kondensator (8) in der auf der Sekundärseite des Spannungswandlers (1) befindlichen Schaltung.
5. Verfahren zum Betrieb einer dynamo-elektrischen Maschine,
insbesondere eines elektrischen Motors, mit einer Schutzschaltung, wobei die Maschine beim Auftreten eines Kurzschlußstroms
mit einer ohmschen Komponente bestimmter Größe abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschaltung (6) in Abhängigkeit von Änderungen
des Leistungsfaktors im Arbeitsstrom der Maschine gesteuert wird, in dem die an die Maschine gelegte Wechselspannung
überwacht und zusammen mit einem von der Maschine abgeleiteten sowie dem in der Maschine fließenden Strom unmittelbar entsprechenden
Stromsignal an eine Gleichrichter-Brückenschaltung gelegt wird und eine der ohmschen Komponente des Arbeits-.·
troms entsprechende Gleichspannung an die Schutzschaltung
gelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß an die Enden (a, c) der einen Diagonale einer Vollweggleichrichter-Brückenschaltung eine Spannung (V)
der Spannungsversorgung (2) für die Maschine gelegt wird und an die Enden (b, d) der anderen Diagonale ein Str-omsignal
aus dem in der Maschine fließenden Strom (I) gelegt wird, dqß von der Brückenschaltung (3) ein Ausgang abgenommen wird,
der von den relativen Phasen von Strom und Spannung sowie von der Amplitude des Arbeitsstroms der Maschine abhängt und
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daß dieser Ausgang in eine proportionale Gleichspannung umgewandelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blindkomponente des Stroms zur Einstellung der Gleichspannung verändert wird-
VII/Gr
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