DE3151904A1

DE3151904A1 - Verfahren zum optimieren der leistungsaufnahme einer vielzahl parallelgeschalteter hysteresemotoren

Info

Publication number: DE3151904A1
Application number: DE19813151904
Authority: DE
Inventors: Horst 5130 Geilenk Kasper; Johann 5170 Jülich Mundt; Eckhard 5170 Jülich Pritsch
Original assignee: Uranit GmbH; Uranit Uran Isotopen Trennungs GmbH
Current assignee: Uranit GmbH
Priority date: 1981-12-30
Filing date: 1981-12-30
Publication date: 1983-07-07
Also published as: AU9013682A; NL191376C; US4447788A; BR8205621A; JPS58119799A; GB2116337A; NL8201950A; DE3151904C2; GB2116337B; FR2519208B1; AU554430B2; NL191376B; FR2519208A1; JPS623677B2

Description

üran^Isotopentrennungsges'ellschaft mbH

ANRs 1 384 252

Julien, den 29.12.1981 PLA 8170 Hä/wk

Verfahren zum Optimieren der Leistungsaufnahme einer Vielzahl parallelgeschalteter Hysteresemotoren

Beschreibung;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

In Urananreicherungsanlagen werden die Zentrifugen durch Hysteresemotoren angetrieben, deren Versorgung mit einer mittelfrequenten Drehspannung z.B. aus einem statischen Frequenzumrichter erfolgt. Dabei ist die Höhe der Drehspannung so bemessen, daß das maximal abgebbare Motordrehmoment (Kippmoment) mit deutlichem Sicherheitsabstand über dem vom Verfahren her erforderlichen Drehmoment im Synchronlauf liegt. Das Verhältnis von Kippmoment zu normalem Lastdrehmoment beträgt üblicherweise im Mittel aller Motoren 1,5, im Extremfall 2. Diese Sxcherheitsreserve ist erforderlich, weil viele hundert Zentrifugenmotoren von einem Frequenzumrichter versorgt werden und trotz der fertigungsbedingten Streuung ein synchroner Betrieb für alle Zentrifugen sichergestellt sein muß. Andererseits kann es beim Betrieb der Anlage aufgrund von Störungen zu kurzzeitigen Lasterhöhungen kommen, bei denen die Zentrifugen nach Möglichkeit im Synchronismus bleiben sollen. Ferner ist nach Netzausfallen, in denen die Zentrifugen wegen der fehlenden Antriebsenergie ablaufen, ein selbsttätiger Wiedereinlauf in den Synchronismus erforderlich, um die Betriebsunterbrechung so kurz wie möglich zu halten.

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!-OS 24 02 423 und der DE-OS 24 28 053 ist

jeden einer Vielzahl parallelgeschalteter steresesiotoren durch ein Laufmeldesystem auf seinen Synchronlauf zu überwachen.

Dabei wird der Effekt genutzt, daß sich die Phasenverschiebung zwischen Motorstrom und Motorspannung belastungsabhängig ändert. Die Phasenverschiebung wird durch Erfassung und Auswertung der Nulldurchgänge von Strom und Spannung für jeden einzelnen Motor ermittelt und mit einem Referenzwert, der dem gestörten Betriebsfall entspricht, verglichen. Dazu werden die von Stromwandlern kommenden analogen Stromsignale zunächst in zeitgleiche Rechtecksignale umgeformt und dann über digitale Multiplexer einer zentralen Auswertelogik zugeführt= Bei einer Störung wird ein Signal unter Angabe der Adresse des gestörten Motors an die zentrale Warte geleitet«,

Dieses Verfahren macht es jedoch erforderlich, die Ausgangsspannung des speisenden Netzes, das von einem statischen Prequenzumrichter erzeugt wird, innerhalb sehr enger Toleranzen konstant zu halten. Soll aber zur Energieeinsparung die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters dem jeweiligen Lastzustand der Motoren angepaßt werden, so versagt dieses Verfahren, weil sowohl im normalen als auch im gestörten Betrieb gleiche Phasenlagen zwischen Strom und Spannung auf-

treten, so daß die Auswertelogik zwischen diesen Zuständen nicht mehr unterscheiden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Urananreicherungsanlage mit einer Vielzahl von Zentrifugen die Leistungsaufnahme der die Zentrifugen antreibenden Hysteresemotoren auf einen optimalen Wert zu reduzieren,ohne die effektive Leistung der Anreicherungsanlage oder deren Betriebssicherheit zu \ vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Wirkleistungsaufnahme einer Anlage um etwa 15 % herabgesetzt und dadurch eine erhebliche Energieeinsparung erzielt wird.

Das vorgeschlagene Verfahren wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Wirkleistung als Funktion der Motorspannung, Fig. 2 Wirkstrom als Funktion der Motorspannung, Fig. 3 Blockschaltbild einer Laufmeldeeinrichtung mit einer die Motorspannung einstellenden Regeleinrichtung.

In Fig, 1 ist die von einem Hysteresemotor aufgenommene elektrische Wirkleistung P normiert auf dessen Nennleistung P als Funktion'der Motorspannung U normiert auf die Nennspannung U_n dargestellt. Im Punkt A erreicht der Motor bei Nennspannung Up, seine synchrone Drehzahl und nimmt dabei die Wirkleistung P_n auf. Im Synchronismus fällt die Wirkleistung P_w auf ca. 50 % von P_wN bis zu dem Punkt B abc Dieser Punkt B entspricht dem derzeit üblichen Ärbeitspunkt im Nennbetrieb, d.h. bei Nennbelastung P des Motors. Wird die Motorspannung ü kontinuierlich abgesenkt, so bleibt der Motor im Synchronismus und es wird der Arbeitspunkt C erreicht. Dabei sinkt die aufgenommene Wirkleistung P_w um weitere ca. 15 %. Das ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Blindleistungsaufnahme ebenfalls zurückgeht und dadurch die Ständerverluste reduziert werden. Die Arbeitspunkte des Hysteresemotors liegen also - je nach Motorspannung ü - auf der Kurve B-C, wobei sich das Optimum nahe dem Punkt C befindet. Erhöht sich nun aus irgendeinem Grund das Belastungsmoment des Motors, während der nahe am oder im optimalen Punkt C arbeitet, so erhöht sich auch die von ihm aufgenommene Wirkleistung P , so daß er beim Ausbleiben von Gegenmaßnahmen schließlich in Punkt D asynchron würde und abzulaufen begänne. Durch Messung des Motorwirkstromes I kann mit einem Regelvorgang diesem Ereignis jedoch rechtzeitig durch Erhöhung der Motorspannung U begegnet werden.

re

Bevor der Arbeitspunkt des Hysteresemotors den Punkt D erreicht, ist seine Wirkstromaufnahme I_w deutlich angestiegen, wie das in Fig. 2 dargestellte Diagramm des auf den Nennwirkstrom I™ normierten Wirkstromes I als Funktion der normierten Motorspannung U/U„ zeigt.

Der Vergleich mit einem Grenzwert I_Gre des Wirk-· stromes I des Motorstromes, der nahe dem Punkt D liegen kann, liefert ein unmittelbares Kriterium für den erhöhten Belastungsfall. Durch entsprechende Vorgabe einer Steuerspannung Ug. durch das Laufmeldesystem erhöht sich die Ausgangsspannung U des Frequenzumrichters bis auf ihren Nennwert U„. Damit wandert der Motorarbeitspunkt in Richtung Punkt A, wo der Motor wieder sein volles Drehmoment abgibt. Nach Beseitigung der Störung und Wiederherstellung des Normallastbetriebs nimmt der Motor zunächst den Arbeitspunkt B ein. Das Lauf me Idesystem erkennt die nunmehr verminderte Wirkstromaufnahme I_w<^ I_Gr und steuert die Ausgangsspannung U des Frequenzumrichters zurück, so daß der Motor im Punkt C seinen normalen Betriebszustand mit optimaler Wirkleistungsaufnahme erreicht.

Das vorgeschlagene Verfahren verwendet also als Kriterium für den Betriebszustand jedes einer Vielzahl

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von parallelgeschalteten Motoren nicht die Phasenlage zwischen Motorstrom I und Motorspannung U, wie dies bei dem aus der DE-OS 24 02 423 und der DE-OS 24 28 053 bekannten Einrichtungen geschieht, sondern die Wirkanteile I_w der Motorströme I. Diese Wirkanteile I werden aus der Beziehung I · cos Ip gebildet, sind bei Hysteresemotor en im Synchronbetrieb nahezu unabhängig von der anliegenden Spannung U und ändern sich nur in Abhängigkeit von der Belastung des Motors.

Mit den Informationen des Laufmeldesystems nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird über eine Regeleinrichtung die Drehspannung U des Frequenzumrichters für alle angeschlossenen Motoren gemeinsam in der Weise angehoben oder abgesenkt, daß auch für die Motoren mit streuungsbedingt kleinstem Drehmoment und für alle Betriebszustände der Anlage das Drehmoment an die auftretende Belastung optimal angepaßt ist. Dadurch erhält auch der im Toleranzfeld am ungünstigsten liegende Motor die Motorspannung U und damit die elektrische Leistung P , die notwendig ist, um seine Zentrifuge gerade noch im synchronen Lauf zu halten. Damit wird auch der Gesamtheit der angeschlossenen Motoren gerade die Leistung zugeführt, die für einen sicheren Betrieb im Minimum erforderlich ist.

Fig, 3 zeigt als Ausführungsbeispiel ein Blockschaltbild einer Laufmeldeeinrichtung mit einer die Motorspannung U einstellenden Regeleinrichtung.

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Eine große Zahl von Hysteresemotoren 1 ist an einen statischen Frequenzumrichter 2 mit der Ausgangsspannung ü angeschlossen. Jeder der Hysteresemotoren 1 weist in einer Phase seines Drehstromanschlusses einen Stromwandler 3 auf. Jeder der Stromwandler 3 ist auf einen der Eingänge eines Analog-Multiplexers 4 geschaltet, der die Stromwandlersxgnale - gesteuert durch den Rechnertakt - zeitlich nacheinander auf den Analog-Eingang eines Mikro-Computers 5 schaltet, der aus dem jeweils anstehenden Stromsignal I den Effektivwert I _ff und aus dem zeitlichen Vergleich der Nulldurchgänge der 2£otor spannung U und des Motor stromes I den Phasenwinkelf bestimmt und mit Hilfe des in einem Festwertspeicher abgelegten entsprechenden Leistungsfaktors cosf den Wirkstrom I = I __ · cos V

w err

errechnet.

Anschließend wird der Wirkstromwert I jedes der Hysteresemotoren 1 mit einem individuellen, im Speicher abgelegten Grenzwert I_ verglichen, der für jeden der Hysteresemororen in einem separaten Lesezyklus im Übergangsbereich vom Asynchronismus zum Synchronismus ermittelt wurde. Aus dem Vergleich der Istwerte I mit den Grenzwerten I,, bildet der Mikro-Computer 5 eine

Grenz

Regelspannung U , die in einem Summierer 7 zu einer Spannungs-Sollwertvorgabe U- ,, addiert dem Frequenzumrichter 2 als Steuerspannung U zugeführt wird. Der Frequenzumrichter 2 antwortet auf die Änderung der Steuerspannung ϋ_ς mit einer Anhebung oder Absenkung seiner Ausgangsspannung U. Im Falle einer Störung des Mikro-Computers 5 sorgt ein autark arbeitendes Unter-

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programm dafür, daß der Prequenzumrichter 2 seine Ausgangsspannung U auf den Nennwert U_n einstellt.

An einem Meldeausgang 6 des Mikro-Computers 5 wird bei Erreichen oder überschreiten des Grenzwertes I_G durch den Wirkstrom I eine Störmeldung mit der Adresse des Hysteresemotores erzeugt.

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Bezugszeichenliste:

Fig. 1, 2

P vom Hysteresemotor aufgenommene elektr. Wirkleistung

P vom Hysteresemotor aufgenommene elektr.-Nennwirkleistung

U_n Nennspannung des Hysteresemotores U Klemmenspannung des Hysteresemotores A der Hysteresemotor erreicht bei U^ seine

synchrone Drehzahl und nimmt dabei P _N auf

B P_w reduziert sich auf 50 % von P_wN bei Ujj und synchroner Drehzahl

C Arbeitspunkt des Hysteresemotores bei Absenkung von N reduziert sich P·«· um weitere 15 % von

D bei konstanter Spannung U und steigender Motorlast erhöht sich P_w bis in D die Drehzahl asynchron wird

I Motorstrom

I Wirkanteil von I I = I · cos ca

VV η τ

^XGrenz Grenzwert von I_w

Fig. 3

1 Hysteresemotor

2 statischer Frequenzumrichter

3 Stromwandler

4 Analog-Multiplexer

5 Mikro-Computer

6 Meldeausgang

7_Λ Summierer

ψ fasenwinRel U, I

cos ip Leistungsfaktor

U_ff Regelspannung

U₁₁ Spannungs-Sollwertvorgabe

Ug Steuerspannung für

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Leerseite

Bezugszeichenliste:

Fig. 1, 2

P vom Hysteresemotor aufgenommene elektr. Wirkleistung

P _w vom Hysteresemotor aufgenommene elektr." ^w Nennwirkleistung

U„ Nennspannung des Hysteresemotores U Klemmenspannung des Hysteresemotores A der Hysteresemotor erreicht bei Ujj seine

synchrone Drehzahl und nimmt dabei P „ auf

B P_w reduziert sich auf 50 % von P_wN bei U_n und synchroner Drehzahl

C Arbeitspunkt des Hysteresemotores bei Absenkung von N reduziert sich P_w um weitere 15 % von

I	Motorstrom
¹W	Wirkanteil von I
W	I_w = I-cosy
Grenz	Grenzwert von I
Fia. 3
1	Hysteresemotor
2	statischer Frequenzumrichter
3	S tromwandler
4	Analog-Multiplexer
5	Mikro-Computer
6	Meldeausgang
	bummierer Pasenwxnkel U, I
cos <φ	L e i s tungs f aktο r
U_R	Regelspannung
^USoll	Spannungs-Sollwertvorgabe
^USt	Steuerspannung für 2

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Leerseite

Claims

Verfahren zum Optimieren der Leistungsaufnahme einer Vielzahl parallel geschalteter Hysteresemotoren (1)„ mit den Merkmalens

a) die Hysteresemotoren (1) werden gemeinsam aus einer Spannungsquelle (2) mit einer Drehspannung (U) gespeist„ deren Höhe in vorbestimmten Grenzen über eine Steuerspannung (U_g.) einstellbar ist,

b) an jedem der parallel geschalteten Hysteresemotoren (1) wird im Betrieb

CV) der Winkel (ψ } der Phasenverschiebung der Drehspannung (ü) gegen den Motorstrom (I) gemessen und daraus der Leistungsfaktor (cos$ö) gebildet,

<3>) der Istwert des Motorstromes (I) gemessen und dessen Wirkanteil (I = I · cos as) bestimmt,

c) für jeden der Hysteresemotoren (1) wird der Grenzwert C !grenz ^ ^{des wir3cantei}l^s (¹^ ^im Motorstrom

(I)t den der Motor beim übergang vom synchronen zum asynchronen Lauf aufnimmt, einmalig vor Beginn des synchronen Dauerbetriebes gemessen und gespeichert ,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) die Drehspannung (U) wird ausgehend von der im Arbeitspunkt B an dem Hysteresemotor (1) liegenden Nennspannung (U_n),soweit abgesenkt, daß unter Beibehaltung der synchronen Drehzahl ein nahe dem

übergang vom synchronen in den asynchronen Drehzahlbereich liegender, optimaler Arbeitspunkt C nahezu erreicht wird, in dem die Wirk- und Blindleistungsaufnahme auf einen Minimalwert herabgesetzt sind, e) für jeden einer Vielzahl parallel geschalteter Hysteresemotoren (1) wird der Istwert des Wirkstromes (I) mit dem gespeicherten Grenzwert des Wirkanteils (I) im Motorstrom (I) verglichen und

bei Wirkströmen unterhalb des Grenzstromes (I < ¹Q_x- ₂) ungestörter Synchronlauf nahe

dem optimalen Arbeitspunkt C oder

ß) bei Wirkströmen, die den Grenzstrom überschreiten oder diesem gleich sind (I_w — -^Grenz^ ^ge~ störter Betrieb mit asynchronem Lauf im Arbeitspunkt D

festgestellt,

f) die Steuerspannung (U₅.) ist aus einer vorbestimmten Sollwertspannung (U₃₀₁₁) und einer Regelspannung (Ü_R) zusammengesetzt, die von der Größe des gemessenen Wirkstromes (I_w) und dem Grenzwert (^Qrenz^ abgeleitet ist,

g) mit der Steuerspannung (ü_c.) wird die Drehspannung

O() im Fall des ungestörten Betriebes (I_w <. ^I _Grenz) auf einen vorbestimmten Wert nahe dem optimalen Arbeitspunkt C abgesenkt? oder

/S) im Fall einer Störung (I ^ I- ) auf ihren Nennwert (U_n) angehoben, so daß jeder der Motoren sein Nenndrehmoment erzeugt und über den Arbeitspunkt A wieder den Ärbeitspunkt B erreicht.