DE3316350C2 - Einrichtung zum Schützen eines Elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schützen eines Elektromotors.
Es ist allgemein bekannt, daß übermäßige Temperaturen in einer elektrischen Einrichtung infolge einer plötzlichen großen Überlast, als Folge einer kleinen kontinuierlichen Überlast oder infolge von gewissen Fehlern oder Unterbrechungen in dem Kühl- oder Ventilationssystem auftreten können. Zusätzlich können in dreiphasigen Einrichtungen überhöhte Temperaturen aus einem Phasenausfall oder einer Phasenunsymmetrie entstehen.

Eine elektrische Einrichtung, wie beispielsweise ein Transformator oder Elektromotor, weist normalerweise Leiter mit einer relativ kleinen thermischen Kapazität und ein Kernmaterial mit einer relativ großen thermischen Kapazität auf. Hierbei soll der Begriff "Kernmaterial" allgemeine Bedeutung haben, d. h. er soll nicht nur die Eisenkernkomponenten, sondern auch andere Materialien umfassen, die in dem Wärmeübergang eingeschlossen sind, wie beispielsweise die Isolation und Halterungsstrukturen. In den Leitern wird Wärme gemäß der Größe des Stromes und des Leiterwiderstandes erzeugt, und ein großer Teil dieser Wärme wird auf das Kernmaterial mit einer Geschwindigkeit übertragen, die von der Temperaturdifferenz zwischen den Leitern und der Masse des Kernmaterials und den entsprechenden thermischen Widerständen abhängt. Zusätzlich wird Wärme normalerweise von dem Kernmaterial mit einer Geschwindigkeit abgeführt, die von der Temperaturdifferenz zwischen dem Kernmaterial und der Umgebung (oder irgendeinem anderen Kühlmedium) und dem thermischen Widerstand abhängt. Somit gibt es verschiedene Werte für thermische Kapazität und thermischen Widerstand und auch die tatsächlichen Temperaturen sind in jedem derartigen Modell zu berücksichtigen.

Wenn die thermische Analogie oder das Modell für einen Motor (oder andere elektrische Einrichtungen mit Zwangskühlung) vorgesehen ist, besteht die gleiche allgemeine Situation. Es gibt jedoch eine Kühlgeschwindigkeit, wenn der Motor umläuft, und eine andere, wenn er nicht umläuft. In anderen elektrischen Einrichtungen mit Zwangskühlung, wie beispielsweise einer Lüfterkühlung, gibt es eine Kühlgeschwindigkeit, wenn der Lüfter in Betrieb ist, und eine andere, wenn er nicht in Betrieb ist.

Somit wird deutlich, daß in einem thermischen Modell eine Reihe von Variablen und eine Reihe von Wärmeübergangsgeschwindigkeiten auftreten. Ein bekannter Weg zur Aufstellung eines sehr einfachen thermischen Modells beinhaltet die Verwendung von einem oder mehreren bimetallischen Elementen mit Heizeinrichtungen, die auf Stromfluß ansprechen. Ein derartiges Bimetallelement liefert eine Zeitkonstante, d. h. die Heizeinrichtung erwärmt das Bimetallelement mit einer Geschwindigkeit, die dem Strom proportional ist, und wenn das Bimetall eine vorbestimmte Temperatur erreicht, öffnet es die Kontakte, um die Stromzufuhr in die zu schützende Einrichtung zu unterbrechen. Wenn der Strom unter einem zulässigen Wert ist, wird ein Gleichgewicht zwischen der in der Heizeinrichtung erzeugten Wärme und dem Wärmeverlust erreicht, so daß das Bimetallelement nicht heiß genug wird, um die Kontakte zu öffnen.

Ein kompliziertes thermisches Modell ist in der CA 983 094 beschrieben. Das dort beschriebene thermische Modell weist eine Widerstands/Kondensator-Analogschaltung, die die thermischen Eigenschaften der Leiter simuliert, eine Ladeschaltung zum Aufladen der Widerstands/Kondensator-Schaltung mit einer Geschwindigkeit, die dem Strom in dem Motor, für den ein Modell gebildet werden soll, proportional ist, und eine Widerstandsschaltung auf, die mit der Widerstands/Kondensator-Analogschaltung verbunden ist und den thermischen Widerstand der Leiterisolation zum Aufladen der Widerstands/Kondensator-Schaltung gemäß der von den Leitern übertragenen Wärme simuliert. Die Ladespannung in der Widerstands/Kondensator-Schaltung stellt die Temperatur dar und wird dazu verwendet, Temperaturen über einer vorbestimmten Grenze anzuzeigen oder einen Schalter auszulösen, um die Stromzufuhr zum Motor zu unterbrechen.

Weiterhin ist in der DE 25 10 988 A1 eine Schaltungsanordnung beschrieben, die ein hybrides thermisches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels darstellt, mit einer kleinen thermischen Zeitkonstante, die im wesentlichen dem Erwärmungsverhalten einer Stromleiteranordnung zugehörig ist und einer großen thermischen Zeitkonstante, die dem Erwärmungsverhalten einer einen Wärmespeicher bildenden Masse (Kernmaterial) des Betriebsmittels zugehörig ist.

Ferner beschreibt die DE 25 49 850 A1 eine thermische Überlastschutzeinrichtung für elektrische Maschinen mit einem die Erwärmung der Maschine durch elektrische Größen nachbildenden Überlastrelais, dem zur Veränderung des Ansprechwerts zusätzlich eine von der Drehzahl der Maschine abhängige Größe zugeführt ist.

Die den Gegenstand des Anspruchs 1 nächstkommende DE-OS 23 10 103 beschreibt einen elektronischen Überstromauslöser zum Schützen von Motoren, wobei u. a. Mittel zum Ableiten eines digitalen Signals, das dem Motor zugeführten Strom darstellt, ein Register, Addiermittel, die zwischen die Mittel zum Ableiten des digitalen Signals und das Register geschaltet sind, Skalierungsmittel, die an das Register geschaltet sind zum Aufnehmen der digitalen Werte aus dem Register, und Subtrahiermittel vorgesehen sind, die zwischen die Skaliermittel und das Register geschaltet sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Schützen eines Elektromotors so auszugestalten, daß eine größere Genauigkeit und Stabilität bei der Darstellung von Temperaturen erhalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein digital arbeitendes, genaueres Modell oder eine Simulation der Temperatur und des Wärmeübergangs in einer elektrischen Einrichtung erhalten wird.

Dabei wird der Zählwert in dem ersten Register gemäß dem Strom in den Leitern, der in den Leitern Wärme erzeugt, erhöht. Dieser Zählwert stellt die Leitertemperatur dar. Der Zählwert in dem zweiten Register stellt die Temperatur des Kernmaterials dar. Der erste Skalierer erhält den Zählwert aus den ersten und zweiten Registern, und die Differenz in den Zählwerten stellt die Temperaturdifferenz zwischen den Leitern und dem Kernmaterial dar. Die Temperaturdifferenz und auch die entsprechenden thermischen Kapazitäten und der thermische Widerstand steuern den Wärmeübergang von den Leitern auf den Kern. Die Temperaturdifferenz ist die einzige Variable, und diese steht für den Skalierer zur Verfügung. Dieser vermindert den Zählwert in dem ersten Register, um die von den Leitern übertragene Wärme darzustellen, und sie erhöht den Zählwert in dem zweiten Register, um die auf das Kernmaterial übertragene Wärme darzustellen. Die Geschwindigkeiten sind selbstverständlich unterschiedlich. Der zweite Skalierer erhält den Zählwert von dem zweiten Register und nimmt entweder eine Umgebungstemperatur an und ermittelt eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kernmaterial und der Umgebung, oder er erhält ein Signal aus einem Temperatursensor, das die Umgebungstemperatur darstellt, und ermittelt auf dieser Basis eine Differenz. Der zweite Skalierer vermindert den Zählwert in dem zweiten Register, um Wärmeverlust an die Umgebung darzustellen.

Somit stellen die Zählwerte in den ersten und zweiten Registern mit großer Genauigkeit die Temperatur der Leiter (Spitzentemperatur) und die Temperatur des Kernmaterials (Durchschnittstemperatur) dar. Es können eine oder beide verwendet werden, um die Stromzufuhr zur Einrichtung zu unterbrechen, wenn die entsprechenden Temperaturen einen vorbestimmten Wert überschreiten.

Wenn die Einrichtung, die mit dem thermischen Modell geschützt wird, ein Motor ist oder durch einen Lüfter gekühlt wird, liefert ein Rotationssensor ein Signal an den zweiten Skalierer, so daß die Skalierung geändert werden kann, je nachdem, ob eine Rotation vorliegt oder nicht, d. h. gemäß der zu der Zeit bestehenden Kühlwirkung.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur ist ein schematisches Blockbild von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Zeichnung sind drei Sammelleitungen, 10, 11 und 12 gezeigt, die mit einer Wähl- und Skalierungsschaltung 14 verbunden sind. Die drei Sammelleitungen sollen das thermische Modell zeigen, wie es aussehen würde, wenn es als ein Modell für eine elektrische Einrichtung verwendet wird, die durch eine dreiphasige Versorgung gespeist wird. Das thermische Modell arbeitet auch als ein Modell für eine elektrische Einrichtung, die aus einer einphasigen Versorgung gespeist wird, und in diesem Fall würde nur eine Sammelleitung vorhanden sein, die mit der Wähl- und Skalierungsschaltung 14 verbunden ist, wobei keine Wählfunktion erforderlich wäre.

Jede der Sammelleitungen 10, 11 und 12 führt ein digitales Signal, das den Spitzenstromwert oder den größten Stromwert in jeder Phase der elektrischen Vorsorgung darstellt. Bekanntlich können Stromsensoren oder Stromkühler verwendet werden, um ein Stromsignal zu erhalten, das den der elektrischen Einrichtung zugeführten Strom darstellt. Weiter­ hin kann ein Analog/Digital-Wandler ver­ wendet werden, um aus einem analogen Signal ein digitales Signal zu erhalten. Wenn der Wähl- und Skalierungsschaltung 14 drei di­ gitale Signale zugeführt werden, wird das größte Signal aus­ gewählt und dann in entsprechender Weise skaliert. Das dabei entstehende Signal steht auf der Sammelleitung 15 an und wird einem Addierer 16 zugeführt, der den digitalen Wert speichert, bis er ein Steuersignal auf dem Leiter 17 erhält. Wenn er ein Steuersignal von dem Leiter 17 erhält, liefert er den gespeicherten digitalen Wert über die Sammel­ leitung 18 an ein erstes Register 20. Die skalierten digitalen Werte, die dem ersten Register 20 zugeführt werden, sind dem Strom in der Einrichtung proportional und stellen Wärme dar, die durch den in den Leitern fließenden Strom erzeugt wird. Der in dem ersten Register 20 befindliche Zählwert stellt die Temperatur der Leiter dar.

Ein Teil der Wärme in den Leitern der Einrichtung fließt von den Leitern nach draußen, und diese Wärme, die aus den Leitern fließt, wird durch den Wert dargestellt, der von dem ersten Register 20 durch einen ersten Subtrahierer 21 über die Sammel­ leitung 22 subtrahiert wird. Ein Teil der in den Leitern der Einrichtung erzeugten Wärme strömt in das umgebende Kern­ material, und diese Wärme, die in das Kernmaterial fließt, wird durch den Wert dargestellt, der zu einem zweiten Register 23 von einem zweiten Addierer 24 über die Sammelleitung 25 hinzu­ addiert wird. Der erste Subtrahierer 21 liefert den Subtrahier­ wert zum ersten Register 20, wenn der Subtrahierer 21 ein Steuersignal auf dem Leiter 26 erhält. In ähnlicher Weise liefert der zweite Addierer 24 den Addierwert zum zweiten Re­ gister 23, wenn der Addierer 24 ein Steuersignal auf dem Leiter 27 erhält.

Die Werte aus dem ersten Register 20 und aus dem zweiten Re­ gister 23 stehen auf entsprechende Weise über die Sammellei­ tungen 28 und 30 an einem ersten Skalierer 31 zur Verfügung. Die Werte stellen die Temperatur der Leiter und die Temperatur des umgebenden Kerns dar. Der Wärmeübergang von dem Kupfer, d. h. von den Leitern, auf den Kern hängt von dem thermischen Widerstand (Festwert), von den thermischen Kapazitäten (Festwert) und von der Temperaturdifferenz (ein variabler Wert) ab. Der erste Skalierer 31 erhält die Signale, die die zwei Temperaturen darstellen, und ermittelt eine Temperatur­ differenz. Auf der Basis der Temperaturdifferenz und der festen thermischen Werte kann die Wärmeströmung aus den Leitern und die Wärmeströmung in den Kern ermittelt werden. Diese ermittel­ ten Werte stehen über die Sammelleitungen 32 und 33 am Subtrahierer 21 bzw. am Addierer 24 zur Verfügung.

Das Kernmaterial wird durch Luftumwälzung oder durch irgend­ welche anderen Kühlmittel gekühlt. Die Kühlgeschwindigkeit wird durch die Differenz in der Temperatur zwischen dem Kern und dem Kühlmedium beeinflußt, die in vielen Fällen Umgebungsluft ist. Das zweite Register 23 enthält einen Wert, der die Temperatur des Kernmaterials darstellt, und dieser Wert steht auf der Sammelleitung 34 zu einem zweiten Skalierer 35 zur Verfügung. Der zweite Skalierer 35 kann einen eingegebenen Wert für eine Referenz-Kühltemperatur, die eine mittlere Umgebungstempera­ tur darstellt, aufweisen oder er kann einen Temperaturfühler besitzen, der ein Signal liefert, das die Umgebungstemperatur (oder die Temperatur des Kühlmediums, wenn es sich von der Um­ gebung unterscheidet) darstellt. Somit kann der zweite Skalierer 35 die Temperaturdifferenz zwischen dem Kernmaterial und einem Referenzwert ermitteln, und die Differenz beeinflußt die Ge­ schwindigkeit des Wärmeübergangs aus dem Kernmaterial. Der zweite Skalierer 35 liefert auf der Sammelleitung 36 einen Digitalwert, der den Übergang von Wärme aus dem Kernmaterial darstellt, und dieser Digitalwert steht an einem zweiten Subtrahierer 37 an. Wenn der zweite Subtrahierer 37 ein Steuersignal auf dem Leiter 38 erhält, liefert er den Subtrahierwert zum zweiten Register 23 auf der Sammelleitung 40.

Wenn die elektrische Einrichtung ein Elektromotor ist, gibt es zwei Geschwindigkeiten, mit der sich das Kernmaterial abkühlt. Die eine Geschwindigkeit tritt auf, wenn der Motor umläuft oder in Betrieb ist, und die andere tritt auf, wenn der Motor still­ steht. Es ist wichtig, die Kühlung des Motors bei Stillstand zu wissen, beispielsweise beim erneuten Starten des Motors. Des­ halb ist ein Rotationsdetektor 41 vorgesehen. In einer einfachen Form kann der Rotationsdetektor 41 ein Signal über einen Leiter 42 von der Wähl- und Skalierungsschaltung 14 erhalten, das einen zum Motor fließenden Strom anzeigt, d. h. daß der Motor umläuft. Alternativ könnte ein Tachometer verwendet wer­ den, der ein Signal liefert, das eine Rotation oder einen Still­ stand anzeigt. Wenn eine Rotation durch den Rotationsdetektor 41 abgetastet wird, liefert er ein Signal auf dem Leiter 43 zum zweiten Skalierer 35, um die Betriebsskalierung zu wählen. Wenn keine Rotation festgestellt wird, wählt der zweite Skalierer 35 die Stillstandsskalierung, die normalerweise eine kleinere Geschwindigkeit der durch den Kern verlorenen Wärme darstellen würde.

Selbstverständlich kann eine andere elektrische Einrichtung als ein Elektromotor zwei Kühlgeschwindigkeiten (oder möglicher­ weise mehr) aufweisen. Beispielsweise könnte ein Transformator durch einen Lüfter gekühlt sein.

Es sei daran erinnert, daß Steuersignale auf den Leitern 17, 26, 27 und 38 an den ersten Addierer 16, den ersten Subtrahierer 21, den zweiten Addierer 24 bzw. den zweiten Subtrahierer 37 ge­ liefert werden. Diese Steuersignale werden periodisch durch eine Folgesteuerung 44 geliefert, um die Änderungen für die ersten und zweiten Register 20 und 23 zu steuern und zu organisieren.

Im Betrieb wird also durch das thermische Modell ein digitales Signal, das den zur Einrichtung fließenden Strom dar­ stellt, abgeleitet, welches dann an dem ersten Addierer 16 zur Verfügung steht. Die Wärme, die durch den in den Leitern fließenden Strom erzeugt wird, ist dem Strom und demzufolge dem skalier­ ten digitalen Signal in dem Addierer 16 proportional. Dieses digitale Signal wird periodisch dem ersten Register 20 zugeführt, dessen Digitalwert oder Inhalt die Leitertemperatur darstellt. Ein digitaler Wert wird periodisch durch den ersten Subtrahierer 21 mit einer Geschwin­ digkeit subtrahiert, die die Geschwindigkeit der Wärmeströmung aus den Leitern darstellt, und ein digitaler Wert wird dem zweiten Register 23 durch den zweiten Addierer 24 mit einer Ge­ schwindigkeit zugeführt, die die Geschwindigkeit des Wärme­ flusses in den Kern darstellt. Ein digitaler Wert wird von dem zweiten Register 23 durch den zweiten Subtrahierer 37 mit einer Geschwindigkeit subtrahiert, die die Geschwindigkeit des Wärmeflusses aus dem Kernmaterial darstellt. Die Geschwindig­ keiten der Vergrößerung bzw. Verkleinerung hängen selbstver­ ständlich sowohl von der Temperaturdifferenz zwischen der Quelle und der Senke, als auch von den vorhandenen relativen Massen ab. Somit enthält das erste Register 20 einen Wert, der die Temperatur der Leiter darstellt, die normalerweise die heißeste Temperatur ist, wenn die Einrichtung in Betrieb ist. Das zweite Register 23 enthält einen Wert, der die Temperatur des Kern­ materials darstellt, die die Durchschnittstemperatur genannt werden kann.

Der Digitalwert oder Inhalt in dem ersten Register 20 steht auf einer Sammelleitung 45 zu einem Schwellwertdetektor 46 für den Momentanwert der Leitertemperatur zur Verfügung. Der Schwellwertdetektor 46 vergleicht das digitale Signal auf der Sammelleitung 45 mit einem Referenz­ wert, der für die Schaltung an einem Eingang 47 vorgegeben ist. Der Referenzwert stellt die maximale zulässige Leitertemperatur dar. Wenn das digitale Signal auf der Sammelleitung 45 den Referenzwert überschreitet, wird auf dem Leiter 48 ein Aus­ lösesignal geliefert. In ähnlicher Weise steht der Digital­ wert oder Inhalt in dem zweiten Register 23 auf einer Sammelleitung 50 zu einem Durchschnittstemperatur-Schwellwertdetektor 51 zur Verfügung, der den digitalen Wert auf der Sammelleitung 50 mit einem Referenzwert vergleicht, der an dessen Eingang 52 ansteht. Der Referenzwert am Eingang 52 stellt die maximale zulässige Temperatur des Kernmaterials, d. h. die maximale Durchschnittstemperatur, dar. Wenn das Signal auf der Sammelleitung 50 den Referenzwert überschreitet, wird ein Auslösesignal auf dem Leiter 53 geliefert.

Die Auslösesignale auf den Leitern 48 und 53 werden dazu ver­ wendet, eine Schaltung (nicht gezeigt) auszulösen und somit die Stromzufuhr zur Einrichtung zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Leiter oder des Kerns einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Claims (3)

1. Einrichtung zum Schützen eines Elektromotors durch Unterbrechen seiner Stromversorgung bei Feststellung von unzulässigen thermischen Zuständen durch ein thermisches Modell des Motors, enthaltend

• - einen ersten Addierer (16), dem ein den Motorstrom darstellendes digitales Signal zugeführt ist,
• - ein erstes Register (20), das mit dem Ausgang des ersten Addierers (16) verbunden ist und dessen Inhalt die Temperatur von Motorleitern darstellt,
• - ein zweites Register (23), dessen Inhalt die Temperatur des Kernmaterials darstellt,
• - einen ersten Skalierer (31), der zwischen das erste und zweite Register (20, 23) geschaltet ist,
• - einen ersten Subtrahierer (21), der zwischen den ersten Skalierer (31) und das erste Register (20) geschaltet ist,
• - einen zweiten Addierer (24), der zwischen den ersten Skalierer und das zweite Register (23) geschaltet ist,
• - einen zweiten Skalierer (35), der mit dem zweiten Register (23) verbunden ist und dessen digitale Werte aufnimmt,
• - einen zweiten Subtrahierer (37), der zwischen den zweiten Skalierer (35) und das zweite Register (23) geschaltet ist, wobei
• - der erste Addierer (16) das den Motorstrom darstellende digitale Signal aufnimmt und daraufhin einen digitalen Wert zum ersten Register (20) hinzuaddiert, der die aus dem Stromfluß in den stromführenden Leitern des Motors resultierende Wärme darstellt,
• - der erste Skalierer (31) von dem ersten Register (20) einen digitalen Wert, der die Temperatur der Motorleiter darstellt, und von dem zweiten Register (23) einen digitalen Wert aufnimmt, der die Temperatur des Kernmaterials des Motors darstellt, und daraufhin an den ersten Subtrahierer (21) ein skaliertes digitales Signal, das von den stromführenden Motorleitern abgeführte Wärme darstellt, und an den zweiten Addierer (24) ein skaliertes, digitales Signal liefert, das auf das Kernmaterial übertragene Wärme darstellt,
• - der zweite Skalierer (35) von dem zweiten Register (23) einen digitalen Wert aufnimmt, der die Temperatur des Kernmaterials darstellt, und an den zweiten Subtrahierer (37) ein skaliertes digitales Signal liefert, das von dem Kernmaterial aufgrund von Ventilation übertragene Wärme darstellt,
• - einen Schwellwertdetektor (46, 51), dem die digitalen Signale der ersten und/oder zweiten Register (20, 23) zugeführt sind und der sie mit einem vorbestimmten, kritischen Wert vergleicht und ein Auslösesignal zum Unterbrechen der Stromversorgung liefert, wenn der digitale Wert in dem ersten und/oder zweiten Register (20, 23) den vorbestimmten kritischen Wert überschreitet, und
• - eine Folgesteuerung (44), die mit den ersten und zweiten Addierern (16, 24) und den ersten und zweiten Subtrahierern (21, 37) verbunden ist, zum periodischen Betätigen der ersten und zweiten Addierer zum Addieren der entsprechenden Werte darin zu den ersten und zweiten Registern (20, 23) und zum periodischen Betätigen der ersten und zweiten Subtrahierer zum Subtrahieren der entsprechenden Werte darin von den ersten bzw. zweiten Registern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem ersten Register (20) zugeführte digitale Signal, das den Motorstrom darstellt, durch einen Stromwandler, der einen analogen Wert des Motorstroms liefert, und einen Analog/Digital-Wandler erzeugt ist, der Stromspitzenwerte in das digitale Signal umwandelt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotationsdetektor (41) abtastet, ob der Rotor des Motors umläuft oder stillsteht, und ein entsprechendes Rotationssignal liefert, und daß der zweite Skalierer (35) in Abhängigkeit von dem Rotationssignal das dem zweiten Subtrahierer (37) zugeführte skalierte Signal ermittelt, das einen Wert der von dem Kernmaterial abgeführten Wärme darstellt, wenn der Rotor umläuft, und einen anderen Wert darstellt, wenn der Rotor stillsteht.