DE4005679C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Einschaltzeitpunktes für die Steuerung des Einschaltvorganges eines Drehstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Bestimmen eines Einschaltzeitpunktes für die Steue­ rung des Einschaltvorganges eines von den Phasen eines Dreh­ stromnetzes durch steuerbare Schaltelemente getrennten Dreh­ strommotors.

Beim Einschalten eines Drehstrommotors können ungünstige Ein­ schaltzeitpunkte zu hohen Anlaßspitzenströmen und somit zu einer unerwünschten Belastung des Netzes und des Drehstrom­ motors führen. Zur Vermeidung solcher Belastungen werden des­ halb Schaltverfahren verwendet, mit denen der Einschaltzeit­ punkt und der nachfolgende Einschaltvorgang in Abhängigkeit von der Phasenlage der an den drei Phasen des Drehstromnetzes an­ liegenden Netzspannungen gesteuert wird.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift 0 144 454 ist bei­ spielsweise ein Verfahren zur Steuerung des Schaltvorganges be­ kannt, bei dem zunächst zwei Phasen in der Nähe des Nulldurch­ ganges der an der dritten Phase anliegenden Spannung gemeinsam geschaltet werden. Darauffolgend wird das Zuschalten der dritten Phase erst dann vorgenommen, wenn sich die zwischen den beiden gemeinsam geschalteten Phasen anliegende Spannung eben­ falls in der Nähe des Nulldurchgangs befindet. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält einen dreiphasigen Trennschalter sowie zwei, beispielsweise in den Phasen A und B zwischen dem Trennschalter und dem Motor angeordnete steuerbare Schaltelemente. Als Schaltelemente sind paarweise geschaltete Thyristoren, Triacs oder einphasige Halbleiter-Relais vorgesehen. Die Phase C wird über den Trennschalter direkt mit dem Motor verbunden. Mit Hilfe einer geeigneten Steuervorrichtung werden die steuerbaren Schaltelemente phasenrichtig nacheinander durchgeschaltet, wenn der Trennschalter geschlossen wird. Bei der Verwendung einer Thyristorschaltung oder eines Triacs als steuerbares Schaltelement ist nach erfolgtem erstmaligen Zünden eine Dauerzündung vorgesehen. Diese Dauerzündung wird durch eine stetige Folge von Zündimpulsen realisiert, die von einem Treiberbaustein für einen als Zündverstärker vor­ gesehenen Zündtransformator bereitgestellt werden. Der Motor wird somit unmittelbar nach dem Schalten der Phase A mit der vollen Netzspannung belastet.

Anstelle einer sofortigen Zuschaltung der gesamten Ver­ sorgungsspannung kann auch ein beispielsweise in der internationalen Anmeldung WO 84/04005 offenbartes Ver­ fahren vorgesehen sein, bei dem die am Motor anliegende effektive Spannung langsam auf den vollen Wert angehoben wird. Zwischen dem Motor und dem Netz sind hierzu in jeder Phase steuerbare Halbleiter-Ventile vorgesehen, die jeweils selektiv mit einem Zündwinkel angesteuert werden, der in der Anlaufphase ausgehend von einem Anfangswert stetig verringert wird. Dabei erfolgt das Einschalten des Motors mit einer ersten Zündsequenz bei der gleichzeitig zwei Phasen dann gezündet werden, wenn die Spannung zwischen diesen beiden Phasen das Maximum oder Minimum überschritten hat und gegen Null strebt. Nach einem Phasenwinkel von beispielsweise 55° wird die dritte Phase gezündet. Nach dieser ersten Zündsequenz werden dann die Halbleiter-Ventile sequentiell jeweils mit einem Anfangs­ zündwinkel von beispielsweise 60° gezündet, der dann sukzessive reduziert wird.

Bei diesen bekannten Verfahren wird jedoch bei der Fest­ legung des Einschaltzeitpunktes für den ersten Zündvorgang stets von einem stehenden, entmagnetisierenden Motor aus­ gegangen. Diese bekannten Schaltverfahren sind aber zum schnellen Wiedereinschalten eines kurz vorher vom Netz ge­ trennten, noch drehenden und magnetisierten Motors, bei­ spielsweise bei einem schnellen Reversieren, weniger ge­ eignet, da sie bei der Festlegung des Einschaltzeitpunktes die im Motor induzierten Spannungen unberücksichtigt lassen.

In "Elektrische Maschinen", Bödefeld Th., Sequenz, H., 6. Auflage, Wien, 1962, Seiten 343 bis 345 wird ein Ver­ fahren zum Synchronisieren eines bereits auf Drehzahl ge­ brachten Generators vor dem Zuschalten an das Netz offen­ bart. Zur Anzeige der Synchronbedingung, d. h., ob die Spannungen des Netzes und die des Generators gleiche Größe, gleiche Frequenz und gleiche Phase haben, dienen Phasenlampen. Anhand von Helligkeitsmustern dieser Phasen­ lampen wird auf den richtigen Zuschaltzeitpunkt rückge­ schlossen. Dies geschieht entweder automatisiert oder normalerweise durch das Bedienungspersonal. Diese Vorgänge sind zeitunkritisch, da das Erreichen der Synchronbedin­ gung und das darauffolgende Zuschalten von Hand erfolgen kann. Insbesondere stellt sich die Synchronbedingung verglichen mit heute in der Digitaltechnik üblichen Takt- bzw. Schaltzeiten verhältnismäßig langsam ein und steht dann auch lange genug für die Reaktion des Bedienungs­ personals an. Ein ganz entscheidendes Kennzeichen dieses Verfahrens besteht darin, daß zur Einstellung der Syn­ chronbedingung die Amplituden der Generatorspannungen sowie die Generatordrehzahl (= Frequenz) aktiv nachge­ regelt werden. Diese Möglichkeit besteht beim Zuschalten eines sich noch drehenden Motors nicht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Bestimmen eines geeigneten Einschaltzeitpunktes für die Steuerung des Einschaltvorganges anzugeben, bei dem auch das Wiedereinschalten eines noch drehenden magnetisierten Motors nur zu einer geringen Belastung des Netzes und des Motors führt, und das insbesondere auf eine aktive Nachführung der Motordrehzahl und der Amplituden der Spannungen am motorseitigen Anschluß verzichtet. Außerdem soll eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Die über den geöffneten steuerbaren Schaltelementen jeweils abfallende Spannung wird bestimmt durch die vom weiter­ drehenden und nicht entmagnetisierten Motor in der Stator­ wicklung induzierte, am motorseitigen Anschluß des steuer­ baren Schaltelementes anstehende Spannung und die Netz­ spannung am netzseitigen Anschluß des steuerbaren Schalt­ elementes. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dar ein zum Einschalten günstiger Zeitpunkt dann erreicht ist, wenn die über den steuerbaren Schaltelementen gemes­ senen Spannungsabfälle in ihrer Phasenlage mit der Phasen­ lage der Netzspannungen wenigstens annähernd überein­ stimmt. Wenn dies der Fall ist, sind die in den Stator­ wicklungen induzierten Spannungen annähernd synchron mit der Netzspannung und ein für das Wiedereinschalten des Motors geeigneter Betriebszustand ist erreicht. Diese geeigneten Betriebszustände sind nicht für alle Zeitpunkte nach Ausschalten des Motors, sondern nur für Zeitfenster gegeben, die mit dem Dreh­ zahlverlust des Motors zusammenhängen. Dies hängt damit zusam­ men, daß die Rotationsgeschwindigkeit des abgeschalteten Motors stetig absinkt und sich dabei die in den Statorwicklungen indu­ zierte Spannung sich in ihrer Phasenlage gegen die Netzspannung stetig verschiebt. Eine günstige Situation ist beispielsweise dann erreicht, wenn der Motor der Netzspannung um eine oder mehrere volle Umdrehungen hinterherläuft. Diese günstige Situa­ tion dauert dabei nur wenige Umdrehungen an, bis die Netz- und Motorspannungen wieder zunehmend asynchroner werden.

Die Bestimmung der Phasenlage der an den Schaltelementen ab­ fallenden Spannungen erfolgt vorzugsweise durch Messung der Winkeldifferenzen zwischen den zeitlich aufeinander in unter­ schiedlichen Phasen erfolgenden Nulldurchgängen der an den steuerbaren Schaltelementen abfallenden Spannungen. Dabei ist unter Winkeldifferenz eine aus der zugehörigen Zeitdifferenz und der konstanten Netzfrequenz f ermittelte Größe zu verste­ hen. Die vorgegebene Phasenlage entspricht dann einer vorgege­ benen Winkeldifferenz von etwa 60°. Diese Winkeldifferenz ist durch die Netzspannung vorgegeben, deren Phasenspannungen in ihren Nulldurchgängen untereinander ebenfalls eine Winkeldif­ ferenz von 60° aufweisen. Die zulässigen Abweichungen zwischen den gemessenen Winkeldifferenzen und den vorgegebenen Winkel­ differenzen sind dabei vorzugsweise höchstens 25°, insbesondere jedoch kleiner als 15°.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als zu­ sätzliches Kriterium für die Phasenlage die Winkeldifferenz zwischen dem Nulldurchgang einer verketteten Netzspannung und dem nächsten Nulldurchgang der an den steuerbaren Schaltelemen­ ten jeweils abfallenden Spannungen gemessen und mit einem Soll­ wert verglichen, der von der vorgegebenen Phasenlage bestimmt ist und 30° beträgt. Durch diese Maßnahme wird nicht nur die gegenseitige Phasenlage der an den Schaltelementen abfallenden Spannungen untereinander gemessen, sondern auch ein fester zeitlicher Bezug zur Netzspannung hergestellt und die relativ zur Netzspannung vorliegende Phasenlage bestimmt. Dadurch ist eine erhöhte Betriebssicherheit gewährleistet, weil die Wahr­ scheinlichkeit für ein nur zufällig richtiges Phasenmuster ver­ ringert ist.

In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens ist den steuerbaren Schaltelementen jeweils ein Re­ ferenz-Detektor zugeordnet, an dessem Ausgang ein binäres Signal ansteht, dessen einer Pegel im wesentlichen mit dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Spannung zusammenfällt. Die am Ausgang der Referenz-Detektoren anstehenden Signale werden einer Vergleichseinrichtung zugeführt, in der die Winkeldiffe­ renzen bestimmt und mit den vorgegebenen Differenzen verglichen werden.

Außerdem kann zusätzlich ein weiterer Referenz-Detektor zur Messung der Nulldurchgänge der zwischen zwei Phasen anliegen­ den verketteten Netzspannung vorgesehen sein, der ebenfalls mit der Vergleichseinrichtung verbunden ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist den steuerbaren Schaltelementen eine mit der Vergleichseinrich­ tung verbundene Steuereinrichtung zum Steuern des Einschaltvor­ ganges zugeordnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 in einem Blockschaltbild eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulicht ist, das anhand der in den

Fig. 2 bis 4 dargestellten zeitlichen Abfolge von Referenz­ signalen, die jeweils aus den über den steuerbaren Schaltelementen abfallenden Spannungen abgeleitet sind, näher erläutert wird. In

Fig. 5 ist ein aus der Spannung zwischen zwei Phasen abgelei­ tetes und zur Bestimmung der Phasenlage der über den Schaltelementen abfallenden Spannungen relativ zur Netzspannung geeignetes Referenzsignal ebenfalls gegen die Zeit aufgetragen.

Entsprechend Fig. 1 ist ein Drehstrommotor 2 jeweils über ein steuerbares Schaltelement 4A, 4B bzw. 4C, beispielsweise ein Triac oder eine Thyristorschaltung oder ein Halbleiter-Relais, an die drei Phasen A, B und C eines Drehstromnetzes ange­ schlossen. Den steuerbaren Schaltelementen 4A, 4B und 4C ist in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Figur jeweils ein Re­ ferenz-Detektor 6A, 6B bzw. 6C zugeordnet mit dem jeweils eine Kenngröße des zeitlichen Verlaufes der über den steuerbaren Schaltelementen 4A, 4B bzw. 4C abfallenden Spannung erfaßt wird. Diese Kenngröße dient zur Festlegung einer Zeitreferenz für die Bestimmung der Phasenlage. Diese Zeitreferenz wird als Referenzsignal XA, XB und XC jeweils an den Ausgängen 8A, 8B bzw. 8C der Referenz-Detektoren 6A, 6B bzw. 6C bereitgestellt. Als Kenngröße ist der Spannungs­ nulldurchgang geeignet. In einer vorbezugten Ausführungsform enthalten die Referenz-Detektoren 6A, 6B und 6C beispielsweise jeweils einen Komparator, der den Absolutwert des Spannungs­ abfalles mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht. An den Ausgängen 8A, 8B und 8C steht somit jeweils ein Referenzsignal XA, XB bzw. XC mit zwei Pegeln an. Bei entsprechend niedriger Wahl des Schwellwertes, beispielsweise etwa 10 V, wird dann durch die Flanken dieses binären Signals im wesentlichen der Spannungsnulldurchgang erfaßt, der zu einem zwischen diesen Flanken liegenden Zeitpunkt erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Messung der Null­ durchgänge der verketteten Netzspannung zwischen zwei Phasen, beispielsweise zwischen den Phasen A und B, ein weiterer Refe­ renz-Detektor 6AB vorgesehen. Am Ausgang 8AB dieses Referenz- Detektors 6AB steht ebenfalls ein binäres Referenzsignal XAB an, dessen Flanken mit den Nulldurchgängen der zwischen diesen Phasen A und B abfallenden Spannung zusammenfallen.

Die Ausgänge 8A, 8B, 8C und 8AB der Referenz-Detektoren 6A, 6B, 6C bzw. 6AC sind mit einer Meß- und Vergleichseinrichtung 10 verbunden, in der eine Messung der Phasenlage anhand der Re­ ferenzsignale XA, XB, XC und XAB durchgeführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß durch eine Flanke eines eintreffenden Referenzsignales, beispielsweise XAB, ein Zähler gestartet wird, dessen Inhalt jeweils bei einer Flanke der nächsten Referenzsignale, die beispielsweise in der Reihenfolge XA, XC und XB eintreffen, gelesen wird. Die gemessene Phasen­ lage wird in der Meß- und Vergleichseinrichtung 10 mit einer vorgegebenen Phasenlage verglichen. Stimmt die gemessene Pha­ senlage mit der vorgegebenen Phasenlage innerhalb vorgegebener Grenzen überein, wird in der Meß- und Vergleichseinrichtung 10 ein Steuersignal S erzeugt, mit dem der Einschaltvorgang frei­ gegeben wird. Dieses Steuersignal S wird an den Steuereingang 141 einer Steuereinrichtung 14 weitergeleitet, welche die zum Schalten der steuerbaren Schaltelemente 4A, 4B und 4C erfor­ derlichen Zündsignale zur Verfügung stellt.

In den Fig. 2 bis 4 sind die aus den Spannungsnulldurch­ gängen ermittelten Referenzsignale XA, XB bzw. XC jeweils gegen die Zeit aufgetragen. Die Messung der gegenseitigen Phasenlage erfolgt dabei in einer Ausführungsform ohne Referenz-Detektor 6AB (Fig. 1) vorzugsweise dadurch, daß ausgehend von einem ersten Referenzsignal 22, das einen Spannungsnulldurchgang über dem der Phase A zugeordneten steuerbaren Schaltelement ent­ spricht eine Winkeldifferenz Φ₁ bis zum nächsten Spannungsnull­ durchgang gemessen wird, der im Beispiel der Fig. 4 bei der über den dem in der Phase C angeordneten steuerbaren Schaltele­ ment erfolgt und durch ein mit dem Bezugszeichen 24 versehenes Referenzsignal XC erfaßt wird. Der nächste Spannungsnull­ durchgang erfolgt über dem in der Phase B steuerbaren Schalt­ element und ist durch das mit dem Bezugszeichen 26 versehene Referenzsignal XB erfaßt. Der Abstand zwischen den beiden Re­ ferenzsignalen 24 und 26 entspricht einer Winkeldifferenz Φ₂. Der nächste zeitlich darauffolgende Spannungsnulldurchgang erfolgt nach einer Winkeldifferenz Φ₃ wieder über dem in der Phase A angeordneten steuerbaren Schaltelement und wird durch das mit dem Bezugszeichen 28 versehene Referenzsignal XA er­ faßt.

Die Phasenlage der an den Schaltelementen abfallenden Spannun­ gen wird dann jeweils durch ein Wertepaar Φ₁, Φ₂ oder Φ₂, Φ₃ dargestellt. Eine für das Einschalten günstige Betriebssitua­ tion des Motors ist erreicht, wenn die Winkeldifferenzen Φ₁, Φ₂ Φ_2, Φ₃ zwischen jeweils drei aufeinanderfolgenden Spannungs­ nulldurchgängen größer als 45° und kleiner als 75° sind.

In Fig. 5 ist zusätzlich das gemäß einer Ausführungsform mit Referenz-Detektor 6AB (Fig. 1) aus dem Nulldurchgang der zwischen den Phasen A und B anliegenden verketteten Netzspan­ nung ermittelte Referenzsignal XAB gegen die Zeit aufgetragen. Dabei entspricht beispielsweise die Flanke 30 einem Nulldurch­ gang von Minus nach Plus und die Flanke 32 einem Nulldurchgang von Plus nach Minus. Der auf eine der Flanken 30 und 32 folgen­ de Nulldurchgang einer an den Schaltelementen abfallenden Span­ nung erfolgt dann jeweils in der Phase A bei einer Winkeldiffe­ renz Φ₄ bzw. Φ₅, die in dem in der Figur dargestellten Ideal­ fall jeweils etwa 30° betragen. Eine für das Einschalten gün­ stige Betriebssituation ist in diesem Ausführungsbeispiel dann erreicht, wenn zusätzlich zu der Bedingung 45° < Φ₁, Φ₂ < 75° die Bedingung 15° < Φ₄ < 30° erfüllt ist.

Der Einschaltvorgang selbst kann dann beispielsweise gemäß einem der in den Druckschriften EP-A-0 144 454 oder WO 84/04005 offenbarten Verfahren erfolgen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltzeitpunktes für die Steuerung des Einschaltvorganges eines von den Phasen (A, B, C) eines Drehstromnetzes jeweils durch steuerbare Schaltelemente (4A, 4B, 4C) getrennten Drehstrommotors (2) mit folgenden Merkmalen:

• a) Messung der Phasenlage der an den steuerbaren Schalt­ elementen (4A, 4B, 4C) jeweils abfallenden Spannungen
  • 1. durch Bestimmung von zeitlich aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der an den steuerbaren Schaltkanä­ len (4A, 4B, 4C) jeweils abfallenden Spannungen,
• b) Vergleich dieser Phasenlage mit einer durch die Netz­ spannungen vorgegebenen Phasenlage, und
• c) Ableiten eines Steuersignals (S) für die Freigabe des Einschaltvorganges, wenn die gemessene Phasenlage mit der vorgegebenen Phasenlage innerhalb vorbestimmter Grenzen übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasenlage durch Be­ stimmung der Winkeldifferenzen (Φ₁, Φ₂) zwischen den zeit­ lich aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der an den steuerbaren Schaltelementen (4A, 4B und 4C) jeweils ab­ fallenden Spannungen gemessen wird, wobei die vorgegebene Phasenlage jeweils einer Winkeldifferenz von 60° ent­ spricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasenlage zusätzlich durch Bestimmung der Winkeldifferenz (Φ₄) zwischen dem Nulldurchgang einer verketteten Netzspannung und dem näch­ sten Nulldurchgang der an den steuerbaren Schaltelementen (4A, 4B, 4C) jeweils abfallenden Spannungen gemessen wird, wobei die vorgegebene Phasenlage einer Winkeldifferenz von 30° entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (S) dann abge leitet wird, wenn die gemessenen Winkeldiffe­ renzen ( Φ₁, Φ₂, Φ₄) von den vorgegebenen Winkeldifferenzen weniger als 15° abweichen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Einrichtungen (6A, 6B, 6C, 6AB, 10) zur Messung der Phasenlage zwischen den an den steuerbaren Schaltelementen (4A, 4B, 4C) jeweils abfallenden Span­ nungen sowie zum Vergleich dieser gemessenen Phasenlage mit einer durch die Netzspannungen vorgegebenen Phasen­ lage, und zum Bereitstellen eines Steuersignals (S) für die Freigabe des Einschaltvorganges in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den steuerbaren Schalt­ elementen (4A, 4B, 4C) jeweils ein Referenz-Detektor (6A, 6B bzw. 6C) zugeordnet ist, an dessen Ausgang (8A, 8B bzw. 8C) ein binäres Referenzsignal (XA, XB bzw. XC) ansteht, dessen Flanken im wesentlichen mit dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs der über den steuerbaren Schaltelementen (4A, 4B, 4C) jeweils abfallenden Spannung zusammenfallen, und der mit einer Meß- und Vergleichseinrichtung (10) zur Messung der Winkeldifferenzen (Φ₁, Φ₂) zwischen den Referenzsignalen (XA, XB, XC) sowie zum Vergleich dieser Winkeldifferenz mit einer Winkeldifferenz von 60° und zum Bereitstellen eines Steuersignales (S) für die Freigabe des Einschaltvorganges.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusätzlich ein Referenz- Detektor (6AB) für die Messung des Nulldurchgangs einer verketteten Netzspannung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß den steuerbaren Schaltelementen (4A, 4B, 4C) zum Steuern des Einschaltvorganges eine Steuereinrichtung (14) mit einem Steuereingang (141) für das Steuersignal (S) zugeordnet ist.