DE4406794B4

DE4406794B4 - Method and circuit arrangement for realizing a soft start of asynchronous motors

Info

Publication number: DE4406794B4
Application number: DE19944406794
Authority: DE
Inventors: John P. Gibson
Original assignee: KIMO IND ELEKTRONIK GmbH; KIMO INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: KIMO IND ELEKTRONIK GmbH; KIMO INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: DE4406794A1

Abstract

Verfahren zur Realisierung eines Sanftanlaufs für Asynchronmotoren, wobei die am Motor anliegende Spannung ausgehend von einer Einschaltspannung über eine Rampe bis zu einer höheren Betriebsspannung hochgefahren und eine Regelung in Abhängigkeit von einer am Motor abgegriffenen Betriebsgröße vorgenommen wird, wobei in der Hochlaufphase die am Motor anliegende Spannung und der wenigstens eine Motorwicklung durchfließende Strom erfasst werden und mittels eines Multiplikationsgliedes deren Produkt entsprechend der Leistungsaufnahme gebildet wird, wobei die Leistungsaufnahme durch die Regelung so begrenzt wird, dass ein vorgegebener Maximalwert der Leistung nicht überschritten wird.method for implementing a soft start for asynchronous motors, wherein the voltage applied to the motor starting from a switch-on voltage via a Ramp up to a higher one Operating voltage started up and a control in dependence is made by a tapped on the engine operating size, wherein in the start-up phase, the voltage applied to the motor and the at least a motor winding flowing through Electricity are detected and by means of a multiplier whose Product is formed according to the power consumption, where the power consumption is limited by the scheme so that a predetermined maximum value of the power is not exceeded.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Realisierung eines Sanftanlaufes von Asynchronmotoren, wobei die am Motor anliegende Spannung ausgehend von einer Einschaltspannung über eine Rampe bis zu einer höheren Betriebsspannung hochgefahren und eine Regelung in Abhängigkeit von einer am Motor abgegriffenen Betriebsgröße zur vorgenommen wird.The The invention is directed to a method and a circuit arrangement for the realization of a soft start of asynchronous motors, wherein the voltage applied to the motor starting from a turn-on voltage via a Ramp up to a higher one Operating voltage started up and a control in dependence is carried out by a tapped on the engine operating size.

In dem Artikel "Anlaufsteuerungen ersetzen konventionelle Anlaúfhilfen" in der Zeitschrift "Antriebstechnik" 27 (1988), Nr. 1, S. 23 wird die grundsätzliche Problematik beim Anfahren von Drehstrom-Asynchronmotoren unter Last geschildert. Diese besteht vor allem darin, daß beim Anfahren unter hoher Last sehr hohe Drehmomente entstehen, die das Nenn-Moment weit übersteigen. Hierdurch werden der Antriebsstrang und die nachgeschalteten Maschinen sehr stark beansprucht, und durch den hohen Anfahrstrom erwärmt sich der Motor sehr stark und das Versorgungsnetz wird hoch belastet. Neben den konventionellen Anlaßhilfen wie Stern-/Dreieck-Schaltung, Anlaßtransformatoren und verschiedene Kupplungstypen sind in neuerer Zeit Anlaufsteuerungen realisiert worden, um einen sanften Anlauf unter Vermeidung der geschilderten Nachteile zu erreichen.In the article "Start-up controls replace conventional starting aids "in the journal" Antriebstechnik "27 (1988), No. 1, P. 23 becomes the fundamental Problem when starting three-phase asynchronous motors under load portrayed. This consists mainly in the fact that when starting under high Load very high torques arise that far exceed the rated torque. As a result, the powertrain and the downstream machines very heavily loaded, and heated by the high starting current the engine is very strong and the supply network is heavily loaded. In addition to the conventional starting aids such as star / delta connection, starting transformers and various Coupling types are realized in more recent time start-up controls been made to a gentle start while avoiding the described To achieve disadvantages.

Auf S. 24 dieser Veröffentlichung sind die physikalischen Zusammenhänge veranschaulicht, wobei deutlich wird, daß der Asynchronmotor ausgehend vom Stillstand in jedem Betriebszustand die Nenndrehzahl anstrebt. Steigert man dementsprechend die Spannung stufenlos bis auf Netzspannung, erhält man einen Momentenverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl, der ein ausgeprägtes Maximum aufweist. Dieses Maximum ist in Verbindung mit der dort in 2 dargestellten Kennlinie des Stromverlaufs in Abhängigkeit von der Drehzahl dafür verantwortlich, daß bei einem Softstart im Übergangsbereich zwischen der Hochfahr-Rampe der Spannung und der konstanten Betriebsspannung ein unerwünschtes, spitzenartiges Momentenmaximum auftritt.On page 24 of this publication, the physical relationships are illustrated, wherein it is clear that the asynchronous motor starting from standstill in each operating state seeks the rated speed. Increasing accordingly the voltage steplessly up to mains voltage, we obtain a torque curve as a function of the speed, which has a pronounced maximum. This maximum is in conjunction with the there in 2 represented characteristic of the current profile as a function of the speed responsible for the fact that in a soft start in the transition region between the ramp-up of the voltage and the constant operating voltage, an undesirable peak-like torque maximum occurs.

Zur Realisierung eines sanften Anlaufes mit Hilfe einer elektronischen Steuerung ist es bisher bekannt, eine zeitabhängige Spannungssteigerung mit einer vorstehend bereits erwähnten Spannungsrampe vorzunehmen, wobei innerhalb einer eingestellten Zeit die Motorspannung kontinuierlich auf Netzspannung gesteigert wird. Die Stromaufnahme und damit das Drehmoment sind hierbei durch den jeweiligen Momentanwert der Spannung am Motor begrenzt. Die Hochlaufzeit bis zum Erreichen der Nenndrehzahl ist abhängig von der Last.to Realization of a soft start with the help of an electronic Control is known to date, a time-dependent increase in voltage with a already mentioned above Voltage ramp, taking within a set time the motor voltage is continuously increased to mains voltage. The current consumption and thus the torque are here by the respective instantaneous value of the voltage at the motor limited. The ramp-up time until reaching the rated speed depends on the load.

Weiterhin ist es bekannt, eine lastunabhängige Beschleunigungsregelung zu realisieren. Dabei meldet ein Istwert-Geber, z.B. in Form eines Tachogenerators, die momentane Geschwindigkeit und der Regler sorgt je nach Lastmoment für die notwendige Energiezuführung, damit der Motor innerhalb der gewählten Zeit seine Nenndrehzahl erreicht.Farther it is known, a load-independent Acceleration control to realize. An actual value encoder, e.g. in the form of a tachogenerator, the instantaneous speed and the controller provides depending on the load torque for the necessary energy supply, so the engine within the chosen one Time reaches its rated speed.

Schließlich ist es noch bekannt, Strombegrenzungsregelungen vorzusehen, wobei ein beliebiger maximaler Anlaufstrom eingestellt wird. Der Ist-Wert wird über einen Transformator überwacht. Will der Motor mehr Strom aufnehmen, wird die Spannung gedrosselt und der eingestellte maximale Wert wird während des ganzen Anlaufvorganges nicht überschritten. Bei konstanten Lastverhältnissen kann so mit dem geringstmöglichen Anlaufstrom angefahren werden.Finally is it is still known to provide current limiting controls, wherein a any maximum starting current is set. The actual value will over monitored a transformer. Want the engine will absorb more power, the voltage is throttled and The set maximum value is not exceeded during the entire startup process. At constant load conditions can so with the least possible Starting current to be approached.

In dem Artikel "Softstarting AC Motors" in der Zeitschrift "Power Transmission Design 73", 4/89, werden als Softstartmöglichkeiten auch die Realisierung einer Stromrampe oder einer Strombegrenzung beschrieben.In the article "Softstarting AC Motors "in the magazine" Power Transmission Design 73 ", 4/89, will be as softstart options also described the realization of a current ramp or a current limit.

Ein weiteres Beispiel für ein gattungsgemäß als bekannt vorausgesetztes Verfahren und eine entsprechende Schaltungsanordnung findet sich in der Zeitschrift "industrie-elektrik+elektronik" 3/85, S. 26 und 27. Dort wird ebenfalls das schon angesprochene grundsätzliche Problem beschrieben, daß Drehstrom-Käfigläufermotoren hohe Anlaufströme und Drehmomente beim direkten Anschalten an das Netz verursachen. Danach kann das erhöhte Drehmoment bis zum Dreifachen den Nennmoments betragen. Die dort beschriebene Schaltungsanordnung verwendet Steuergeräte mit Thyristoren, die über eine Phasenanschnittsteuerung für die Verstellung der Spannung angesteuert werden. Die Zündimpulse werden mittels Zündübertrager an die dreiphasige Anordnung der Thyristoren geleitet. Im Regelteil wird der gewünschte Spannungsverlauf ermittelt. Bei vielen Anwendungen werden Anfangsspannung und Hochlaufzeit der Spannung getrennt vorgegeben, wodurch das Anlaufmoment und die Hochlaufzeit in einem weiten Bereich getrennt einstellbar sind.One another example of a generic as known presumed method and a corresponding circuit arrangement can be found in the magazine "industrie-elektrik + elektronik" 3/85, p. 26 and 27. There is also the already mentioned fundamental Problem described that three-phase squirrel-cage motors high starting currents and torques when directly connecting to the grid. After that, the increased torque can be up be three times the rated torque. The circuit arrangement described there uses ECUs with thyristors over a phase control for the adjustment of the voltage can be controlled. The ignition pulses be by means of ignition transformer passed to the three-phase arrangement of the thyristors. In the rule part will be the desired Voltage curve determined. In many applications, initial voltage and run-up time of the voltage specified separately, whereby the starting torque and the run-up time can be set separately within a wide range are.

Aus der Firmendruckschrift „LEKTROMIK S" der Firma KIMO INDUSTRIE-ELEKTRONIK GMBH ist eine gattungsgemäße Sanftanlaufsteuerung mit einer Thyristor-Anordnung bekannt, bei der es möglich ist, einen Stromwandler für die Vorgabe eines konstanten Stromes beim Hochlauf vorzusehen, wobei sich hierdurch die Strombelastung des Netzes gut begrenzen lässt und ein vorteilhaftes Verhalten bei Lasten mit großem Trägheitsmoment erzielt werden.Out the company publication "LEKTROMIK S "of the company KIMO INDUSTRIE-ELEKTRONIK GMBH is a generic soft-start control with a Thyristor arrangement known in which it is possible to use a current transformer for the Provision of a constant current during startup to provide, where thereby the current load of the network can be well limited and an advantageous behavior can be achieved with loads with high moment of inertia.

Aus EP 194 400 B1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Realisierung eines Sanftanlaufes von Asynchronmotoren bekannt, wobei die am Motor anliegende Spannung durch eine Phasenanschnittsteuerung von einer Einschaltspannung bis zu einer höheren Betriebsspannung hochgefahren wird. Es ist eine Regelung für den Phasenunterschied zwischen Motorstrom und Motorspannung vorhanden. Es werden die Größen Motorstrom und Motorspannung gemessen und die daraus ermittelte Phasendifferenzwert mit einem Grenzwert verglichen. Bei Überschreitung wird der Anteil der Halbperioden der am Motor angelegten Wechselspannung langsamer gesteigert, bis die zugeführte Spannung am Motor ihren vollen Wert erreicht hat.Out EP 194 400 B1 a method and a circuit arrangement for realizing a soft start of asynchronous motors is known, where when the voltage applied to the motor voltage is increased by a phase control from a turn-on voltage up to a higher operating voltage. There is a control for the phase difference between motor current and motor voltage. The variables motor current and motor voltage are measured and the phase difference value determined therefrom is compared with a limit value. If exceeded, the proportion of half-cycles of the AC voltage applied to the motor is increased more slowly until the voltage supplied to the motor has reached its full value.

In DE 25 03 754 C2 wird eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Asynchronmotors beschrieben. Dabei sind eine Phasenanschnittsteuerung, ein Hochlaufgeber und Einrichtungen zum Erfassen der am Motor anliegenden Spannung bzw. des in wenigstens einer Motorwicklung fließenden Stroms bekannt.In DE 25 03 754 C2 a circuit arrangement for controlling an asynchronous motor is described. In this case, a phase control, a ramp-function generator and devices for detecting the voltage applied to the motor or the current flowing in at least one motor winding current are known.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass das Auftreten von Drehmomentspitzen unter Wahrung der grundsätzlichen Vorteile der bekannten Sanftanlaufsteuerung noch besser vermieden wird.Of these, The invention is based on the object, a method and to develop a circuit arrangement of the generic type so that the occurrence of torque peaks while maintaining the fundamental Advantages of the known soft start control even better avoided becomes.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2.The Task is solved by a method according to claim 1 and a circuit arrangement according to claim 2.

Ein Vergleich des Hochfahrverhaltens des Drehmoments bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen Leistungsbegrenzung mit dem Verhalten bei einer aus dem Stand bekannten Strombegrenzung zeigt, dass erfindungsgemäß die Drehmomentspitze nochmals deutlich reduziert wird, sodass das Nenn-Drehmoment nur relativ geringfügig und unter Vermeidung ausgesprochener Spitzen überschritten wird.One Comparison of the startup behavior of the torque in an inventively provided Power limitation with the behavior of a known from the state Current limit shows that according to the invention, the torque peak again is significantly reduced, so that the nominal torque only relatively slight and is exceeded while avoiding pronounced peaks.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:following The invention is based on a preferred embodiment explained in connection with the drawing. Showing:

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und 1 a block diagram of a circuit arrangement according to the invention and

2 bis 4 Darstellungen des Spannungs-, Strom-, Drehmomenten- und Drehzahlverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit in der Startphase bei zwei Sanftanlauf-Steuerungen nach dem Stand der Technik und einer gemäß der Erfindung. 2 to 4 Representations of the voltage, current, torque and speed curve as a function of time in the starting phase in two soft-start controls according to the prior art and one according to the invention.

Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht abgesehen von der in dem strichpunktiert umrandeten Bereich dargestellten erfindungsgemäßen Regelung dem Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung dient als solche zur Ansteuerung eines Drehstrom-Asynchronmotors M mit Motorwicklungen T1, T2 und T3, welche über jeweils ein paar antiparallel geschalteter Thyristoren Th1, Th2, und Th3 mit den Klemmen L1, L2 und L3 für die drei eingangsseitigen Phasen verbunden sind.In the 1 shown circuit arrangement corresponds to the state of the art except for the illustrated in the dot-dashed area area control system according to the invention. The circuit arrangement serves as such for driving a three-phase asynchronous motor M with motor windings T1, T2 and T3, which are connected via a pair of antiparallel-connected thyristors Th1, Th2, and Th3 to the terminals L1, L2 and L3 for the three input-side phases.

Die durch die Thyristoren Th gebildete Phasenanschnittsteuerung wird durch einen Steuersatz Ss angesteuert, der seinerseits wieder angesteuert wird von der Steuerung St und dem Hochlaufgeber HG. Die Steuerung St weist Steuereingänge BH für den Hochlauf und BF für die Freigabe auf. Außerdem sind dem Hochlaufgeber schematisch angedeutete Einstellpotentio meter M für die Einschaltspannung und H für die Hochlauframpe zugeordnet. Der Phasenanschnitt wird über eine nur schematisch angedeutete Schaltungsanordnung Sy angesteuert und synchronisiert.The is formed by the thyristors Th phase control controlled by a tax rate Ss, which in turn is driven again from the control St and the ramp-function generator HG. The control St has control inputs Bra for the Ramp up and BF for the release on. Besides, they are the ramp-function generator schematically indicated Einstellpotentio meter M for the Switch-on voltage and H for assigned to the ramp-up ramp. The phase control is over a only indicated schematically circuit Sy actuated and synchronized.

Der erfindungsgemäße Teil der Schaltungsanordnung umfaßt eine Regelung R. Im Rahmen dieser Regelung wird in einem Schaltungsteil LA die momentane Leistungsaufnahme ermittelt, indem die Ist-Spannung U_ist an den Motorwicklungen T1, T2 und T3 und der Ist-Strom I_ist an wenigstens einer Motorwicklung T3 abgegriffen und über im einzelnen nicht dargestellte Erfassungseinrichtungen gemessen wird, wobei in einem Multiplikationsglied dieses Schaltungsteils LA hieraus ein Produkt gebildet wird, so daß an dem Ausgang von LA ein Wert anliegt, der dem Ist-Wert der momentanen Leistungsaufnahme P_ist entspricht. Dieser Ist-Wert wird einer Vergleichsanordnung K zugeführt und dort mit einem über ein schematisch angedeutetes Potentiometer einstellbaren Maximalwert der Leistungsaufnahme P_max verglichen. Bei einem Überschreiten des Maximalwertes wirkt der Ausgang der Vergleichsanordnung K auf den Hochlaufgeber HG ein, um durch Reduzierung der Spannung die momentane Leistungsaufnahme zu reduzieren.The part of the circuit arrangement according to the invention comprises a control R. In the context of this regulation, the instantaneous power consumption is determined in a circuit part LA by the actual voltage U _is at the motor windings T1, T2 and T3 and the actual current I _is at least one motor winding T3 is tapped and measured by means not shown in detail, wherein in a multiplier of this circuit part LA therefrom a product is formed, so that at the output of LA a value is applied, which corresponds to the actual value of the instantaneous power consumption P _is . This actual value is fed to a comparison arrangement K and compared there with a maximum value of the power consumption P _{max which} can be set via a schematically indicated potentiometer. When the maximum value is exceeded, the output of the comparison arrangement K acts on the ramp-function generator HG in order to reduce the instantaneous power consumption by reducing the voltage.

Die Auswirkungen der erfindungsgemäßen Regelung auf den Momentenverlauf sind in 4 im Vergleich zu den Verhältnissen bei Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik (2 und 3) dargestellt:
In 2 sind jeweils die am Motor anliegende Spannung, der Strom, das Moment relativ zu dem Nennmoment M_N und die Drehzahl n in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen.The effects of the control according to the invention on the torque curve are in 4 in comparison to the ratios in circuit arrangements according to the prior art ( 2 and 3 ):
In 2 In each case, the voltage applied to the motor, the current, the torque relative to the nominal torque M _N and the speed n as a function of time are plotted.

In 2 ist eine Sanftanlauf-Steuerung nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Spannung beim Anlauf von 0 auf eine Einschaltspannung U_E angehoben und dann längs einer Rampe hochgefahren wird. Mit zunehmender Spannung erhöht sich der Strom I zunächst, bis er ein Maximum erreicht und bedingt durch die einleitend diskutierte Kennlinie dann auf den Betriebsstrom nach Erreichen der Betriebsspannung, in der Regel der Netzspannung, absinkt.In 2 a soft start control according to the prior art is shown, wherein the voltage at startup from 0 to a turn-on voltage U _E raised and then hochge along a ramp will drive. With increasing voltage, the current I increases initially until it reaches a maximum and due to the initially discussed characteristic then decreases to the operating current after reaching the operating voltage, usually the mains voltage.

Das Drehmoment nimmt ebenso wie die Drehzahl mit zunehmender Spannung zu, erreicht aber im Bereich nach dem Maximum des Stromes eine Spitze, welche das Nenn-Drehmoment M_N wesentlich überschreitet und dementsprechend zu den eingangs ebenfalls erläuterten negativen Auswirkungen führt.The torque increases as well as the speed with increasing voltage, but reaches in the area after the maximum of the current, a peak which exceeds the nominal torque M _N substantially and accordingly leads to the negative effects also explained above.

In 3 ist eine modifizierte Steuerung nach dem Stand der Technik dargestellt, wo der Strom mittels einer Strombegrenzungsanordnung auf einen Maximalwert I_max begrenzt wird, so daß beim Hochfahren der Spannung nach einem anfänglichen Anstieg beim Erreichen des Maximalwertes der Strom konstant gehalten wird, um dann nach Erreichen der Betriebsspannung auf den Betriebswert abzusinken.In 3 a modified control according to the prior art is shown, where the current is limited by means of a current limiting arrangement to a maximum value I _max , so that when the voltage is ramped up after an initial increase in reaching the maximum value of the current is kept constant, then after reaching the Operating voltage to drop to the operating value.

Der Momentenverlauf wird hierdurch nach einem anfänglich steilen Anstieg stark abgeflacht und die Momentenspitze wird niedriger im Vergleich zu einer Schaltungsanordnung ohne Strombegrenzung, wie sie in 2 dargestellt ist.As a result, the torque characteristic is greatly flattened after an initially steep rise and the torque peak becomes lower in comparison to a circuit arrangement without current limitation, as shown in FIG 2 is shown.

In 4 sind die Verhältnisse bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, wobei allerdings statt des Stromes die momentane Leistungsaufnahme aufgetragen ist, welche nach Erreichen eines vorgegebenen und voreinstellbaren Maximalwertes konstant gehalten wird. Dabei ist deutlich erkennbar, daß der Absolutwert des Drehmoments im kritischen Bereich gegenüber dem Nenn-Drehmoment hierbei im Vergleich zu der Schaltungsanordnung nach 3 noch weiter reduziert und auch abgeflacht wird, so daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung augenfällig ein günstigeres Verhalten ergibt.In 4 the conditions in a circuit arrangement according to the invention are shown, but instead of the current, the instantaneous power consumption is applied, which is kept constant after reaching a predetermined and presettable maximum value. It can be clearly seen that the absolute value of the torque in the critical region compared to the nominal torque in this case in comparison to the circuit arrangement 3 even further reduced and also flattened, so that the circuit arrangement according to the invention clearly results in a more favorable behavior.

Claims

Method for implementing a soft start for asynchronous motors, wherein the voltage applied to the motor starting from a turn-on voltage via a Ramp up to a higher one Operating voltage started up and a control in dependence is made by a tapped on the engine operating size, wherein in the start-up phase, the voltage applied to the motor and the at least a motor winding current flowing through be detected and by means of a multiplier their product is formed according to the power consumption, the power consumption is limited by the scheme so that a predetermined maximum value the performance is not exceeded becomes.

Circuit arrangement for realizing a soft start for asynchronous motors With: - one Phase control for adjusting the voltage at the motor; - one Ramp-function generator (HG); - Detection facilities for detecting the instantaneous values of the voltage applied to the motor and the current flowing in at least one motor winding; - one Multiplier whose inputs are the outputs of Detection devices are, and its output value of power consumption the engine corresponds; - one Comparison arrangement (K), which is the output value of the multiplier with a presettable power consumption threshold and the over an output signal is connected to an input of the ramp-function generator (HG) is, wherein the output signal of the comparison arrangement (K) in such a way is formed that when crossing the power consumption limit the power consumption of the motor is reduced by voltage limiting.