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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor sowie
auf eine Elektromotorüberwachungsschaltung
und insbesondere auf eine Elektromotorüberwachungsschaltung, die die
Isolationsleckage eines Elektromotors sowie die Phasensequenz und
Spannungsamplitude überwacht,
um den Betrieb des Elektromotors zu unterbinden, der die Phasen- oder Isolationsüberprüfung nicht
besteht.
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Bisher
hat man Isolationsprüfer
an Elektromotoren installiert, um das teure Gerät im Falle eines Isolationsdurchschlags
zu schützen,
der aufgrund hohen Alters, eines teilweisen Durchbrennens oder des
Eindringens von Feuchte in das Motorgehäuse auftreten kann. Ein Isolationsprüfer blockiert
den Betrieb des Motors, wenn der Isolationswiderstand unter einem
Sollwiderstand liegt, und kann auch ein Alarmrelais aktivieren.
Ein gutes Beispiel für
eine Isolationsprüferschaltung
ist aus unserem früheren US-Patent
4 716 487 für
Horvath et al. für
eine Vorrichtung zum Überwachen
einer Motorwicklungsleckage zu sehen. Dieses System überwacht
automatisch den Isolationsleckwiderstand eines Elektromotors über einen
kurzen Zeitraum vor dessen Betrieb und hat Zeitsteuereinrichtungen
zum Verzögern
des Anlegens der Motorsteuerspannung an den Motor und zum Anlegen
eines Gleichstroms mit hoher Spannung an die Wicklungen des Motors
während dieses
kurzen Zeitraums. Zwischen den Motorrahmen und die Masse der Hochspannungsversorgung ist
ein Fühlwiderstand
geschaltet und der hindurchgehende Leckstrom wird von einem Komparator überwacht.
Wenn der Leckstrom einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet,
wird ein Alarm ausgelöst
und der Betrieb des Motors unterbunden.
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In
Verbindung mit Elektromotoren wurden auch Phasenüberwachungseinrichtungen zum Überwachen
der Dreiphasenstromleitung auf Anomalien installiert, um, während der
Motor arbeitet, Starkstromleitungsunterbrechungen zu bestimmen,
wie Phasenverlust, Phasenungleichgewicht, Phasenumkehr sowie Nieder-
oder Hochspannung. Ein Starkstromleitungsproblem kann umfangreiche
Schäden an
der Ausrüstung über einen
Zeitraum verursachen. Ein Phasenverlust für sich kann einen teuren Motor so
zerstören,
dass eine Reparatur in weniger als 24 Stunden nicht möglich ist.
Solche Überwachungseinrichtungen
arbeiten während
des Betriebs des Motors kontinuierlich, während die Überwachung auf Motorwicklungslecks
normalerweise vor dem Starten des Motors geprüft wird. Eine typische Dreiphasenüberwachungsschaltung
ergibt sich aus dem Grant-Patent 4 823 227. Eine Festkörperschaltung
ist so ausgelegt, dass eine elektrische Dreiphasenanlage, die von
240 bis 480 V arbeitet, vor einem Verlust irgendeiner Phase, einer
Phasenumkehr oder einer Unterspannung oder Überspannung der Starkstromeinspeisung
geschützt
wird. Wenn die Phaseneinstellung oder Spannung in dem Motor richtig
sind, aktiviert der Motor ein Abgaberelais, um die Last in die Lage
zu versetzen, die geschützte
Anlage arbeiten zu lassen.
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Aus
der
CN 1066154 A ist
eine Elektromotorüberwachungsschaltung
bekannt, die sowohl einen Isolationsprüfer als auch eine Phasenfehlerschutzschaltung
sowie eine Alarmschaltung aufweist, die mit den Dreiphasenleitungen
des Motors verbunden sind. Wenn eine Phase in der Stromeinspeisung
eine Störung
hat, stellt sich ein Ungleichgewicht der Phasenspannung und des
Ummantelungslecks ein, so dass der Motor automatisch abgeschaltet
werden kann, während
die Alarmeinheit durch Wirkung von Relais alarmiert.
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Zu
anderen älteren
US-Patenten, die sich auf die Überwachung
einer Elektromotorschaltung oder dergleichen beziehen, gehören das
Schuyler-Patent 5 315 246 für
eine Fehlerfeststellschaltung zur Verwendung bei der Bestimmung
des Vorhandenseins eines Fehlers in irgendeiner Last in einer Vielzahl
von Gleichstromlasten, wobei eine Referenzlast als Vergleich verwendet
wird. Die Sternpunkte der zu überwachenden
Lasten werden mit der Spannung des Sternpunkts der Referenzlast
verglichen. Das Lee-Patent 5 239 439 bezieht sich auf eine Schutzschaltung
für ein
Starkstromeinspeisungssystem. Das Patent 5 224 010 von Tran et al.
betrifft eine Starkstromeinspeisungsüberwachungseinrichtung mit
unabhängigen
Leistungshochfahrverzögerungen. Das
Patent 4 825 328 von Izaguirre, Sr. betrifft eine dreiphasige elektrische
Lastschutzvorrichtung, die einen Eingangswandler zum Schutz jeder
Phasenspannung in der Drehrichtung der Phasen eines dreiphasigen
Starkstromsystems hat. Ein Steuermonitor überwacht Signale aus dem Eingangswandler,
die die höchste
und niedrigste Phasenspannung in der Drehrichtung der Phasen zum
Steuern einer Ausgangsvorrichtung für ein Abkoppeln der elektrischen Last
darstellen, wenn unzulässige
Einspeisungsbedingungen gemessen werden. Das Patent 4 507 713 von
Hsieh betrifft eine Breitband-Mehrphasen-Unterspannungsmessschaltung,
die eine Mehrphaseneingangsspannung misst, die mit einer Bezugsspannung
verglichen wird. Das Patent 4 333 119 von Schoenmeyr betrifft ein
Starkstromüberwachungssystem,
das die elektrische Dreiphasenleistung überwacht, um eine Dreiphasenanlage
gegen übermäßige Änderungen
der Leitungsspannung, des Ungleichgewichts von Phase zu Phase und
der Umkehrphasensequenz sowie das Personal vor einem automatischen
Neustart der Anlage nach Rückkehr
der Leitungsleistung zu schützen.
Das Patent 4 333 050 von Yeasting beschreibt einen Mehrphasenspannungsmonitor,
der die Spannung an jeder Phase der Starkstromleitung kontinuierlich
mit einer Bezugsspannung zur Erfassung eines Spannungsungleichgewichts
und mit festen Spannungen zur Erfassung von Hoch- oder Niederspannungszuständen vergleicht.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektromotorüberwachungsschaltung,
die auf Isolationslecks des Elektromotors und Starkstromleitungsstörungen hin überwacht,
beispielsweise Phasenverlust, Phasenungleichgewicht, Phasenumkehrung
sowie Nieder- oder Hochspannung, während der Motor in Betrieb
ist, und die den Betrieb des Motors in dem Fall eines vorgegebenen
gemessenen Motorwindungslecks verhindert und den Betrieb eines arbeitenden
Elektromotors beim Messen eines vorgegebenen Phasenverlustungleichgewichts
oder Phasenumkehr oder Hoch- oder Niederspannung unterbricht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Elektromotor-Überwachungsschaltungsvorrichtung
für einen
Elektromotor hat einen Dreiphasenelektromotor mit einer Elektromotorstarterschaltung.
Mit dem Elektromotor ist eine Isolationsüberwachungsschaltung verbunden
und überwacht
ein Isolationsleck des Elektromotors und unterbindet die Aktivierung
der Elektromotorstarterschaltung, wenn ein Isolationsleck einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Die Isolationsüberwachungsschaltung
hat eine Einphasen-Wechselstromeinspeisung zum Aktivieren der Elektromotorstarterschaltung.
Mit dem Elektromotor ist eine Dreiphasen-Überwachungsschaltung zum Überwachen der
Phasensequenz in der Spannungsamplitude für den Elektromotor verbunden.
Eine Relaisschaltung hat ein Relais, das mit der Dreiphasen-Überwachungsschaltung
verbunden ist und von ihr aktiviert wird, und ist mit einem Isolationsüberwachungsschaltungsrelais
verbunden, um eine Aktivierung des Elektromotors bei Erfassung einer
nicht korrekten Phaseneinstellung oder Spannung in dem Elektromotor
zu verhindern, so dass der Betrieb des Elektromotors durch die Erfassung
der unrichtigen Phaseneinstellung oder Spannung in dem Motor und
wenn ein Isolationsleck einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
unterbunden wird. Die Phasenüberwachungsrelaiskontakte
sind in Reihe zu einem Isolationsprüfer-Motorstartrelais geschaltet,
so dass beide Relais aktiviert werden müssen, um Leistung an die Motorstartschaltung
anzulegen. Zusätzlich schließt die Isolationsüberwachungsschaltung
einen Satz von Kontakten, um eine Masserückkehr für die Motorstartschaltung nur
dann bereitzustellen, wenn der Isolationsmonitor bestimmt hat, dass
der Motor die Isolationsüberwachungsprüfung bestanden
hat.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, in denen
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1 ein
Blockschaltbild einer Elektromotorüberwachungsschaltung nach der
vorliegenden Erfindung und
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2 ein
erweitertes Blockschaltbild der Elektromotorüberwachungsschaltung von 1 sind.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Gemäß den Zeichnungen
und 1 überwacht
eine Elektromotor-Überwachungsschaltung 10 einen
Elektromotor 11, der an eine Dreiphasen-Leistungsquelle 12 für den Elektromotor
angeschlossen ist. Eine Motorstarterschaltung 13 hat eine
Motorstarterwicklung 9 zur Aktivierung des Motorstarters.
Eine Isolationsprüferschaltung 14 ist
mit der Leitung 15 zum Motor 11 verbunden und
hat eine Leitung 16, die über ein Relais 19 mit
einer der Motorstromleitungen 12 verbunden ist. Das Relais 19 ist
ein Hochspannungsrelais, das von einer Zeitschaltung, beispielsweise
einem 12-Sekunden-Zeitgeber während
der Isolationsmessung aktiviert wird, um die Fühllast mit der primären Dreiphasenspannung
zu verbinden. Der Isolationsmonitor 14 ist mit einem Alarm 17 verbunden
und hat ein Spannungsrelais 18 sowie ein Masserelais 20.
Die Ausgangsleitung 21 ist mit einer Relaisschaltung 22 verbunden,
die ein erstes Relais 23 hat, das von der Relaisspule 24 betätigt wird.
Die Relaisspule 24 speist elektrischen Strom aus dem Phasenmonitor 25 ein,
um das Relais zu aktivieren, das seinerseits einen elektrischen
Strom durch die Relaiswicklung 26 fließen lässt, um das Relais 27 zu aktivieren,
vorausgesetzt dass das Isolationsüberwachungsrelais 20 so
geschaltet ist, dass die Leitung 21 mit Masse verbunden
werden kann. Der Isolationsmonitor 14 wird mit Leistung
versorgt, beispielsweise mit einem Einphasen-Wechselstrom von 120
V aus einer Leistungseinspeisung 28. Die Leistungseinspeisung
erfolgt durch eine Leitung 30, geht durch das Relais 27,
wenn es geschlossen ist, und bildet eine Schaltung über die
Motorstarterwicklung 9 und zurück zur neutralen Leitung 31.
Der Motorstarter 13 wird von der Leistungseinspeisung 28 mit
120 V Gleichstrom, wenn das Relais 27 geschlossen ist, durch
den Fluss eines elektrischen Stroms durch die Schaltung 21 aktiviert,
um die Windung 26 zu betätigen, was nur dann eintritt,
wenn das Relais 23 geschlossen ist, sowie dann, wenn die
Schalter 18 und 20 durch den Isolationsmonitor
geschlossen sind.
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Der
Steuerweg der Motorstarterspule 9 betätigt das Motorstartrelais 13 durch
den Isolationsmonitor 18 zur Vervollständigung des Steuerwegs durch die
Spule. Jedoch müssen
sowohl der Phasenmonitor 25 als auch der Isolationsmonitor 14 die
Erregung des Motorstartrelais 13 ermöglichen. Der Phasenmonitor
steuert die Aktivierung eines Relais 23, dessen Kontakte
in Reihe zu der Spule des Isolationsmonitor-Motorrelais geschaltet
sind. Wenn die Kontakte des Relais 23 geschlossen sind,
wird die erforderliche Leistung an die Spule des Motorstartrelais 13 angelegt.
Der Steuerweg ist jedoch so lange nicht vollständig, bis der Isolationsmonitor 14 bestimmt
hat, dass der Motor die Isolationsprüfung bestanden hat. Wenn dies
der Fall ist, schließt
ein weiterer Satz von Kontakten 20 zur Bildung einer Masserückführung für die Spule
und ermöglicht
die Erregung des Motorstartrelais und den Betriebsbeginn des Motors.
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In 2 ist
ein detaillierteres Blockschaltbild der Elektromotor-Überwachungsschaltung
nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die Elektromotor-Überwachungsschaltung 10 eine
Phasenüberwachungsschaltung 25 aufweist,
die aus vier Abschnitten zusammengesetzt ist. Der Phasenmonitor 25 ist über die
Leiter 29 mit den Dreiphasen-Motorversorgungsleitungen 12 verbunden,
die mit dem Phasendetektor 32 verbunden sind. Der Phasendetektor
erfasst und setzt alle normalen Phasen- und Phasenfehlerbedingungen
aus den Motorversorgungsleitungen 12 in Spannungen um,
die in einer Komparatorschaltung 33 ausgewertet werden.
Der Komparatorabschnitt ist eine Fensterkomparatorschaltung, die
die Spannung aus dem Phasendetektor mit zwei Bezugsspannungen vergleicht,
wobei die eine Bezugsspannung höher
und die andere niedriger als die Phasendetektorspannung unter normalen Phasenbedingungen
ist. Wenn Phasenfehler auftreten, liegt die Spannung aus dem Phasendetektor über oder
unter den Bezugsspannungen und veranlasst den OPTO-Abschnitt 34 zur
Entregung. Der OPTO-Abschnitt trennt den Phasenüberwachungs-Dreiphasenleistungsbetrieb von der Spannungsumgebung
des Isolationsprüfers 14,
während
das Steuersignal aus dem Phasenmonitor einen Abschnitt der Isolationsprüferschaltung
steuern kann. Dies desaktiviert das normalerweise im EIN-Zustand
befindliche Relais 24, das den Spannungsweg von dem Isolationsprüfer 14 zur
Motorstarterrelaisspule 9 unterbricht. Die Bezugsspannungen
erzeugen einen Bereich von Spannungen oder ein Betriebsfenster,
damit die Spannung des Phasendetektors 32 etwas variieren
kann und noch keinen Phasenfehlerzustand herbeiführt. Die Hysterese ist so vorgesehen,
dass es eine tote Zone zwischen dem Normalbetrieb und den Phasenfehlerzuständen gibt,
damit kleine Leitungsänderungen
aufgehoben werden.
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Eine
Verzögerungsschaltung 35 sorgt
für eine
Zeitverzögerung,
bevor der Phasenfehlerzustand erklärt wird. Dadurch sollen hauptsächlich Störungsausfälle aufgrund
von momentanen Phasenfehlern vermieden werden. Ein Beispiel für diese
Art von Phasenfehler ist, wenn eine Schwermaschine in direkte Koppelung
mit einer vorhandenen Anlage kommt, wodurch ein Stromstoß an der
Dreiphasenleitung erzeugt wird. Dieser Zustand führt dazu, dass die Originalspannung
momentan durchsackt und die Phasendetektorenspannung unter ihre
untere Bezugsspannung abfällt.
Als Folge entregt der Phasenmonitor den Motorstarter 13 und
hält den
Anlagenbetrieb an. Wenn die Leitungsspannung auf Normal aufgrund
einer unbelasteten Leitung ansteigt, versucht der Phasenmonitor 10,
den Motorstarter zu erregen, schaltet aber ab, wenn der Stromstoß die Leitungsspannung
dazu bringt, wieder durchzusacken. Um eine Katastrophe zu vermeiden,
ermöglicht
eine Zeitverzögerung
von weniger als fünf
Sekunden, bevor der Phasenfehlerzustand erklärt wird, dass Schwermaschinen
auf Geschwindigkeit kommen, so dass die Leitungsspannung ansteigt
und der Normalbetrieb beginnen kann. Eine Referenz für die Dreiphasenmonitorschaltung
erhält
man in dem Grant-Patent 4 823 227 für eine Phasenmonitorschaltung.
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Der
Isolationsmonitor 14 hat eine Leistungsversorgung 36 mit
einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler,
die für
alle Relais und die integrierten Schaltungen eine Gleichspannung
von 12 V liefert. Sie bildet auch eine Gleichspannungsquelle von
5 V, die als Bezugsspannung wirkt und eine Oszillatorschaltung in
dem Hochspannungsabschnitt 37 betätigt. Der Hochspannungsabschnitt 37 hat
einen Oszillator, der die Primärseite
eines Hochstuftransformators in Blitzlichtbauweise antreibt, dessen
Sekundärseite
auf eine Gleichspannung von etwa 500 V und einen Gleichstrom von
500 μA gleichgerichtet
und gefiltert wird. Der Isolationsmonitor hat grundsätzlich eine
Bauweise der Art "erzwinge
eine Spannung – erfasse
einen Strom". Die
Gleichspannung von 500 V wird an die Motorwicklungen angelegt und
jeder Leckstrom, der erfasst wird, wird in dem Komparator 38 ausgewertet.
Wenn der von den Messleitungen 15 erfasste Strom eine Spannung
entwickelt, die höher ist
als die 5-Volt-Bezugsgleichspannung
des Komparators 35, wird der Alarm 17 aktiv. Wenn
dieser Zustand eintritt, wird ein Alarmrelais mit einem zweipoligen
Umschalter erregt.
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Ein
Satz der Doppelumschalterkontakte aktiviert einen lokalen Fernalarm.
Der andere Satz von Kontakten unterbricht den Spannungsweg zu der Motorstart-Relaisspule 9,
so dass der Motor nicht starten kann. Wenn der gemessene Strom eine Spannung
entwickelt, die unter der 5-Volt-Gleichspannungsreferenz liegt,
wird das Motorstartrelais 13 nach Abschluss des Relationsprüfzeitraums
aktiviert. Der Isolationsleck-Prüfzeitraum
beginnt, wenn der manuelle Trigger 40 die Start- und Verzögerungsschaltung 41 aktiviert.
Der Trigger 40 kann von einem Quecksilberschalter oder
dergleichen, der in dem Nassbehälter
positioniert ist, durch den steigenden Wasserspiegel betätigt werden.
Die Start- und Verzögerungsschaltung 41 steuert
das Relais, das die Gleichspannung von 500 V an die Leitung 16 zu
den Motorwicklungen anlegt und eine Verzögerung von 15 Sekunden einleitet,
damit die Komparatorschaltung 38 den Isolationswiderstand
der Motorwicklungen bewerten kann. Wenn die Isolationsleckprüfung erfolgreich
ist, wird die Gleichspannung von 500 V an der Leitung 16 und
den Motorwicklungen aufgehoben und das Motorstartrelais 13 darf
erregt werden. Wenn die Isolationsleckprüfung nicht erfolgreich ist,
lässt es der
Alarmabschnitt 17 nicht zu, dass das Motorstartrelais 13 erregt
wird. Eine Isolationsprüfschaltung
ist in unserem älteren
US-Patent 4 716 487 für
Horvath et al. ersichtlich, wobei für den Betrieb der Schaltung Bezug
auf dieses Patent genommen werden kann.
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Die
Phasenüberwachungsschaltung 25 leitet ihre
Betriebsspannung durch die Leitungen 31 ab und kann beispielsweise
eine Dreiphasen-Stromleitung mit 230 V Wechselstrom sein, während der
Isolationsprüfer 14 aus
einer Einzelphasenstromzuführung 28 mit
120 V Wechselspannung betrieben wird. Die Phasenfehleranzeige der
Phasenüberwachungsschaltung
erfordert jedoch, dass die Leistungszuführung 28 des Isolationsmonitors 14 für eine gültige Anzeige
des Phasenfehlers aktiv ist, so dass die Leistungszuführung 28 mit
einer Phase und 120 V Wechselstrom erregt wird, bevor die Dreiphasenleistungszufuhr 12 erregt
wird. Der Dreiphasenmonitor 25 muss messen, dass die Dreiphasenleitungsspannung
in den Leitungen 12 vorhanden oder dass keine Phasenfehler
vorhanden sind, bevor die Isolationsüberwachungsschaltung 14 arbeiten
kann. Wenn der Isolationsmonitor einmal mit einem manuellen Trigger 40 getriggert
worden ist und die Motorwindungen die Isolationsprüfung bestanden
haben, wird der Motor erregt und der Motorbetrieb beginnt. Wenn
in der Anlaufsequenz ein Phasenfehler auftritt, zeigt eine Phasenfehleranzeige
auf und der Isolationsmonitor ist nicht in der Lage, seine Prüfung durchzuführen, auch
wenn der Trigger 40 für
den Isolationsmonitor aktiviert worden ist. Wenn der Phasenfehler
eintritt, während
der Motor 11 läuft,
zeigt die Phasenfehleranzeige an und der Motorstarter 13 fällt aus,
was dazu führt,
dass der Motorbetrieb aufhört.
Wenn der Phasenfehler korrigiert ist, wird der Motorbetrieb unmittelbar
gestartet, es sei denn, dass eine Verzögerung in der Verzögerungsschaltung 35 zum
Einsatz kommt.
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Die
Anlaufsequenz für
die Schaltung 10 umfasst zunächst das Anlegen der Einzelphasenleistung
von 120 V Gleichstrom von der Leistungszuführung 28 aus an die
Motorstarterrelaisspule 9 über die Leitung 42,
dann das Messen der Dreiphasenspannung aus den Motorversorgungsleitungen 12 mit dem
Phasenmonitor 10 und das Einstellen der Spannung an dem
Phasenmonitor für
den gemessenen Wert. Dann wird eine Dreiphasenleitungsspannung an
die Motorversorgung 12 über
die Leitungen 29 an den Phasenmonitor 10 angelegt.
Wenn eine Phasenfehleranzeige nicht erfolgt, triggert der Trigger 40 den Isolationsmonitor 14 durch
Anlegen von 120 V Wechselspannung an die Leistungsversorgung 36 und
an die Startverzögerungsschaltung 41.
Wenn der Motor die Isolationsmonitorprüfung besteht, erregt der Motorstarter 13 den
Motor 11 und es beginnt der Motorbetrieb.
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Es
sollte jetzt deutlich sein, dass der Elektromotormonitor zum Überwachen
einer Schaltung bereitgestellt wurde, die den Elektromotor entregt,
bevor die Maschine zu arbeiten beginnt, und zwar immer dann, wenn
die Überwachungsschaltung
ein Isolierleck der Elektromotorwicklungen mit einem vorgegebenen
Wert erfasst hat und den Elektromotor immer dann entregt, wenn eine
Dreiphasenmonitorschaltung eine nicht korrekte Phaseneinstellung
oder Spannung erfasst hat. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, die
als erläuternd
und nicht als einschränkend
anzusehen sind.