DE69833097T2 - Erdschlussüberwachungs- und Schutzverfahren für einen Wechselstrommotor mit veränderlicher Geschwindigkeit - Google Patents

Erdschlussüberwachungs- und Schutzverfahren für einen Wechselstrommotor mit veränderlicher Geschwindigkeit Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Diese Beschreibung betrifft ein Induktionsmotorantriebssystem mit variabler Frequenz und insbesondere ein derartiges System in Verbindung mit einer eintauchbaren Wasserpumpe.
  • Tiefbrunnentauchpumpen für die Versorgung von Wohngebieten bzw. -einheiten, die momentan auf dem Markt erhältlich sind, werden durch zweipolige Wechselstrom(AC)-Induktionsmotoren angetrieben, die eingekapselt oder abgedichtet worden sind, um ein Eintauchen in dem Brunnen zu überstehen. Der Statorteil des Motors ist mit einem Epoxydharz (oder einem sonstigen geeigneten Material) vergossen, der ihn für Feuchtigkeit undurchdringbar macht. An den Motoranschlüssen muss ein elektrischer Draht einer beträchtlichen Länge angeschlossen werden, um dem Motor Leistung zuzuführen, wenn dieser bei Tiefen von bis zu 122 m (400 Fuß) betrieben wird. Der Installateur des Pumpsystems muss diesen Anschluss herstellen und ist daran interessiert, eine wasserdichte Verbindung zu schaffen, um Erdschlusspfade zu vermeiden. Installationsanweisungen heben die Wichtigkeit der Wasserdichtheit dieser Verbindungen und der Überprüfung eines Erdschlusses vor der Zuführung von Leistung zu dem System hervor. Jedoch ist vernünftigerweise anzunehmen, dass Fehler auftreten und periodisch Leistung zugeführt wird, während Erdschlusspfade vorhanden sind.
  • Die herkömmlichen Pumpsysteme für Brunnen für Wohneinheiten werden mit Energie von einem Abzweigschalter ver sorgt, der keinen Erdschlussunterbrecher (GFI, Ground Fault Interrupter) enthält. Die Stromleitungen sind über einen (zweipoligen Ein-/Aus-)Druckschalter mit den beiden Eingangsanschlüssen eines Einphasenmotors verbunden. Die gesamten Drahtlängen zwischen dem Druckschalter und dem Motor können sogar 152 m (500 Fuß) betragen, wobei ein Teil dieser Länge in der Erde vergraben liegt und der Rest in dem Brunnen versenkt ist. Wenn der Systemdruck unterhalb eines vorausbestimmten Niveaus fällt, schließt der Druckschalter, wodurch jede Seite der Stromleitung mit einem der beiden Motoranschlüsse verbunden wird.
  • Der am weitesten verbreitete Motor in dem herkömmlichen System ist ein Einphasen-Induktionsmotor mit 0,5595 kW (3/4 hp) Leistung und wird von einer einphasigen Spannungsquelle mit 230 Volt, 60 Perioden pro Sekunde versorgt. Das Spannungs- bzw. Stromversorgungssystem ist in der Mitte geerdet, d. h. das elektrische Potential jedes der beiden Leiter, die dem Druckschalter Leistung zuführen, beträgt 115 Volt über dem Erdpotential. Es ist allgemein bekannt, dass Risse oder sonstige Fehlstellen in der Motorbaugruppe, die ein Eindringen von Wasser zulassen, zu einem Erdschluss des elektrischen Stroms führen und schließlich einen direkten Erdungsfehler hervorrufen können. Außerdem kann jeder Kontakt zwischen dem Brunnenwasser und den Leitungen, die Strom von dem Brunnenkopf zu dem eingetauchten Motor führen, ebenfalls zu einem Kriechstrom zwischen dem Spannungsversorgungssystem und der Erde führen. Dieser Abschnitt der Leitungsführung zwischen dem Druckschalter und dem Brunnenkopf ist ebenfalls für einen Erdschluss anfällig. Die drei gewöhnlichsten Ursachen für Erdschlussfehler in diesen Systemen sind 1) Verlust der Intaktheit der Isolation an dem Motorstator, 2) Kontakt der Stromleiter mit dem Brunnenwasser an den Anschlussstellen und 3) Ausbrüche in der Isolation, die auftreten, wenn die Pumpe in den Brunnen herabgelassen wird. Falls der Abzweigunterbrecher in dem herkömmlichen System eine GFI-Funktion enthält, wird der Unterbrecher den Erdschlussstrom erfassen, wenn der Druckschalter schließt, und wird auslösen, wodurch der Einwohner alarmiert wird, dass ein Erdschlussfehler vorliegt. Wenn der Abzweigunterbrecher die GFI-Funktion nicht enthält, wird das System fortfahren zu arbeiten, bis der Erdschluss ein ausreichendes Maß erreicht, um den Unterbrecher aufgrund eines Überstroms auszulösen. In einem herkömmlichen System wie diesem ist ein zusätzlicher Komponentenausfall, der von Erdschlüssen in der Leitungsführung zwischen dem Druckschalter und dem Motor herrührt, unwahrscheinlich.
  • Mit dem momentan kommerziell erhältlichen herkömmlichen System sind mehrere Unzulänglichkeiten verbunden, zu denen beispielsweise die Folgenden gehören: (1) Für einen Pumpen-Motor-Durchmesser von 10,16 cm (4 Zoll) ist eine Brunnenwand von 12,7 cm (5 Zoll) erforderlich, was beträchtliche Kosten beim Bohren eines Brunnens verursacht; (2) Wenn ein Brunnen leer gepumpt wird, kann die Pumpe beschädigt werden, weil die Lager durch das Wasser geschmiert und gekühlt werden und fehlendes Wasser zu Lagerdefekten führen kann, wenn der Wasserlinie an dem Brunnenkopf nicht ein Durchflusswiderstand beigefügt wird, um zu verhindern, dass die Ausgangsströmung größer ist als die Wiederherstell- oder Erholungsrate des Brunnens; (3) Sand, Steinsplit und sonstige Fremdkörper in dem Brunnen können die Pumpe veranlassen, sich festzufressen oder anzuhalten, was zu einem blockierten Motorzustand führt, der eine Überhit zung und Beschädigung des Motors hervorrufen kann; (4) Wenn die Leiterspannung gering ist, wird erzwungen, dass der Motor bei einer geringeren magnetischen Flussstärke als dem Nennmagnetfluss arbeitet, so dass folglich mehr Strom erforderlich ist, um das gleiche Drehmoment zu erzeugen, was zu einer Überhitzung und der Möglichkeit eines eventuellen Ausfalls des Motors führt; (5) Ein Starten des Motors durch Verbindung über die Wechselstromleitung führt zu einem beträchtlichen Anstieg des Eingangsstroms bei jedem Start und häufigen Neustarts, beispielsweise denjenigen, die auftreten, wenn Leistung während Gewitter häufig unterbrochen wird, was ebenfalls zu einer Überhitzung und einem Fehler des Motors führen kann; und (6) Aufgrund des mit jedem Start verbundenen Aufheiznachteils muss die Hysterese in dem Druckschalter auf einen Wert erhöht werden, der ausreichend groß ist um sicherzustellen, dass der Motor nicht zu häufig neu startet, wodurch der Heimbesitzer gezwungen wird, Druckschwankungen zwischen Pumpenanläufen von sogar bis zu 50 % zu dulden.
  • Ein Verfahren zur Erfassung von Erdschlussfehlern in Wechselstrom-Elektromotoren, das auf der Verwendung eines Stromdetektors basiert, ist in der JP-A-07-239359 beschrieben. Dieses Dokument veranschaulicht einen Elektromotor (vgl. 3), der mit einem Schaltinverter gekoppelt ist, der für jede Phase des Motors ein Paar von Schaltern (11-16) aufweist, die seriell zwischen einer Sammelleitung mit positiver und einer Sammelleitung mit negativer Gleichspannung angeschlossen sind. Um eine geschaltete elektrische Leistung für den Motor bereitzustellen, werden die Schalter abwechselnd in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand angesteuert. Zur Erfassung eines Erdschlusses weist der Inverter Stromdetektoren (23, 25) in Leitungen auf, die die Phasen der Schalter verbinden. Vor der Erregung des Motors wird das Vorliegen eines Erdschlusspfads erfasst, indem Ansteuerimpulse auf einzelne Schalter angewandt und der Strom in den Stromdetektoren überwacht wird. Ein verbessertes Pumpsystem, das sich diesen Unzulänglichkeiten widmet, ist in der EP-A-0 833 436 mit dem Titel „High Speed Deep Well Pump for Residential Use" beschrieben. Dieses System verwendet eine Halbleiter-Stromversorgungseinheit zur Umwandlung einer einphasigen Spannung von 230 Volt und 60 Hz in eine Dreiphasenspannung mit 230 Volt und variabler Frequenz, die es ermöglicht, die Pumpenmotordrehzahl in einem Bereich zwischen 0 und 10.000 Umdrehungen pro Minute zu steuern. Ein derartiges Pumpsystem kann die vorstehend aufgezeigten Unzulänglichkeiten überwinden, während es eine bessere Druck geregelte Wasserversorgung ergibt, bei der Schwankungen des Drucks auf viel kleinere Grade begrenzt werden, wobei eine in der Mikrocontrollersoftware inbegriffene Intelligenz das Auftreten von Steuerungsproblemen erfassen, geeignete Schutzmaßnahmen vornehmen und den Heimbesitzer über das Problem alarmieren kann. Das Vorliegen eines Erdschlusszustandes wirft jedoch für ein derartiges System besondere Probleme auf.
  • 2 zeigt eine schematisierte Darstellung der in der vorerwähnten EP-A-0 833 436 beschriebenen Stromversorgungsschaltung zur Zuführung von Leistung zu einer Tauchpumpe in einem Wassersystem für eine Wohneinheit. Die Spannungsquelle ist eine einphasige, mittig geerdete Quelle mit 230 Volt und 50/60 Hz, die an einen Brückengleichrichter angeschlossen ist, der Dioden 16, 18, 20 und 22 beinhaltet. Dieser Gleichrichter wandelt die 50/60 Hz-Quellspannung in eine gleichgerichtete Vollwellenspannung um. Der Ausgang des Brückengleichrichters ist mit einer positiven und einer negativen Sammelleitung (Bus) 24, 25 verbunden. Zwischen den beiden Sammelleitungen ist ein Kondensator 26 angeschlossen, um die Spannung zu glätten, wodurch die Effekte der Brummspannung, die der gleichgerichteten Vollwellenspannungsquelle anhaftet, auf ein Minimum reduziert werden. Eine Drehstrombrückenanordnung 27 von Leistungsschaltvorrichtungen 28, 30, 32, 34, 36 und 38, die gewöhnlich entweder durch Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors) oder durch Feldeffekttransistoren (FET) gebildet sind, wird dazu verwendet, das gefilterte Ausgangssignal des Brückengleichrichters in eine Leistungsquelle mit variabler Spannung und variabler Frequenz zu wandeln, um die Drehzahl und das Drehmoment des Induktionsmotors in einer in der Technik allgemein bekannten Weise zu steuern. Die Ausgabe der Drehstrombrücke 27 ist eine erdsymmetrische dreiphasige Spannung, die entweder durch ein Sinussignal oder ein Rechtecksignal gebildet sein kann, wobei das Volt-Sekunden-Verhältnis jeder Periode durch das allgemein bekannte Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) konstant gehalten wird. Es sollte erwähnt werden, dass über jedem der Leistungsschalter in der Drehstrombrücke eine Leistungsdiode in einer umgekehrt parallelen Anordnung angeschlossen ist, um einen Weg für einen Strom in Sperrrichtung durch jede Schaltstellung zu schaffen, wobei diese Diode in 2 aus Einfachheitsgründen nicht veranschaulicht ist. In der negativen Sammelleitung ist zwischen dem Filterkondensator 26 und der Drehstrombrücke ein Strom erfassender Widerstand 29 angeschlossen, um eine Steuerungseinrichtung 42 mit den Signalen zu versorgen, die für Schutz- und Regelungsfunktionen erforderlich sind.
  • Die Schaltvorrichtungen (IGBT/FET) der Drehstrombrücke weisen eine schnelle Einschaltcharakteristik auf, die gewöhnlich zwischen 15 und 100 Nanosekunden liegt, und das Ergebnis ist eine schnell ansteigende Stromwellenfront, die durch den Strom erfassenden Widerstand 29 führt, wobei aufgrund der parasitären Induktivität dieses Widerstands eine Spannungsspitze über dem Widerstand 29 während des Schaltintervalls auftritt. Das Stromregelungssystem interpretiert die Spannung über dem Fühlwiderstand 29 als ein Stromanalogon, und die Spannungsspitze wird fehlerhaft als ein schnell ansteigender Überstrom interpretiert, was zu einer unkorrekten Reaktion durch das Stromschutzsystem führt. Zu dem System muss ein Filter, das Widerstände 84 und 86 sowie einen Filterkondensator beinhaltet, hinzugefügt werden, um zu verhindern, dass die Überstromschutzfunktion eine unrichtige Reaktion hervorruft. Die Auswahl der Komponentenwerte für dieses Filter stellt einen Konstruktionskompromiss zwischen der Aufrechthaltung eines schnell wirkenden Überstromschutzes und der Vermeidung lästiger Überstromauslösungen dar. Jedoch hat das vorhandene Filter stets eine Verzögerung in dem Stromerfassungssignal zur Folge, die es schwierig macht, die zum Schutz der Schaltvorrichtungen 28-38 erforderliche Geschwindigkeit zu erzielen, wenn in dem Ausgangsschaltkreis ein Kurzschluss auftreten sollte.
  • Eine Phantomleitung 39 kennzeichnet einen Erdschluss an einer der Motorleitungen für die Zwecke der Veranschaulichung. Der Erdschluss kann von einer eingerissenen Isolierung, von schlecht isolierten Motoranschlussverbindungen oder von einer Motorstatorableitung zur Erde herrühren. Ferner kann es ein hochohmiger Kriechweg oder ein niederohmiger fester Weg sein. Unter der Annahme, dass vor einem Motorstart ein Kurzschluss zur Erde vorliegt und ferner dass die Eingangsstromleitung die angezeigte Polarität aufweist, führt die Ansteuerung einer an die positive Spannung angeschlossenen Vorrichtung, beispielsweise 32, zu einem Kurzschluss von dem positiven Spannungsanschluss 12 über die Diode 16, den Leistungsschalter 32, über den Kriechweg 39, durch die Stromschaltungserde und zurück zu der negativen Seite der Spannungsquelle. Dies hat zur Folge, dass eine Wechselspannung von 115 Volt an die beschriebene Schaltung angelegt wird. Es ist insbesondere zu bemerken, dass dieser Weg nicht den Stromsensor 29 enthält und die Steuerung somit keine Möglichkeit hat festzustellen, dass der Kurzschluss aufgetreten ist, so dass sich wahrscheinlich der Ausfall eines oder mehrerer Leistungsschalter der positiven Seite ergibt, lange bevor irgendeine Schutzfunktion aktiviert werden kann.
  • Wenn jedoch angenommen wird, dass der erste Leistungsschalter, der angesteuert werden soll, durch eine Zelle auf der negativen Seite, beispielsweise 38, gebildet ist, verläuft die Kurzschlussschleife, die ausgelöst wird, wenn der Schalter 38 angesteuert wird, von der Quellspannungsleitung 14 durch die Systemerde, durch den Kriechweg 39, durch den Schalter 38, den Stromsensor 29 und die Diode 22 hindurch. Dieser Weg enthält den Stromsensor 29, so dass der Fehlerstrom theoretisch erfasst werden kann. Wenn jedoch der Kurzschluss sehr niederohmig ist, steigt der Strom in der Schleife derart schnell an, dass die Verzögerungen in dem vorstehend beschriebenen Filter es zulassen, dass der Strom auf Stärken ansteigt, die hinreichend sind, um den Leistungsschalter 38 zu zerstören, bevor die Stromschutzfunktion die Zeit hat zu arbeiten. Somit ist ersichtlich, dass eine Ansteuerung eines Schalters auf der positiven Seite seine Zerstörung nach sich zieht, weil der Stromweg nicht einen Stromsensor umfasst, während die Ansteuerung einer Zelle auf der negativen Seite aufgrund von Verzögerungen, die in die Schutzfunktion eingeführt worden sind, um ärgerliche Auslösungen oder fehlerhafte Abschaltungen zu vermeiden, seine Zerstörung zur Folge haben kann. Demgemäß ist es erwünscht, ein Verfahren zur Erfassung von Erdschlusspfaden vor dem Anlegen der vollen Spannung an die Drehstrombrücke zu schaffen.
  • Unter den verschiedenen Aufgaben der vorliegenden Erfindung kann die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen in einem elektrischen Motorantriebssystem und die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erfassung derartiger Erdschlussfehler vor der Anwendung der vollen elektrischen Energie auf das System hervorgehoben werden. Diese Aufgaben werden durch das im Anspruch 1 definierte Verfahren, durch die Vorrichtung nach Anspruch 7 und durch das System nach Anspruch 13 gelöst.
  • In einer Anschauungsform ist die Erfindung in einer Mikroprozessor basierten Steuerungseinrichtung für ein elektrisches Antriebssystem für einen mehrphasigen Elektromotor in einem Wasserbrunnenpumpsystem realisiert. Das Antriebssystem enthält eine Mehrphasenbrückenschaltung, die als ein PWM-Inverter betrieben werden kann, um dem Motor Leistung mit gesteuerter Frequenz zuzuführen, um die Motor drehzahl über einem weiten Bereich zu regulieren. Da, wie vorstehend beschrieben, eine Ansteuerung einer beliebigen der Schaltvorrichtungen in dem Inverter in dem normalen leitenden Zustand zu einem Ausfall des System führen kann, basiert die Erfindung auf der Erkennung, dass beim Fehlen eines Erdschlusspfades die Ansteuerung eines Schalters der negativen Seite KEINEN Stromfluss nach sich zieht. Dies umfasst das Fehlstromsignal, das von der schnellen Schaltart des Leitungsschalters herrührt, der mit dem dem Stromsensor immanenten induktiven Blindwiderstand gekoppelt ist. In der im Zusammenhang mit dieser Erfindung beschriebenen Schaltungsanordnung wird jedes Mal, bevor der Motor gestartet wird, jede Schaltvorrichtung, die mit der Sammelleitung (dem Bus) der negativen Spannung verbunden ist, mit einem Testimpuls relativ kurzer Dauer, von zum Beispiel weniger als einer Millisekunde, angesteuert. Zwischen den Ansteuerungen jeder Schaltvorrichtung wird eine ausreichende Verzögerung eingefügt, um für das momentane Messsystem Zeit zum Ansprechen zu schaffen. Der Ansteuerungsimpuls für jede der negativen Schaltvorrichtungen weist eine ausreichend kurze Dauer auf, um zu verhindern, dass irgendein Fehlerstrom eine Stärke erreicht, die die Schaltvorrichtung beschädigen würde. Falls mit dem ersten kurzen Testimpuls kein Strom erfasst wird, wird ein zweiter Satz von Ansteuerungsimpulsen mit einer längeren Dauer angewandt, um eine Überprüfung eines höherohmigen Kriechwegs zu ermöglichen. Falls mit dem zweiten Satz von Ansteuerungsimpulsen kein Stromfluss erfasst wird, wird angenommen, dass kein Erdschlusspfad existiert, und die Steuerungseinrichtung fährt fort, den Motor anzutreiben.
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben ist, in denen zeigen:
  • 1 eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen Wasserpumpsystems, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;
  • 2 ein vereinfachtes schematisiertes elektrisches Schaltbild eines Steuerungssystems für das Wasserpumpsystem nach 1, das die Lehre der vorliegenden Erfindung einbezieht; und
  • 3 ein Flussdiagramm eines Programms zur Realisierung der vorliegenden Erfindung in dem System nach 2.
  • 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Tiefbrunnenpumpsystem, das eine Pumpe 1 und einen Wechselstrominduktionsmotor 2 enthält, die in einer Bohrung 3 in einer Tiefe angeordnet sind, die bei einer Tiefe von ungefähr 122 m (400 Fuß) liegen kann. Wasser in der Bohrung 3 kann durch ein Rohr 4 zu einem blasenartigen Speicherbehälter 5 gepumpt werden, von dem aus es über ein Rohr 6 zu einem Wohnungsbenutzer verteilt wird. Eine Steuerungseinrichtung 7 spricht auf Wasserdrucksignale von einem Drucksensor 8 über eine Leitung 9 an, um eine Wechselstromanregung variabler Frequenz für den Motor 2 bereitzustellen. Die Steuerungseinrichtung 7 empfängt Energie von herkömmlichen Wechselstromenergieversorgungsleitungen. Wenn der Wasserdruck kleiner ist als ein im Voraus gewählter niedriger Sollwert, liefert der Sensor 8 ein erstes Signal, das die Steuerung 7 veranlasst, den Pumpenmotor 2 zu erregen. Wenn der Wasserdruck über einen im Voraus gewählten hohen Sollwert hinaus steigt, liefert der Sensor 8 ein zweites Signal, das die Steuerungseinrichtung 7 veranlasst, die Erregung von dem Motor 2 zu trennen.
  • Bezugnehmend nun auf 2 ist dort ein vereinfachtes Schaltbild einer Motorantriebsschaltung und -steuerungseinrichtung zur Verwendung als die Steuerung 7 in dem System nach 1 in einer schematisierten Weise dargestellt. Die Antriebsschaltung ist an die Wechselspannung von einem herkömmlichen elektrischen Energieversorgungssystem angeschlossen, das eine Nennspannung von 220 Volt Wechselspannung bei 60 Hz (obwohl bemerkt werden sollte, dass eine Quelle mit 300 Volt Gleichspannung ebenfalls verwendbar ist) über die beiden Energiezufuhrhauptleitungen 12, 14 liefert, die mit Wechselstromeingangspunkten an einer Brückengleichrichterschaltung verbunden sind, die Dioden 16, 18, 20 und 22 umfasst. Die Kathodenanschlüsse der Dioden 16, 18 sind mit einer positiven Sammelleitung (einem positiven Bus) 34 verbunden, während die Anodenanschlüsse der Dioden 20, 22 mit einer negativen Sammelleitung (einem negativen Bus) 25 verbunden sind. Zwischen der positiven Sammelleitung und der negativen Sammelleitung ist ein Sammelleitungsfilterkondensator 26 angeschlossen, um einen Pfad für Blindleistungsfluss von einer induktiven Last zu ermöglichen, d. h. der gesamte Leistungsfluss in der negativen und der positiven Sammelschiene auf der linken Seite des Kondensators 26 (Gleichrichter zum Kondensator) stellt eine Wirkleistung dar, während der Leistungsfluss in der positiven und der negativen Sammelschiene auf der rechten Seite des Kondensators 26 (Kondensator-zu-Last-Schaltung) sowohl Wirk- als auch Blindleistungskomponenten umfasst. Die positive Sammelleitung 24 ist mit einer positiven Spannungsseite einer Ausgangsleistungsbrücke 27 verbunden, die sechs Leistungsvorrichtungen 28, 30, 32, 34, 36 und 38 umfasst. Eine negative Spannungsseite der Leistungsbrücke 27 ist mit der negativen Sammelleitung 25 über einen Strom erfassenden Widerstand 29 verbunden. Der Ausgang der Leistungsbrücke ist an die drei Phasenleitungen oder Drehstromleitungen eines Induktionsmotors 40 angeschlossen, der eine Blindlast darstellt. Die Gleichrichterschaltung wandelt die Netzwechselspannung in eine gleichgerichtete Vollwellenspannung auf der Sammelleitung 24 in Bezug auf die Sammelleitung 25. Die Leistungsbrücke 27 kann als ein Inverter betrieben werden, um die Spannung zwischen den Sammelleitungen 24 und 25 in eine Wechselspannung gesteuerter Frequenz zur Steuerung der Drehzahl des Motors 40 zu wandeln. Die Brücke 27 kann ferner (falls der Motor 40 in einem Generatormodus betrieben wird) eine Wechselspannung des Motors 40 in eine Gleichspannung wandeln, die zurück in die Gleichspannungssammelleitungen 24, 25 eingekoppelt wird.
  • Die ausgangsseitige Leistungsbrücke 27 ist durch eine Steuerungsschaltung 41 gesteuert, die einen Mikrocontroller 42 enthält, der Gatesteuersignale zu den sechs Leistungsvorrichtungen 28-38 über eine integrierte Gatesteuerungsschaltung 44 liefert. Von der Steuerschaltung 44 zu den drei Leistungsvorrichtungen 28, 30, 32, die an der positiven Gleichspannungssammelleitung 24 angeschlossen sind, sind drei Gatesteuersignalleitungen 46, 48, 50 angeschlossen, die eine Spannungsquelle benötigen, die von der negativen Sammelleitung 25 beispielsweise durch Verwendung eines Isoliertransformators oder einer sonstigen in der Tech nik allgemein bekannten Einrichtung isoliert ist. Zwischen der Steuerschaltung 44 und den drei Leistungsvorrichtungen 34, 36, 38 sind drei Steuersignalleitungen 52, 54, 56 angeschlossen, die auf die negative Seite der Ausgangsleistungsbrücke bezogen sind und keine Isolierung erfordern.
  • Der Mikrocontroller 42 wird von einem Kondensator 58 an einer A/D-Eingangsleitung 57 mit einem Eingangssignal versorgt, dessen Spannung für die gewünschte Drehzahl des Motors 40 kennzeichnend ist. Ein durch den Mikrocontroller 42 ausgeführtes Softwareprogramm übersetzt die Spannung des Kondensators 58 in eine proportionale Frequenz. Der Mikrocontroller 42 erstellt ausgehend von der Frequenzwandlung einen Satz von Pulsweitenmodulations(PWM)-Signalen zur Steuerung der Schaltvorrichtungen der Ausgangsleistungsbrücke oder des Inverters 27. Die PWM-Signale werden durch den Mikrocontroller 42 in einer allgemein bekannten Weise erzeugt und dienen dazu, die Schaltvorrichtungen in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand in einer Weise zu steuern, um eine dreiphasige Ausgangsspannung zur Anwendung auf den Motor 40 zu erzeugen, wobei die Signalform der an den Spannungseingangsanschlüssen des Motors 40 erscheinenden Ausgangssignale eine annähernd sinusförmige Gestalt bei der durch den Mikrocontroller 42 festgesetzten Frequenz aufweist. Die Schaltvorrichtungen können durch Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors), vom Gate her abschaltbare Vorrichtungen (GTO, Gate Turn-Off) oder sonstige geeignete elektronische Schaltelemente gebildet sein. Die Amplitude der an den Motor 40 angelegten Dreiphasenspannung wird derart gesteuert, dass der Effektivwert oder quadratische Mittelwert (RMS) der Amplitude der Leiter-Leiter-Spannung, die den Span nungseingangsanschlüssen des Motors 40 zugeführt wird, eine mit der Frequenz multiplizierte Konstante ist, so dass der Motor in einem Modus mit konstanter Voltzahl pro Hertz betrieben wird. Somit umfasst die Hauptsteuerung des Motors 40 eine Steuerung der Spannung an dem Kondensator 58.
  • Ein Differenzverstärker 60 sorgt für die Hauptansteuerung zur Ladung und Entladung des Kondensators 58, um den Motor 40 zu starten, zu beschleunigen, zu verzögern und zu stoppen. Wenn die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 60 höher ist als die Spannung an seinem invertierenden Eingangsanschluss, geht der Verstärkerausgang auf ungefähr 12 Volt, d. h. die Spannung an der positiven Sammelleitung 62, über. Der Kondensator 58 ist an dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 60 über einen Ladewiderstand 64 angeschlossen und beginnt, sich über den Widerstand 64 auf die Ausgangsspannung des Verstärkers 60 aufzuladen. Jedoch ist der Kondensator 58 ferner über eine Diode 66 mit einer Sammelleitung 68 niedrigerer Spannung, z. B. einer Sammelleitung mit 5 Volt, verbunden. Wenn die Spannung an dem Kondensator 58 5 Volt erreicht, wird die Diode 66 in Durchlassrichtung vorgespannt und verhindert, dass die Kondensatorspannung einen Spannungspegel von 5 Volt oder irgendeine niedrigere Spannung, die an der Sammelleitung 68 anliegt, übersteigt. Diese Kombination der Aufladung gegen eine Endspannung von 12 Volt und einer Spannungsklemmung, wenn das Niveau einen im Voraus gewählten niedrigeren Spannungswert, beispielsweise 5 Volt, erreicht, führt zu einem annähernd linearen Betrieb während des Aufladevorgangs. In einem ähnlichen Vorgang wird, wenn die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 60 unterhalb der Spannung an dem invertie renden Eingangsanschluss fällt, die Ausgabe des Verstärkers 60 auf annähernd 0 Volt geschaltet, und der Kondensator beginnt, sich gegen 0 Volt zu entladen.
  • Der invertierende Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 60 ist mit einem Verbindungspunkt eines Spannungsteilers verbunden, der Widerstände 68 und 70 aufweist, die in Reihe zwischen der positiven 12 Volt-Sammelleitung 62 und, der gemeinsamen oder negativen Sammelleitung 65 angeschlossen sind. Die Werte der Widerstände 68 und 70 sind gewählt, um den Spannungspegel des invertierenden Eingangsanschlusses bei ungefähr der Hälfte der Spannung an der Sammelleitung 62 oder bei ungefähr 6 Volt zu halten. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Verstärkers 60 ist über einen Widerstand 72 mit einem Anschluss eines Schalters 74 verbunden, der in der veranschaulichten Ausführungsform den Wasserdruckschalter 80 nach 1 repräsentiert und derart angeordnet ist, dass er schließt, wenn der Wasserdruck kleiner ist als der gewählte minimale Wert von z. B. 2,068 bar (30 psi), und dass er öffnet, wenn der Wasserdruck oberhalb eines ausgewählten maximalen Wertes von z. B. 4,14 bar (60 psi) liegt. Ein zweiter Anschluss des Schalters 74 ist mit der Spannungssammelleitung 62 verbunden. Der Widerstand 72 und ein Kondensator 76 bilden ein Rausch- oder Störfilter an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 60. Somit geht der Ausgang des Differenzverstärkers 60 kurze Zeit, nachdem der Druckschalter 74 schließt, in den hohen Zustand und kurze Zeit, nachdem er öffnet, in den niedrigen Zustand über, wobei die Zeitverzögerung durch die Werte des Widerstandes 72 und des Kondensators 76 festgelegt ist. Zwischen dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 60 und der negativen Sammelleitung 25 ist ein Spannungsteiler, der Widerstände 78 und 80 aufweist, angeschlossen, um ein Eingangssignal an den Mikrocontroller 42 auszugeben, wenn der Verstärker 60 geschaltet wird. Das Störfilter liefert entprellte Schließ- und Öffnungssignale des Druckschalters zu dem Mikrocontroller über den Verstärker 60 und den Spannungsteiler 78, 80.
  • Falls zugelassen wird, dass die Frequenz der auf den Motor 40 angewandten Anregung wesentlich über die Motordrehzahl ansteigt, wird der Schlupf zu groß, während das Drehmoment abnimmt und der Motor durch Überlastung blockieren und übermäßig Strom ziehen kann. Dieses Problem wird durch eine Reduktion der Frequenz in Abhängigkeit von dem Motorstrom überwunden.
  • Ein zu dem Motor- oder Leistungsbrückenstrom proportionales Signal wird durch den ohmschen Shunt 29 einem Differenzverstärker 82 über Eingangswiderstände 84 und 86 zugeführt, die von entgegengesetzten Enden des Shunts 29 an dem invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 82 angeschlossen sind. Ein (nicht veranschaulichter) Filterkondensator verlangsamt in Verbindung mit den Widerständen 84, 86 die Ansprechzeit des Stromsensors, um eine Überreaktion auf momentane Übergangsvorgänge zu verhindern. Das Verhältnis zwischen der Größe eines Rückführungswiderstands 88 (der zwischen dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 82 und seinem invertierenden Eingangsanschluss angeschlossen ist) und der Größe des Eingangswiderstands 84 wird dazu verwendet, den Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 82 festzusetzen. Die Ausgabe (oder Stromamplitude) des Verstärkers 82 wird mit einem Referenzwert verglichen, der von dem Mikrocontroller 42 über einen Differenzverstärker 90 geliefert wird. Wenn der Strom in der Leistungsbrücke höher ist als der durch den Referenzwert gekennzeichnete Strom, schaltet der Verstärker 90 derart, dass sein Ausgangsanschluss in den niedrigen Zustand gezogen wird. Da der Ausgangsanschluss des Verstärkers 90 über eine Diode 92 und einen Widerstand 94 mit dem Kondensator 58 verbunden ist, wird der Kondensator 58 durch einen durch den Widerstand 94 und die Diode 92 zu dem Verstärker 90 führenden Stromfluss entladen. Der Widerstand 94 ist derart gewählt, dass seine Größe kleiner ist als die des Ladewiderstands 64, um sicherzustellen, dass beim Auftreten eines Überstroms die Frequenz der dem Motor 40 zugeführten Spannung verringert ist. Als ein weiteres Merkmal kann der Mikrocontroller 42 ferner programmiert sein, um die Ladung an dem Kondensator 58 über eine Diode 96, die zwischen einem Ausgang des Mikrocontrollers 42 und dem Widerstand 94 angeschlossen ist, zu verringern.
  • Wie in der Induktionsmotortechnik allgemein bekannt, beginnt der Motor, wenn die Frequenz der an den Motor angelegten Anregungsspannung schneller verringert wird, als der Motor verlangsamen kann, als ein Induktionsgenerator zu arbeiten, der kinetische Energie in elektrische Energie wandelt. Da die Diodenbrücke mit den Dioden 16-22 jedoch rückwärtsfließende Leistung nicht handhaben kann, führt die durch den Motor erzeugte Leistung zu einem kontinuierlichen Anstieg der Spannung an dem Sammelleitungskondensator 26 und kann, wenn ein weiterer Anstieg zugelassen wird, den Spannungspegel der Sammelleitung auf ein ausreichend hohes Niveau erhöhen, um die Leistungsschalter 28-38 des Inverters zu beschädigen. Um zu verhindern, dass ein derartiges Ereignis auftritt, enthält das System einen Mechanismus zum Halten oder Erhöhen der Anregungsfrequenz, falls die Spannung der Sammelleitung bis oberhalb eines ausgewählten Niveaus ansteigt. Insbesondere sind eine Zehnerdiode 98 und ein Widerstand 100 in Reihe zwischen der positiven Sammelleitung 24 und dem Kondensator 58 angeschlossen. Die Betriebsspannung der Zehnerdiode 98 ist derart gewählt, um einen vernünftigen Sicherheitsspielraum zwischen dem maximal zulässigen Wert der Spannung an der Sammelleitung 24 und der Spitzenbetriebsspannung der Leistungsstromkreiskomponenten 28-38 zu schaffen. Wenn die Spannung der Sammelleitung 24 den für die Zehnerdiode 98 ausgewählten Wert übersteigt, ergibt der Strom durch die Diode 98 und den Widerstand 100 einen Ladestrom zu dem Kondensator 58, wodurch die Frequenz der dem Motor 40 zugeführten Anregung erhöht und die Motorarbeitsweise vom Generator- zum Motorbetrieb gewechselt wird. Dieses System erzwingt somit, dass die Verzögerungsrate auf eine Rate begrenzt wird, bei der die Last (z. B. die Pumpe) an dem Motor die kinetische Energie aufnehmen kann.
  • Im Allgemeinen wird in einem Wassersystem einer Wohnung oder eines Wohnhauses, die bzw. das durch eine dedizierte Pumpe versorgt wird, ein Wasserdrucksensor dazu verwendet, die Pumpe „EIN"- und „AUS"-zuschalten, um den Druck in der Wohnung oder dem Wohnhaus innerhalb vorgegebener Grenzwerte aufrecht zu erhalten. Die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Druckgrenzwert wird häufig als Hystereseband bzw. -bereich bezeichnet. In einem typischen System kann der obere Grenzwert bei 4,137 bar (60 psi) festgelegt sein, während der untere Grenzwert bei 2,758 bar (40 psi) festgesetzt werden kann. Dies führt zu einem Hystereseband von 1,359 bar (20 psi). Wenn in einem derar tigen System der Wasserdruck der Wohnung oder des Wohnhauses auf 2,758 bar (40 psi) fällt, schließt der Druckschalter und setzt ein, den Motor einzuschalten, der die Wasserpumpe antreibt. In den gegenwärtig erhältlichen Pumpsystemen verbindet der Druckschalter, wenn er schließt, die beiden Anschlüsse eines Einzelphaseninduktionsmotors mit der 60 Hertz Netzleitung, und der Motor entwickelt ein Drehmoment, das bei einem anfänglichen niedrigen Wert anfängt und steigt, wenn sich die Motordrehzahl erhöht. Gegebenenfalls erreicht der Motor eine Drehzahl von ungefähr 3500 U/Min, und die Pumpe läuft weiter, bis der Druck 4,137 bar (60 psi) erreicht. An dieser Stelle öffnet der Druckschalter, wodurch der Pumpenmotor von der Netzwechselspannungsleitung getrennt wird.
  • Das System nach 2 arbeitet in der gleichen allgemeinen Weise, abgesehen davon, dass der Druckschalter dazu verwendet wird, der Steuerungseinrichtung 42 zu signalisieren, eine Anwendung von Ansteuersignalen auf die Schaltvorrichtungen 28-38 des Inverters 27 zu initiieren, um dem Motor 40 eine Dreiphasenspannung mit gesteuerter Frequenz zuzuführen.
  • Wenn der Druckschalter 74 geschlossen ist, werden auf die Störfilterkombination aus dem Widerstand 72 und dem Kondensator 76 12 Volt angelegt. Die Zeitkonstante dieser RC-Kombination ist ausreichend groß gewählt, um Rauschen zu unterdrücken, jedoch ausreichend klein, so dass sie bei dem Übergangsbetrieb der Schaltung keinen wesentlichen Einfluss hat. Somit ist die Spannung an dem Kondensator 76 größer als die Spannung an dem Mittelpunkt der Widerstände 68 und 70. Infolgedessen ist das Signal des nichtinvertierenden Eingangs des Verstärkers 60 größer als das des invertierenden Eingangs, so dass die Verstärkerausgangsspannung auf 12 Volt übergeht. Der Kondensator 58 beginnt, sich gegen die 12 Volt Ausgangsspannung des Verstärkers 60 aufzuladen. Der Mikrocontroller 42 wandelt die Spannung an dem Kondensator 58 in eine zugehörige Frequenz um und erzeugt die Pulsweitenmodulations-Ansteuersignale, die an die IGBT-Gatesteuerschaltung 44 angekoppelt werden. Die Gatesteuerschaltung wandelt die PWM-Signale in geeigneter Werte zur Anwendung auf die Gateanschlüsse jeder der Schaltvorrichtungen 28-38 um. Da die Schaltvorrichtungen 28-38 in den leitenden und nichtleitenden Zustand gesteuert werden, wird die Gleichspannung, die über der Gleichspannungssammelleitung 14 und 16 auftritt, in eine Dreiphasenspannung zur Anwendung auf die Anschlüsse des Motors 40 umgewandelt. Wenn der Strom in dem Motor 40 beginnt anzusteigen, steigt der durch den Strom erfassenden Widerstand 29 fließende Strom direkt proportional hierzu. Die über dem Erfassungswiderstand 29 erzeugte Spannung wird durch den Differenzverstärker 82 verstärkt und in dem Differenzverstärker 90 mit einem gewünschten Strompegel verglichen, der durch den Mikrocontroller 42 bereitgestellt wird. Solange der durch den Sensor 29 erfasste Motorstrom kleiner ist als die durch den Motorcontroller 42 festgelegte Referenzgröße, ist die Ausgabe des Verstärkers 90 positiv und die Diode 92 in Sperrrichtung vorgespannt. Sollte jedoch der Strom in dem Motor 40 die gewünschte Größe überschreiten, geht das durch den Verstärker 90 erzeugte Ausgangssignal auf ungefähr 0 Volt über, wodurch die Diode 92 in Durchlassrichtung vorgespannt und zugelassen wird, dass Strom von dem Kondensator 58 über die Reihenschaltung aus Widerstand 94 und Diode 92 entzogen wird. Da die Frequenz des dem Motor zugeführten Anregungs signals zu der Spannung an dem Kondensator 58 unmittelbar proportional ist, hat dies zur Folge, dass die Frequenz der Anregung beim Entladen des Kondensators verringert wird. Wenn die Motoranregungsfrequenz verringert wird, wird der Motorschlupf verringert, und der Strom in dem Motor wird ebenfalls verringert. Demgemäß ermöglicht das System nach 2 es, die Anregungsfrequenz des Motors mit einer schnellen Rate von beispielsweise einer Sekunde von 0 bis zur vollen Drehzahl zu erhöhen und verringert die Zeitdauer, die der Motor zum Erreichen der gewünschten Drehzahl benötigt, auf ein Minimum.
  • Falls jedoch ein Erdschlusspfad, beispielsweise der Pfad 39, vorhanden ist, wenn die Schaltvorrichtungen durch die Steuerungseinrichtung 42 in den leitenden Zustand gesteuert werden, ist es möglich, dass der Kriechstrom ausreichend groß sein wird, um einen Stromfluss zu erzeugen, der die Schaltvorrichtungen zerstören kann. Die vorliegende Erfindung vermeidet dieses Problem beim anfänglichen Einschalten des Motors durch eine Programmierung der Steuerungseinrichtung 42 in der Weise, dass sie anfänglich einen Satz von Ansteuerungsimpulsen verhältnismäßig kurzer Dauer in der Folge auf jede der Schaltvorrichtungen 34, 36 und 38 anwendet. Wie unter Hintergrund zu der Erfindung erläutert, fließt, solange ein Kriechweg nicht existiert, kein Strom durch den Stromdetektor 29, wenn diese Vorrichtungen in den leitenden Zustand gesteuert werden. Falls ein Kriechstromweg existiert, fließt ein Teil des Stroms durch den Detektor 29 hindurch. Vorzugsweise weisen die anfänglichen Ansteuerimpulse eine Zeitdauer von weniger als ungefähr eine Millisekunde auf und betragen wunschgemäß ungefähr 2 Mikrosekunden, um in dem Fall, wenn ein sehr niederohmiger Erd schlusspfad vorliegt, einen Fehlstrom zu begrenzen. Um einen höherohmigen Erdschlusspfad zu erfassen, wird ein zweiter Satz von Ansteuerimpulsen auf jede der Schaltvorrichtungen 34, 36 und 38 angewandt, wobei jeder Impuls des zweiten Satzes von Ansteuerungsimpulsen eine Dauer von ungefähr vier Mikrosekunden aufweist. Es ist zu bemerken, dass zwischen jedem Ansteuerimpuls eine Verzögerungszeit vorhanden ist, um dem Stromdetektor zu ermöglichen anzusprechen, wobei die Zeitverzögerung ungefähr 4 Mikrosekunden beträgt, jedoch in Abhängigkeit von der Reaktionszeit für die Stromdetektorschaltung, wie sie durch den Filterkondensator und Widerstand 86 festgelegt ist, variabel ist.
  • Falls während eines dieser Anfangstests Strom erfasst wird, kann die Steuerungseinrichtung 42 einen sichtbaren oder hörbaren Alarm bereitstellen und einen Betrieb des Systems verhindern. Falls ein Strom nicht erfasst wird, funktioniert die Steuerungseinrichtung 42 in normaler Weise und steuert den Motor 40 an.
  • Bezugnehmend nun auf 3 ist dort ein vereinfachtes Flussdiagramm für ein Computerprogramm veranschaulicht, das in der Steuerungseinrichtung 42 implementiert ist, um den Erdschluss-/Erdkriechstromwegtest gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Wenn der Schalter 12 schließt, wodurch ein niedriger Wasserdruck angezeigt und ein Betrieb des Pumpenmotors 40 angefordert wird, ruft das resultierende Signal, wie es als ein Motorstartbefehl angezeigt ist, ein Programm (eine Unterroutine) auf, das (die) die Zeitdauer eines Anfangssatzes von Ansteuerungsimpulsen auf zwei Mikrosekunden festsetzt, Block 110. Die Steuerungseinrichtung 42 wendet dann in der Folge einen einzelnen Ansteuerimpuls von zwei Mikrosekunden Dauer auf jede der Schaltvor richtungen (Zellen) der negativen Seite 34, 36 und 38 an, Blöcke 112, 114 und 116. Nachdem jeder Impuls angewandt worden ist, wird eine Zeitverzögerung bereitgestellt, während der die Stromdetektorschaltung überwacht wird, um zu bestimmen, ob in dem Detektor 29 durch irgendeinen der Ansteuerungsimpulse ein Strom erzeugt wird, Blöcke 118, 120 und 122. Falls in einem beliebigen Block 118, 120, 122 Strom erfasst wird, meldet die Steuerungseinrichtung 42 einen Fehlerzustand, Block 124. Falls kein Strom erfasst wird, prüft das Programm nach um festzustellen, welche Impulsweise des Ansteuerimpulses angewandt worden ist, Block 126, und falls ein Impuls von zwei Mikrosekunden angewandt worden ist, schreitet das Programm zum Block 128 über, um die Impulsweite zu erhöhen und den Fehlererfassungstest erneut ablaufen zu lassen. Falls ein zweites Mal während des Programms kein Strom erfasst wird, verdoppelt die Steuerungseinrichtung 42 erneut die Impulsweite und wiederholt die sequentiellen Tests. Für das veranschaulichende Beispiel wird die Impulsweite verdoppelt und der Test wiederholt, bis die Pulsdauer 64 Mikrosekunden beträgt. Jedoch ist die Impulsweite durch Eigenschaften der Last und Schaltung bestimmt und kann größer oder kleiner als 64 Mikrosekunden festgelegt werden. Wenn die Tests erfolgreich zu Ende geführt worden sind, verlässt die Steuerungseinrichtung die Unterroutine und fährt mit dem normalen Motorstart fort.
  • Während 3 andeutet, dass ein Ansteuerimpuls von zwei Mikrosekunden Dauer bevorzugt wird, wird ohne weiteres erkannt, dass die Impulsdauer von den Systemeigenschaften und dem Betrieb der Schaltvorrichtung abhängig ist. In ähnlicher Weise kann für hochohmige Fehler eine Impulsweite gewünscht sein, die größer ist als vier Mikrosekunden. Im Allgemeinen wird angenommen, dass ein beispielhaftes System eine Impulsweite benötigt, die nicht größer ist als eine Millisekunde. Während zwei Schritte verwendet werden, um hoch- und niederohmige Fehler zu identifizieren, kann es ferner bevorzugt sein, mehr als zwei Schritte zu verwenden, insbesondere wenn die ersten beiden Sätze von Ansteuerungsimpulsen eine Dauer von zwei und vier Mikrosekunden aufweisen. Beispielsweise kann ein dritter Schritt unter Verwendung eines Ansteuerungsimpulses von einer Millisekunde bei der Identifizierung sehr hochohmiger Kriechwege nützlich sein.
  • Im Allgemeinen wird die Erdschlusserfassungsschaltung aus Personensicherheitsbetrachtungen heraus eingesetzt und muss in der Lage sein, Kriechströme zu erfassen, deren Stärke kleiner ist als diejenige, die als tödlich angenommen wird. Es besteht nicht die Absicht, dass dieses System als eine Sicherheitsvorrichtung funktioniert, vielmehr soll dieses System als eine Schutzvorrichtung dienen, um eine Beschädigung an der Einheit zu verhindern, wenn ein zur Erde abfließender Kriechstrom auftreten sollte. Falls ein Erdschluss existiert und der Zulieferer es unterlässt, vor dem Einschalten des Systems ein Vorliegen von Erdschlüssen zu überprüfen, wird die Steuerungseinrichtung beschädigt und muss ersetzt werden. Sollte er nicht erkennen, dass die Ursache für den Fehler ein Erdschluss in dem System ist, kann er ein Ersatzteil einbauen und dieses in ähnlicher Weise zerstören. Somit ist es wichtig, einen Schutz irgendeiner Art gegen durch Erdschlüsse bedingte Fehler einzubauen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Erfassung des Vorhandenseins eines Erdschlusspfades in einem Elektromotorsystem, das einen Wechselstromelektromotor (40) mit wenigstens einer Phase enthält, wobei der Motor derart angekoppelt ist, um elektrische Leistung von einem Schaltinverter der Bauart zu empfangen, die für jede wenigstens eine Phase des Motors ein Paar seriell miteinander verbundener elektronischer Schaltvorrichtungen (28, 30, 32, 34, 36, 38) aufweist, die zwischen einer verhältnismäßig positiven (24) und einer verhältnismäßig negativen (25) Gleichspannungs-Sammelleitung angeschlossen sind, wobei die Schaltvorrichtungen abwechselnd in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand angesteuert werden, um eine geschaltete elektrische Leistung an den Motor (40) zu liefern, wobei der Inverter einen Stromdetektor (29) zur Erfassung eines Stroms in der Sammelleitung mit verhältnismäßig negativer Spannung enthält, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, dass jedesmal, wenn der Motor erregt wird, auf die Schaltvorrichtung, die an die Sammelleitung mit negativer Spannung angeschlossen ist, anfänglich ein Ansteuerimpuls angewandt und ein Erdschlusspfad (39) identifiziert wird, wenn ein derartiger Ansteuerimpuls an dem Stromdetektor (29) einen Strom erzeugt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt enthält, dass die Zeitdauer des Ansteuerimpulses auf weniger als eine Millisekunde begrenzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt enthält, dass ein zweiter Ansteuerimpuls auf die Schaltvor richtung, die an der Sammelleitung mit negativer Spannung angeschlossen ist, angewandt wird, wenn nach der Anwendung des ersten Ansteuerimpulses ein Strom nicht erfasst wird, wobei der zweite Ansteuerimpuls eine längere Zeitdauer als der erste Ansteuerimpuls aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor (40) mehrere Phasen aufweist und das Verfahren den Schritt enthält, dass zwischen jedem Ansteuerimpuls eine Zeitverzögerung bereitgestellt wird, um dem Stromdetektor zu ermöglichen, auf eine Erregung jeder Schaltvorrichtung zu reagieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wasserpumpe (1) enthalten ist, die derart angeschlossen ist, um durch den Motor angetrieben zu werden, und wobei die Wasserpumpe und der Motor in Kombination in einem Brunnen unterhalb eines Nennwasserspiegels platziert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, das die Schritte enthält, dass der Schritt der Anwendung der Ansteuerimpulse auf die Schaltvorrichtung für jede von mehreren Anwendungen wiederholt wird, wobei die Impulsweite der Ansteuerimpulse bei jedem nachfolgenden Schritt bis zu einer ausgewählten maximalen Impulsweite erhöht wird, wenn ein Strom in einer beliebigen der Anwendungen nicht erfasst wird.
  7. Vorrichtung zur Erfassung des Vorhandenseins eines Erdschlusspfades in einem Elektromotorsystem, das einen Wechselstromelektromotor (40) mit wenigstens einer Phase enthält, wobei der Motor angekoppelt ist, um elektrische Leistung von einem Schaltinverter der Bauart zu empfangen, die für jede wenigstens eine Phase des Motors ein Paar elektronischer Schaltvorrichtungen (28, 30, 32, 34, 36, 38) aufweist, die zwischen einer verhältnismäßig positiven (24) und einer verhältnismäßig negativen (25) Gleichspannungssammelleitung in Reihe angeschlossen sind, wobei eine Verbindungsstelle zwischen jedem Paar Schaltvorrichtungen mit einer zugehörigen Phasenwicklung des Motors (40) verbunden ist und die Schaltvorrichtungen abwechselnd in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand angesteuert werden, um eine geschaltete elektrische Leistung an den Motor zu liefern, wobei der Inverter einen Stromdetektor (29) zur Erfassung eines Stroms in der Sammelleitung (25) mit verhältnismäßig negativer Spannung enthält, wobei die Vorrichtung einen mikroprozessorgesteuerten Ansteuerimpulsgenerator (42, 44), der dazu dient, jedes Mal, wenn der Motor erregt wird, an die eine der Schaltvorrichtungen, die an die Sammelleitung mit negativer Spannung angeschlossen sind, für jedes Paar Schaltvorrichtungen in der Folge ein Ansteuerimpuls anzuwenden, um einen stromleitenden Zustand einer jeden derartigen Schaltvorrichtung zu bewirken, und eine Schaltung zur Überwachung eines Stroms in dem Stromdetektor (29) und zur Bereitstellung eines Signals, das einen Erdschlusspfad (39) kennzeichnet, wenn ein derartiger Ansteuerimpuls einen Strom an dem Stromdetektor erzeugt, enthält.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mikroprozessor (42) betrieben werden kann, um die Zeitdauer jedes anfänglich angewandten Ansteuerimpulses auf weniger als eine Millisekunde zu beschränken.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Mikroprozessor (42) betrieben werden kann, um in einer Folge einen zweiten Ansteuerimpuls auf jede der Schaltvorrichtungen, die an die Sammelleitung mit negativer Spannung angeschlossen sind, anzuwenden, wenn nach einer Anwendung des anfänglich angewandten Ansteuerimpulses ein Strom nicht detektiert wird, wobei der zweite Ansteuerimpuls eine längere Zeitdauer als der anfänglich angewandte Ansteuerimpuls aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Motor (40) mehrere Phasen aufweist und der Mikroprozessor (42) betrieben werden kann, um zwischen jedem der Ansteuerimpulse eine Zeitverzögerung einzufügen, die ausreicht, um der Stromüberwachungsschaltung zu ermöglichen, auf einen beliebigen Erdschlussstrom in dem Stromdetektor zu reagieren.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und eine Wasserpumpe (1) enthaltend, die angeschlossen ist, um durch den Motor angetrieben zu werden, wobei die Wasserpumpe und der Motor gemeinsam in einem Brunnen unterhalb eines Nennwasserspiegels platziert sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Mikroprozessor (42) betrieben werden kann, um Ansteuerimpulse auf jede einzelne der Schaltvorrichtungen für jede von mehreren zeitlich voneinander getrennten Anwendungen der Ansteuerimpulse anzuwenden und wobei die Impulsweite der Ansteuerimpulse für jede nachfolgende Anwendung erhöht wird, bis die Impulsweite eine ausgewählte maximale Zeitdauer erreicht, ohne dass ein Strom während einer beliebigen der Anwendungen erfasst wird, wobei der Mikroprozessor danach eine Ansteuerung der Schaltvorrichtungen in einer Weise einleitet, um zu bewirken, dass der Motor läuft.
  13. Wasserpumpsystem mit einer Wasserpumpe (1), die durch einen Dreiphasen-Wechselstrommotor (40) angetrieben ist, der Dreiphaseneingangsanschlüsse aufweist, wobei sowohl die Pumpe als auch der Motor dazu eingerichtet sind, in einem Brunnen unterhalb eines Wasserspiegels positioniert zu werden, mit einer Gleichrichterschaltung (16, 18, 20, 22) zur Umwandlung einer Wechselstrom-Versorgungsleistung in eine Gleichstromleistung auf einer Gleichstromverbindung, die ein Paar einer verhältnismäßig positiven (24) und einer verhältnismäßig negativen (25) Gleichstromsammelleitung aufweist, mit einem Drehstrominverter, der einen positiven und einen negativen Gleichstrom-Eingangsanschluss aufweist, die an die jeweilige eine der positiven und negativen Gleichstromsammelleitungen angeschlossen sind, wobei der Inverter wenigstens drei Sätze steuerbarer elektronischer Schaltvorrichtungen (28, 30, 32, 34, 36, 38) aufweist, wobei jeder Satz eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung aufweist, die in Reihe zwischen der positiven und der negativen Sammelleitung angeschlossen sind, wobei jeweils einer der Phasenanschlüsse des Motors an eine Verbindungsstelle zwischen der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung angeschlossen ist, wobei das System ferner eine mikroprozessorbasierte Steuerungseinrichtung (42) zur Steuerung des Betriebs des Motors, wobei die Steuerungseinrichtung angeschlossen ist, um Ansteuerimpulse zu jeder der Schaltvorrichtungen in einer Weise zu liefern, um einen stromleitenden Zustand der ausgewählten einzelnen der Vorrichtungen zu bewirken, um eine eine gesteuerte Frequenz aufweisende Wechselstromanregung des Motors zu erzeugen, und eine Stromüberwachungsschaltung enthält, die angeschlossen ist, um einen Strom in der Sammelleitung (25) mit negativer Spannung zu überwachen, wobei die Steuerungseinrichtung auf einen Befehl zum Betrieb der Pumpe reagiert, um anfänglich, für eine Zeitdauer, die weniger als eine Millisekunde beträgt, jede der zweiten Schaltvorrichtungen, die zwischen einer zugehörigen Phasenwicklung und der negativen Gleichspannungs-Sammelleitung angeschlossen sind, sequentiell in einen stromleitenden Zustand anzusteuern und um bei der Erfassung eines Stroms durch die Überwachungsschaltung während der anfänglichen Ansteuersequenz einen Betrieb des Motors zu verhindern.
  14. System nach Anspruch 13, wobei die Steuerungseinrichtung im Betrieb dazu dient, die zweiten Schaltvorrichtungen in einen leitenden Zustand für sequentiell längere Zeitperioden bis zu einer maximal ausgewählten Zeitperiode anzusteuern und um einen Motorbetrieb zu verhindern, wenn durch die Überwachungsschaltung in Abhängigkeit von der Stromleitung einer beliebigen der Schaltvorrichtungen ein Strom erfasst wird.
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