DE102007013551A1

DE102007013551A1 - Verfahren zum selbsttätigen Einstellen eines einen Überstromauslöser aufweisenden Schutzgerätes, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters

Info

Publication number: DE102007013551A1
Application number: DE102007013551A
Authority: DE
Inventors: Henry Dipl.-Ing. Franke; Bernd Dipl.-Ing. Schwinn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-25
Also published as: US8319465B2; WO2008113710A1; CN101641848B; CN101641848A; US20100097731A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbsttätigen Einstellen eines einen Überstromauslöser aufweisenden Schutzgerätes (1), insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, der als Verbraucher einen Asynchronmotor (2) aufweist, welcher vor einer Überlast zu schützen ist sowie die Energieverteilungsanlage vor einem Kurzschluss schützt, wobei am Überstromauslöser als Parameter mindestens eine Auslösezeit (Tp) einzustellen ist, die sicherstellt, dass keine thermische Überlastung des Asynchronmotors (2) auftritt. Um eine selbsttätige Einstellung des Überstromauslösers zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass anhand des zeitlichen Motorstromverlaufs (I(t)) des Asynchronmotors (2) bei vorgegebener Belastung, insbesondere bei Nennlast (IN), nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren das Integral (INT) des Quadrats des Motorstroms (I)<SUP>2</SUP> über der Zeit (t) bestimmt und anhand dieses Integrals die Auslösezeit (Tp) des Überstromauslösers abgeleitet wird, indem dieses Integral (IN), das der Erwärmung des Asynchronmotors (2) entspricht, in Relation zu einem vorgegebenen Vielfachen des Quadrats des Nennstroms (IN) gesetzt wird, wobei der Motorstromverlauf (I(t)) zumindest den Anlaufstrom (IA), den Übergang (6) und den sich einstellenden Motornennstrom (IN) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbsttätigen Einstellen eines Schutzgerätes, das einen Überstromauslöser aufweist, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters mit Überstromauslöser, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Niederspannungsleistungsschalter sind als Schutzgeräte bekannt und werden auch zum Schutz von Asynchronmotoren als spezielle Verbraucher eingesetzt. Sie dienen dazu, die Asynchronmotoren vor Überlast und die Energieverteilungsanlage vor einem Kurzschluss zu schützen. Insbesondere im Überlastfall kann es zu einer thermischen Überlastung der Asynchronmotoren kommen. Um dies zu verhindern, wird am Überstromauslöser des Leistungsschalters als Parameter u. a. eine Auslösezeit bei einem Referenzstrom eingestellt, aus der sich je nach fließendem Überstrom die Verzögerungszeit bis zum Auslösen des Niederspannungsleistungsschalters ergibt. Die Auslösezeit ist nach der geltenden Norm aus einem Zeitband auszuwählen. Neben der Auslösezeit lassen sich auch die Parameter für den Überlaststrom und für den Kurzschlussstrom einstellen. Bei Asynchronmotoren sind deren spezifische Eigenschaften zu berücksichtigen, was praktisch mittels der o. g. Einstellparameter geschieht. Die Hersteller der Motoren geben zwar die technischen Daten der Asynchronmotoren an (Nennleistung, Anlaufstrom im Verhältnis zum Nennstrom usw.), welche aber keine optimale Einstellung des Überstromauslösers und damit des Niederspannungsleistungsschalters ermöglichen. Erschwert wird die Einstellung des Überstromauslösers zusätzlich dadurch, dass die Einstellparameter des Schutzgerätes von der Last abhängen. Auch erschweren unterschiedliche Kennlinien für die einzelnen Asynchronmotoren die Einstellung. Meist erfolgt die Einstellung der Parameter deshalb durch Versuch und Irrtum, d. h. die Parameter werden so lange erhöht, bis das Schutzgerät nicht mehr vorzeitig auslöst.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, dass eine selbsttätige Einstellung des Überstromauslöser eines Schutzgerätes ermöglicht, das als Verbraucher einen Asynchronmotor aufweist.
Die Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben; die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
Die Lösung sieht vor, dass bei vorgegebener Belastung, insbesondere bei Nennlast, nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren das Integral des Quadrats des Motorstroms über der Zeit t bestimmt und anhand dieses Integrals die Auslösezeit Tp des Überstromauslösers abgeleitet wird, indem dieses Integral, das der Erwärmung des Asynchronmotors entspricht, in Relation zu einem vorgegebenen Vielfachen des Quadrats des Nennstroms gesetzt wird, wobei der Motorstromverlauf zumindest den Anlaufstrom und den Übergang zu dem sich einstellenden Motornennstrom umfasst. Die Parameter für den Überstromauslöser werden also anhand des zeitlichen Motorstromverlaufs ermittelt, wobei die Besonderheiten dieses Verlaufs selbsttätig (in einem „teach-in"-Verfahren) ermittelt werden. Das ermittelte Integral entspricht dabei im Wesentlichen der Erwärmung des Asynchronmotors.
Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Auslösezeit lässt sich erhöhen, wenn der Motorstromverlauf die Schaltspitze nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren umfasst.
Zur Bestimmung der oberen Zeitgrenze des Integrals auf einfache Art und Weise, wird vorgeschlagen, dass nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren nach Durchlaufen der Schaltspitze, des Anlaufstroms und des Übergangsbereichs im Bereich des sich einstellenden Motornennstroms ein zweiter Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die zeitliche Änderung des Motorstroms kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und dass das Integral des Quadrats des Motorstroms zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt bestimmt wird.
Gemäß der Norm ist für das vorgegebene Vielfache zweckmäßigerweise das 7,2-fache des Quadrats des Nennstroms zu wählen.
Der Parameter für den Überlaststrom lässt sich einfach einstellen, wenn dieser anhand des Stroms zum zweiten Zeitpunkt eingestellt wird, d. h. insbesondere das 1,03-fache dieses Stroms beträgt.
Der Parameter für den Kurzschlussstrom lässt sich selbsttätig ermitteln, wenn anhand des zeitlichen Motorstromverlaufs bei Belastung des Asynchronmotors mit seiner Nennlast im Bereich des Anlaufstroms, d. h. nach Auftreten der Schaltspitze und vor Durchlaufen des Übergangs, ein erster Zeitpunkt bestimmt wird, an dem der Betrag der zeitlichen Änderung des Motorstroms einen vorgegebenen Wert unterschreitet, und dass anhand des Stroms zu diesem ersten Zeitpunkt der Parameter für den Kurzschlussstrom bestimmt wird, wobei für den Parameter für den Kurzschlussstrom insbesondere das 1,25-fache dieses Stroms gewählt wird.
Zweckmäßigerweise sollte bei Asynchronmotoren ein Blockierschutz vorgesehen sein, der den Asynchronmotor bei Unterschreitung des Kippmoments abschaltet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schutzgerät mit zu schützendem Asynchronmotor und einer Last,
2 die Strom-Zeit-Kennlinie des Asynchronmotors nach dem Einschalten,
3 das Quadrat des Motorstroms über der Zeit nach dem Einschalten gemäß 2 und
4 eine Formel mit Integral zur Berechnung der Auslösezeit anhand der gemessenen Anlaufzeit tA.
1 zeigt in einer grob schematischen Darstellung ein Schutzgerät 1 in Form eines Niederspannungsleistungsschalters einer Energieverteilungsanlage, dem als zu schützender Verbraucher ein Asynchronmotor 2 mit einer Last 3 nachgeschaltet ist, wobei die Last 3 hier im Ausführungsbeispiel gleich der Nennlast ist. Das Schutzgerät 1 ist vor einer Überlast zu schützen und schützt die Energieverteilungsanlage vor einem Kurzschluss. Es verfügt über einen Überstromauslöser, an dem mehrere Parameter insbesondere zur Anpassung an den Asynchronmotor 2 einstellbar sind. Die Parameter werden selbsttätig anhand des zeitlichen Verlaufs des Motorstroms und des Quadrat des Motorstroms I des Asynchronmotors 2 ermittelt.
Den Motorstrom I des Asynchronmotors 2 als Funktion der Zeit t zeigt 2. Bedingt durch die erforderliche Magnetisierung unmittelbar nach dem Einschalten des Asynchronmotors 2 zeigt der zeitliche Motorstromverlauf I(t) in 2 eine Schaltspitze 4, die dann im Anlaufstrombereich 5 in den Anlaufstrom IA übergeht. An den Anlaufstrombereich 5 schließt sich ein Übergangsbereich 6 mit einem Wendepunkt 7 an, dessen Auslaufbereich 8 in den Bereich des Motornennstroms 9 über geht. Der Motorstromverlauf I(t) in 2 ist hier für die Nennlast (als vorgegebene Belastung) aufgenommen. Er weist zwei markante Punkte P1, P2 zu den Zeitpunkten t1 und tA auf, an denen die zeitliche Änderung des Motorstroms I jeweils kleiner als ein vorgegebener Wert ist, hier z. B. kleiner als 5 A/s.
Der Strom I zum Zeitpunkt t1 (Punkt P1) wird als Anlaufstrom IA definiert und der Strom zum Zeitpunkt tA (Punkt P2) als Nennstrom IN, da sich dieser zum Zeitpunkt tA fast nicht vom Nennstrom des Asynchronmotors 2 unterscheidet.
Nachfolgend wird die Ermittlung der Einstellparameter für ein Schutzgerät 1 und einem Asynchronmotor 2 mit einer Nennleistung von 110 kW beschrieben.
Bemessungsstrom des Niederspannungsleistungsschalters: 250 A Einstellbereich des eingesetzten Überstromauslösers:

– Überlast: IR = 100 A–250 A (0,4–1,0 × In)
– Kurzschluss: Ii = 312 A–2750 A (1,25–11 × In)

Der aufgenommenen Strom-Zeit-Kennlinie des Asynchronmotors 2 entnommene Werte:

– maximaler Anlaufstrom IA (im Punkt P1): 1320 A
– Stromaufnahme nach Hochlauf (im Punkt P2): 196 A
– Anlaufzeit: 8s

Vom maximalen Anlaufstrom 1320 A wird der Einstellparameter für den Kurzschlussstrom Ii abgeleitet. Um ein unbeabsichtigtes Auslösen des Schutzgeräts 1 beim Anlauf zu verhindern, wird der Einstellparameter für den Kurzschlussstrom auf 125% des maximalen Anlaufstromes IA im Punkt P1 eingestellt, hier also auf 1650 A. Als Randbedingung wird vorausgesetzt, dass der Niederspannungsleistungsschalter eine sogenannte Rush-in-Unterdrückung besitzt.
Abhängig von dem nach Hochlauf fließenden Strom von 196 A wird der Einstellparameter für den Überlaststrom IR auf 103% dieses Stromwertes eingestellt, also auf 202 A.
In 3 ist das Quadrat des Motorstroms I über der Zeit t aufgetragen, wobei in der Darstellung ebenfalls die Zeit tA und die Ströme (IN)² sowie (IA)² eingetragen sind. Die Fläche unter der Kurve in 3 entspricht der Erwärmung des Asynchronmotors 2 bis zum Zeitpunkt tA, aus dem sich durch Division durch das 7,2-fache (als vorgegebenes Vielfaches) des Quadrats des gemessenen Nennstroms IN (gemäß IEC-Norm) eine Auslösezeit Tp als dritter Einstellparameter für den Asynchronmotor 2 ergibt.
Der Einstellparameter für die Auslösezeit TP rechnet sich anhand der gemessenen Anlaufzeit tA von 8s anhand des Integrals INT gemäß der Formel in 4.

Claims

Verfahren zum selbsttätigen Einstellen eines einen Überstromauslöser aufweisenden Schutzgerätes (1), insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, der als Verbraucher einen Asynchronmotor (2) aufweist, welcher insbesondere vor einer Überlast zu schützen ist sowie die Energieverteilungsanlage vor einem Kurzschluss schützt, wobei am Überstromauslöser als Parameter mindestens eine Auslösezeit Tp einzustellen ist, die sicherstellt, dass keine thermische Überlastung des Asynchronmotors (2) auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des zeitlichen Motorstromverlaufs (I(t)) des Asynchronmotors (2) bei vorgegebener Belastung, insbesondere bei Nennlast (In), nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren das Integral (INT) des Quadrats des Motorstroms (I) über der Zeit (t) bestimmt und anhand dieses Integrals die Auslösezeit (Tp) des Überstromauslösers abgeleitet wird, indem dieses Integral (INT), das der Erwärmung des Asynchronmotors (2) entspricht, in Relation zu einem vorgegebenen Vielfachen des Quadrats des Nennstroms (In) gesetzt wird, wobei der Motorstromverlauf (I(t)) zumindest den Anlaufstrom (IA), den Übergang (6) und den sich einstellenden Motornennstrom (In) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstromverlauf (I(t)) die Schaltspitze (4) nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten bzw. dem Reversieren nach Durchlaufen der Schaltspitze (4), des Anlaufstroms (IA) und des Über gangsbereichs im Bereich des sich einstellenden Motornennstroms ein zweiter Zeitpunkt (tA) bestimmt wird, an dem die zeitliche Änderung des Motorstroms (I) kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und dass das Integral (INT) des Quadrats des Motorstroms (I) zwischen dem Einschaltzeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (tA) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Vielfache das 7,2-fache des Quadrats des Nennstroms (In) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei am Überstromauslöser zumindest die Parameter für den Überlaststrom (IR), für die Auslösezeit (Tp) und für den Kurzschlussstrom (Ii) einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Stroms (In) zum zweiten Zeitpunkt (tA) der Parameter für den Überlaststrom (IR) eingestellt wird, wobei dieser Parameter insbesondere das 1,03-fache des Stroms (In) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei am Überstromauslöser zumindest die Parameter für den Überlaststrom (IR), für die Auslösezeit (Tp) und für den Kurzschlussstrom (Ii) einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des zeitlichen Motorstromverlaufs (I(t)) bei Belastung des Asynchronmotors (2) mit seiner Nennlast im Bereich des Anlaufstroms (IA), d. h. nach Auftreten der Schaltspitze (4) und vor Durchlaufen des Übergangs (6), ein erster Zeitpunkt (t1) bestimmt wird, an dem der Betrag der zeitlichen Änderung des Motorstroms (I) einen vorgegebenen Wert un terschreitet, und dass anhand des Stroms (IA) zum ersten Zeitpunkt (t1) der Parameter für den Kurzschlussstrom (Ii) bestimmt wird, wobei der Parameter für den Kurzschlussstrom (Ii) insbesondere das 1,25-fache des Stroms (IA) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Asynchronmotor (2) ein Blockierschutz vorgesehen ist, der den Asynchronmotor (2) bei Unterschreitung des Kippmoments abschaltet, d. h. das Schutzgerät (1) auslöst.