DE3228954C2

DE3228954C2 - Schutzeinrichtung für Asynchron-Motoren

Info

Publication number: DE3228954C2
Application number: DE19823228954
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 8399 Ruhstorf Kolmeder; Hugo Dipl.-Ing. 8398 Pocking Stadler
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1985-11-21
Also published as: DE3228954A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung zum Überwachen, insbesondere von umrichtergespeisten Asynchronmotoren. Es soll eine Schutzeinrichtung geschaffen werden, die unabhängig davon, ob sie mit netzgespeisten oder umrichtergespeisten Maschinen eingesetzt wird, alle eine Abschaltung des Motors erfordernden Störfälle im gesamten Drehzahlbereich zuverlässig erfaßt und bei Eintritt die Abschaltung des Motors bewirkt. Dies wird durch eine Schaltung erreicht, die für jede Phase des Asynchronmotors ein dem Effektivwert des jeweiligen Phasenstromes entsprechendes elektrisches Ist-Signal erzeugt, eine erste Vergleichsschaltung, in der die elektrischen Ist-Signale mit einem voreinstellbaren Grenzwert verglichen werden und ein erstes Abschaltsignal erzeugt wird, wenn zumindest ein Ist-Signal den Grenzwert überschreitet, eine zweite Vergleichsschaltung, die die Ist-Signale untereinander vergleicht und ein zweites Abschaltsignal erzeugt, wenn die Ist-Signale über eine voreinstellbare Differenz hinaus voneinander abweichen, durch eine dritte Vergleichsschaltung, die im Frequenzbereich des Phasenstromes unterhalb einer vorwählbaren Frequenzgrenze die am Motor jeweils anliegende Ist-Spannung auf Übereinstimmung mit der der augenblicklichen Frequenz zugehörigen Soll-Spannung des Umrichters prüft und ein drittes Abschaltsignal erzeugt, wenn die Ist-Spannung die Soll-Spannung um einen voreinstellbaren Differenzbetrag unterschreitet, und durch eine Einrichtung zum Abschalten ..

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schutzeinrichtung zur Überwachung von insbesondere umrichUirgespeisten Asynchronmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bisher konnten Drehstrom-Asynchronmutoren, die an einem Netz konstanter Spannung und Frequenz eingesetzt »verden, durch Motorschutzschalter oder auch eingebaute Temperaturfühler mit zugeschaltetem

Schaltgerät (TMS genannt) gegen die Störfälle »Überstrom«, »Stromunsymmetrie« (z. B. »Zweiphasenlauf«) und »zu hohe Erwärmung im Stator und/oder Rotor« geschützt werden.

Elektrische Schutzeinrichtungen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen 1 —4 sind aus der DE-OS 23 54 594 bekannt. Mit ihnen können Drehstrommotoren gegen die Störfälle »Überstrom« und »Stromunsymmetrie« geschützt werden.
Aus der DE-OS 26 25 279 ist es bekannt, Drehstrommotoren, die durch Messen der Phasenströme auf Überlast überwacht werden, mit einer von der Größe einer festgestellten Überlast abhängigen Zeitverzögerung abzuschalten, um so zu verhindern, daß nur kurzzeitige Überlastungen, die vor Ablauf der Zeitverzögerung von selbst wieder verschwinden und den Motor erst bei einer die Zeitverzögerung überschreitenden Dauer gefährden würden, eine unnötige Abschaltung auslösen.

Durch die DE-OS 30 32 790 ist eine Motorschutzschaltung für Mehrphasen-Wechselstrommotoren bekanntgeworden, in der neben den Phasenströmen die am Motor anliegenden Ist-Spannungen erfaßt werden und bei Über- oder Unterspannung oder vorgegebenen Differenzen der Spannungen untereinander ein Abschaltsignal erzeugt wird.

Die ältere Patentanmeldung nach der DE-OS 33 12 288 offenbart einen Leistungsumrichter mit einem Schutzgerät zum Schützen eines angeschlossenen Induktionsmotors gegen Überlastung, das den vom Gleichrichter zum Wechselrichter gelieferten Strom ermittelt und einen Vergleichswert in Abhängigkeit von der Umrichterfrequenz bildet, wobei die Charakteristik dieser Abhängigkeit in Anpassung an die thermisch begrenzte Lebensdauer in Anbetracht der der lasteigenen Kühlwirkung voreinstellbar ist und ein Abschaltsignal erzeugt wird, wenn der ermittelte Strom den Vergleichswert übersteigt.

Es sind auch Schutzeinrichtungen bekannt, die durch eingebauten Temperaturfühler in der Läuferwicklung

die Übertemperatur des Läufers überwachen.

Alle diese Schutzeinrichtungen sind bei umrichtergespeisten Motoren nicht wirksam genug, als bei Motoren, die über statische oder rotierende Frequenzumformer mit einer frequenzproportionalen Spannung in der Drehzahl verstellt werden könner. Der Grund hierfür ist, daß der von den Umrichtern her zugelassene maximale Strom nur geringfügig größer ist als der Motornennstrom. Die Erkennung eines unzulässigen Betriebszustandes über den Motorstrom allein ibt deshalb nicht möglich. Auch die Überwachung der Wicklungstemperatur und/oder des Motornennstromes ist ebenfalls nicht mehr für alls Drehzahlstellbereiche bzw. Belastungsbereiche ausreichend, weil der Rotor gegenüber dem Ständer unterschiedliche, zum Teil wesentlich größere Erwärmung annehmen kann.

Häufig, insbesondere bei explosionsgeschützten Motoren, ist es jedoch aus Sicherheitsgründen erforderlich, alle Störfälle im gesamten Drehzahlbere^h eindeutig zu überwachen und bei Überschreiten von bestimmten Grenzwerten oder Grenzwertkombinationen eine Abschaltung herbeizuführen.

Demgemäß besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine Schutzeinrichtung für um-

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4. Festlegung des zulässigen Überstromes, abhängig von Drehzahl und Kühlungsart des Motors

Bei fremdbelüfteten umrichtergespeisten Asynchron-Motoren ist der thermisch höchst-zulässige Motorstrom nahezu unabhängig von der eingestellten Frequenz bzw. Drehzahl. Bei eigenbelüfteten Maschinen hingegen verschlechtert sich mit abnehmender Drehzahl die Kühlwirkung. Demzufolge sinkt der thermisch zulässige Überstrom mit abnehmender Drehzahl bzw. Frequenz. Dieses Verhalten ist durch die Maschinenkonstruktion vorgegeben. Deshalb erfolgt die unter Ziffer 1 angegebene Funktion der Stromüberwachung bei den verschiedenen Drehzahlen bzw. Frequenzen entsprechend dieser bekannten Motorcharakteristik, wofür diese Grenzlinie nachgebildet wird. Überschreitet irgendein Phasenstrom bei irgendeiner Drehzahl diese Auslösekennlinie, so wird die unter Ziffer 1 angegebene Abschaltung ebenfalls eingeleitet

Die Erfindung ermöglicht es, jeden Asynchron-Motor ohne Einbau von Sensoren durch nachträgliche Anwendung der Schutzeinrichtung ausreichend gegen alle we-

richtergespeiste Maschinen der eingangs genannten Art 25 sentlichen Störfälle zu schützen. Dies gilt insbesondere zu schaffen, die alle wesentlichen eine Abschaltung des auch für explosionsgeschützte Maschinen.
Motors erfordernden Störfälle im gesamten Drehzahlbereich zuverlässig erfaßt und bei Eintritt die Abschaltung des Motors bewirkt

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung erfüllt fol-

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gg
gende Funktionen:

Die Unteransprüche betreffen Merkmale der Erfindung, die die Funktionstüchtigkeit und -sicherheit der Schutzeinrichtung noch weiter erhöhen und ggf. auch deren Aufbau in schaltungstechnischer Hinsicht fördern.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung anhand des Blockschaltbildes erläutert:

Die Schutzeinrichtung ist für ein 3-Phasen-System eingerichtet. Sie enthält zwei Stromsensoren 1 zur Erfassung des Motor-Ist-Stromes in zwei Phasen. Der dritte, nicht direkt gemessene Phasenstrom wird aus den beiden anderen, gemessenen, abgeleitet. Dies besorgt

Kurvenform, nicht nur der Sinusform, überwacht 40 die Schaltung la. Ferner wird mittels eines Spannungswerden. Dies geschieht dadurch, daß jeder Phasen- wandlers 2 die Motor-Ist-Spannung und mittels eines

Summenstromwandler die Summe der drei Phasenströme gemessen.

Die zeitlichen Werte der Phasenströme ι\_(ι], i_2(l), h_(l) und der Motorspannung Um₂(D werden jeweils durch eine elektronische Schaltung 5 in eine effektivwertproportionale Gleichspannung UmM U_u U₂, Ui umgeformt. In einer ersten Vergleichsschaltung 6 wird der Motorstrom mit einem voreinstellbaren, frequenzunabhängigen Grenzwert k ■ In verglichen. Ferner wird in dieser ersten Vergleichsschaltung 6 mit einem vom Umrichter 13 ausgegebenen, zu seiner Frequenz proportionalen Signal Ur eine abhängig von der Umrichterfrequenz variable, zu dieser proportionale Stromgrenze Igrem(m erzeugt und der Ist-Stromwert mit dem diesbezüglichen frequenzproportionalen Grenzwert verglichen.

Für fremdbelüftete Motoren genügt in der Vergleichsschaltung 6 an sich der Grenzwert k ■ I_n allein. Ebenso genügt für eigenbelüftete Motoren an sich allein

3. Überwachung des Störfalles »blockierter Läufer« 60 der Grenzwert I_grs„z(n). Es können jedoch beide Grenzwerte in der Schaltung 6 vorgegeben sein, urn dann je nach Art der Motorbelüftung für den Vergleich mit dem M^torstrom herangezogen zu werden.

Zu den vorstehenden Vergleichen in der ersten Vergleichsschaltung 6 wird nur einer der drei Phasenströme herangezogen. Dies ist aufgrund der nachstehend noch erörterten Unsymmetrieprüfung und Fehlerstromermittlung ausreichend. Wenn der mit der Gleichspan

Überwachung der Höhen des Motorstromes in allen Phasen

Mit dieser Funktion können Ströme bei beliebiger

strom erfaßt wird. Überschreitet der Motorstrom im Vergleich mit einer vorgegebenen einstellbaren Grenze den Grenzwert, wird die Abschaltung des Motors ausgelöst.

2. Überwachung von Stromunsymmetrien

Bei Phasenausfall oder ähnlichen Störfällen kann trotz Einhaltung des unter Ziffer 1 beschriebenen Stromgrenzwertes der Motor die zulässigen Übertemperaturen überschreiten. Aus diesem Grunde wird die Unsymmetrie der einzelnen Phasenströme überwacht. Dies geschieht durch einen Vergleich der Phasenströme jeweils untereinander. Bei Abweichungen der Höhe eines Phasenstromes gegenüber den anderen Phasen von vorgegebenen Werten, z. B. 5%, wird der Motor abgeschaltet.

Dei' Fall des blockierten Läufers stellt für jeden Umformer praktisch einen Kurzschlußfall dar. Dies Bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Umformers auf einen wesentlich kleineren Wert absinkt als es dem frequenzproportionalen Verhalten entspricht. Diese Abweichung wird erkannt und zur Abschaltung benutzt.

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nung t/3 ausgedrückte Ist-Wert dieses Phasenstromes entweder den frequenzunabhängigen Grenzwert k ■ Is oder den frequenzproportionalen Grenzwert I_grem(n) überschreitet, liefert die erste Vergleichsschaltung 6 jeweils ein entsprechendes erstes Abschaltsignal, das die Abschaltung des Motors auslöst, und zwar auf der Leitung 6a bei Überschreitung des frequenzunabhängigen Grenzwertes und auf Leitung 6b bei Überschreitung des frequenzabhängigen Grenzwertes.

In einer zweiten zwei Subtrahier-Schaltungen 14 und einen Komparator 14a aufweisenden Vergleichsschaltung wird ein Vergleich auf Stromsymmetrie dahingehend durchgeführt, daß die Differenzen h — h und I_t —1₃ gebildet werden und die jeweils größere Differenz in dem Komparator 14a mit einem einstellbaren Schwellwert verglichen wird. Überschreitet die Differenz, die bei Stromsymmetrie 0 ist, den Schwellwert, dann liefert auch die zweite Vergleichsschaltung 7 ein entsprechendes zweites Motor-Abschaltsignal.

Für die Überwachung des Motorbetriebszustandes (blockierter Läufer) wird in einer dritten Vergleichsschaltung 11 die Differenz zwischen der tatsächlichen Motorspannung und der vom Umrichter 13 ausgegebenen frequenzproportionalen Gleichspannung Ur gebildet. Sinkt das der Motorspannung proportionale Signal U_meir um einen voreingestellten Grenzwert unter das der Umrichter-Ausgangsspannung proportionale Signal Ur, so liefert die dritte Vergleichsschaltung 11 ein drittes Motor-Abschaltsignal.

Der Summenstromwandler 3 arbeitet mit einem Auswertrelais 4 in solcher Weise zusammen, daß Fehlerströme erkannt werden und bei deren Auftreten ebenfalls ein Motor-Abschaltsignal ausgelöst wird. Ein Fehlerstrom liegt bei einem Drehstrommotor bekanntlich vor, wenn die Summe der drei Leiterströme, die im Normalfall zu jedem Zeitpunkt = 0 ist, von dem Wert 0 verschieden ist. Hierzu kann es z. B. kommen, wenn im Motor ein Erdschluß auftritt bei dem Strom gegen Erde abfließt Ein solcher Fehlerstrom kann eine solche Größe haben, daß z. B. im Teillastbetrieb die absolute Höhe der Leiterströme den maximal zulässigen Wert k ■ I_n oder igrenz(n) nicht überschreitet In diesem Störfall liefert die erste Vergleichsschaltung 6 kein Abschaltsignal, gleichgültig, welche Phase betroffen ist Aber auch die zweite Vergleichsschaltung 7 bleibt inaktiv, wenn die vorstehende Störung die Phase 2 betrifft, weil Z₂^ nicht gemessen, sondern aus i_Ul) und hro abgeleitet wird. Um nun mit Sicherheit auch diese Störfälle zu erfassen, wird mittels des Summenstromwandler 3 und des zugehörigen Relais (4) die Überwachung auch auf etwaige Fehlerströme erstreckt Es ist also zur Erfassung aller eine

30 weise in Anpassung an die Besonderheiten des Motorbetriebes einstellbar.

Die aufgetretenen Störungen werden im elektronischen Speicher 9 festgehalten und angezeigt. Die Abschaltsignale steuern über eine Oder-Verknüpfung ein Relais 10, welches dann abschaltend in die motorsteuerung eingreift.

Die Schutzeinrichtung weist Prüf tasten 12 für die Simulierung der Störfälle »Überstrom«, »Unsymmetrie« und »blockierter Läufer« auf.

Zur Erzielung der Störmeldung »Überstrom« wird das Ausgangssignal des Stromsensors 1 von Phase 3 um einen entsprechenden voreinstellbaren Wert erhöht.

Für die Nachbildung des Störfalles »Unsymmetrie« wird in der Verstärkung des Summierers

(h(t) + Ίχή),

d. h. der Schaltung la, um einen einstellbaren Wert verändert Somit ergibt sich ein gegenüber den anderen veränderter Strom-Ist-Wert I_{2 e}-rr-

Zur Simulierung des Zustandes »blockierter Läufer«, was gleichbedeutend ist mit »Motor gekippt«, wird die Sekundärseite des Spannungswandlers 2 zur Erfassung der Motor-Ist-Spannung aufgetrennt. Damit wird der Überwachungseinrichtung Motorspannung = 0 vorgegeben.

Jede Störsimulation führt ebenfalls zur verzögerten Abschaltung des Motors. Die beschriebene Schutzeinrichtung kann selbstverständlich auch noch mit herkömmlichen Schutzeinrichtungen, wie TMS oder Motorschutzschaltern, kombiniert werden.

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ehe Fehlerstromüberwachung möglich, nur zwei Leiterströme tatsächlich zu messen und den dritten aus den beiden gemessenen zu bilden, denn entweder ist die Summe aus allen drei Strömen zu jedem Zeitpunkt = 0 oder es hegt ein Fehlerstrom vor; und es genügt auch die Überwachung nur einer Phase auf den Wert k ■ I_n oder Igrenz(n), denn entweder ist dieser Wert in allen drei Phasen überschritten oder es liegt Unsymmetrie vor, oder in einer oder mehreren Phasen tritt ein sich als Fehlerstrom ausdrückender Leckstrom auf.

Die Motor-Abschaltsignale der Vergleichsschaltungen 6,7 und 11 sowie des Auswert- bzw. Fehlerstromrelais 4 werden über Zeitglieder 8 erst weitergeleitet wenn die Störung eine gewisse Zeit bestanden hat, da mehr oder minder kurzzeitige Störungen den Motor noch nicht gefährden. Die Zeitverzögerung ist Vorzugs-Hierzu ί Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schutzeinrichtung zum Überwachen von umrichtergespeisten Asynchronmotoren, insbesondere mit Eigenbelüftung, mit

1) einer Schaltung, die für jede Phase des Asynchronmotors ein dem Effektivwert des jeweiligen Phasenstromes entsprechendes elektrisches Ist-Signai erzeugt,

2) einer ersten Vergleichsschaltung, in der die elektrischen Ist-Signale mit einem voreinstellbaren Grenzwert verglichen werden und ein Abschaltsignal erzeugt wird, wenn mindestens ein Ist-Signal den Grenzwert überschreitet,

3) einer zweiten Vergleichsschaltung, die die Ist-Signale untereinander vergleicht und ein Abschaltsignal erzeugt, v/enn die Ist-Signale über eine voreinstellbare Differenz hinaus voneinander abweichen, und

4) einer Einrichtung zum Abschalten des Motors beim Auftreten eines Abschaltsignals,

dadurch gekennzeichnet, daß

5) eine dritte Vergleichsschaltung (11) vorhanden ist, die im Frequenzbereich des Phasenstromes unterhalb einer vorwählbaren Frequenzgrenze die am Motor (M) jeweils anliegende Ist-Spannung (U\/2(o) auf Übereinstimmung mit der der augenblicklichen Frequenz aligehörigen Soll-Spannung (Ur) des Umrichlers (13) prüft und ein Abschaltsignal erzeugt, wenn die Ist-Spannung die Soll-Spannung um einen voreinstellbaren Differenzbetrag unterschreitet,

und daß

6) der Grenzwert (I_grCnz(n)) in der ersten Vergleichsschaltung (6) in Abhängigkeit von der Umrichterfrequenz erzeugt wird und daß die Charakteristik dieser Abhängigkeit in Anpassung an die thermischen Gegebenheiten der jeweiligen Motorkonstruktion voreinstellbar ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden der den jeweiligen Phasenströmen (i\(_t) I₂(Ij, k(t)) entsprechenden elektrischen Ist-Signale \U\, U₂, i/3) zwei Phasenströme (h(t), h(o) gemessen werden, diese beiden Phasenströme summiert werden und der dritte Phasenstrom (hit)) unter der Annahme, daß die Summe der drei Phasenströme (ίι<·,> iy,), h(_tj) Null ist, errechnet wird, und daß die Summe der drei Phasenströme gemessen und laufend überwacht wird, ob die Meßgröße tatsächlich den Wert Null hat.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 für Dreiphasen-Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden der den jeweiligen Phasenströmen (i\_(lj, i_2(l), ij(i)) entsprechenden elektrischen Ist-Signale (6Ί, U₂, Ui) zwei Phasenströme (ίφ), iy,)) und die Summe der Phasenströme (ΐφ), i_2(l), /^gemessen werden.

4. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Phasenströmen (ίφ), h(,j, i₃(,/) entsprechenden Ist-Signale (U\, U₂, Ui) als Gleichwert-Signale (Gleichstrom, Gleichspannung) gebildet wer-

den.

5. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zeitglieder (3) zum Verzögern der Iwotorabschaltung nach dem Auftreten des dem jeweiligen Abschallsigna! zurunde liegenden Störfalles.

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Phasenstrom-Grenzwertüberschreitung die Zeitverzögerung abhängig von der Größe der Überschreitung eingerichtet ist.

7. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vergleichsschaltungen (6, 7, 11) willkürlich anstelle der Ist-Werte (Ist-Signale bzw. Ist-Spannung) Fehler simulierende Störsignale (h>k-I_N; I₂> /1, /3; U_mcrr>Ur) zur Prüfung der Schutzeinrichtung auf Funktionstüchtigkeit eingebbar (12) sind.