DE3228954A1 - Schutzeinrichtung fuer asynchron-motoren - Google Patents

Description

• Schutzeinrichtung für Asynchron-Motoren
• Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schutzeinrichtung zur überwachung von insbesondere umrichtergespeisten Asynchronmotoren.
• Bisher konnten Drehstrom-Asynchronmotoren, die an einem im Netz konstanter Spannung und Frequenz eingesetzt werden, 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.
• Es sind auch Schutzeinrichtungen bekannt, die durch eingebauten Temperaturfühler in der Läuferwicklung die übertemperatur des Läufers überwachen.
• Alle dies Schutzeinrichtungen versagen bei umrichtergespeisten Motoren, also bei Motoren, die über statischem oder rotierendem Frequenzumformer mit einer frequenzproportionalen Spannung in der Drehzahl verstellt werden können. 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 ist deshalb nicht möglich. Auch die überwachung der Wicklungstemperatu: und/oder des Motornennstromes ist ebenfalls nicht mehr für alle Drehzahlstellbereiche bzw. Belastungsbereiche ausreichend, weii 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 Drehzahlbereich eindeutig zu überwachen und bei Überschreiten von bestimmten Grenzwerten oder Grenzwertkombinationen eine Abschaltung herbeizuführen.
• Demgemäß besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Schutzeinrichtung zu schaffen, die unabhängig davon, ob mit netzgespeisten oder umrichtergespeisten Maschinen eingesetzt wird, alle eine Abschaltung des Motor erfordernden Störfälle im gesamten Drehzahlbereich zuverlässig erfasst und bei Eintritt die Abschaltung des Motors bewirkt.
• Diese Aufgabe wird durch die Schutzeinrichtung mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
• Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung erfüllt folgende Funktionen: 1. überwachung der Höhen des Motorstromes in allen Phasen.
• Mit dieser Funktion können Ströme bei beliebiger Kurvenform, nicht nur der Sinusform, überwacht werden. Dies geschieht dadurch, daß jeder Phasenstrom 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 Zif. 1 beschriebenen Stromgrenzwertes der Motor die zulässigen Ubertemperaturen 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.
• 3. überwachung des Störfalles "auf blockierter Läufer" Der 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.
• Eine weitere wesentliche Maßnahme, die für eigenbelüftete Maschinen von besonderer Bedeutung ist, ist im Patentanspruch 2 angegeben. Mit ihr wird der Funktionenbereich um die Funktion erweitert: 4. Festlegung des zulässigen Uberstromes, 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 gemäß Anspruch 2 die unter Zif. 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 Zif. 1 angegebene Abschaltung ebenfalls eingeleitet.
• Die weiteren 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 beigefügten 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 die Schaltung 1 a.
• Ferner wird mittels eines Spannungswandlers 2 die Motor-Ist-Spannung und mittels eines Summenstromwandlers die Summe der drei Phasenströme gemessen.
• Die zeitlichen Werte der Phasenströme i1(t) i2(t) i3(t) und der Motorspannung U1-2 (t)werden jeweils durch eine elektronische Schaltung 5 in eine effektivwertproportionale Gleichspannung Um eff, U1, U2, U3 umgeformt.
• In einer ersten Vergleichs schaltung 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 Uf eine abhängig von der Umrichterfrequenz variable, zu dieser proportionalen Stromgrenze Igrenz (n) erzeugt und der Ist-Stromwert mit dem diesebezüglichen frequenzproportionalen Grenzwert verglichen.
• Für fremdbelüftete Motoren genügt in der Vergleichsschaltung 6 an sich der Grenzwert k IN allein. Ebenso genügt für eigenbelüftete Motoren an sich allein der Grenzwert Igrenz (n) Es können jedoch beide Grenzwerte in der Schaltung 6 vorgegeben sein, um dann je nach Art der Motorbelüftung für den Vergleich mit dem Motorstrom 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 Gleichspannung U3 ausgedrückte Ist-Wert dieses Phasenstromes entweder dem frequenzunabhängigen Grenzwert k IN oder den frequenzproportionalen Grenzwert Igrenz (n) überschreitet, liefert die erste Vergleichsschaltung 6 jeweils ein entsprechendes erstes Abschaltsignal, das die Abschaltung des Motors auslöst, und zwar auf der Leitung 6 a bei überschreitung des frequenzunabhängigen Grenzwertes und auf Leitung 6 b bei Überschreitung des frequenzabhingigen Grenzwertes.
• In einer zweiten zwei Subtrahier-Schaltungen 14 und einen Komparator 14a aufweisenden Vergleichsschaltung wird ein Vergleich auf Stomsynimetrie dahingehend durchgeführt, daß die Differenzen I I2 und I1-I3 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 Vergleicbsschaltung 7 ein entsprechendes zweites Motor-Abschaltsi(3nal.
• Für die Überwachung des Motorbetriebszustandes (blockierte Läufer) wird in einer dritten Vergleichsschaltung 11 die Differenz zwischen der tatsächlichen Motorspannung und der vom Umrichter 13 ausgegebenen frequenzproportionalen Gleichspannung-Uf gebildet. Sinkt das der Motorspannung proportionale Signal Um eff um einen voreingestellten Grenzwert unter das der Umrichter-Aus.gangsspannung proportionale Signal Uf, 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 IN oder I z (n) nicht überschreitet. In diesem Störfalle 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 i2(t) nicht gemessen, sondern aus ii i1(t) und i3(t) abgeleitet wird. Um nun mit Sicherheit auch diese Störfälle zu erfassen, wird mittels des Summenstromwandlers 3 und des zugehörigen Relais (4) die Überwachung auch auf etwaige Fehlerströme erstreckt. Es ist also zur Erfassung aller eine Abschaltung erfordernden Störfälle durch die zusätzliche 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 Zeitpunk = 0 oder es liegt ein Fehlerstrom vor; und es genügt auch die Überwachung nur eine Phase auf den Wert k IN 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 Vergleichs schaltungen 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 vorzugsweise 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 Prüftasten 12 für die Simulierung der Störfälle "Überstrom", "Unsymmetrie" und "blockierter Laeufer" 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 (i1 (t) + i3(t)) , d.h.
• der Schaltung 1 a , um einen einstellbaren Wert verändert.
• Somit ergibt sich ein gegenüber den anderen veränderter Strom-Ist-Wert 12e ff.
• 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 = Q vorgegeben.
• Jede Störsimulation führt ebenfalls zur verzögerten Abschaltung des Motors. Die beschrieben Schutzeinrichtung kann selbstverständlich auch noch mit herkömmlichen Schutzeinrichtungen wie TMS oder Motorschutzschaltern, kombiniert werden.
• Die Erfindung ermöglicht es, jeden Asynchron-Motor ohne Einbau von Sensoren durch nachträgliche Anwendung der Schutzeinrichtung ausreichend gegen alle Störfälle zu schützen. Dies gilt insbesondere auch für explosionsgeschützte Maschinen.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Elektrische Schutzeinrichtung zum Überwachen in -besondere von umrichtengesp@isten Asynch@ @@@@@@, g e k e n n z e i c h n c t n e t durch k eine Schaltung (1, 1a, 5), die für jede Phase (U1, V1, W1) des Asynchronmotors (%) ein dem * des jeweiligen Phasenstromes (i1(t), i2(t), i3(t)) ertspr@chen@@s elektrisches Ist-Signal (U1, U2, U3) erzeugt, eine erste Vergleichsschaltung (6), in der die elektrischen Ist-Signale mit einem voreinstellbaren Grenzwert ( k IN, Igrenz(n)) verglichen werden und ein ersters Abschaltsignal erzeugt wird, wenn mindestens ein Ist-Signal den Grenzwert überschreitet, eine zweite Vergleichsschaltung (7), die die Ist-Signale untereinander vergleich und ein zweites Abschaltsignal erzeugt, wenn die Ist-Signale über eine voreinstellbare Differenz hinaus voneinander abweichen, durch eine dritte Vergleichsschaltung (11 die im Frequenzbereich des Phasenstromes unterhalb einer vorwählbaren Frequenzgrenze die am Motor (M) jeweils anliegende Ist-Spannung (U1/2(t)) auf )' at einstimmung mit der der augenblicklichen Frequenz zuge hörigen Soll-spannung (Uf) des Umrichters (13) prüft und ein drittes Abschaltsignal erzeugt, wenn die Ist-Spannung die Soll-Spannung um einen voreinstellbaren Differenzbetrag unterschreitet, und durch eine Einrichtung (10) zum Abschalten des Motors (M) beim Auftreten eines Abschaltsignales.

   * Effektivwert 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für Asynchronmotoren mit Eigenbelüftung, dadurch gekennzeichnet, daß der voreinstellbare Grenzwert in der ersten Vergleichsschaltung frequenz - bzw.

   drehzahlabhängig (Igrenz(,) ) eingerjchtet ist, und daß die Charakteristik dieser Abhängigkeit in Anpassung an die thermischen Gegebenheiten der jeweiligen Motorkonstruktion voreinstellbar ist.

   3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 für Dreiphasen-Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden der den jeweiligen Phasenströmen (i1(t), i i3(t)) entsprechenden elektrischen Ist-Signale (U1 U2, U3)zwei Phasenströme (i1(t), i3(t)) ) und die Summe der Phasenströme (i1(t), i2(t), i3(t)) gemessen werden.

   4. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Phasenströmen (i1(t), i2(t), i3(t)) entsprechender Ist-Signale (U1, U2, U3) als Gleichwert-Signale (Gleichstrom, Gleichspannung) gebildet werden.

   5. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprücl gekennzeichnet durch Zeitglieder (8) zum Verzögern der Motorabschaltung nach dem Auftreten des dem jeweiligen Abschaltsignal zugrundeliegenden Störfalles.

   6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Phasenstrom-Grenzwertüberschreitung die Zeitverzögerung abhängig von der Größe der Uberschreitung 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 (I3> k. IN; I2> I1, I3; Um e f f >Uf) zur Prüfung der Schutzeinrichtung auf Funktionstüchtigkeit eingehbar (12) sind.