PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69406121T2 05.02.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0694226
Titel VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG DES TEMPERATURANSTIEGS EINES KÄFIGANKERINDUKTIONSMOTORS
Anmelder ABB Industry OY, Helsinki, FI
Erfinder VEIJALAINEN, Vesa, FIN-20660 Littoinen, FI;
ERKKILÄ, Ilkka, FIN-00630 Helsinki, FI;
KAUHANEN, Matti, FIN-02600 Espoo, FI
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Wuesthoff & Wuesthoff, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69406121
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.04.1994
EP-Aktenzeichen 949119705
WO-Anmeldetag 12.04.1994
PCT-Aktenzeichen FI9400137
WO-Veröffentlichungsnummer 9424750
WO-Veröffentlichungsdatum 27.10.1994
EP-Offenlegungsdatum 31.01.1996
EP date of grant 08.10.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.02.1998
IPC-Hauptklasse H02H 6/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Uberwachung des Temperaturanstiegs der Ständerwicklung eines durch einen Freguenzwandler versorgten Käfigankerinduktionsmotors, wobei in dem Verfahren ein Ständerstrom I des Motors gemessen wird und der Temperaturanstieg des Motors bei jedem Moment auf der Grundlage dieses Stroms I bestimmt wird, wenn ein Nenntemperaturanstieg θN des Motors bei einem Nennstrom IN, der Nennstrom IN und eine Temperaturanstiegszeitkonstante τ des Motors bekannt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bestimmen des Ständerstroms 1 des Motors als diskrete Momente, die durch Zeiträume der Länge Δt getrennt sind,

Bestimmen des Temperaturanstiegs θn(1) des Motors während eines Zeitraums n aus der Gleichung

Bestimmen einer Kühlung θn(2) des Motors während desselben Zeitraums n aus der Gleichung

wobei θn-1 der Temperaturanstieg des Motors am Ende des vorhergehenden Zeitraums ist, und

Addieren des Temperaturanstiegs θn(1) und der Kühlung θn(2), die während desselben Zeitraums eingetreten sind, um den Temperaturanstieg θN des Motors am Ende des Zeitraums n zu erhalten.

Ahnliche, auf das Überwachen von Temperaturanstiegen anwendbare Verfahren, jedoch nicht für Versorgung durch Frequenzwandler, sind zum Beispiel aus der GB Patentanmeldung 2151862 und der EP Patentanmeldung 350 507 bekannt.

Elektromagnetische Übertragung erzeugt in einem Käfigankerinduktionsmotor Leistungsverluste und die erzeugten Verluste zeigen sich als Temperaturanstiege des Motors. Ein in den Motor einzuspeisender Magnetisierungsstrom bewirkt bereits einen Temperaturanstieg und bei Hinzufügen der Last erwärmt sich der Motor weiter. Mittels Kühlung kann bewirkt werden, daß ein Teil der erzeugten Wärme aus dem Motor fließt. Das Ausströmen der Wärme hängt vom Kühlverfahren des Motors ab. Der Nettotemperaturanstieg des Motors (Temperaturanstieg verursacht durch Leistungsverluste abzüglich Ausströmen von Wärme) bestimmt die maximal zulässige Belastbarkeit. Je stärker der Motor gekühlt wird, desto mehr Leistungsverluste können für ihn zulässig sein. Die Motoren sind mit Temperaturgrenzen ausgestattet, die nicht überschritten werden sollten. Die Begrenzungen werden im allgemeinen sowohl als maximaler Temperaturanstieg der Isolierung der Wicklung als auch als maximaler Temperaturanstieg des gesamten Motors mitgeteilt, wodurch die Haltbarkeit zum Beispiel von Lagern berücksichtigt wird. Falls der Motor die zulässige Temperatur überschreitet, ist das Ergebnis entweder eine verkürzte Lebensdauer des Motors oder, im schlimmsten Fall, ein beschädigter Motor. Die Grenzen des Temperaturanstiegs des Motors beschränken somit die Belastbarkeit. Diese Erfindung betrifft eine Untersuchung eines Temperaturanstiegs an dem im allgemeinen empfindlichsten Punkt des Motors, der Ständerwicklung. Motorkenntafeln geben an, wie stark der Motor bei Speisung mit Sinuswellen bei der Nennfrequenz belastet werden kann, aber die Situation wird komplizierter, wenn die Versorgungsfrequenz verändert wird.

Eine Versorgung durch Frequenzwandler bewirkt in einem Käfigankerinduktionsmotor mehr Leistungsverluste als eine Speisung mit Sinuswellen, weshalb ein durch Frequenzwandler versorgter Motor eine niedrigere Belastbarkeit als ein mit Sinuswellen gespeister Motor aufweist. Zusätzlich verursacht die Kühlung des Motors Probleme mit der Belastbarkeit, wenn ein Frequenzwandler verwendet wird. Das Kühlvermögen luftgekühlter rippengekühlter Motoren ändert sich als Funktion der Frequenz, was auch eine Änderung der maximalen Belastbarkeit des Motors als Funktion der Frequenz bewirkt. Die maximale Belastbarkeit besonders selbstbelüfteter Motoren nimmt bei niedrigen Geschwindigkeiten beträchtlich ab, wenn das Belüftungsvermögen schwächer wird.

Die Belastungsfähigkeit wird im allgemeinen in Bezug auf das Nennmoment mitgeteilt. Figur 1 von den beigefügten Zeichnungen zeigt eine typische Momentenverhältniskurve der Belastbarkeit eines selbstbelüfteten Motors wenn ein Frequenzwandler verwendet wird, d.h. Moment/Nennmoment bezogen auf die Frequenz. Der erste Teil (0-45 Hz) der Kurve berücksichtigt den durch schwächer werdendes Belüf tungsvermögen bewirkten Effekt und der letztere Teil (50-100 Hz) der Kurve berücksichtigt den durch eine Feldschwächung bewirkten Effekt auf das Lastmoment.

Die Kurve von Figur 1 stellt eine Vereinfachung dar&sub1; welche die tatsächliche Belastbarkeit nicht genau darstellt.

Ein genaueres Bild der Wirkungen eines Frequenzwandlers auf die Belastbarkeit erhält man aus den in Figur 2 von den Zeichnungen gezeigten Ergebnissen von praktischen Messungen.

Beim Messen der Kurve von Figur 2 basiert die Arbeitsweise eines Modulators des verwendeten Frequenzwandlers auf einem stemmodulierten PWM-(Pulse Width Modulation bzw. Impulsbreitenmodulations-) Verfahren. Das sich schlängelnde Verhalten der Belastbarkeit gemäß Figur 2 wird, außer durch Änderungen der Kühlung, durch den eine Ausgangsspannung erzeugenden Modulator bewirkt.

Die Belastbarkeit des Motors wird an Punkten, an denen die Modulation verändert wird, geändert, wobei es sich um Punkte handelt, an denen die Anzahl von Scheiben/Impulsen verändert wird. Die Scheibenanzahl bezeichnet die Anzahl von Scheiben während eines 60º-Sektors. Die Anzahl von Impulsen hängt, außer von der Anzahl von Scheiben, auch davon ab, wie viele Indikatoren pro Scheibe verwendet werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vorteilhaftes und einfaches thermisches Modell für den Strom auf der Grundlage einer Messung des Motorstroms anzugeben, und einen tatsächlichen Temperaturanstieg einer Ständerwicklung eines Käfigankerinduktionsmotors verläßlich genug zu simulieren, wobei der Temperaturanstieg der Ständerwicklung des Motors mittels des Modells dann zuverlässig überwacht werden kann. Es sind zahlreiche Arten von Schutzverfahren für einen Käfigankerinduktionsmotor auf dem Markt, aber es gibt Antriebe&sub1; für die keines der normal verwendeten Verfah ren vollständig geeignet ist. Es gibt Antriebe, deren Motoren zuverlässig geschützt werden können, aber die Schutzverfahren sind unverhältnismäßig kostspielig, während Verfahren mit vorteilhaftem Preis unzuverlässig sind. Die zuverlässigen Verfahren beruhen im allgemeinen auf einer Messung der Temperaturen der Motorwicklung. Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Uberwachung eines Temperaturanstiegs bereitzustellen, dassinnvoll auch für Motoren verwendet werden kann, für deren Schutz nicht erwünscht (lohnend) ist, viel Geld zu investieren, aber das Schutzverfahren dennoch angemessen zuverlässig sein muß. Als Aufgabe wurde gestellt, daß innerhalb des gesamten Versorgungsfrequenzbereichs des Frequenzwandlers eine gleich gute technische Schutzhöhe erreicht werden soll, wie sie bei konstanter Frequenz durch auf der Bimetalltechnik beruhende Schutzschalter erreicht wird.

Beim Versorgen eines Motors durch einen Frequenzwandler werden die obigen Ziele mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren außer den im Oberbegriff erwähnten Schritten einen zusätzlichen Schritt

Multiplizieren des Temperaturanstiegs θN des Motors mit einem Faktor KF umfaßt, der aus der Gleichung

bestimmt wird, wobei gilt:

ZI0 = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei der Frequenz null,

ZImt = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei einer Frequenz fmt,

fact = aktueller Frequenzwert des Ständerstroms des Motors,

fmt = Frequenz des Ständerstrons des Motors, unterhalb der das Kühlvermögen des Motors abnimmt, und

SVP = Konstante abhängig von der Scheibenanzahl/dem Modulationsbereich des Frequenzwandlers, wobei dieser Bereich dem aktuellen Frequenzwert fact entspricht.

Um die unterschiedlichen Temperaturanstiegszeitkonstanten von Käfigankerinduktionsmotoren unterschiedlicher Größen zu berücksichtigen, umfaßt das Verfahren ferner einen Schritt

Bestimmen der Temperaturanstiegszeitkonstante τ des Motors, die zur Bestimmung von Temperaturanstieg und Kühlung verwendet wird, und dem aktuellen Frequenzwert fact des Ständerstroms des Motors entspricht, aus der Gleichung

mit

fn = Nennfrequenz des Ständerstroms,

τN = Temperaturanstiegszeitkonstante bei der Nennfrequenz und

k = Konstante abhängig von der Motorgröße.

Im Folgenden werden das Verfahren gemäß der Erfindung und sein theoretischer Hintergrund mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine typische Dauerbelastbarkeitskurve eines durch einen Frequenzwandler versorgten, selbstbelüfteten Käfigankerinduktionsmotors,

Figur 2 zeigt eine Belastbarkeitskurve eines selbstbelüf teten Käfigankerinduktionsmotors auf der Grundlage von praktischen Messungen an einem Frequenzwandlerantrieb,

Figur 3 zeigt eine Momentenverhältniskurve der Belastbarkeit eines durch einen Frequenzwandler versorgten Käfigankerinduktionsmotors und eine auf der Grundlage davon gebildete Stromverhältniskurve, und

Figur 4 zeigt eine Belastbarkeitsstromkurve eines durch einen Frequenzwandler versorgten, selbstbelüfteten Käfigankerinduktionsmotors, die durch Messungen bestimmt wurde.

Auf der Grundlage der Anforderungen und Ziele, die den Ausgangspunkt des Verfahrens gemäß der Erfindung bilden, wird ein Überlastungsschutz durch ein Modell implementiert, das den Temperaturanstieg mittels mathematischer Gleichungen berechnet. In der Praxis wird die Berechnung von einem Mikroprozessor durchgeführt, vorzugsweise durch einen Mikroprozessor des Frequenzwandlers oder ein Antriebssteuersystem. Das Verfahren der Erfindung beruht auf einfachen Grundgleichungen für den Temperaturanstieg, die Anzahl der Eingabeparameter ist klein und die Werte der -Parameter sind den Planern im allgemeinen bekannt. Das Verfahren der Erfindung konzentriert sich auf den Schutz des kritischen Teils des Motors, der Ständerwicklung. Der grundlegende Ausgangspunkt ist der in den Motor einzuspeisende Strom. Wie bekannt ist, sind die Verluste und der Temperaturanstieg des Motors proportional zur zweiten Potenz des Stroms Der grundlegende Ausgangspunkt des Verfahrens der Erfindung wird von den Grundgleichungen für Temperaturanstieg und Kühlung eines Körpers gebildet:

Temperaturanstieg:

θ = θ∞(1 - e-t/τ) (1)

und Kühlung:

θ = θ&sub0;e-t/τ (2)

mit

θ = Temperaturanstieg

θ∞ = nach unendlicher Zeit erreichter Temperaturanstieg

θ&sub0; = Anfangstemperaturanstieg

τ = Temperaturanstiegszeitkonstante.

Das Interesse richtet sich besonders auf das Verhältnis des Temperaturanstiegs zum Nenntemperaturanstieg ΘN des Motors, das einem an einem Nennpunkt durch eine Nennlast, d.h. einen Nennstrom IN, zu erhaltenden Temperaturanstieg entspricht. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Temperaturanstieg proportional zur zweiten Potenz des Laststroms ist, erhält man für Temperaturanstieg und Kühlung die folgenden Gleichungen:

Der zum Motor gehende Laststrom wärmt den Motor immer auf, egal wie klein er ist. Die Kühlung kann nichtsdestoweniger stärker als der durch den Laststrom bewirkte Temperaturanstieg sein, wodurch die kombinierte Wirkung in einer Kühlung besteht. Entsprechend Änderungen des Laststroms erwärmt sich der Motor kontinuierlich und kühlt sich kontinuierlich ab. Folglich ist es nicht möglich, nur eine der vorangehenden Gleichungen 3 und 4 auszuwählen. Beide, Kühlung und Temperaturanstieg, müssen kontinuierlich berücksichtigt werden. Temperaturanstieg und Kühlung kann man so betrachten, als würden sie als ein diskontinuierlicher, d.h. diskreter Prozeß auftreten. Folglich wird der Temperaturanstieg der Zeit nach in aufeinanderfolgende kurze Teile aufgeteilt, und jedes diskrete Zeitstück (Zeitraum) der Länge At wird getrennt untersucht. Der während dieses Zeitraums wirkende Strom erwärmt den Motor während des gesamten Zeitraums, während der vor diesem Zeitraum aufgetretene und durch die Ströme der vorhergehenden Zeiträume verursachte Temperaturanstieg während des gesamten zu untersuchenden Zeitraums abkühlt. In gewisser Weise entspricht dies einer realen physikalischen Situation, in der sowohl Temperaturanstieg als auch Kühlung ständig im Motor stattfinden.

Den während eines Zeitraums n (dessen Länge somit Δt ist) erreichten Temperaturanstieg erhält man aus Gleichung 3, wenn die Zeit mit Δt bezeichnet wird, und die während desselben Zeitraums n aufgetretene Abkühlung des Temperaturanstiegs der vorangehenden Periode n-1 erhält man aus Gleichung 4, wenn die Zeit t mit Δt bezeichnet wird. Durch Zusammenfassen dieser beiden Gleichungen erhält man den durch deren kombinierte Wirkungen verursachten Temperaturanstieg am Ende des Zeitraums n:

Wie groß der Temperaturanstieg/die Kühlung während eines Zeitraums bei einem vorbestimmten Strom ist, hängt hauptsächlich von der Länge des Zeitraums Δt ab. Zweitens hängt die Größe des Temperaturanstiegs von der Zeit ab, innerhalb der die Endtemperatur erreicht wird, d.h. von der Temperaturanstiegszeitkonstanten des Motors. Wird der Temperaturanstieg in derart kurzen, d.h. diskreten Zeitintervallen berechnet, ist der aktuelle Wert des Temperaturanstiegs ständig bekannt. Gleichung 5 berücksichtigt die durch einen Frequenzwandler verursachten Wirkungen auf die Belastbarkeit nicht, weshalb sie geeiguet ist, als ein thermisches Modell der Ständerwicklung eines durch Sinuswellen gespeisten Motors verwendet zu werden.

Wie oben erwähnt ist die Belastbarkeit eines durch einen Frequenzwandler versorgten Käfigankerinduktionsmotors nicht innerhalb des gesamten Frequenzbereichs konstant. Speziell was selbstbelüf tete Käfigankerinduktionsmotoren betrifft, nimmt die Belastbarkeit wegen schwächer werdenden Kühlvermögens bei Frequenzen unterhalb der Nennfrequenz stark ab. In Gleichung 5 wird angenommen, daß der Nenntemperaturanstieg beim Nennstrom erreicht wird. Dies ist nicht der Fall, wenn ein Frequenzwandler verwendet wird; aber der Nenntemperaturanstieg des Motors wird auch bei der Nennfrequenz bei einem Strom, der kleiner als der Nennstrom ist, erreicht Die durch Versorgung mit einem Frequenzwandler verursachten Änderungen der Belastbarkeit müssen im thermischen Modell derartiger Antriebe berücksichtigt werden.

Es ist am günstigsten, die Änderungen der Belastbarkeit als Funktion der Frequenz in eine Gleichungsform zu bringen, die als Koeffizient in die Gleichung 5 für das thermische Modell eingesetzt werden kann. Die Belastbarkeit eines durch Frequenzwandler versorgten Motors wird traditionell als ein Momentenverhältnis entsprechend einer Kurve ZT von Figur 3 dargestellt. Die Momentenverhältniskurve der Belastbarkeit ist dort sogar einfacher als die Kurve von Figur 1, weshalb sie gut als Ausgangspunkt für eine Koeffizientengleichung geeignet ist. Die Größe ZT0 der Kurve ZT von Figur 3 ist das maximal zulässige Moment/Nennmoment bei der Frequenz null im Dauerbetrieb, das der Motor thermisch aushält, ZTmt ist das maximal zulässige Moment/Nennmoment bei einer Schwellenfrequenz fmt im Dauerbetrieb, das der Motor thermisch aushält, und fmt ist die Frequenz, unterhalb der das Kühlvermögen des Motors abzunehmen beginnt.

Die Kurve ZT von Figur 3 zeigt die Belastungskapazität als ein Momentenverhältnis. Das thermische Modell für den Strom verwendet jedoch die Meßdaten des Stroms, weshalb es angesichts des Strommodells wichtig ist, eine Stromverhältniskurve für die maximal zulässige Dauerbelastbarkeit zu bilden. Die Verbindung zwischen Strom und Moment variiert abhängig vom Typ des Motors stark. Bei demselben Lastmoment unterscheiden sich die von unterschiedlichen Motoren aufgenommenen Ströme voneinander. Dies wird durch den Magnetisierungsstrom verursacht. Je höher die Polanzahl des Motörs ist, desto niedriger ist der Leistungsfaktor cosφ und desto höher ist der Magnetisierungsstrom des Motors. Zunächst soll der Nennstrom des Motors in eine Magnetisierungsstromkomponente ImN und eine Stromkomponente IqN, die eine Momentenreaktion bewirkt, aufgeteilt werden. Die Aufteilung erfolgt mittels der Gleichungen:

Danach erhält man einen Zusammenhang zwischen der Momentenkurve ZT und der Stromkurve ZI:

Nimmt die Belastbarkeit ab, dann nimmt auch der Leistungsfaktor cosφ ab. Ein abnehmender Leistungsfaktor wird verursacht durch eine abnehmende Stromkomponerite, die eine Momentenreaktion verursacht, wenn die Last verringert wird. Wird die Momentenverhältniskurve der Belastbarkeit mittels Gleichung 9 zu einer Stromverhältniskurve verändert, werden die Änderungen der Stromkomponente, die gerade das Moment beeinflussen, und dadurch die Änderungen im Leistungsfaktor berücksichtigt. Werden vertikale Schnittpunkte der in Figur 3 gezeigten Momentenverhältniskurve ZT in der Gleichung markiert, können die jeweiligen vertikalen Schnittpunkte der Stromverhältniskurve berechnet werden. Die auf diese Art und Weise bereitgestellte Laststromkurve ZI ist ebenfalls in Figur 3 gezeigt. Die vertikalen Schnittpunkte der Kurve sind darin durch Angaben ZI0 und ZImt markiert, die den Punkten ZT0 und ZTmt der Momentenverhältniskurve entsprechen. In dem in Figur 3 gezeigten Fall werden in.Gleichung 9 Werte der Motorkenntafel verwendet, die Werte sind: IN = 242 A, cosφ = 0,85. Die vertikalen Schnittpunkte der Momentenlastkurve ZT sind: ZT0 = 40 %, ZTmt = 90 % und fmt = 45 Hz.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die Belastbarkeit bei Frequenzen unterhalb der Schwellenfrequenz fmt linear abnimmt» wodurch die die Änderungen der Belastbarkeit berücksichtigende Gleichung eine Gleichung einer geraden Linie ist:

mit

ZIact = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors beim aktuellen Frequenzwert fact,

ZI0 = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei der Frequenz null,

ZImt = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei einer Frequenz fmt,

fact = aktueller Frequenzwert des Ständerstroms des Motors,

fmt = Ständerstromfrequenz des Motors, unterhalb der das Kühlvermögen des Motors abnimmt.

Figur 2 zeigte, daß die Belastbarkeit nicht nur von der Kühlung abhängt, sondern auch durch die Qualität der durch den Frequenzwandler gelieferten Spannung beeinflußt wird. Die Kurve in Figur 4 zeigt, wie der Modulator des Frequenzwandlers die Belastbarkeit beeinflußt, die Kurve ist eine aus Messungen bestimmte Belastbarkeitsstromkurve eines selbstbelüfteten und durch einen Frequenzwandler versorgten Käfigankerinduktionsmotors. Eine bedeutende Änderung tritt in der Belastbarkeit immer bei einer Änderung der Scheibenanzahl des Modulators/der Impulsanzahl der Spannung auf. Figur 4 zeigt auch die in Figur 3 gezeigte und auf Gleichung 11 basierende grundlegende Stromkurve. Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß innerhalb jedes Scheibenanzahlbereichs die Belastbarkeit der Richtung der grundlegenden geraden Linie ziemlich genau folgt&sub1; jedoch nicht der Höhe der grundlegen den geraden Linie. In Figur 4 sind gerade Linien gezeichnet, die die Belastbarkeit jedes Scheibenanzahlbereichs angeben und parallel zu der oben geformten grundlegenden geraden Linie der Belastbarkeit sind. Die tatsächliche Belastbarkeit wird entsprechend sehr genau angenähert, indem in jedem Scheibenanzahlbereich eine parallele Verschiebung der oben gelösten grundlegenden geraden Linie erfolgt, wobei die Verschiebung der Belastbarkeit des Bereichs entspricht.

Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß die gerade Linie nur bei drei Scheibenbereichen einer höheren Modulation angeho ben werden muß, wenn der Motorfluß im Maximum gehalten wird. In den anderen Scheibenanzahlbereichen, sowohl in höherer als auch niedrigerer Modulation, stellt die ursprüngliche gerade Linie die Belastbarkeit gut dar. Die in der Figur mit gestrichelten Linien markierten Bereiche stellen Bereiche dar, innerhalb derer die Scheibenanzahl verändert wird. Die Änderung wird durch eine Hysterese beeinflußt, verursacht durch die bei einer Erhöhung des Werts der Referenzfrequenz die Änderung der Scheibenanzahl an einem Punkt auftritt, der sich leicht von dem jeweiligen Änderungspunkt bei einer Verringerung des Werts der Referenzfrequenz unterscheidet. Der Frequenzwandler kennt jedoch ständig den gegenwärtigen Scheibenanzahl/Modulationsbereich, weshalb das Modell für seine Verwendung eine Parallelverschiebung korrekter Größe auf der Grundlage dieser Zustandsdaten auswählen kann. Ein Term SVP der die Parallelverschiebung bewirkt, wird zu Gleichung 11 der geraden Linie addiert, wodurch man erhält:

Die Gleichung 12 kann zum Koeffizienten der Gleichung (5) des thermischen Modells für den Strom gemacht werden, indem sie in die zweite Potenz erhoben und invertiert wird:

Zusätzlich zum schwächer werdenden Belüf tungsvermögen der Motors berücksichtigt der Koeffizient die gesamte Abnahme der Belastbarkeit des Motors verursacht durch die Verwendung des Frequenzwandlers im Vergleich zur Speisung mit Sinuswellen. Dieser Koeffizient garantiert, daß an allen Punkten der Belastbarkeitsstromkurve wie bei einem mit Sinuswellen gespeisten Motor derselbe Temperaturanstieg erreicht wird, wobei die Last hundert Prozent beträgt. Variablen sind die vertikalen Schnittpunkte der Belastbarkeitskurve und der Ausdruck für den Scheibenanzahlbereich.

Die Temperaturanstiegszeitkonstante ist ein grundlegender Faktor des thermischen Modells. Für eine zuverlässige Arbeitsweise des Modells ist es also von entscheidender Wichtigkeit&sub1; das thermische Modell mit der korrekten Zeitkonstanten auszustatten. Messungen haben gezeigt, daß die Temperaturanstiegszeitkonstante des Motors nicht im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Auf dieselbe Art und Weise, wie die Koeffizientengleichung aus den Änderungen der Belastbarkeit für das grundlegende thermische Modell 5 erstellt wurde, ist es auch zu bevorzugen, eine Koeffizientengleichung für die Temperaturanstiegszeitkonstante sich als Funktion der Frequenz ändern zu lassen.

Die Temperaturanstiegszeitkonstante eines für die Mes sungen verwendeten 132 kW Motors ändert sich als Funktion der Frequenz gemäß Gleichung 14 derart, daß die Zeitkonstante etwa das Doppelte der Zeitkonstante der Nenntemperaturanstiegszeitkonstante bei der Frequenz null beträgt.

Die Zeitkonstante eines zweiten vermessenen kleinen (30 kW) Käfigankerinduktionsmotors folgt Gleichung 15 derart, daß die Zeitkonstante etwa das Vierfache der Nenntempe raturanstiegszeitkonstante bei der Frequenz null beträgt.

Es ist somit denkbar, daß die Temperaturanstiegszeit konstante dieser Gleichung folgt:

fN = Nennfrequenz des Ständerstroms,

τN = Temperaturanstiegszeitkonstante bei der Nennfrequenz und

k = von der Motorgröße abhängige Konstante.

Auf der Grundlage der obigen Ergebnisse praktischer Messungen wird die Größe der Konstante k abhängig von der Größenkategorie des Motors zum Beispiel als 2 oder 4 gewählt. Falls das thermische Modell mit einer zu niedrigen Zeitkonstanten ausgestattet wird, tritt ein Fehler immer in einer hinsichtlich des Schutzes sichereren Richtung auf. Das Modell kuppelt den Antrieb möglicherweise zu schnell aus.

Andererseits kann eine zu große Zeitkonstante des thermischen Modells eine Beschädigung des Motors verursachen.

Durch Kombinieren der oben berechneten, durch die Belastbarkeit und die Temperaturanstiegszeitkonstante verursachten Koeffizienten mit dem für Speisung mit Sinuswellen erhaltenen mathematischen thermischen Modell des Stroms (Gleichung 5), erhält man eine thermische Modeligleichung für den Strom, die für die Verwendung von Frequenzwändlern geeignet ist:

Wie früher erwähnt, kann das Verfahren zur Überwachung eines Temperaturanstiegs gemäß der Erfindung so eingerichtet werden, daß es entweder durch den Mikroprozessor des Fre quenzwandlers oder durch den Mikroprozessor des Antriebssteuersystems berechnet wird. Nur wenige Parameterdaten sind für die Verwendung des Verfahrens nötig. Als Parameter werden Werte der Motorkenntafel des Antriebs und der vertikale Schnittpunkt der Belastbarkeitsmomentenkurve eingegeben.

Bei direkten und Gruppenantrieben sollte sich die Software für das thermische Modell des Stroms im Frequenzwandler befinden. Ein Direktantrieb ist ein Frequenzwandlerantrieb, der eine getrennte Versorgung und eine, einen oder mehrere Motoren versorgende Wandlereinheit aufweist. Die Struktur von Gruppen- und Linienantrieben unterscheidet sich vom Direktantrieb, aber deren grundlegende Struktur ist wechselseitig ähnlich. Gleichrichtereinheiten der Antriebsgruppen besitzen eine gemeinsame Versorgungseinheit und einen Gleichstrom-Balken bzw. DC bar. Die Linienantriebe unterscheiden sich von den Gruppenantrieben dadurch, daß die Antriebsgruppen und somit auch die Motoren darin durch eine gemeinsame Antriebssteuerung gesteuert werden. Für die Steuerung des gesamten Linienantriebs sorgt ein Prozeßrechner. Unterschiedliche Antriebsanwendungen verursachen- auch Unterschiede bei der durch das Modell erforderten Messung des Motorstroms. Speist der Gleichrichter nur einen Käfigankerinduktionsmotpr, kann das separate Strommeßsystem des Gleichrichters eingesetzt werden. Bei einem sogenannten Parallelmotorantrieb, d.h. wenn mehr als ein parallelgeschalteter Motor durch Gleichrichtung versorgt wird, kann die separate Strommessung des Gleichrichters nicht eingesetzt werden. Dann sollte der Strom (mindestens) einer Phase jedes Motors durch ein separates Strommeßsystem gemessen werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Überwachung des Temperaturanstiegs der Ständerwicklung eines durch einen Frequenzwandler versorgten Käfigankerinduktionsmotors, wobei in dem Verfahren ein Ständerstrom 1 des Motors gemessen wird und der Temperaturanstieg des Motors bei jedem Moment auf der Grundlage dieses Stroms I bestimmt wird, wenn ein Nenntemperaturanstieg θN des Motors bei einem Nennstrom IN, der Nennstrom IN und eine Temperaturanstiegszeitkonstante τ des Motors bekannt sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Bestimmen des Ständerstroms I des Motors als diskrete Momente, die durch Zeiträume der Länge Δt getrennt sind,

Bestimmen eines Temperaturanstiegs θn(1) des Motors während eines Zeitraums n aus der Gleichung

Bestimmen einer Kühlung θn(2) des Motors während desselben Zeitraums n aus der Gleichung

wobei θn-1 der Temperaturanstieg des Motors am Ende des vorhergehenden Zeitraums ist, und

Addieren des Temperaturanstiegs θn(1) und der Kühlung θn(2) die während desselben Zeitraums eingetreten sind, um den Temperaturanstieg θN des Motors am Ende des Zeitraums n zu erhalten,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfähren zusätzlich folgenden Schritt umfaßt:

Multiplizieren des Temperaturanstiegs θN mit einem Faktor KF, der aus folgender Gleichung bestimmt wird:

mit

ZI0 = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei der Frequenz null,

ZImt = maximal zulässiger Dauerlaststrom/Nennstrom des Motors bei einer Frequenz fmt,

fact = aktueller Frequenzwert des Ständerstroms des Motors,

fmt = Frequenz des Ständerstroms des Motors, unterhalb der das Kühlvermögen des Motors abnimmt, und

SVP = Konstante abhängig von Scheibenanzahl/Modulationsbereich des Frequenzwandlers, wobei dieser Bereich dem aktuellen Frequenzwert fact entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich folgenden Schritt umfaßt:

Bestimmen der Temperaturanstiegszeitkonstanten τ des Motors, die für die Bestimmung von Temperaturanstieg und Kühlung verwendet wird, und die dem aktuellen Frequenzwert fact des Ständerstroms des Motors entspricht, aus der Gleichung:

fN = Nennfrequenz des Ständerstroms,

τN = Temperaturanstiegszeitkonstante bei der Nennfrequenz und

k von der Motorgröße abhängige Konstante.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com