WO2008113308A1 - Verfahren zum erzeugen eines fehlersignals, das einen unzulässigen belastungszustand eines elektromotors angibt, und elektrisches motorschutzgerät zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines fehlersignals, das einen unzulässigen belastungszustand eines elektromotors angibt, und elektrisches motorschutzgerät zur durchführung des verfahrens Download PDF

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starting
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thermal state
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Hans-Joachim Herrmann
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0816—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors concerning the starting sequence, e.g. limiting the number of starts per time unit, monitoring speed during starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00—Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images

Definitions

  • the invention relates to a method for generating an error signal indicative of an impermissible load condition of an electric motor, in which a starting current measured value is detected which indicates a starting current flowing through the rotor of the electric motor, a starting time is detected during which the starting current through the rotor of the electric motor flows, a startup time threshold value is determined using the startup current measurement value, and the error signal is generated when the startup time exceeds the startup time threshold value.
  • the invention also relates to an electric motor protection device.
  • the invention has for its object to provide a generic method and a corresponding motor protection device in which the startup process is even more selectively turned off only when there is actually a risk to the electric motor.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned, is provided in the invention that for determining the start-time threshold, a thermal state of the electric motor is used such that when classified as cold thermal state of the electric motor, a first start-up time Threshold value is determined and at a classified as warm thermal state of the
  • a second startup time threshold is determined, which is different from the first startup time threshold.
  • the effect is exploited that in the case of a "thermally cold” electric motor, a higher startup time threshold value can be used than with a “thermally warm” electric motor.
  • the cold electric motor still has thermal reserves, which are exploited by setting the appropriate start-up threshold. In this way, an electric motor starting from the cold state is not already shut down too early by using a conservative start-up threshold; its availability for the engine operator, for example for a production process, increases accordingly.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that for determining the thermal state of the electric motor, the motor temperature of the electric motor is determined, wherein at an engine temperature that rises above a first temperature threshold, the thermal state of the electric motor is classified as warm and at an engine temperature that drops below a second temperature threshold, the thermal condition of the electric motor is considered cold.
  • the first and second temperature thresholds may be the same value.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is specified in that the first and the second start-up threshold value are respectively determined using a maximum starting current permissible for starting the electric motor and a maximum permissible starting time which matches the maximum starting current, the maximum permissible starting time Start time of the thermal state of the electric motor depends so that the rated for a cold thermal state of the electric motor first maximum allowable starting time is longer than that for a classified as warm thermal state of the electric motor second maximum allowable starting time. This is therefore advantageous because the sizes "maximum starting current" and matching the "maximum permissible starting time" are already specified by most engine manufacturers for the respective engine.
  • the first startup time threshold value is determined according to the equation
  • I A maximum starting current for starting the electric motor
  • I starting current measured value
  • t A / W at I R maximum permissible start-up time for the warm thermal state
  • the thermal state of the electric motor can be determined in various ways. For example, this can be provided according to an advantageous embodiment of the method according to the invention that at least one temperature sensor is used to determine the thermal state of the electric motor, with which a temperature of the electric motor is measured.
  • the direct determination of a temperature of an electric motor with a temperature sensor is too expensive, so that it is proposed according to an alternative advantageous embodiment, to determine the thermal state of the electric motor to use a thermal description model of the electric motor, the temperature of the electric motor as a function of height indicates the previously flowed by the electric motor currents. As a result, the electric motor is simulated as thermal storage, so to speak, which fills in dependence on the flowing stream
  • the above-mentioned object is achieved by a motor protection device with a data processing device which is set up to carry out the method according to the invention or one of its developments.
  • the figure shows a schematic process flow diagram of a method for producing gene of an error signal indicating an impermissible operating state of an electric motor.
  • an electric motor protection device 10 is shown schematically. It includes, inter alia, a data processing device which is set up to carry out the method explained below. For this purpose, individual function blocks of the data processing device are indicated in the figure. Although the functional blocks in the figure are shown representationally, these are usually not designed as separate circuit units, but instead are implemented with a device software running on the data processing device.
  • the data processing device has inputs IIa and IIb, via which input variables are detected.
  • the input IIa of the data processing device on the one hand, is followed by a computing component 15 for calculating a threshold value S k or S w .
  • this computing module 15 On the output side, this computing module 15 is connected to a setting input E12 of a threshold value stage 12.
  • the input IIa is further downstream of a second threshold stage 16, which is the output side connected to an input of a timer module 13.
  • the timer module 13 in turn connected on the output side to an input of the threshold stage 12.
  • the threshold stage 12 is followed by a block 14 for generating an error signal F, which indicates an impermissible state of a monitored by the motor protection device 10 electric motor.
  • a second input IIb of the data processing device is connected on the output side to a third threshold value stage 17, which on the output side can deliver a control signal U to a changeover switch 18.
  • the switch 18 is arranged to A (applied to k or to a second value t AiW a maximum permissible start-up time that it in response to the control signal U of the third threshold stage 17 a parameter input E15 of the computing block 15 with either a first value t.
  • These values t A / k and t A , w are stored in memory areas 20a, 20b of a data memory of the data processing device. The operation of the motor protection device 10 will be explained below.
  • the electric motor monitored by the motor protection device 10 If the electric motor monitored by the motor protection device 10 is started, it is briefly charged with a higher current than the rated current intended for continuous operation. For example, a fivefold rated current can flow during the start-up phase.
  • the motor protection device 10 monitors compliance with a start-up time permitted for this increased starting current, in order to avoid a thermal overload of the electric motor.
  • the current flowing through the rotor of the electric motor is monitored via the input IIa. If this exceeds a predetermined in the second threshold level 16 minimum current threshold, a startup process of the electric motor is detected.
  • the second threshold stage 16 monitors a circuit operation of the electric motor. As soon as the current flowing through the rotor of the electric motor exceeds the minimum current threshold predetermined in the second threshold value stage 16 - and thus a start of the starting operation of the electric motor is detected - a signal is transmitted to the timer 13, which then starts to determine the startup time t during which the startup process is performed to determine.
  • the start-up time t specified by the timer 13 is compared in the threshold stage 12 with a dynamically fixed start-up time threshold S k or S w . If the startup time t exceeds the startup time threshold S k or S w , a signal is output to the module 14 for generating the error signal F; the error signal F is generated. Normally, when the fault signal F is present, the starting operation of the electric motor is interrupted by opening a switch in order to prevent thermal overloading of the electric motor.
  • the startup time threshold value S k or S w In order to determine the startup time threshold value S k or S w , on the one hand the current flowing through the rotor of the electric motor during the startup process is detected in the form of a starting current measured value I. This acquisition takes place continuously, so that the startup time threshold value S k or S w can be adapted to the actual flowing starting current. Normally, however, a relatively constant value will be established as start-up flow, so that no greater changes in the value of the start-up time threshold value S k or S w due to fluctuating start-up currents are to be expected.
  • the starting time threshold value S k or S w is formed in the computing module 15 from the detected starting current measured value I.
  • the first start-up threshold S K is used according to:
  • the second start-up threshold S is used according to:
  • I A maximum starting current for starting the electric motor
  • I starting current measured value
  • t A , w at I A maximum permissible starting time for the warm thermal state.
  • the respective start-up threshold S k or S w is thus determined using specific variables of the electric motor (I A , t A # k or t A / W ) and the measured current I actually flowing through the rotor.
  • the decision as to which of the two startup time threshold values S k or S w is to be used is made by the electric motor protection device 10 on the basis of a temperature monitoring of the electric motor.
  • the second input IIb of the data processing device can be provided, for example via one or more temperature sensors (not shown), with temperature measured values of the electric motor.
  • the data processing device can make a decision as to whether the electric motor is in a cold or in a warm state by means of a temperature threshold comparison in the threshold stage 17.
  • thermal model of the electric motor forms the temperature state of the electric motor as a function of measured values, such as the current that has so far flowed through the motor and the time during which this current has flowed, from.
  • the electric motor is modeled as a kind of heat accumulator into which heat enters during periods of high load (high flowing current), ie the temperature in the store increases or out of phase during periods of low load (low flowing current) or standstill phases (no Flow of current) heat is released, ie, the temperature in the memory decreases.
  • high flowing current high flowing current
  • low flowing current low load
  • standstill phases no Flow of current
  • a thermal storage 19 is exemplified as a symbol for a thermal model of the electric motor.
  • the thermal memory 19 is shown outside of the motor protection device 10 for the sake of clarity, it is nevertheless part of the device software running on the data processing device of the motor protection device 10.
  • the thermal model is formed, for example, by corresponding differential equations adapted to the respective electric motor, which take into account the current flow in the electric motor.
  • the temperature value detected at the second input IIb is compared with a temperature threshold to determine whether the electric motor is to be classified as warm (the temperature is above a temperature threshold) or cold (the temperature is below a temperature threshold) ,
  • the use of two temperature thresholds is appropriate. If the engine temperature (the level of the thermal accumulator) rises above a first temperature threshold, then the electric motor is classified as warm. If the engine temperature (the level of the thermal accumulator) falls below a second temperature threshold, which is below the first temperature threshold value, then the electric motor is classified as cold.
  • These staggered thresholds avoid frequent swiping of the "warm” // cold X ⁇ decision, a so-called “rattle".
  • the values of the temperature threshold values can be used as parameters in the electric motor protection device 10 it is only necessary to ensure that the first temperature threshold value is above the second temperature threshold value.
  • the changeover switch 18 is controlled via a control signal U in such a way that it applies the parameter input E15 of the computing module 15 to the value t A, k for the maximum startup time for the cold electric motor ,
  • the startup time threshold S k is calculated with the maximum startup time t A / k for the cold electric motor according to the above equation (1).
  • the control signal U causes the changeover switch 18 to be switched over, so that in this case the parameter input E15 of the arithmetic unit 15 is supplied with the value t A , w for the maximum starting time for the warm electric motor.
  • the startup time threshold S w is calculated with the maximum startup time t A #w for the cold electric motor according to the above equation (2).
  • the start-up time threshold S k or S w determined in this way depending on the thermal state of the electric motor is supplied by the computing module 15 to the setting input E 12 of the threshold value stage 12.
  • This threshold stage 12 uses the set start-up threshold S k or S w for comparison with the detected start-up time t.
  • Electric motor is treated according to its (compared to the warm electric motor) extended maximum starting time; an error signal F and thus a shutdown of the electric motor is in this case only after expiry of a correspondingly longer startup time caused when the electric motor has not yet passed into its normal operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals (F), das einen unzulässigen Belastungszustand eines Elektromotors angibt, bei dem ein Anlaufstrom-Messwert (I) erfasst wird, der einen durch den Rotor des Elektromotors fließenden Anlaufstrom angibt; eine Anlaufzeit (t) erfasst wird, während der der Anlaufstrom (I) durch den Rotor des Elektromotors fließt; ein Anlaufzeit-Schwellenwertes (z.B. S<SUB>w</SUB>) unter Verwendung des Anlaufstrom-Messwertes (I) ermittelt wird und das Fehlersignal (F) erzeugt wird, wenn die Anlaufzeit (t) den Anlaufzeit-Schwellenwert (z.B. S<SUB>w</SUB>) überschreitet. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein entsprechendes elektrisches Motorschutzgerät (10).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals, das einen unzulässigen Belastungszustand eines Elektromotors angibt, und elektrisches Mo- torschutzgerät zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals, das einen unzulässigen Belastungszustand eines Elektromotors angibt, bei dem ein Anlaufstrom-Messwert erfasst wird, der einen durch den Rotor des Elektromotors fließenden Anlaufström angibt, eine Anlaufzeit erfasst wird, während der der Anlaufstrom durch den Rotor des Elektromotors fließt, ein Anlaufzeit-Schwellenwert unter Verwendung des Anlaufstrom-Messwertes ermittelt wird und das Fehlersignals erzeugt wird, wenn die Anlaufzeit den Anlaufzeit- Schwellenwert überschreitet. Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Motorschutzgerät .
Aus dem Gerätehandbuch „SIPROTEC - Multifunktionaler Maschinenschutz 7UM62, V4.6" der Siemens AG, Bestellnr. C53000-G1100-C149- 6, 2005 ist ein elektrisches Schutzgerät bekannt, das als Motorschutzgerät verwendet werden kann. Aus dem Kapitel 2.36 „Anlauf- Zeitüberwachung", Seiten 254 - 258, des Gerätehandbuchs geht das eingangs genannte Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals hervor. Hierdurch wird der Motor vor zu langen AnlaufVorgängen ge- schützt. Üblicherweise wird bei Vorliegen des Fehlersignals ein zum Elektromotor gehörender Schalter geöffnet und der Anfahrvorgang auf diese Weise unterbrochen, um den Elektromotor vor thermischer Überlastung oder sogar Zerstörung zu schützen. Bei der Ermittlung des Anlaufzeit-Schwellenwertes nach dem bekannten Verfah- ren wird auf für den Elektromotor spezifische Kennwerte zurückgegriffen. Diese Kennwerte sind sehr konservativ gewählt, so dass der Anlaufvorgang bei einem Schweranlauf des Elektromotors manchmal unterbrochen wird, obwohl noch keine Gefahr einer thermischen Zerstörung besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und ein entsprechendes Motorschutzgerät anzugeben, bei dem der Anlaufvorgang noch selektiver nur dann abgeschaltet wird, wenn tatsächlich eine Gefahr für den Elektromotor besteht.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass zur Ermittlung des Anlaufzeit-Schwellenwertes ein thermischer Zustand der Elektromotors derart herangezogen wird, dass bei einem als kalt eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors ein erster Anlaufzeit-Schwellenwert ermittelt wird und bei einem als warm eingestuften thermischen Zustand des
Elektromotors ein zweiter Anlaufzeit-Schwellenwert ermittelt wird, der von dem ersten Anlaufzeit-Schwellenwert verschieden ist.
Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass bei einem „thermisch kal- ten" Elektromotor ein höherer Anlaufzeit-Schwellenwert verwendet werden kann als bei einem „thermisch warmen" Elektromotor. Der kalte Elektromotor verfügt sozusagen noch über thermische Reserven, die durch Einstellung des passenden Anlaufzeit-Schwellenwertes ausgenutzt werden. Auf diese Weise wird ein aus dem kalten Zu- stand anlaufender Elektromotor nicht bereits durch Verwendung eines konservativen Anlaufzeit-Schwellenwertes zu früh abgeschaltet; seine Verfügbarkeit für den Motorbetreiber, beispielsweise für einen Produktionsprozess, steigt entsprechend an.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Bestimmung des thermischen Zustandes des Elektromotors die Motortemperatur des Elektromotors ermittelt wird, wobei bei einer Motortemperatur, die über einen ersten Temperatur-Schwellenwert steigt, der thermische Zustand des Elektro- motors als warm eingestuft wird und bei einer Motortemperatur, die unter einen zweiten Temperatur-Schwellenwert sinkt, der thermische Zustand des Elektromotors als kalt eingestuft wird. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Aussage darüber getroffen werden, ob der Elektromotor als „warm" oder als „kalt" einzustufen ist und ent- sprechend kürzer oder länger anlaufen kann. Der erste und der zweite Temperatur-Schwellenwert können beispielsweise denselben Wert annehmen. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, wenn der erste und der zweite Tempera- tur-Schwellenwert voneinander verschieden sind, wobei der erste Temperatur-Schwellenwert größer ist als der zweite Temperatur- Schwellenwert . Hierdurch kann nämlich ein zu häufiges Umschalten (ein so genanntes „Klappern") bei einer Motortemperatur in der Nähe der Umschaltschwelle vermieden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch angegeben, dass der erste und der zweite Anlaufzeit-Schwellenwert jeweils unter Verwendung eines zum Anlaufen des Elektromotors zulässigen maximalen Anlaufstromes und einer zu dem maximalen Anlaufstrom passenden maximal zulässigen Anlauf- zeit ermittelt werden, wobei die maximal zulässige Anlaufzeit von dem thermischen Zustand des Elektromotors derart abhängt, dass die für einen als kalt eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors erste maximal zulässige Anlaufzeit länger ist als die für einen als warm eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors zweite maximal zulässige Anlaufzeit. Dies ist daher von Vorteil, weil die Größen „maximaler Anlaufstrom" und dazu passend die „maximal zulässige Anlaufzeit" von den meisten Motorherstellern bereits für den jeweiligen Motor angegeben werden.
In diesem Zusammenhang kann konkreter vorgesehen sein, dass der erste Anlaufzeit-Schwellenwert gemäß der Gleichung
Figure imgf000005_0001
ermittelt wird und der zweite Anlaufzeit-Schwellenwert gemäß der Gleichung
Figure imgf000005_0002
ermittelt wird, wobei IA: maximaler Anlaufström zum Anlaufen des Elektromotors;
I : Anlaufstrom-Messwert ; tA(k: bei IA maximal zulässige Anlaufzeit für den kalten thermischen Zustand; tA/W: bei IR maximal zulässige Anlaufzeit für den warmen thermischen Zustand
bedeuten .
Der thermische Zustand des Elektromotors kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden. Beispielsweise kann hierzu gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zur Ermittlung des thermischen Zustandes des Elektromotors zumindest ein Temperatursensor verwendet wird, mit dem eine Temperatur des Elektromotors gemessen wird.
Häufig ist die direkte Bestimmung einer Temperatur eines Elektromotors mit einem Temperatursensor jedoch zu aufwändig, so dass gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen wird, zur Ermittlung des thermischen Zustandes des Elektromotors ein thermisches Beschreibungsmodell des Elektromotors zu verwenden, das eine Temperatur des Elektromotors in Abhängigkeit der Höhe der durch den Elektromotor bisher geflossenen Ströme angibt . Hierdurch wird der Elektromotor sozusagen als thermischer Speicher simuliert, der sich in Abhängigkeit vom fließenden Strom füllt
(der Elektromotor erwärmt sich) oder leert (der Elektromotor kühlt sich ab) .
Hinsichtlich des elektrischen Motorschutzgerätes wird die oben ge- nannte Aufgabe durch ein Motorschutzgerät mit einer Datenverarbeitungseinrichtung gelöst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Weiterbildungen eingerichtet ist.
Zur näheren Erläuterung soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt werden. Hierzu zeigt die Figur ein schematisches Verfahrensfließbild eines Verfahrens zum Erzeu- gen eines Fehlersignals, das einen unzulässigen Betriebszustand eines Elektromotors angibt .
In der Figur ist schematisch ein elektrisches Motorschutzgerät 10 gezeigt. Es umfasst unter anderem eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das im Folgenden erläuterte Verfahren auszuführen. Hierzu sind in der Figur einzelne Funktionsblöcke der Datenverarbeitungseinrichtung angegeben. Obwohl die Funktionsblöcke in der Figur gegenständlich dargestellt sind, wer- den diese üblicherweise nicht als separate Schaltungseinheiten ausgeführt sein, sondern mit einer auf der Datenverarbeitungseinrichtung ablaufenden Gerätesoftware implementiert werden.
Die Datenverarbeitungseinrichtung weist Eingänge IIa und IIb auf, über die Einganggrößen erfasst werden. Dem Eingang IIa der Datenverarbeitungseinrichtung ist einerseits ein Rechenbaustein 15 zum Berechnen eines Schwellenwertes Sk bzw. Sw nachgeordnet. Dieser Rechenbaustein 15 ist ausgangsseitig mit einem Einstelleingang E12 einer Sσhwellenwertstufe 12 verbunden. Dem Eingang IIa ist ferner eine zweite Schwellenwertstufe 16 nachgeordnet, die ausgangsseitig mit einem Eingang eines Zeitgeber-Bausteins 13 verbunden ist. Der Zeitgeber-Baustein 13 seinerseits ausgangsseitig mit einem Eingang der Schwellenwertstufe 12 verbunden. Der Schwellenwertstufe 12 ist ein Baustein 14 zum Erzeugen eines Fehlersignals F nachgeschaltet, das einen unzulässigen Zustand eines von dem Motorschutzgerät 10 überwachten Elektromotors angibt .
Ein zweiter Eingang IIb der Datenverarbeitungseinrichtung ist ausgangsseitig mit einer dritten Schwellenwertstufe 17 verbunden, die ausgangsseitig ein Steuersignal U an einen Umschalter 18 abgeben kann. Der Umschalter 18 ist derart eingerichtet, dass er als Reaktion auf das Steuersignal U der dritten Schwellenwertstufe 17 einen Parametereingang E15 des Rechenbausteins 15 entweder mit einem ersten Wert tA(k oder einem zweiten Wert tAiW einer maximal zulässigen Anlaufzeit beaufschlagt. Diese Werte tA/k und tA,w sind in Speicherbereichen 20a, 20b eines Datenspeichers der Datenverarbeitungseinrichtung abgelegt . Die Funktionsweise des Motorschutzgerätes 10 soll im Folgenden erläutert werden. Wird der von dem Motorschutzgerät 10 überwachte Elektromotor gestartet, so wird er kurzzeitig mit einem höheren Strom als dem für den Dauerbetrieb vorgesehenen Nennstrom belastet. Beispielsweise kann ein fünffacher Nennstrom während der Anlaufphase fließen. Das Motorschutzgerät 10 überwacht die Einhaltung einer für diesen erhöhten Anlaufström erlaubten Anlaufzeit, um eine thermische Überlastung des Elektromotors zu vermeiden.
Hierzu wird über den Eingang IIa der durch den Rotor des Elektromotors fließende Strom überwacht. Überschreitet dieser eine in der zweiten Schwellenwertstufe 16 vorgegebene Mindeststromschwelle, so wird ein Anlaufvorgang des Elektromotors erkannt. Mit anderen Wor- ten überwacht die zweite Schwellenwertstufe 16 einen Einsσhaltvor- gang des Elektromotors . Sobald der durch den Rotor des Elektromotors fließende Strom die in der zweiten Schwellenwertstufe 16 vorgegebene Mindeststromschwelle überschreitet - und damit ein Start des Anlaufvorgangs des Elektromotors erkannt wird - wird ein Sig- nal an den Zeitgeber 13 übermittelt, der daraufhin startet, um die die Anlaufzeit t, während der der Anlaufvorgang durchgeführt wird, zu ermitteln.
Die von dem Zeitgeber 13 angegebene Anlaufzeit t wird in der Schwellenwertstufe 12 mit einem dynamisch festgelegten Anlaufzeit- Schwellenwert Sk oder Sw verglichen. Überschreitet die Anlaufzeit t den Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw, so wird ein Signal an den Baustein 14 zum Erzeugen des Fehlersignals F abgegeben; das Fehlersignal F wird erzeugt. Üblichweise wird bei Vorliegen des Feh- lersignals F der AnlaufVorgang des Elektromotors durch Öffnen eines Schalters abgebrochen, um eine thermische Überlastung des Elektromotors zu verhindern.
Zum Festlegen des Anlaufzeit-Schwellenwertes Sk oder Sw wird einer- seits der durch den Rotor des Elektromotors während des AnlaufVorganges fließende Strom in Form eines Anlaufstrom-Messwertes I er- fasst. Diese Erfassung erfolgt kontinuierlich, so dass der Anlauf- zeit-Schwellenwert Sk oder Sw dem tatsächlich fließenden Anlaufstrom angepasst werden kann. Üblichweise wird sich als Anlaufström allerdings ein relativ konstanter Wert einstellen, so dass keine stärkeren Veränderungen im Wert des Anlaufzeit-Schwellenwertes Sk oder Sw aufgrund schwankender Anlaufströme zu erwarten sind.
Aus dem erfassten Anlaufstrom-Messwert I wird im Rechenbaustein 15 der Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw, beispielsweise gemäß folgender Gleichungen (1) bzw. (2) gebildet.
Falls sich der Elektromotor in einem thermisch kalten Zustand befindet (die Motortemperatur liegt unterhalb eines bestimmten Temperatur-Schwellenwertes) , wird der erste Anlaufzeit-Schwellenwert SK verwendet gemäß:
Figure imgf000009_0001
Falls sich der Elektromotor in einem thermisch warmen Zustand befindet (die Motortemperatur liegt oberhalb eines bestimmten Temperatur-Schwellenwertes) , wird der zweite Anlaufzeit-Schwellenwert S„ verwendet gemäß:
Figure imgf000009_0002
Hierbei bedeuten
IA: maximaler Anlaufström zum Anlaufen des Elektromotors,-
I: Anlaufstrom-Messwert; tA(k: bei IA maximal zulässige Anlaufzeit für den kalten thermischen Zustand; tA,w: bei IA maximal zulässige Anlaufzeit für den warmen thermischen Zustand.
Der jeweilige Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw wird also unter Verwendung von spezifischen Größen des Elektromotors (IA, tA#k bzw. tA/W) und dem gemessenen tatsächlich durch den Rotor fließenden Strom I gebildet.
Das Vorhandensein zweier Schwellenwerte Sk bzw. sw bedeutet, dass abhängig von dem jeweiligen thermischen Zustand des Elektromotors ein anderer Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw Verwendung findet. Dieser Umstand liegt darin begründet, dass der kalte Elektromotor sozusagen noch „thermische Reserven" aufweist, die die Verwendung eines höheren Anlaufzeit-Schwellenwertes Sk erlauben (der Anlauf- Vorgang kann bei einem kalten Elektromotor eine längere Zeit dauern, bis eine Gefährdung des Elektromotors eintritt) . Ein warmer Elektromotor verfügt nicht über solche thermische Reserven, da seine Temperatur schon vergleichsweise hoch ist, so dass der Anlaufvorgang bei dem warmen Elektromotor nach einer kürzeren Zeit- dauer abgeschlossen sein muss, um eine Überlastung des Elektromotors zu verhindern.
Die Entscheidung, welcher der beiden Anlaufzeit-Schwellenwerte Sk oder Sw zum Einsatz kommen soll, trifft das elektrische Motor- schutzgerät 10 anhand einer Temperaturüberwachung des Elektromotors. Hierzu können dem zweiten Eingang IIb der Datenverarbeitungseinrichtung beispielsweise über einen oder mehrere Temperatursensoren (nicht dargestellt) erfasste Temperaturmesswerte des Elektromotors zur Verfügung gestellt werden. Anhand dieser Tempe- raturmesswerte kann die Datenverarbeitungseinrichtung durch einen Temperatur-Schwellenwertvergleich in der Schwellenwertstufe 17 eine Entscheidung darüber treffen, ob sich der Elektromotor in einem kalten oder einem warmen Zustand befindet .
Häufig wird eine direkte Messung der Temperatur in einem Elektromotor jedoch wegen der beweglichen Teile und der starken elektromagnetischen Felder nur mit großem Aufwand - wenn überhaupt - möglich sein. Daher wird die Verwendung eines so genannten thermischen Modells des Elektromotors vorgeschlagen. Ein solches thermi- sches Modell bildet den Temperaturzustand des Elektromotors abhängig von Messwerten, wie dem bisher durch den Motor geflossenen Strom und der Zeitdauer, während der dieser Strom geflossen ist, ab. Der Elektromotor wird quasi als ein Wärmespeicher nachgebildet, in den während Phasen hoher Belastung (hoher fließender Strom) Wärme eintritt, d.h., die Temperatur in dem Speicher steigt, bzw. aus dem während Phasen geringer Belastung (niedriger fließender Strom) oder in Stillstandphasen (kein Stromfluss) Wärme abgegeben wird, d.h., die Temperatur in dem Speicher sinkt. Damit wird der thermische Zustand des Elektromotors hinreichend genau nachgebildet, um eine Entscheidung darüber treffen zu können, ob der Elektromotor als kalt oder warm einzustufen ist.
In der Figur ist beispielhaft als Quelle der Temperaturinformation ein thermischer Speicher 19 als Symbol für ein thermisches Modell des Elektromotors dargestellt. Obwohl der thermische Speicher 19 der Übersichtlichkeit halber außerhalb des Motorschutzgerätes 10 dargestellt ist, ist er dennoch Bestandteil der auf der Datenverarbeitungseinrichtung des Motorschutzgerätes 10 ablaufenden Gerätessoftware. Das thermische Modell wird beispielsweise durch entsprechende auf den jeweiligen Elektromotor angepasste Diffe- renzialgleichungen, die den Stromfluss in dem Elektromotor berück- sichtigen, gebildet.
Wie bereits erwähnt, wird in der dritten Schwellenwertstufe 17 der am zweiten Eingang IIb erfasste Temperaturwert mit einem Temperaturschwellenwert verglichen, um festzustellen, ob der Elektromotor als warm (die Temperatur liegt über einem Temperaturschwellenwert) oder kalt (die Temperatur liegt unter einem Temperaturschwellenwert) einzustufen ist. Hierbei bietet sich die Verwendung zweier Temperaturschwellenwerte an. Steigt die Motortemperatur (der Füllstand des thermischen Speichers) über einen ersten Temperatur- Schwellenwert an, so wird der Elektromotor als warm eingestuft. Sinkt die Motortemperatur (der Füllstand des thermischen Speichers) unter einen zweiten Temperaturschwellenwert, der unterhalb des ersten Temperaturschwellenwertes liegt, so wird der Elektromotor als kalt eingestuft. Über diese versetzten Schwellenwerte wird ein häufiges Umspringen der „warm"///kaltXλ-Entscheidung, ein so genanntes „Klappern", vermieden. Die Werte der Temperaturschwellenwerte können als Parameter in dem elektrischen Motorschutzgerät 10 festgelegt werden, es ist lediglich darauf zu achten, dass der erste Temperaturschwellenwert über dem zweiten Temperaturschwellenwert liegt .
Wenn in der Schwellenwertstufe 17 ein kalter Zustand des Elektromotors erkannt worden ist, so wird der Umschalter 18 über ein Steuersignal U derart angesteuert, dass er den Parametereingang E15 des Rechenbausteins 15 mit dem Wert tA,k für die maximale Anlaufzeit für den kalten Elektromotor beaufschlagt. In diesem Fall wird der Anlaufzeitschwellenwert Sk mit der maximalen Anlaufzeit tA/k für den kalten Elektromotor gemäß obiger Gleichung (1) berechnet. Erkennt die Schwellenwertstufe 17 einen warmen Zustand des Elektromotors, so bewirkt das Steuersignal U ein Umschalten des Umschalters 18 , so dass in diesem Fall der Parametereingang E15 des Rechenbausteins 15 mit dem Wert tA,w für die maximale Anlaufzeit für den warmen Elektromotor beaufschlagt wird. In diesem Fall wird der Anlaufzeitschwellenwert Sw mit der maximalen Anlaufzeit tA#w für den kalten Elektromotor gemäß obiger Gleichung (2) berechnet.
Der auf diese Weise abhängig vom thermischen Zustand des Elektromotors bestimmt Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw wird von dem Rechenbaustein 15 dem Einstelleingang E12 der Schwellenwertstufe 12 zugeführt. Diese Schwellenwertstufe 12 verwendet den einge- stellten Anlaufzeit-Schwellenwert Sk oder Sw zum Vergleich mit der erfassten Anlaufzeit t.
Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Anlaufzeit-Schwellenwerte Sk oder S„ kann erreicht werden, dass bei einem schweren Anlaufen des Elektromotors bei hohem Stromfluss ein kalter
Elektromotor entsprechend seiner (im Vergleich zum warmen Elektromotor) verlängerten maximalen Anlaufzeit behandelt wird; ein Fehlersignal F und damit ein Abschalten des Elektromotors wird in diesem Fall erst nach Ablauf einer entsprechend längeren Anlauf- zeit veranlasst, wenn der Elektromotor dann noch nicht in seinen Normalbetrieb übergegangen ist .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals (F), das einen unzulässigen Belastungszustand eines Elektromotors angibt, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- Erfassen eines Anlaufstrom-Messwertes (I) , der einen durch den Rotor des Elektromotors fließenden Anlaufström angibt;
- Erfassen einer Anlaufzeit (t) , während der der Anlaufström (I) durch den Rotor des Elektromotors fließt; - Ermitteln eines Anlaufzeit-Schwellenwertes (z.B. Sj unter Verwendung des Anlaufstrom-Messwertes (I) und
- Erzeugen des Fehlersignals (F) , wenn die Anlaufzeit (t) den Anlaufzeit-Schwellenwert (z.B. Sw) überschreitet; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - zur Ermittlung des Anlaufzeit-Schwellenwertes (Sk, Sw) ein thermischer Zustand des Elektromotors derart herangezogen wird, dass - bei einem als kalt eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors ein erster Anlaufzeit-Schwellenwert (Sk) ermittelt wird und - bei einem als warm eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors ein zweiter Anlaufzeit-Schwellenwert (Sw) ermittelt wird, der von dem ersten Anlaufzeit-Schwellenwert (Sk) verschieden ist .
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zur Bestimmung des thermischen Zustandes des Elektromotors die Motortemperatur des Elektromotors ermittelt wird, wobei
- bei einer Motortemperatur, die über einen ersten Temperatur- Schwellenwert steigt, der thermische Zustand des Elektromotors als warm eingestuft wird und
- bei einer Motortemperatur, die unter einen zweiten Temperatur- Schwellenwert sinkt, der thermische Zustand des Elektromotors als kalt eingestuft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der erste und der zweite Temperatur-Schwellenwert voneinander verschieden sind, wobei der erste Temperatur-Schwellenwert größer ist als der zweite Temperatur-Schwellenwert .
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der erste und der zweite Anlaufzeit-Schwellenwert (Sk, Sw) jeweils unter Verwendung eines zum Anlaufen des Elektromotors zulässigen maximalen AnlaufStromes (IA) und einer zu dem maximalen An- laufstrom (IA) passenden maximal zulässigen Anlaufzeit (tA,k, tA,w) ermittelt werden, wobei
- die maximal zulässige Anlaufzeit (tA/k, tA;W) von dem thermischen Zustand des Elektromotors derart abhängt, dass die für einen als kalt eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors erste ma- ximal zulässige Anlaufzeit (tA,k) länger ist als die für einen als warm eingestuften thermischen Zustand des Elektromotors zweite maximal zulässige Anlaufzeit (tA|W) .
5. Verfahren nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der erste Anlaufzeit-Schwellenwert (Sk) gemäß der Gleichung
Figure imgf000014_0001
ermittelt wird und - der zweite Anlaufzeit-Schwellenwert (Sw) gemäß der Gleichung
Figure imgf000014_0002
ermittelt wird, wobei
IA: maximaler Anlaufström zum Anlaufen des Elektromotors,- I: Anlaufstrom-Messwert; tA,κ: bei IA maximal zulässige Anlaufzeit für den kalten thermischen Zustand; tA,w: bei IÄ maximal zulässige Anlaufzeit für den warmen thermischen Zustand
bedeuten.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zur Ermittlung des thermischen Zustandes des Elektromotors zumindest ein Temperatursensor verwendet wird, mit dem eine Tempera- tur des Elektromotors gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zur Ermittlung des thermischen Zustandes des Elektromotors ein thermisches Beschreibungsmodell des Elektromotors verwendet wird, das eine Temperatur des Elektromotors in Abhängigkeit der Höhe der durch den Elektromotor bisher geflossenen Ströme angibt.
8. Elektrisches Motorschutzgerät (10) mit einer Datenverarbei- tungseinrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
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