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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Anlaufstrombegrenzung für elektrisch betriebene Maschinen oder Antriebe, wie beispielsweise für Wärmepumpen oder Kältemaschinen.
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Um die Netzqualität eines Energieversorgers nicht zu beeinträchtigen, dürfen pro jeweiligem Hausanschluss in Abhängigkeit von dessen Auslegung unter anderem Nenn- und Spitzenströme des Lastabnehmers von dem jeweiligen Energieversorgungsunternehmen definierte Werte nicht überschreiten. Bei größeren Verbrauchern, wie zum Beispiel Verdichtern für Wärmepumpenaggregate, treten in der Regel jedoch aufgrund der Maschinenparameter sowie der benötigten hohen Anlaufmomente Stromspitzen bzw. Netzrückwirkungen auf, welche die vom Energieversorgungsunternehmen genehmigten Grenzwerte überschreiten können. So tritt beispielsweise beim Stillstand einer Maschine durch ein Einschalten und eine fehlende Gegenspannung am Generator ein hoher Stromimpuls auf, welcher eine Netzrückwirkung verursacht, welche von dem Energieversorgungsunternehmen nicht gewünscht ist.
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Zur Begrenzung dieser Stromspitzen bzw. Netzrückwirkungen werden zur Zeit Stern-Dreieck-Anlaufschaltungen, Strombegrenzungen mittels Vorwiderständen, Strombegrenzungen mittels Vorwiderständen mit Temperaturgang (NTCs) oder auch f/U-Steller, das heißt Frequenzumrichter, verwendet. Lösungen mittels Frequenzumrichtern besitzen jedoch den Nachteil, dass sie technisch aufwendig und damit kostenintensiv sind. Lösungen mittels Vorwiderständen sind relativ unflexibel, d. h. diese müssen speziell für die jeweilige Maschine dimensioniert werden. Außerdem ist keine Stromregelung während des Hochlaufs des Maschine (Hochlauf = Hochdrehen der E-Maschine) bis Nenndrehzahl möglich.
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Mittels NTCs (temperaturabhängigen Widerständen) kann derzeit ein Nachstellen des Stromes für den Hochlauf gesteuert werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Widerstandswert sich bei Erwärmung ändert. Motorstromkennlinien während des Hochlaufs sowie das thermische Modell der NTCs müssen genau aufeinander abgestimmt sein. Auch hier müssen die Strombegrenzungsschaltungen mittels NTCs relativ eng an die jeweiligen Maschinenparameter angepasst werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Anlaufstrombegrenzung für elektrisch betriebene Maschinen oder Antriebe zur Verfügung zu stellen, welche hochgradig zuverlässig ist und dennoch mit geringem Aufwand und günstigen Kosten zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird einerseits durch eine Vorrichtung zur Anlaufstrombegrenzung für elektrisch betriebene Maschinen oder Antriebe gelöst, wobei die Vorrichtung eine Regelelektronik mit einer Stromregelungseinheit, einem in Reihe zu einer Motorinduktivität und einem Motorwicklungswiderstand (elektrische Zeitkonstante/elektro-mechanische Motorkonstante) eines Motors der Maschine oder des Antriebs geschalteten Stromlimitierungswiderstand und einem parallel zu dem Stromlimitierungswiderstand geschalteten elektronischen Schalter aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Stromregelungseinheit ein Zweipunktregler.
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Es ist besonders günstig, wenn die Stromregelungseinheit mit dem elektronischen Schalter und einer in Reihe zu dem Stromlimitierungswiderstand geschalteten Strommessvorrichtung gekoppelt ist. Durch die Strommessvorrichtung wird der Ist-Strom ermittelt, in Abhängigkeit dessen die Stromregelungseinheit den elektronischen Schalter ein- bzw. ausschaltet, um den Motorstrom während der Anlauf-/Hochlaufphase auf den maximal möglichen Strom konstant zu halten, ohne jedoch die von dem EVU (Energieversorgungsunternehmen) vorgegebenen Grenzwerte zu überschreiten.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Strommessvorrichtung ein Shunt (Nebenschlusswiderstand) ist oder einen Strommesswandler aufweist. Es kann aber auch anstelle des Shunts ein anderer geeigneter Stromsensor verwendet werden, zum Beispiel ein Stromsensor mittels Hallprinzip oder ein Messstromwandler.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Stromgleichrichterschaltung auf. Beispielsweise kann als Stromgleichrichterschaltung ein Brückengleichrichter verwendet werden. Die Stromgleichrichterschaltung kann ein- oder mehrphasig sein.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung eine Referenzvorgabeeinheit zum Vorgeben eines Stromsollwertes für die Regelelektronik auf. Zur Referenzvorgabe kann beispielsweise ein Regler, ein Potentiometer, ein Mikrocontroller oder ein DA-Wandler eingesetzt werden.
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Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte elektronische Schalter kann beispielsweise ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGPT) sein. Es können aber auch ein Bipolartransistor oder ein MOSFET als elektronischer Schalter verwendet werden.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Anlaufstrombegrenzung eines Motorstroms für elektrisch betriebene Maschinen oder Antriebe gelöst, wobei einem Motor der Maschine oder des Antriebs eine Regelelektronik mit einer Stromregelungseinheit, einem in Reihe zu einer Motorinduktivität und einem Motorwiderstand des Motors geschalteten Stromlimitierungswiderstand und einem parallel zu dem Stromlimitierungswiderstand geschalteten elektronischen Schalter vorgeschaltet wird, und die Stromregelungseinheit den elektronischen Schalter einschaltet, wenn der Motorstrom kleiner als ein vorgegebener Maximalmotorstrom ist, und den elektronischen Schalter ausschaltet, wenn der Motorstrom größer als der Maximalmotorstrom ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch die Regelelektronik ein Ist-Strom durch einen Strommesswiderstand ermittelt und von der Stromregelungseinheit zur Stromregelung verarbeitet.
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Es ist ferner besonders von Vorteil, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein von einem Versorgungsnetz kommender Wechselstrom in der Vorrichtung in einen Gleichstrom gewandelt wird. Hierfür kann beispielsweise eine Brückengleichrichterschaltung, die auf Dioden basiert, verwendet werden.
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Vorzugsweise wird der elektronische Schalter mit einer von der Motorinduktivität abhängigen Schaltfrequenz geschaltet. Typischerweise wird dabei die Motorinduktivität mit einer e-Funktion geladen bzw. entladen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Regelelektronik ein Stromsollwert vorgegeben. Der Stromsollwert kann beispielsweise durch einen Regler, ein Potentiometer, einen Mikrocontroller oder einen DA-Wandler zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann der Stromsollwert als konstanter Wert oder auch in Form einer Sollfunktion vorgegeben werden. So ist es gemäß einer erfindungsgemäßen Option besonders von Vorteil, wenn der Sollwert über eine beispielsweise in einem Mikrocontroller integrierte Software entsprechend den jeweiligen Erfordernissen konfiguriert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden der elektronische Schalter, ein Gleichrichter der Regelelektronik, eine Strommessvorrichtung der Regelelektronik und der Stromlimitierungswiderstand nach einem Hochlauf der Maschine oder des Antriebs kurzgeschlossen. Der Kurzschluss kann mit einem Relais oder mit einem Schütz realisiert werden. Auf diese Weise kann die durch einen Betrieb der Regelelektronik entstehende Verlustleistung im Dauerbetrieb der Maschine bzw. des Antriebs eliminiert werden.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung als auch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl einphasig als auch mehrphasig betrieben werden können.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei
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1 schematisch das allgemeine Prinzip der erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung darstellt;
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2 schematisch eine detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung zeigt;
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3 schematisch eine Variante der erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung mit einer Referenzvorgabeeinheit zum Vorgeben eines Stromsollwertes für die Regelelektronik zeigt; und
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4 schematisch die Schaltungsvariante aus 3 zeigt, in welcher die Regelelektronik kurzgeschlossen ist.
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1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung für elektrisch betriebene Maschinen (E-Maschinen) oder Antriebe. Durch ein Versorgungsnetz 11 wird eine Wechselspannung V1 zur Verfügung gestellt. Das Versorgungsnetz 11 ist mit einer Regelelektronik 2 gekoppelt, in welcher ein Stromlimitierungswiderstand 7 parallel zu einem durch eine in 1 nicht gezeigte Stromregelungseinheit 3 getakteten elektronischen Schalter 8 geschaltet ist. In Reihe zu der Regelelektronik 2 befindet sich ein Motor 6 der jeweiligen elektrisch betriebenen Maschine bzw. des jeweiligen Antriebs. Der Motor 6 weist eine Motorinduktivität 4 und einen Motorwicklungswiderstand 5 auf.
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Durch die Stromregelungseinheit 3 wird bei stehendem Motor 6 der elektronische Schalter 8 eingeschalten, wenn der Motorstrom des Motors 6 kleiner als ein vorgegebener Maximalmotorstrom Imax ist. Der elektronische Schalter 8 wird durch die Stromregelungseinheit 3 ausgeschalten, wenn der Motorstrom des Motors 6 größer als der Maximalmotorstrom Imax ist. Idealerweise besitzt der Stromregler 3 eines Hysterese für eine definierte Ein- und Ausschaltschwelle. Dabei schaltet die Regelelektronik 2 den elektronischen Schalter jeweils so, dass immer der gewünschte, vorgegebene Maximalstrom Imax eingehalten wird. Wird dieser Strom nicht erreicht, wird der elektronische Schalter 8 immer eingeschalten. Eine Limitierung ist dann auch nicht mehr notwendig.
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Die zum Schalten des elektronischen Schalters 8 verwendete Schaltfrequenz ist von der Motorinduktivität 4 (L_Motor) und der Schalthysterese im Regler abhängig.
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Beim Schließen des elektronischen Schalters wird der Strom bzw. der Stromanstieg von der Motorinduktivität 4 und vom Motorwicklungswiderstand 5 bestimmt. Der elektrische Schalter bleibt solange geschlossen, bis ein vorgegebener Maximalstrom Imax erreicht ist. Nach Erreichen von Imax wird der elektronische Schalter geöffnet. Der Strom fließt nun über den Stromlimitierungswiderstand 7 (R_Limit) weiter. Der Stromverlauf wird nun über Motorinduktivität 4, den Motorwicklungswiderstand 5 (R_Motor) und den Stromlimitierungswiderstand 7 (R_Limit) bestimmt. Bei Unterschreiten der Stromhysterese bzw. eines Minimalstromwertes wird der elektronische Schalter wieder geschlossen.
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2 zeigt eine detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung.
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Gemäß 2 weist die Regelelektronik 2 die Stromregelungseinheit 3, den elektronischen Schalter 8, den parallel zu dem elektronischen Schalter 8 geschalteten Stromlimitierungswiderstand 7, eine in Reihe zu dem elektronischen Schalter 8 und den Stromlimitierungswiderstand 7 geschaltete Strommessvorrichtung 9 sowie eine aus vier Dioden D1, D2, D3, D4 aufgebaute Brückengleichrichteranordnung 10 als Stromgleichrichterschaltung auf.
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In dem Beispiel von 2 ist der elektronische Schalter ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), ein MOSFET oder ein Bipolartransistor.
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Die Strommessvorrichtung 9 ist ein Shunt, kann aber auch ein anderer Strommesswandler sein.
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Die Dioden D1, D2, D3, D4 des Brückengleichrichters 10 richten den Strom gleich, sodass an den elektronischen Schalter 8 (M1) und den Stromlimitierungswiderstand 7 (R_Limit) ein Gleichstrom geliefert wird.
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Geregelt wird durch die Regelelektronik 2 der Motorstrom des Motors 6. Der Sollwert des Motorstroms wird über eine analoge Spannung vorgegeben. Der Istwert des Motorstroms wird durch die Strommessvorrichtung 9 gemessen. Der Sollwert kann entweder über eine geeignete Spannungsreferenz erzeugt werden, zum Beispiel Spannungsregler und/oder Potentiometer, aber auch von einem mit der Stromregelungseinheit 3 gekoppelten Mikrocontroller oder DA-Wandler (Digital-Analog-Wandler) vorgegeben werden.
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Als Reglerprinzip verwendet die Stromregelungseinheit 3 eine Zweipunktregelung, die darauf basiert, dass sich der Stromlimitierungswiderstand 7 aus dem Quotienten der durch das Versorgungsnetz 11 zur Verfügung gestellten Spannung V1 und dem Maximalstrom Imax errechnet. Wenn der elektronische Schalter 8 ausgeschalten ist, sowie bei stillstehender E-Maschine, errechnet sich der Maximalstrom Imax aus dem Quotienten aus der über dem Stromlimitierungswiderstand 7 und dem elektronischen Schalter 8 abfallenden Spannung UV1 und der Summe aus dem Stromlimitierungswiderstand 7 und dem Motorwicklungswiderstand 5 des Motors 6.
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Durch den aus dem Stromlimitierungswiderstand 7 und dem Motorwicklungswiderstand 5 zusammengesetzten Gesamtwiderstand sinkt der Motorstrom.
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Wird der elektronische Schalter 8 bei stillstehender E-Maschine eingeschalten, ist der Motorstrom proportional zu dem Quotienten aus abfallender Spannung UV1 und dem Motorwiderstand 5 des Motors 6.
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Folglich steigt der Motorstrom bei eingeschaltetem Schalter 8 an.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anlaufstrombegrenzung sowie das entsprechende Verfahren arbeiten wie folgt: Die gezeigte Schaltungsanordnung limitiert den Strom zunächst über die Widerstände des Stromlimitierungswiderstandes 7 und des Motorwicklungswiderstandes 5. Im gleichen Augenblick beginnt die E-Maschine anzulaufen. Durch die erzeugte Gegenspannung, welche bei zunehmender Drehzahl steigt, sinkt der von der E-Maschine aufgenommene Strom. Die Stromregelungseinheit 3 bewirkt, dass elektronischen Schalter 8 taktet bzw. schaltet, um den Strom auf den gewünschten Maximalstrom zu regeln. Außerdem wird dadurch eine thermische Überlastung der Widerstände vermieden. Durch den elektronischen Schalter 8 wird der Stromlimitierungswiderstand 7 durch die gepulste getaktete Schaltung mit einer Rampenfunktion überbrückt und die Maschine läuft mit den von dem EVU maximal erlaubten bzw. möglichen Strom an. Dieser Strom wird erfindungsgemäß durch die in den 1 und 2 dargestellte getaktete Schaltung bereitgestellt.
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Hierzu arbeitet der Wandler bzw. die Stromregelungseinheit 3 in einem Zweipunktreglerprinzip. Das heißt, wird der Stromsollwert des Motorstroms unterschritten, wird der elektronische Schalter 8 eingeschaltet. Wird der Stromsollwert des Motorstroms überschritten, wird der elektronische Schalter 8 ausgeschaltet. Somit regelt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auf einen konstanten Stromwert, beispielsweise auf 30 A.
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Wenn die Maschine in Betrieb ist bzw. angelaufen ist, wird ein geringerer Nennstrom, beispielsweise 10 A, benötigt. In diesem Zustand ist der elektronische Schalter immer durchgesteuert, da der Sollwert unterschritten ist. Wenn beispielsweise ein Maximalstromwert von 30 A an der Stromregelungseinheit 3 eingestellt ist, durch den Strommesswiderstand 9 jedoch nur 10 A gemessen werden, wird der elektronische Schalter 8 in jedem Fall eingeschaltet. Unter diesen Bedingungen bleibt der elektronische Schalter 8 auch eingeschaltet, der Stromlimitierungswiderstand 7 wird durch den elektronischen Schalter 8 kurzgeschlossen und es wird keine Leistung mehr an den Stromlimitierungswiderstand 7 umgesetzt.
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Wichtig ist bei einer elektrischen Maschine die Motorinduktivität 4, die ausgenutzt wird, da sie für den Schaltwandler den Energiespeicher (Funktion wie Speicherdrossel bei einem DC/DC-Wandler) darstellt. Erfindungsgemäß sind daher keine weiteren energiespeichernden Elemente, wie beispielsweise bei einem klassischen Abwärts- oder Aufwärtsregler, erforderlich. Stattdessen wird erfindungsgemäß die Motorinduktivität 4 des Motors 6 als Energiespeicher genutzt, welche dafür sorgt, dass die Netzrückwirkung relativ klein ist. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Stromregelungseinheit 3 und die damit durchgeführte Stromregelung, da mithilfe der Regelelektronik 2 allein der Strom geregelt wird.
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Die Schaltfrequenz für die Schaltung des elektronischen Schalters 8 ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Motorinduktivität 4. Generell gilt: Je größer die Motorinduktivität 4, umso niederfrequenter ist die Schaltfrequenz.
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Wie in 2 gezeigt, wird bei der oben beschriebenen Vorgehensweise der von dem Versorgungsnetz 11 kommende Wechselstrom gleichgerichtet, sodass der elektronische Schalter 8 von einem Gleichstrom durchflossen wird. Die Gleichrichtung erfolgt durch den Brückengleichrichter 10, der pro Phase eingeschaltet ist. Durch die Gleichrichtung kann die Schaltungsgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anlaufstrombegrenzung sehr einfach vorgenommen werden. Entsprechend kann eine kostengünstige Vorrichtung zur Anlaufstrombegrenzung zur Verfügung gestellt werden.
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3 zeigt schematisch eine Variante der erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzung, bei welcher die Regelelektronik 2 eine mit der Stromregelungseinheit 3 gekoppelte Referenzvorgabeeinheit 12 aufweist. Die Referenzvorgabeeinheit 12 kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein. In anderen Ausführungsvarianten der Erfindung kann als Referenzvorgabeeinheit 12 auch ein Regler, ein Potentiometer oder ein DA-Wandler zur Vorgabe einer Referenzspannung oder eines Referenzstromes verwendet werden. Durch die Referenzvorgabeeinheit 12 wird ein Sollwert für den Regler vorgegeben. Der Sollwert kann sowohl ein fixer Wert sein, aber auch über eine Software konfigurierbar sein. So kann der Sollwert beispielsweise auch anstelle eines konstanten Wertes als eine Rampe oder eine andere geeignete Sollwertfunktion durch die Referenzvorgabeeinheit 12 zur Verfügung gestellt werden.
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4 zeigt schematisch die Ausführungsvariante zur Anlaufstrombegrenzung aus 3, wobei die gesamte Leistungselektronikeinheit, d. h. die Regelelektronik 2, beginnend von der Spannungsquelle bis hin zum Motor 6, kurzgeschlossen ist. Insbesondere werden durch den Kurzschluss der elektronische Schalter 8, der Gleichrichter 10, der Shunt 9 und der Stromlimitierungswiderstand 7 kurzgeschlossen. Der Kurzschluss erfolgt nach einem Hochlauf der Maschine bzw. des Antriebs, beispielsweise durch ein Relais 13 oder ein Schütz und dient dazu, die Verlustleistung im Dauerbetrieb an diesen Elementen zu verhindern.
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Obwohl in den 2 bis 4 die jeweils eingesetzte Gleichrichterschaltung 10 nur für einen Einphasenbetrieb dargestellt ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende Verfahren auch mehrphasig, d. h. auch im Drei-Phasen-Betrieb, betrieben werden.
