Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Phasenanschnitt- Steuerung zum Sanftauslauf eines Antriebs, insbesondere eines Pumpenantriebs, in .Abhängigkeit des Phasenwinkels zwischen der Spannung und dem Strom des Antriebsmotors.

Verfahren mit Phasenanschnittsteuerung zum Sanftauslauf und Sanftanlauf von Antrieben, bei denen abhängig von dem Phasenwinkel zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom geregelt wird, sind bekannt. An die Regelung beim Sanft¬ auslauf werden besondere Anforderungen gestellt. Bei der Abschaltung von Pumpenantrieben durch abrupte Durchflußände- rungen in Rohrleitungssystemen entstehen Druckschläge, die auch als "Wasserschlag" bezeichnet werden und das Leitungs¬ system nicht nur schädigen können, sondern zudem wegen der akustischen Beeinträchtigung störend wirken.

Die abrupte Durchflußänderung entsteht vor allem, wenn der .Antrieb von Kreiselpumpen, z.B. durch Öffnen des zugehörigen Motorschützes, direkt abgeschaltet wird. Dabei besteht zwischen der Drehzahl und dem Durchfluß bzw. zwischen der Drehzahländerung und der Druckänderung folgender Zusammen- hang. Der Durchfluß ist direkt proportional zur Pumpen¬ drehzahl und die Druckveränderung ist direkt proportional dem Quadrat der Drehzahländerung.

Bei der Direktabschaltung eines Pumpenantriebs mit Drehstrom- motor kommt es wegen des Lastmomentverlaufs Pum entsprechend FIG 1 innerhalb kürzester Zeit zum Stillstand des Antriebs, da die Pumpe ein hohes Gegenmoment darstellt. In FIG 1 ist das Moment M über der Drehzahl n aufgetragen. Mit Mom ist das

Motormoment, mit Pum das Lastmoment, mit Bin das Beschleuni ^¬ gungsmoment, mit Kim das Kippmoment und mit N der Nenn¬ betriebspunkt bezeichnet. Aufgrund des hohen Gegenmoments Pum der Pumpe ergibt sich eine schnelle Änderung der Drehzahl n, die wegen der oben genannten Zusammenhänge eine schlagartige Änderung des Durchflusses und des Druckes bewirkt. Es kommt daraufhin zu einem Druckschwall, der als Wasserschlag bekannt ist. Vorhandene Rückschlagklappen verstärken das Problem.

In FIG 2 ist der zeitliche Verlauf von Motorstrom i, Motorspannung u und Drehzahl n bei Direktabschaltung darge¬ stellt.

Als Gegenmaßnahmen wurden bisher verschiedene Methoden angewendet.

Durch Anbringen einer Schwungmasse am Pumpenantrieb kann verhindert werden, daß der Antrieb beim Abschalten sofort zum Stehen kommt. Die gespeicherte Energie der Schwungmasse führt zu einem verzögerten Auslauf der Pumpe, so daß die Druck¬ änderung und Durchflußänderung verlangsamt wird. Diese Methode benötigt hohen mechanischen Aufwand, und für den Betrieb wird zusätzliche Leistung notwendig.

Durch Einsatz von Frequenzumrichtern kann der Pumpenmotor nach einer Drehzahlrampe von seiner Nenndrehzahl N auslaufen. Diese Methode ist vor allem bei größeren Pumpenleistungen vergleichsweise teuer.

Zum Aus- und Einschalten von Pumpenmotoren werden auch sogenannte Sanftanlaufgeräte eingesetzt, die nach dem Prinzip eines Drehstromstellers arbeiten. Neben der Möglichkeit eines Sanftanlaufs bieten diese Geräte auch die Möglichkeit eines Sanftauslaufs. Dabei wird durch Phasenanschnitt die Motor- klemmenspannung nicht schlagartig abgeschaltet, sondern zurückgeregelt, so daß ebenfalls der Motor langsam ausläuft.

Dabei gibt es unterschiedliche Qualitäten des Sanftauslaufs: Die einfachste Art besteht darin, den Phasenanschnittwinkel beim Auslauf von Null Grad an linear zu vergrößern, bis der Motor zum Stehen kommt. Unterschreitet das hierbei reduzierte Motormoment das Lastmoment, kommt es zu einer schnellen Drehzahländerung gemäß FIG 3, die in den meisten Fällen wiederum einen Wasserschlag verursacht. Eine weitere Methode besteht darin, die Motorklemmenspannung zu erfassen und beim Auslaufen nach einer Rampe zu regeln. Zur Erfassung der Motorklemmenspannung ist jedoch zusätzliche Hardware erforderlich. Dabei ist erschwerend, daß die Spannung zum einen phasenangeschnitten ist und zum andern potentialfrei der Steuerung zur Verfügung gestellt werden muß. Durch die Erfassung und "Glättung" der Motorklemmenspannung entsteht bei einer einfachen Lösung eine Zeitverzögerung, die das Regelverhalten ungünstig beeinflussen kann.

Das vorliegende Phasenanschnittsteuerungsverfahren zum Sanft¬ auslauf geht von der Betriebsweise eines bekannten Sanft- anlaufgerätes gemäß FIG 4 aus, wie es aus der DE-OS 40 05 679 bekannt ist. Hier ist ein Drehstrommotor Mt über eine Thyristorschaltung aus antiparallelen Thyristoren 1A, 1B bzw. IC an die drei Phasen A, B und C eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die sechs Thyristoren können mittels einer geeigneten Zündschaltung 2 eingeschaltet werden. Befinden sich die Thyristoren nach einer Zündung im eingeschalteten Zustand, erlischt der Stromfluß beim Nulldurchgang des Stromes IA, IB, IC. Werden bei Wechselstromanwendung jeweils nach Erlöschen des Stromes die Thyristoren nach einer definierten Zeit wieder eingeschaltet, bezeichnet man dies als Phasenanschnittsteuerung. Die Verzögerung wird üblicher¬ weise als Anschnittwinkel bezeichnet.

Der prinzipielle Aufbau des Sanftanlaufgerätes enthält neben der genannten Schaltung des Wechselstromstellers und den

Zündschaltungen auch noch Erfassungsschaltungen 3A, 3B, 3C,

die den Zustand eines Thyristorpaares anzeigen. Dabei werden nur die beiden Zustände "stromlos" und "stromführend" unterschieden, wie in FIG 5 durch die vierte Kurve IOA von oben für den Strom IA in der Phase A beispielhaft angegeben.

Ein Erfassungskreis 4, der ein netzsynchrones Signal aus der Netzspannung VAB liefert, dient als Synchronisiersignal (VOAB) . Dieses Signal unterscheidet auch nur die beiden Zustände "Spannung positiv" oder "Spannung negativ" und leitet sich gemäß FIG 5 aus der Spannung VAB zwischen den beiden Phasen A und B gemäß FIG 5 ab.

Mit Hilfe der genannten Signale ist es möglich, den Phasenwinkel PA zwischen dem Motorstrom und der Spannung zu ermitteln.

Aus dem Signal, z.B. IOA, das den Zustand der einzelnen Thyristorpaare IA, 1B, IC anzeigt und insbesondere den Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs wiedergibt, der durch die fallenden Flanken z.B. im Kurvenzug IOA angegeben ist, und dem Signal VOAB, das synchron zur Netzspannung VAB verläuft und insbesondere den Nulldurchgang der Netzspannung wiedergibt, wird der Phasenwinkel PA zwischen Motorspannung und Motorstrom ermittelt. Diese Zusammenhänge einschließlich der Zündwinkelansteuerung gemäß dem mit FPA bezeichneten Kurvenzug für das Thyristorpaar IA in der Phase A sind aus der FIG 5 ersichtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Sanftauslauf von Pumpenantrieben unter Vermei¬ dung von Druckschlägen zu schaffen, so daß das Rohrleitungs¬ system nicht geschädigt wird und auch eine akustische Beein¬ trächtigung weitgehend vermieden wird. Dies wird erreicht mit einem Verfahren mit Phasenanschnittsteuerung zum Sanftauslauf eines Antriebs, insbesondere eines Pumpenantriebs, in Abhängigkeit des Phasenwinkels zwischen der Spannung und dem

Strom des .Antriebsmotors derart, daß die zeitliche Phasenwinkeländerung durch Vergrößerung des Phasenanschnitt- winkels zunächst negativ ist, daß diese dann in einem Wendepunkt ihre Richtung ändert, daß ausgehend von dem momentanen Phasenwinkel bei Erfassung des Wendepunktes mit Hilfe eines Reglers der Phasenanschnittwinkel unter Vorgabe einer Phasenwinkel-Sollwertkurve als Eingangsgröße geregelt wird. Bei diesem Verfahren wird keine zusätzliche Hardware gegenüber der üblichen Steuerung für Sanftanlaufgeräte mit Phasenanschnittsteuerung benötigt. Für das Verfahren wird lediglich der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung benötigt, der bei üblichen Steuerungsverfahren entweder bereits vorliegt oder aus vorhandenen Informationen einfach abgeleitet werden kann.

Besonders einfach ist es, wenn der Phasenanschnittwinkel bis zur Erfassung des Wendepunktes linear erhöht wird. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Phasenwinkel-Sollwertkurve mit positiver zeitlicher Phasenwinkeländerung einen linearen Verlauf hat. Vorzugsweise liegt die Erhöhung des Phasen- anschnittwinkels in einem Bereich von 15 bis 20 Grad pro Sekunde. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die zeitlich lineare Erhöhung der Phasenwinkel-Sollwertkurve in einem Bereich von 0,5 bis 6 Grad pro Sekunde liegt. Ein besonders günstige Weiterbildung des genannten Verfahrens besteht, wenn die Regelung des Phasenanschnittwinkels unter Vorgabe der linearen Phasenwinkel-Sollwertkurve für die positive zeitliche Phasenwinkeländerung in folgenden Schritten erfolgt:

a) in äquidistanten Zeitschritten Δt wird der gemessene Phasenwinkel mit dem Phasenwinkel-Sollwert verglichen, b) dabei wird dem Regler als Ausgangswert für die Referenz der momentane Phasenwinkel bei Erfassung des Wendepunktes zugeführt,

c) ist der nach dem Zeitschritt Δt gemessene Phasenwinkel größer als der Sollwert in diesem Zeitpunkt, wird der Phasenanschnittwinkel gegenüber dem letzten Wert um einen ersten Differenzwert reduziert, ansonsten wird zum letzten Wert der erste Differenzwert addiert, d) der Referenzwert wird gemäß dem Sollwert beim nächsten Zeitschritt Δt um einen zweiten Differenzwert erhöht, e) solange der sich neu ergebende Phasenanschnittwinkel kleiner als der größtmögliche Phasenanschnittwinkel ist, werden mit dem beim nächsten Zeitschritt Δt gemessenen Phasenwinkel und dem entsprechenden Referenzwert die beschriebenen Schritte wiederholt.

Um die Auslaufdauer beeinflussen zu können, ist vorteil- hafterweise die Steigung der linearen Phasenwinkel-Sollwert¬ kurve einstellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 6 Ein Diagramm mit dem Phasenanschnittwinkel und dem

Phasenwinkel über der Zeit, FIG 7 ein Ablaufdiagramm für die Phasenanschnittsteuerung, FIG 8 ein Diagramm zum Pumpenauslauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In FIG 6 ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Phasen¬ anschnittsteuerung zum Sanftauslauf eines Pumpenantriebs dargestellt. Bei Steuerung des Phasenanschnittwinkels D gemäß der unteren Kurve im Diagramm ergibt sich der Phasenwinkel PA zwischen der Spannung und dem Strom des Antriebsmotors gemäß der oberen Kurve. Zum Abschalten des Pumpenmotors wird zunächst beginnend mit einem Phasenanschnittwinkel D = 0° dieser nach einer linearen Rampe erhöht. Dies führt zu einer Absenkung der Motorspannung und die zeitliche Phasenwinkel¬ änderung dPA/dt ist zunächst negativ. In jeder Netzperiode,

d.h. in äquidistanten Zeitschritten Δt, wird z.B. nach der oben zum Stand der Technik beschriebenen Methode der Phasenwinkel PA ermittelt. Der Verlauf des Phasenwinkels PA wird während der linearen Erhöhung des Phasenanschnittwinkels D beobachtet und ausgewertet. Bei entsprechender Auswahl der Steigung für den linearen Anstieg des Phasenanschnittwinkels D im Bereich von 15 bis 20 Grad pro Sekunde ergibt sich im Verlauf des Phasenwinkels PA ein Wendepunkt W. Wird dieser Wendepunkt W detektiert, ist dies ein Indiz dafür, daß der Motor sich in dem Zustand befindet, in dem bei weiterer Reduzierung der Spannung das Pumpenmoment als Lastmoment das Motormoment überschreitet und es zu einem abrupten Drehzahl¬ abfall kommt, der zum Wasserschlag führt. Ab diesem Zeitpunkt tl wird der Phasenanschnittwinkel D nicht mehr linear erhöht, sondern von einem Regler so beeinflußt, daß der Phasenwinkel PA nach dem Wendepunkt W möglichst nach einer linearen Rampe, d.h. einer Phasenwinkel-Sollwertkurve R(t) gemäß FIG 6, ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Motordrehzahl sich nicht abrupt ändert, da die Regelung die MotorSpannung über den Phasenanschnittwinkel D so beeinflußt, daß keine schnelle Phasenwinkeländerung möglich ist. Wie aus der FIG 6 ersicht¬ lich, folgt der gemessene Phasenwinkel PA physikalisch bedingt nicht der Phasenwinkel-Sollwertkurve R(t) im vorlie¬ genden Ausführungsbeispiel. Hier ist in der ersten Phase nach dem Wendepunkt W der Phasenanschnittwinkel D zunächst nahezu konstant, d.h. auch die Motorspannung wird konstant gehalten, und erst zu einem späteren Zeitpunkt wird die Spannung durch Erhöhung des Phasenanschnittwinkels D gesenkt.

Die Regelung erfolgt beispielsweise mit einem PID-Regler, dessen Regelgröße der Phasenwinkel PA ist. Die Stellgröße ist der Phasenanschnittwinkel D für die Phasenanschnittsteuerung. Der Sollwert der Regelgröße erhöht sich nach der linearen Rampe R(t) ausgehend vom Momentanwert des Phasenwinkels PA _W bei der Detektion des Wendepunktes W bis zu einem

Maximalwert. Die Steigung der linearen Rampe R(t) ist über den Parameter "Auslaufdauer" vorzugsweise einstellbar.

FIG 7 zeigt das Ablaufdiagramm für die erfindungsgemäße Phasenanschnittsteuerung. Danach wird der Phasenanschnitt¬ winkel D ausgehend von Null Grad zunächst linear erhöht, was zu einer .Absenkung des Phasenwinkel PA führt, d.h. eine negative zeitliche Phasenänderung dPA/dt zur Folge hat. Nach jedem Zeitschritt Δt, d.h. im vorliegenden Fall in jeder Netzperiode, wird der Phasenwinkel PA, wie eingangs beschrieben, gemessen. Ein erster Differenzwert der Phasen- anschnittänderung dD für die lineare Rampe ist so berechnet, daß die Steigung zum einen nicht zu groß ist, da sonst der Kippunkt des Motors übersprungen werden kann, zum anderen aber nicht zu klein ist, da der Wendepunkt W sonst nicht detektiert werden kann. Ist die zeitliche Phasen¬ winkeländerung dPA/dt nicht mehr negativ, so ist dies das Indiz, daß der Wendepunkt W erreicht ist. Der entsprechende Phasenwinkel PA _W ist der .Anfangssollwert bzw. der Referenz- wert R für den Regler. Von diesem Zeitpunkt ab erfolgt die Phasenanschnittsteuerung über den Regler, dem als Sollwert bzw. Referenzwert die lineare Phasenwinkel-Sollwertkurve R(t) zugeführt wird, d.h. in einer Schleife wird der Phasen- winkelreferenzwert R jeweils um die Referenzänderung dR erhöht, die aus der vorgegebenen Auslaufdauer berechnet wird. Die Referenzänderung dR ergibt sich aus den Koordinaten PA _W , ti für den Wendepunkt W und der Bedingung, daß nach der vorgegebenen Auslaufdauer T im Zeitpunkt t2 = ti + T der Phasenwinkel 120° betragen soll. Demzufolge berechnet sich die Referenzänderung dR innerhalb eines Zeitschritts Δt zu dR = [ (120°-PA _W )/T] -Δt. Innerhalb der Schleife erfolgt eine Abfrage, ob der gemessene Phasenwinkel PA größer als der Referenzwert R ist oder nicht. Für den Fall PA größer R wird der Phasenanschnittwinkel D gegenüber dem letzten Wert um einen Differenzwert dDl vermindert. Die Änderung dDl wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem PID-Regler

berechnet. Ist der Phasenwinkel PA jedoch kleiner oder gleich dem Sollwert R, erfolgt eine entsprechende Erhöhung des Phasenanschnittwinkel D um den Differenzwert dDl. Darauffolgend wird der Sollwert R für den Phasenwinkel um die Referenzänderung dR erhöht und damit wieder der nächste Regelungsschritt eingeleitet bis der gemessene Phasenan¬ schnittwinkel Dmax als größtmöglicher Ansteuerwinkel D er¬ reicht ist. Damit ist der Sanftauslauf für den Pumpenantrieb beendet.

In FIG 8 ist der zeitliche Verlauf von Motorstrom i, Motor¬ spannung u und Motordrehzahl n für einen Sanftauslauf eines Pumpenantriebs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Phasenanschnittsteuerung dargestellt. Durch die gesteuerte Spannungsabsenkung wird ein Drehzahlverlauf ohne abruptes Absacken erreicht. Die Drehzahl n nimmt anfangs langsam aber kontinuierlich ab und geht dann in einen linearen Bereich mit größerer Steilheit über. Die Steigung dieses linearen Absenkungsbereiches hängt von der Vorgabe für die Steigung der linearen Phasenwinkel-Sollwertkurve R(t) ab und kann über die "Auslaufdauer" eingestellt werden.