重新連接三相交流電動機的方法及實現該方法的電路的製作方法

2023-06-29 00:46:11

專利名稱：重新連接三相交流電動機的方法及實現該方法的電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在將驅動作功機械(例如齒輪汽輪壓縮機 GetHebe-Turboverdichter )的三相交流電動機(感應電動機或同步電 動機)與電源電壓斷開之後以及在存在由轉子剩餘磁場 (Laeuferrestfeld )感應的剩餘磁場電壓(Restfeldspannung )的情況 下重新連接該三相交流電動機的方法以及一種用於實現該方法的電 路。
背景技術：
不同應用中的多種驅動裝置要求在供電網故障以及三相交流電 動機與電源電壓斷開之後儘可能快地並且導致很小轉速損失地重新 連接驅動的三相交流電動機，其中必須防止三相交流電動機、電動枳^ 所驅動的機械以及機械和電動機之間軸系(Wellenstrang )中所有其 他構件(聯軸器、傳動齒輪箱等)的損壞。其中應該注意，電動機在 與電源電壓斷開之後繼續運轉，其中由存在的轉子剩餘磁場感應出轉 速頻率(Drehzahlfrequenz)的剩餘磁場電壓。電動機由於被驅動機 械的反作用力矩以及通過摩擦而減速停止。對於三相交流電動機，在 發生電源故障之後，與剩餘磁場電壓反相的電源電壓的恢復對於出現 的脈沖電流和沖擊力矩(Stossmomente )是非常大的負荷。特別是在 作功機械的轉動慣量很高時，該電動機側引入的衝擊力矩導致整個驅 動線路(Antriebsstrang )中非常大的扭轉振動負栽 (Drehschwingungsbelastung)，從而驅動線路的所有部件、諸如電 動機、聯軸器和作功機械必須被相應魯棒地並因此對於正常運行超差 設計 (ueberdimensioniert ) 地構造。在論文"Archiv fuer Elektrotechnik 71, 1988，第399至411頁，，中公開了 一種用於確定在系統切換時出現的轉矩負荷(Drehmomentbeanspruchung )的計算方 法。從實踐中已知，為了避免驅動線路的部件的超差設計 (Ueberdimensionierung )或為了防止使用附加的摩擦聯軸器，通過 打開開關而斷開電源網絡的故障，然後受控地與備用網絡或在消除故 障之後通過閉合開關而重新與電源網絡連接。如在論文"ELEKTRIE， 柏林46， 1992，第456至460頁"中所示，在實踐中已知一種用於在 存在由轉子剩餘磁場所感應的剩餘電壓時短時和長時轉換以重新對 三相交流電動機施加電壓的方法。為了在短時轉換的情況下防止在通 常幾毫秒內在驅動線路中出現過度的轉矩負荷，在工作期間始終監碎見 電源網絡和備用網絡的幅度、頻率和相移之間的差異。只在總差異遵 守受限制的(eng)的範圍的限制時，才可以在電源網絡出現故障時 在幾毫秒內轉換到備用網絡。如果不滿足短時轉換的條件，則進行長 時轉換，其中等待直到三相交流電動機被制動以至於在施加電壓時可 以與電源電壓和剩餘磁場電壓的相位差無關地排除過度的轉矩負荷。 雖然長時轉換方法保證了適度的衝擊力矩，但是其缺點在於轉速降低 如此劇烈，使得由此實際上中斷了工作過程。最後，對於長時轉換還 存在這樣的危險，即在驅動線路的扭轉或彎曲關鍵的轉速時進行重新 連接，並且由於開關過程產生危及軸系中構件的很大的交變轉矩，或 甚至啟動自動安全斷路。發明內容在這樣的背景下，本發明的任務在於提供一種用於在三相交流電 動機與電源電壓斷開之後在存在由轉子剩餘磁場所感應的剩餘磁場 電壓的情況下重新連接三相交流電動機的方法，該方法使得可以在轉 矩負荷最小的情況下在任意高的剩餘磁場電壓下進行重新連接。發明目標和任務解決方案是一種用於在三相交流電動機與電源 電壓斷開之後在存在由轉子剩餘磁場所感應的剩餘磁場電壓的情況 下重新連接該三相交流電動機的方法，其中記錄剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線，其中從剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲 線中預測電壓之間的相位差，並確定該相位差不超過預定的最大值 max的時間點,,，並且其中在到達時間點~之前對應於預先確定的開關時間延遲r,的時間距離處觸發(ausloesen)重新連接的開關指令，從 而電動機大約在時間點。處連接到電源電壓。通過根據本發明的方法， 可以在與電源網絡斷開之後幾乎無衝擊地接通電動機，其中通常轉速 下降可以被保持得非常小。對於已知的短時轉換，備用網絡必須始終保持為準備就緒，並且 只能在備用網絡和電源網絡的幅度、頻率和相位儘可能一致時才進行 轉換，但是，根據本發明的方法，可以通過備用網絡或在消除故障後 通過電源網絡本身重新提供電源電壓。本發明尤其基於這樣的認識， 即由於斷開電源電壓之後電動機的減速停止，角速度從電源電壓的電 源頻率開始降低，使得剩餘磁場電壓和電源電壓在電動機減速停止時 在恢復時間點處幾乎同相。其中，通過確定剩餘磁場電壓的時間變化 曲線可以事先確定相位差不超過預定最大值A^max的時間點。，其中在 考慮到達時間點^之前的開關時間延遲l的情況下觸發開關指令，使 得大約在預測的時間點G時進行電壓施加。在根據本發明的方法的一個有利實施方式中，確定剩餘磁場電壓 的過零時間點，其中根據這些過零之間的時間間隔確定剩餘磁場電壓 的角速度和角速度變化。確定過零在測量技術角度上可以例如以模擬 比較器而特別簡單和可靠地實現，並且確保在根據本發明的方法的範 圍中所要求的精度。其中，角速度可以根據formula see original document page 7被確定為兩個測量值之間的相位差和時間差的商。對於角速度變化，相應地，formula see original document page 7成立。說為了預測幹線電壓(Netzspannung )的相位角^，可以模擬地確定多個過零，其中通常以很高的精度已知電源頻率，使得可以從過 零開始根據確定相位角。在考慮當前確定的角速度w,c^和所確定的角速度的時間變化的情況下，根據formula see original document page 8得到剩餘磁場電壓的相位角&的時間2 c//變化曲線。其中t是倒數第二個測量與接通斷路器(Leistungsschalter )之間的時間。wR是倒數第二個測量時間點處剩餘磁場電壓的圓頻率，是倒數第二個測量時間點處剩餘磁場電壓的圓頻率變化。除了 剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線之外，優選還可以至少確定 剩餘磁場電壓的幅度^，其中在剩餘磁場帶奶牙的幅度降低到預定最 大電壓《M之下時與剩餘磁場電壓和電源電壓之間的相位關係無關地觸發施加電壓的開關指令。尤其是在快速制動三相交流電動機時存在 這樣的可能性，即在預測的不超過預定相位差~max之前已經達到電動機的某轉速，在該轉速下，轉矩負荷與剩餘磁場電壓和電源電壓之間 的相位關係無關地位於可接收範圍內，使得可以排除軸系的損壞。尤 其在轉矩負荷比在三相交流電動機從停止狀態啟動時更小時，重新連接通常是不危險的。因為根據本發明確定剩餘磁場電壓的當前角速度^，所以對於預定頻率範圍，例如對於軸系的系統關鍵轉速附近的頻率範圍，可以規定，為了避免損壞，即使在相位差不超過預定最大值A^^或剩餘磁場電壓的幅度^不超過預定最大電壓(x時也停止重新連接。 一旦離開預定頻率範圍，就在存在相應條件時、即在下次不超過預定相位差或 在不超過預定最大電壓時重新連接三相交流電動機。例如用於驅動汽輪壓縮機(Turboverdichter )的三相交流電動 機在實踐中經常包括幾千瓦到幾兆瓦的功率，並且通常被三相地 (dreistraengig )構造。因為對於高壓電動機完全不可到達中性點 (Sternpunkt )， 所以通常分別以相應兩個測量敏感元件 (Messaufnehmern )測量兩個線路(Strang)之間耦合的電壓(線電 壓)作為剩餘磁場電壓或電源電壓。本發明的目的還在於一種用於執行根據本發明的方法的電路。該 電路包括測量值採集器(Messwerterfassung )、直流斬波器 (Gleichstromsteller )和微控制器，其中測量值採集器為了確定剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線而可一側連接到三相交流電動 機、另一側連接到電源網絡或備用網絡，直流斬波器用於生成用於斷 路器的開關脈沖，微控制器使得可以預測剩餘磁場電壓和電源電壓之 間的相位關係。剩餘磁場電壓和電源電壓通常包括幾千伏特的幅度，使得測量值 採集器優選具有用於連接到三相交流電動機和電壓電壓的探測頭，其中探測頭用作變壓器並將所測得的電壓例如降低到-10伏特到+10伏特之間的區域上。為了執行根據本發明的方法而通常具有模數轉換器、模擬比較器、多個定時器和至少一個測量值存儲器的微控制器優選配備有標準 編程接口以連接到計算機或計算機網絡，從而可以很容易地配置，尤其還可以很容易地輸入預定值。在本發明的範圍內，該電路還可以包括輸出狀態信號的接口和/ 或狀態指示器，從而可以直接向用戶指示電路的狀態以及存在電源網 絡故障。也可以想到，所輸出的狀態信號被中央機器或過程控制器採集並進一步處理。為了在三相交流電動機與電源電壓斷開之後重新為三相交流電 動機施加電壓，通常設置從直流斬波器接收開關脈沖的斷路器。其中， 為了觸發斷路器，經常要求很大的開關電流，從而在電路的一個優選 實施方式中，微控制器的輸出作為控制信號被連接到優選被構造為MOSFET的場效應電晶體(FET),其中該場效應電晶體將單獨的輸 入電壓連接到直流斬波器的輸出側。


以下參考附圖藉助於實施例解釋本發明。圖1粗略示意性地示出了在其上實現根據本發明的電路的印刷 電路板。
具體實施方式
用於實現根據本發明的方法的電路包括測量值採集器1、微控制器2和用於生成用於斷路器的開關脈衝的直流斬波器3。此外，電路 還包括作為狀態指示器5的8個LED 4以及用於對微控制器編程和用 於輸出狀態信號的接頭6。測量值採集器1經由相應兩個未示出的探測頭連接到三相交流 電動機的兩個端子以及連接到電源電壓的兩個端子。其中，由電源網 絡或使得可以在電源網絡發生故障時運行電動機的附加的備用網絡 來提供電源電壓。微控制器2具有8個數字輸出端，它們連接到LED 4以便指示 當前狀態。第一 LED 4在微控制器2啟動時被接通，並指示電路工作。 當第二LED 4發光時，電路對於電網停電(Netzunterbrechung )準 備就緒。第三到第六LED4指示電動機與電源電壓斷開之後電網停電 終止(Ablauf)。當電網停電對於電源網絡存在並終止時，當由備用 網絡或重新由電源網絡準備提供電源電壓時，第三LED4發光。當為了確定剩餘磁場電壓和電源電壓的相位的時間變化曲線而通過測量 值採集器1記錄電源電壓或剩佘磁場電壓的過零時，第四LED4發光。 如果存在足夠多的測量值，則第四LED4終止，並且第五LED4指 示等待對於施加電壓適當的預測時間點" 一旦到達時間點^，第六 LED 4就在電路被恢復到原始狀態期間發光。第七LED 4用於在開發 電路時的診斷目的，而第八LED指示何時觸發用於斷路器的開關指 令以重新連接。因為斷路器具有通常幾十毫秒的事先已知的開關延遲 L (例如對於Moeller Gmbh的斷路器類型DIL M300, ^ = 60肌)，所以必須相應地在到達時間點,s之前觸發開關指令。時間點,,的計算基於採集電動機和電源電壓的連接端子上剩餘 磁場電壓的相位。為了確定相位，確定一個線路的電源電壓和剩餘磁 場電壓的過零或兩個線路之間的耦合電壓的過零。這些電壓可以直接 在斷路器之前或之後被採樣。當在電路工作時電源網絡出現故障時，打開斷路器，其中通過第 三LED 4指示電網停電。如果在打開斷路器之後在消除故障後應該重新由電源網絡提供電源電壓，則首先確定電網停電的持續時間。為此， 首先由測量制採集器1確定電網停電的程序時間。在電源電源重新可 用時，由模擬比較器確定電源電壓的過零，其中通過確定該過零，可 以在考慮電源頻率的情況下預測電源電壓的相位。最後，確定剩餘磁 場電壓的過零，其中由過零之間的時間間隔確定相位的角速度和角速度變化。由預測的數據確定相位差不超過例如為20。的預定最大值~國的時間點。。
權利要求
1.一種用於在三相交流電動機與電源電壓斷開之後在存在由轉子剩餘磁場所感應的剩餘磁場電壓的情況下重新連接所述三相交流電動機的方法，其中記錄所述剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線；由所述剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線預測所述電壓之間的相位差並確定所述相位差不超過預定最大值Δmax的時間點ts；以及在到達所述時間點ts之前對應於預先確定的開關時間延遲τs的時間間隔處觸發用於重新連接的開關指令，使得電動機近似在所述時間點ts時被連接到所述電源電壓。
2. 根據權利要求l的方法，其中在電動機與電源電壓斷開之後， 通過原始電源網絡或通過備用網絡重新提供電源電壓。
3. 根據權利要求1或2的方法，其中所迷三相交流電動機被三 相地構造，並且以兩個測量敏感元件分別獲取所述剩餘磁場電壓和電 源電壓的時間變化曲線。
4. 根據權利要求1至3中任一項的方法，其中確定所述剩餘磁 場電壓過零的時間點，並且由所述過零之間的時間間隔確定所述剩餘 磁場電壓的角速度和角速度變化。
5. 根據權利要求1至4中任一項的方法，其中在假設電源頻率 恆定的情況下從過零開始預測幹線電壓的時間變化曲線，並且在考慮前零出.發預測剩餘》茲場電壓的時間變化曲線,
6. 根據權利要求1至5中任一項的方法，其中除了確定剩佘磁 場電壓和電源電壓的時間變化曲線之外，還確定剩餘磁場電壓的幅 度。
7. 根據權利要求6的方法，其中在所述剩餘磁場電壓的幅度下 降到低於預定的最大電壓時，與剩餘磁場電壓和電源電壓無關地觸發 用於重新連接的開關指令。
8. —種用於執行根據權利要求1至7中任一項的方法的電路，具有測量值採集器(1)，所述測量值採集器可一側連接到三相交流 電動機、另一側連接到電源網絡或備用網絡，以確定剩餘磁場電壓和 電源電壓的相位的時間變化曲線；直流斬波器(3)，用於生成用於斷路器的開關脈衝；以及 微控制器(2)，所述微控制器使得可以預測所述剩餘磁場電壓 和電源電壓之間的相位關係。
9. 根據權利要求8的電路，其中所述測量制採集器(1)包括用 於連接到所述三相交流電動機和電源電壓的探測頭。
10. 根據權利要求8或9的電路，其中所述微控制器(2)包括 用於連接到計算機或計算機網絡的標準編程接口。
11. 根據權利要求8至10中任一項的電路，其中所述電路包括 用於輸出狀態信號的接口和/或狀態指示器(5)。
12. 根據權利要求8至11中任一項的電路，其中所述微控制器 (2)包括模數轉換器、模擬比較器、定時器和測量值存儲器。
13.根據權利要求8至12中任一項的電路，其中所述微控制器 (2)的輸出作為控制信號被連接到場效應電晶體(FET/MOSFET)， 所述場效應電晶體將單獨的輸入電壓連接到所述直流斬波器(3)的 輸出側。
全文摘要
本發明涉及用於在三相交流電動機(感應電動機或同步電動機)與電源電壓斷開之後在存在由轉子剩餘磁場所感應的剩餘磁場電壓的情況下重新連接三相交流電動機的方法以及用於實現該方法的電路。根據本發明，記錄剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線，由剩餘磁場電壓和電源電壓的時間變化曲線預測電壓之間的相位差並確定相位差不超過預定最大值Δφmax的時間點ts，並且在到達時間點ts之前對應於預先確定的開關時間延遲τs的時間間隔處觸發用於重新連接的開關指令，使得電動機近似在時間點ts時被連接到電源電壓。用於實現該方法的電路包括測量值採集器(1)、直流斬波器(3)和微控制器(2)。
文檔編號H02P1/16GK101277083SQ20081008371
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月7日 優先權日2007年3月9日
發明者H·O·賽恩施, S·柏勒, U·克恩 申請人:阿特拉斯·科普柯能源有限公司