使一驅動裝置均調停機的移相控制方法

2023-04-22 22:54:06

專利名稱：使一驅動裝置均調停機的移相控制方法
技術領域：
本發明涉及一種使一驅動裝置、特別是一個泵驅動裝置均調停機的移相控制方法，其依據驅動電機的電壓和電流之間的相位角進行控制。
用於使驅動裝置均調停機和均調啟動的移相控制方法是已公知的，其中，根據電機電壓和電機電流之間的相位角進行調節。對於均調停機的調節，提出了特別的要求。在關閉泵驅動裝置情況下由於在管道系統內的突然流量改變，會產生壓力衝擊波，它也稱為「水衝擊波」，其不僅可能會損壞管道系統，而且會由於聲學上的破壞作用引起幹擾影響。
所謂的突然流量變化，首先發生在，離心泵的驅動裝置，例如通過打開所屬的電機接觸器而被直接關斷的情況。同時，在轉數和流量之間或者在轉數變化和壓力變化之間存在著下面的相互關係。該流量是直接成比例於泵轉數的；而壓力變化是直接成比例於轉數變化的平方的。
在直接關斷一個帶有三相電機的泵驅動裝置的情況下，根據

圖1的載荷轉矩曲線Pum，會在最短的時間內達到驅動裝置的靜止狀態，因為泵表現出一個高的反轉矩。在圖1中記載了轉矩M與轉數n的關係。用Mom代表電機轉矩，用Pum代表載荷轉矩，用Bm代表加速轉矩，用Kim代表傾復(極限)轉矩，用N代表額定運行點。由於泵高的反轉矩Pum，會產生一個快速的轉數n的變化，它由於上述的關係而引起一個衝擊形的流量變化和壓力變化。因此導致一個壓力波，即公知的水衝擊波。現有的止回閥加重了這一問題。
在圖2中描述了在直接關斷時電機電流i，電機電壓u和轉數n隨時間的變化曲線。
作為對抗措施，至今已應用了多種方法。通過在泵驅動裝置上設置一個擺動載荷可以避免驅動裝置在關斷時立即停止。擺動載荷貯存的能量可導致泵的一個延緩的停機，因此，壓力變化和流量變化也變得緩慢了。這個方法需要高昂的機械花費並對於運行來說，需要附加的功率。
通過應用變頻器，可以使泵電機按照一個轉數斜率從它的額定轉數N慢慢停機。這個方法，特別在較大的泵功率情況下是比較昂貴的。
為了關斷和接通泵電機，還可以應用所謂的均調啟動裝置，它按照一個三相電流調節器的原理工作。除了可以均調啟動以外，上述裝置還提供了均調停機的可能性。這時，該電機端電壓通過相位移動不是衝擊形被關斷的，而是被反饋調節的，因此，電機同樣地緩慢停機。
這種情況下存在著不同的均調停機質量最簡單的形式在於，使移相角在停機時從零度開始線性地擴大，直至電機停止。如果此處減小的電機轉矩低於負載轉矩時，則導致一個如圖3的快速的轉數變化，這在大多數情況下又引起一個水衝擊波。另一個方法是，檢測電機端電壓和在停機時按照一個斜坡調節。但是，為了檢測電機端電壓必需附加硬體。同時，困難的是，一方面所述電壓被移相，而另一方面該電壓必須以零電位被提供用於控制。通過這種電機端電壓的檢測和「濾波」在簡單的解決方式情況下會產生一個對調節特性有不利影響的時間延滯。
本用於均調停機的移相控制方法基於一個公知的如圖4的均調啟動裝置的運行方式，其已在DE-OS 4005679中公開。此處，一個三相電機Mt通過一個晶閘管電路連接到一個三相電網的三相電A、B和C上，所述晶閘管電路包括反並聯的晶閘管1A、1B、1C。這六個晶閘管可以藉助一個適宜的觸發電路2導通。如果晶閘管在一個觸發以後處於導通的狀態，則在電流1A、1B、1C過零點處通過的電流消失。如果在應用交變電流情況下分別在電流消失以後，晶閘管會在一個限定的時間以後又導通，人們稱此為移相控制。這種延遲一般稱為移相角。
這種均調啟動裝置的原理結構，除了所述的交變電流調節器電路和觸發電路以外，還包括檢測電路3A、3B、3C。它們顯示一個晶閘管對的狀態。同時，僅區分為兩個狀態「無流」和「載流」，如在圖5中通過從上邊起第4條曲線IOA作為例子說明的那樣，其對應於相位A中的電流IA。
一個檢測電路4用於同步化信號(VOAB)，它可基於電網電壓VAB提供一個與電網同步的信號。這個信號也僅區分為兩個狀態「正電壓」或「負電壓」，並可按照圖5由兩個相位A和B之間的電壓VAB推導出來。
藉助所述的信號就能夠求得在電機電流和電壓之間的相位角PA。
根據這種例如IOA的信號，其表明單個的晶閘管對1A、1B、1C的狀態而且特別地可再現電流過零的時間點，該電流過零是通過例如在曲線段IOA中下降沿表示的，再根據這種與電網電壓VAB同步變化的並特別再現電網電壓過零點的信號VOAB，就可以測知電機電壓和電機電流之間的相位角PA。這些相互關係包括按照以FPA標明的、用於相位A中晶閘管對1A的曲線段對觸發角的控制都可從圖5中看出。
本發明的目的在於，提供一種簡單的使泵驅動裝置均調停機的方法，同時可避免壓力衝擊，以使管道系統不被損壞和相當程度地避免聲學上的損壞作用。實現這一點是用一種使驅動裝置均調停機的移相控制方法，並特別適用於泵驅動裝置，其依據驅動電機之電壓和電流之間的相位角進行控制，即，通過擴大移相角，相位角隨時間的變化首先是負的，然後這個相位角變化在轉折點上改變其方向；由檢測到轉折點時的瞬時相位角出發，藉助一個調節器，使移相角依預先確定的一個相位角額定值曲線作為輸入參數被調節。在這個方法中，相對於一般的以移相控制的均調啟動裝置的控制不需要附加的硬體。對於該方法，僅僅需要的是電流和電壓之間的相位角，它在一般的控制方法中或者已經存在或者從現有的資料信息中可以簡單地推導而知。
特別簡單的是，該移相角在直至測知轉折點以前是直線增加的。另外有優點的是，該隨時間為正的相位角變化的相位角額定值曲線具有一個直線的變化曲線。最好使移相角的增加處於每秒為15至20度的區域內。此外該相位角額定值曲線的隨時間為直線的增加處於每秒為0.5至6度的範圍內較好。上述方法之一個特別有利的變型方案在於，移相角的調節在預先確定用於隨時間為正的相位角變化的線性相位角額定值曲線前提下按如下步驟進行a、在等時間間隔Δt中，將測出的相位角與相位角額定值進行比較；b、同時，將檢測到轉折點時的瞬時相位角輸入到調節器中作為參考用的輸出值；c、如果按照時間間隔Δt測得的相位角大於在這個時間點的額定值，則該移相角相對於其最後的數值減少一個第一差值，否則的話，在該最後的數值上增加這個第一差值；d、該參考值按照額定值在下一個時間間隔Δt時增加一個第二差值；e、只要是新得出的移相角小於最大可能的移相角，則藉助在下一個時間間隔Δt中測出的相位角和與之相應的參考值，重複上述的步驟。
為了能夠控制停機延續時間，有利方式是，該線性相位角額定值曲線的爬升率是可調節的。
本發明的實施例將在下面藉助附圖作詳細地說明。在附圖中表明圖6是一個移相角和相位角隨時間的變化曲線；圖7是一個用於移相控制的流程圖；圖8是一個按照本發明方法用於泵停機的曲線圖。
在圖6中描述了本發明用於泵驅動裝置之均調停機的移相控制方法。在按照圖中下邊的曲線控制移相角D情況下，將產生如上邊曲線的驅動電機之電壓和電流之間的相位角PA。為了關斷泵電機，首先從移相角D＝0°開始，接著它按照一個線性斜坡增加。這樣就導致一個電機電壓的下降和與時間相關的相位角變化dPA/dt首先是負的。在每個電網周期中，也就是說，在等時間間隔Δt中，例如按照上面現有技術所述的方法，該相位角PA被求得。相位角PA的變化曲線就在移相角D的線性增加期間被觀察和分析。在相應的將用於移相角D線性增加的爬升率選擇在每秒為15至20度的範圍內情況下，就可在相位角PA的曲線中產生一個轉折點W。如果這個轉折點W被檢測到，就標誌著，電機處於這樣的狀態中此時，若進一步減少電壓，作為負載轉矩的泵轉矩就高於電機轉矩並導致一個突然的轉數下降，進而引起水衝擊作用。從這個時間點t1起，移相角D不再線性增加，而是被一個調節器如此控制，即相位角PA在轉折點W後儘可能地按照一個線性斜坡也就是說按照圖6的相位角額定值曲線R(t)增加。這樣的結果是，電機轉數不是突然地變化，因為調節器經過移相角D控制電機電壓，使相位角不能快速變化。如從圖6看出的那樣，該測出的相位角PA，在本實施例中受限於物理條件並沒有跟隨相位角額定值曲線R(t)變化。此處，在轉折點W後的第一階段中，該移相角D首先幾乎不變，也就是說，電機電壓還保持穩定，直到以後的一個時間點上，該電壓才通過移相角D的增大而下降。
這種調節例如可用一個PID調節器實現，它的控制量(Regelgroesse)是相位角PA。用於移相控制的調節參數(Stellgroesse)是移相角D。控制量的額定值按照一個線性的斜坡R(t)增大，它起始於在檢測到轉折點W時相位角PAW的瞬時值，並直至一個最大值。該線性斜坡R(t)的斜率最好是通過參數「停機延續時間」可以調節的。
圖7表明了本發明移相控制的流程圖。依此，移相角D從零度開始首先線性地增大，因此導致一個相位角PA的下降，也就是說，導致一個隨時間負的相位變化dP A/dt。在每個時間間隔Δt以後，亦即在本情況的每個電網周期後，如開頭所述的那樣檢測相位角PA。對應於線性斜坡的移相角變化dD的第一差值是如此設計的，即該斜率一方面不能過大，因為否則的話，電機的臨界點就可能被跳過，另一方面，也不能太小，因為不然的話該轉折點W就不能被檢測到。如果隨時間的相位角變化dPA/dt不再是負的，則這將標誌著，轉折點W已經達到。該對應的相位角PAW就是調節器的起始額定值或參考值R。從這個時間點開始，該移相控制就通過調節器進行，該線性的相位角額定值曲線R(t)就作為額定值或參考值輸入到上述調節器中，也就是說，在一個周期內，該相位角參考值R總是以這個參考值增量dR增大，而這個dR可從規定的停機延續時間計算得出。參考值增量dR可從轉折點W的坐標PAW，t1和這個條件按照規定的停機延續時間T，在時間點t2＝t1+T處該相位角應計為120°來得出。依此推之，在一個時間間隔Δt內的參考值增量dR可計算得出dR＝[(120°-PAW)/T]·Δt。在此周期內執行一個詢問該測出的相位角PA是否大於參考值R。對於大於R的情況，該移相角D相對於其最後的數值減小一個差值dD1。這個增量dD1在本實施例情況下，用一個PID調節器計算得出。如果該相位角PA小於或者等於額定值R，則使移相角D相應地增加差值dD1。與之對應，該對應於相位角的額定值R也增加增量dR並進而再輸給下一個調節步驟，直至所測出的、作為最大可能的控制角D的移相角Dmax被達到。到此，用於泵驅動裝置的均調停機結束。
在圖8中，描述了按照本發明用於泵驅動裝置均調停機的移相控制方法中電機電流i，電機電壓u和電機轉數n隨時間的變化曲線。通過有控制的電壓下降，就可實現一個沒有突然下降的轉數曲線。該轉數n開始慢慢地連續下降，然後以較大的斜率過度到一個線性的區域。這個線性下降區域的斜率取決於預先確定的線性相位角額定值曲線R(t)的斜率，並可以通過「停機延續時間」調節。
權利要求
1.使一驅動裝置，特別一個泵驅動裝置均調停機的移相控制方法，其依據驅動電機之電壓和電流之間的相位角(PA)如此控制，即在停機過程中通過增大移相角(D)，相位角隨時間的變化首先是負的，然後，這個相位角變化在轉折點(W)改變其方向，由檢測到轉折點(W)時的瞬時相位角(PAW)出發藉助一個調節器，該移相角(D)依預先確定的一個相位角額定值曲線(R(t))作為輸入參量被調節。
2.移相控制方法，其特徵在於移相角(D)直到檢測出轉折點(W)前都是線性增加的。
3.按權利要求1所述的移相控制方法，其特徵在於該相位角額定值曲線(R(t))具有一隨時間為正的相位角變化的線性變化曲線。
4.按權利要求1或2所述的移相控制方法，其特徵在於該移相角(D)之隨時間的線性增加處於每秒為15至20度的範圍內。
5.按權利要求3和4所述的移相控制方法，其特徵在於該相位角額定值曲線(R(t))的隨時間的線性增加處於每秒0.5至6度的範圍內。
6.按上述權利要求之一所述的移相控制方法，其特徵在於移相角(D)的調節要依預先確定的線性相位角額定值曲線(R(t))以如下步驟進行a、在等時間間隔Δt中，將測出的相位角(PA)與相位角額定值(R(t))比較；b、同時，將檢測到轉折點(W)時的瞬時相位角(PAW)作為參考用的輸出值輸入到調節器中；c、如果在時間間隔Δt後測得的相位角(PA)大於在這個時間點的額定值(R(t))，則移相角(D)相對於其最後值減少一個第一差值(dD1)，不然的話，相對於其最後值增加該第一差值(dD1)；d、該參考值(R)按照額定值(R(t))在下一個時間間隔Δt時增大一個第二差值(dR)；e、只要新求得的移相角(D)小於最大可能的移相角(Dmax)，就用在下一個時間間隔Δt中測出的相位角(PA)和相應的參考值(R)，重複上述的步驟。
7.按上述權利要求之一所述的移相控制方法，其特徵在於該線性相位角額定值曲線(R(t))是可調節的。
全文摘要
本發明為一簡單的使泵驅動裝置均調停機的方法，同時可避免壓力衝擊波。為此藉助一交變電流調節器使電機電流和電壓間的移相角(D)從零度始按一直線斜坡增加，相位角(PA)下降並達到一轉折點(W)。如果根據對相位角的觀察該轉折點(W)被檢測到，則由此時起藉助一調節器依預定的隨時間線性變化的相位角額定值曲線(R(t))實施移相控制。依此電機轉數不再突然地變化，因為快速相位角變化已被避免了。
文檔編號H02P3/18GK1142876SQ94194979
公開日1997年2月12日 申請日期1994年1月31日 優先權日1994年1月31日
發明者約翰·塞茨, 迪瑟德·朗格爾迪爾 申請人:西門子公司