重新连接三相交流电动机的方法及实现该方法的电路

摘要

本发明涉及用于在三相交流电动机(感应电动机或同步电动机)与电源电压断开之后在存在由转子剩余磁场所感应的剩余磁场电压的情况下重新连接三相交流电动机的方法以及用于实现该方法的电路。根据本发明，记录剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线，由剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线预测电压之间的相位差并确定相位差不超过预定最大值Δφmax的时间点ts，并且在到达时间点ts之前对应于预先确定的开关时间延迟τs的时间间隔处触发用于重新连接的开关指令，使得电动机近似在时间点ts时被连接到电源电压。用于实现该方法的电路包括测量值采集器(1)、直流斩波器(3)和微控制器(2)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在将驱动作功机械(例如齿轮汽轮压缩机：Getriebe-Turboverdichter)的三相交流电动机(感应电动机或同步电动机)与电源电压断开之后以及在存在由转子剩余磁场(Laeuferrestfeld)感应的剩余磁场电压(Restfeldspannung)的情况下重新连接该三相交流电动机的方法以及一种用于实现该方法的电路。

背景技术

不同应用中的多种驱动装置要求在供电网故障以及三相交流电动机与电源电压断开之后尽可能快地并且导致很小转速损失地重新连接驱动的三相交流电动机，其中必须防止三相交流电动机、电动机所驱动的机械以及机械和电动机之间轴系(Wellenstrang)中所有其他构件(联轴器、传动齿轮箱等)的损坏。其中应该注意，电动机在与电源电压断开之后继续运转，其中由存在的转子剩余磁场感应出转速频率(Drehzahlfrequenz)的剩余磁场电压。电动机由于被驱动机械的反作用力矩以及通过摩擦而减速停止。对于三相交流电动机，在发生电源故障之后，与剩余磁场电压反相的电源电压的恢复对于出现的脉冲电流和冲击力矩(Stossmomente)是非常大的负荷。特别是在作功机械的转动惯量很高时，该电动机侧引入的冲击力矩导致整个驱动线路(Antriebsstrang)中非常大的扭转振动负载(Drehschwingungsbelastung)，从而驱动线路的所有部件、诸如电动机、联轴器和作功机械必须被相应鲁棒地并因此对于正常运行超差设计(ueberdimensioniert)地构造。在论文“Archiv fuerElektrotechnik 71，1988，第399至411页”中公开了一种用于确定在系统切换时出现的转矩负荷(Drehmomentbeanspruchung)的计算方法。

从实践中已知，为了避免驱动线路的部件的超差设计(Ueberdimensionierung)或为了防止使用附加的摩擦联轴器，通过打开开关而断开电源网络的故障，然后受控地与备用网络或在消除故障之后通过闭合开关而重新与电源网络连接。如在论文“ELEKTRIE，柏林46，1992，第456至460页”中所示，在实践中已知一种用于在存在由转子剩余磁场所感应的剩余电压时短时和长时转换以重新对三相交流电动机施加电压的方法。为了在短时转换的情况下防止在通常几毫秒内在驱动线路中出现过度的转矩负荷，在工作期间始终监视电源网络和备用网络的幅度、频率和相移之间的差异。只在总差异遵守受限制的(eng)的范围的限制时，才可以在电源网络出现故障时在几毫秒内转换到备用网络。如果不满足短时转换的条件，则进行长时转换，其中等待直到三相交流电动机被制动以至于在施加电压时可以与电源电压和剩余磁场电压的相位差无关地排除过度的转矩负荷。虽然长时转换方法保证了适度的冲击力矩，但是其缺点在于转速降低如此剧烈，使得由此实际上中断了工作过程。最后，对于长时转换还存在这样的危险，即在驱动线路的扭转或弯曲关键的转速时进行重新连接，并且由于开关过程产生危及轴系中构件的很大的交变转矩，或甚至启动自动安全断路。

发明内容

在这样的背景下，本发明的任务在于提供一种用于在三相交流电动机与电源电压断开之后在存在由转子剩余磁场所感应的剩余磁场电压的情况下重新连接三相交流电动机的方法，该方法使得可以在转矩负荷最小的情况下在任意高的剩余磁场电压下进行重新连接。

发明目标和任务解决方案是一种用于在三相交流电动机与电源电压断开之后在存在由转子剩余磁场所感应的剩余磁场电压的情况下重新连接该三相交流电动机的方法，其中记录剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线，其中从剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线中预测电压之间的相位差，并确定该相位差不超过预定的最大值的时间点t_s，并且其中在到达时间点t_s之前对应于预先确定的开关时间延迟τ_s的时间距离处触发(ausloesen)重新连接的开关指令，从而电动机大约在时间点t_s处连接到电源电压。通过根据本发明的方法，可以在与电源网络断开之后几乎无冲击地接通电动机，其中通常转速下降可以被保持得非常小。

对于已知的短时转换，备用网络必须始终保持为准备就绪，并且只能在备用网络和电源网络的幅度、频率和相位尽可能一致时才进行转换，但是，根据本发明的方法，可以通过备用网络或在消除故障后通过电源网络本身重新提供电源电压。本发明尤其基于这样的认识，即由于断开电源电压之后电动机的减速停止，角速度从电源电压的电源频率开始降低，使得剩余磁场电压和电源电压在电动机减速停止时在恢复时间点处几乎同相。其中，通过确定剩余磁场电压的时间变化曲线可以事先确定相位差不超过预定最大值的时间点t_s，其中在考虑到达时间点t_s之前的开关时间延迟τ_s的情况下触发开关指令，使得大约在预测的时间点t_s时进行电压施加。

在根据本发明的方法的一个有利实施方式中，确定剩余磁场电压的过零时间点，其中根据这些过零之间的时间间隔确定剩余磁场电压的角速度和角速度变化。确定过零在测量技术角度上可以例如以模拟比较器而特别简单和可靠地实现，并且确保在根据本发明的方法的范围中所要求的精度。其中，角速度可以根据被确定为两个测量值之间的相位差和时间差的商。对于角速度变化，相应地，$\frac{{\mathrm{d\omega }}_i}{\mathrm{dt}}=({\omega }_{i+1}-{\omega }_{i-1})/(t_{i+1}-t_{i-1})$成立。

为了预测干线电压(Netzspannung)的相位角可以模拟地确定多个过零，其中通常以很高的精度已知电源频率，使得可以从过零开始根据

(2π·f_N＝ω_N)

确定相位角。

在考虑当前确定的角速度ω_t＝ω_R和所确定的角速度的时间变化的情况下，根据得到剩余磁场电压的相位角的时间变化曲线。其中t是倒数第二个测量与接通断路器(Leistungsschalter)之间的时间。ω_R是倒数第二个测量时间点处剩余磁场电压的圆频率，dω_R/dt是倒数第二个测量时间点处剩余磁场电压的圆频率变化。除了剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线之外，优选还可以至少确定剩余磁场电压的幅度A_R，其中在剩余磁场带奶牙的幅度降低到预定最大电压A_max之下时与剩余磁场电压和电源电压之间的相位关系无关地触发施加电压的开关指令。尤其是在快速制动三相交流电动机时存在这样的可能性，即在预测的不超过预定相位差之前已经达到电动机的某转速，在该转速下，转矩负荷与剩余磁场电压和电源电压之间的相位关系无关地位于可接收范围内，使得可以排除轴系的损坏。尤其在转矩负荷比在三相交流电动机从停止状态启动时更小时，重新连接通常是不危险的。

因为根据本发明确定剩余磁场电压的当前角速度ω_R，所以对于预定频率范围，例如对于轴系的系统关键转速附近的频率范围，可以规定，为了避免损坏，即使在相位差不超过预定最大值或剩余磁场电压的幅度A_R不超过预定最大电压A_max时也停止重新连接。一旦离开预定频率范围，就在存在相应条件时、即在下次不超过预定相位差或在不超过预定最大电压时重新连接三相交流电动机。

例如用于驱动汽轮压缩机(Turboverdichter)的三相交流电动机在实践中经常包括几千瓦到几兆瓦的功率，并且通常被三相地(dreistraengig)构造。因为对于高压电动机完全不可到达中性点(Sternpunkt)，所以通常分别以相应两个测量敏感元件(Messaufnehmern)测量两个线路(Strang)之间耦合的电压(线电压)作为剩余磁场电压或电源电压。

本发明的目的还在于一种用于执行根据本发明的方法的电路。该电路包括测量值采集器(Messwerterfassung)、直流斩波器(Gleichstromsteller)和微控制器，其中测量值采集器为了确定剩余磁场电压和电源电压的时间变化曲线而可一侧连接到三相交流电动机、另一侧连接到电源网络或备用网络，直流斩波器用于生成用于断路器的开关脉冲，微控制器使得可以预测剩余磁场电压和电源电压之间的相位关系。

剩余磁场电压和电源电压通常包括几千伏特的幅度，使得测量值采集器优选具有用于连接到三相交流电动机和电压电压的探测头，其中探测头用作变压器并将所测得的电压例如降低到-10伏特到+10伏特之间的区域上。

为了执行根据本发明的方法而通常具有模数转换器、模拟比较器、多个定时器和至少一个测量值存储器的微控制器优选配备有标准编程接口以连接到计算机或计算机网络，从而可以很容易地配置，尤其还可以很容易地输入预定值。

在本发明的范围内，该电路还可以包括输出状态信号的接口和/或状态指示器，从而可以直接向用户指示电路的状态以及存在电源网络故障。也可以想到，所输出的状态信号被中央机器或过程控制器采集并进一步处理。

为了在三相交流电动机与电源电压断开之后重新为三相交流电动机施加电压，通常设置从直流斩波器接收开关脉冲的断路器。其中，为了触发断路器，经常要求很大的开关电流，从而在电路的一个优选实施方式中，微控制器的输出作为控制信号被连接到优选被构造为MOSFET的场效应晶体管(FET)，其中该场效应晶体管将单独的输入电压连接到直流斩波器的输出侧。

附图说明

以下参考附图借助于实施例解释本发明。

图1粗略示意性地示出了在其上实现根据本发明的电路的印刷电路板。

具体实施方式

用于实现根据本发明的方法的电路包括测量值采集器1、微控制器2和用于生成用于断路器的开关脉冲的直流斩波器3。此外，电路还包括作为状态指示器5的8个LED 4以及用于对微控制器编程和用于输出状态信号的接头6。

测量值采集器1经由相应两个未示出的探测头连接到三相交流电动机的两个端子以及连接到电源电压的两个端子。其中，由电源网络或使得可以在电源网络发生故障时运行电动机的附加的备用网络来提供电源电压。

微控制器2具有8个数字输出端，它们连接到LED 4以便指示当前状态。第一LED 4在微控制器2启动时被接通，并指示电路工作。当第二LED 4发光时，电路对于电网停电(Netzunterbrechung)准备就绪。第三到第六LED 4指示电动机与电源电压断开之后电网停电终止(Ablauf)。当电网停电对于电源网络存在并终止时，当由备用网络或重新由电源网络准备提供电源电压时，第三LED 4发光。当为了确定剩余磁场电压和电源电压的相位的时间变化曲线而通过测量值采集器1记录电源电压或剩余磁场电压的过零时，第四LED 4发光。如果存在足够多的测量值，则第四LED 4终止，并且第五LED 4指示等待对于施加电压适当的预测时间点t_s。一旦到达时间点t_s，第六LED 4就在电路被恢复到原始状态期间发光。第七LED 4用于在开发电路时的诊断目的，而第八LED指示何时触发用于断路器的开关指令以重新连接。因为断路器具有通常几十毫秒的事先已知的开关延迟τ_s(例如对于Moeller Gmbh的断路器类型DIL M300，τ_s＝60ms)，所以必须相应地在到达时间点t_s之前触发开关指令。

时间点t_s的计算基于采集电动机和电源电压的连接端子上剩余磁场电压的相位。为了确定相位，确定一个线路的电源电压和剩余磁场电压的过零或两个线路之间的耦合电压的过零。这些电压可以直接在断路器之前或之后被采样。

当在电路工作时电源网络出现故障时，打开断路器，其中通过第三LED 4指示电网停电。如果在打开断路器之后在消除故障后应该重新由电源网络提供电源电压，则首先确定电网停电的持续时间。为此，首先由测量制采集器1确定电网停电的程序时间。在电源电源重新可用时，由模拟比较器确定电源电压的过零，其中通过确定该过零，可以在考虑电源频率的情况下预测电源电压的相位。最后，确定剩余磁场电压的过零，其中由过零之间的时间间隔确定相位的角速度和角速度变化。由预测的数据确定相位差不超过例如为20°的预定最大值的时间点t_s。