Способ повторного подключения трехфазного двигателя и электрическая схема

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в способе для повторного подключения трехфазного двигателя (асинхронного или синхронного двигателя) после его отключения от напряжения сети при наличии индуцированного остаточным полем ротора напряжения остаточного поля, а также в электрической схеме для осуществления способа. Техническим результатом является обеспечение возможности повторного подключения при любом высоком напряжении остаточного поля. В способе повторного подключения трехфазного двигателя снимают временные характеристики напряжения остаточного поля и напряжения сети. Из временных характеристик напряжения остаточного поля и напряжения сети заранее рассчитывается разность фаз между напряжениями и определятся момент времени t_s, к которому разность фаз не превысит заданное максимальное значение Δφ_max, причем с интервалом во времени, который соответствует заранее определенной задержке времени переключения τ_s. Перед достижением момента времени t_s запускается команда на подключение для нагружения напряжением, так что двигатель примерно к моменту времени t_s оказывается подключен к напряжению сети. Электрическая схема для осуществления способа имеет устройство (1) сбора измерительной информации, микроконтроллер (2) и преобразователь-регулятор (3) постоянного напряжения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу для повторного подключения приводящего в движение рабочую машину (к примеру, трансмиссионный турбокомпрессор) трехфазного двигателя (асинхронного или синхронного двигателя) после отключения его от напряжения сети и при наличии индуцированного остаточным полем ротора напряжения остаточного поля, а также электрическая схема для осуществления способа.

Многие приводные механизмы в случаях различного использования требуют после повреждения распределительной сети и отключения трехфазного двигателя от напряжения сети максимально быстрого и связанного с минимальными потерями числа оборотов повторного подключения приводного трехфазного двигателя, причем, все же, должны быть предотвращены повреждения трехфазного двигателя, приводимой в действие посредством двигателя машины, а также всех других конструктивных элементов карданной передачи (соединительных муфт, трансмиссии и проч.) между машиной и двигателем. При этом следует учитывать, что двигатель после отключения от напряжения сети продолжает работать дальше, причем посредством имеющегося остаточного поля ротора индуцируется напряжение остаточного поля частоты числа оборотов. Из-за противодействующего момента приводимой в движение машины и за счет трения двигатель работает по инерции. Для трехфазных двигателей после произошедшего отказа сетевого питания повторная подача напряжения сети с противофазностью к напряжению остаточного поля представляет собой экстремальную нагрузку в плане возникающих ударных токов и ударных моментов. В особенности, при высоком моменте инерции массы рабочей машины эти возбуждаемые со стороны двигателя ударные моменты могут вызывать экстремальные нагрузки крутильных колебаний во всей трансмиссии, так что все без исключения компоненты трансмиссии, такие как двигатель, соединительная муфта и рабочая машина, должны быть рассчитаны соответственно надежно и, таким образом, для нормальной работы с припусками на размеры. Способ расчета для определения возникающего при переключении сети нагружения крутящим моментом известен из статьи «Archiv für Elektrotechnik 71, 1988, Seiten 399 bis 411».

Во избежание расчета компонентов трансмиссии с припуском или применения дополнительной фрикционной предохранительной муфты из практики известно о возможности отключения двигателя при повреждении распределительной сети посредством открытия переключателя и последующего контроля посредством резервной сети или после устранения повреждения повторного соединения с распределительной сетью посредством закрытия переключателя. Как представлено в статье «ELEKTRIE, Berlin 46, 1992, Seiten 456-460», из практики известны способы для кратковременного и для долговременного переключения, для повторного нагружения напряжением трехфазного двигателя при наличии индуцированного остаточным полем ротора остаточного напряжения. Для предотвращения чрезмерного нагружения крутящим моментом в трансмиссии при кратковременном переключении, обычно в пределах нескольких миллисекунд, во время работы постоянно контролируются разности между амплитудами, частотами и сдвигами по фазе напряжений распределительной сети и резервной сети. Лишь когда все без исключения разности удерживают узкие границы, при повреждении распределительной сети в пределах нескольких миллисекунд может производиться переключение на резервную сеть. Если условия для кратковременного переключения не выполнены, то происходит долговременное переключение, причем выжидается, пока трехфазный двигатель не затормозит настолько, что при нагружении напряжением в независимости от разности фаз напряжения сети и напряжения остаточного поля можно исключить чрезмерное нагружение крутящим моментом. Способ долговременного переключения обеспечивает именно умеренные ударные моменты, имеет, однако, недостаток в том, что число оборотов падает настолько сильно, что вследствие этого рабочий процесс практически прерывается. Наконец, при долговременном переключении также имеет место опасность того, что повторное подключение происходит при критическом, с точки зрения скручивания или изгибания, числе оборотов трансмиссии и за счет процесса подключения возникают большие переменные моменты, которые подвергают опасности конструктивные элементы в карданной передаче или же вовсе активизируется автоматическое защитное отключение.

Руководствуясь этим, в основе изобретения лежит задача указать способ для повторного подключения трехфазного двигателя после его отключения от напряжения сети при наличии индуцированного остаточным полем ротора напряжения остаточного поля, который при минимизации нагружений крутящим моментом делает возможным повторное подключение при любом высоком напряжении остаточного поля.

Предметом изобретения и решением задачи является способ для повторного подключения трехфазного двигателя после его отключения от напряжения сети при наличии индуцированного остаточным полем ротора напряжения остаточного поля, причем снимаются временные характеристики напряжения остаточного поля и напряжения сети, причем из временных характеристик напряжения остаточного поля и напряжения сети заранее высчитывается разность фаз между напряжениями и определяется момент времени t_s, к которому разность фаз не превысит заданного максимального значения Δφ_max, причем с отставанием во времени, которое соответствует заранее определенной задержке времени переключения τ_s, перед достижением момента времени t_s запускается команда на подключение для повторного подключения, так что двигатель примерно к моменту времени t_s оказывается подключенным к напряжению сети. Посредством способа в соответствии с изобретением может производиться почти плавное подключение двигателя после отключения от распределительной сети, причем обычно снижение числа оборотов может удерживаться на очень низком уровне.

В то время как при известном кратковременном переключении резервная сеть всегда должна находиться наготове и переключение может происходить лишь тогда, когда амплитуды, частоты и фазы резервной сети и распределительной сети практически соответствуют друг другу, при способе в соответствии с изобретением повторная подача напряжения сети может производиться самостоятельно через резервную сеть или после устранения повреждения через распределительную сеть. Изобретение основывается, в частности, на тезисе о том, что за счет выбега двигателя после отключения от напряжения сети угловая скорость исходя из частоты напряжения сети уменьшается, так что напряжение остаточного поля и напряжение сети при выбеге двигателя к восстанавливающимся моментам времени находятся примерно в фазе. Посредством определения временной характеристики напряжения остаточного поля при этом заранее может быть определен момент времени t_s, к которому разность фаз не превысит заданного максимального значения Δφ_max, причем с учетом задержки времени переключения τ_s перед достижением момента времени t_s запускается команда на подключение, так что нагружение напряжением происходит примерно к рассчитанному заранее моменту времени t_s.

В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с изобретением предусмотрено, что определяются моменты времени перехода через ноль напряжения остаточного поля, причем угловая скорость и изменение угловой скорости напряжения остаточного поля определяются из временных интервалов между переходами через ноль. Определение переходов через ноль легко и надежно выполнимо, с точки зрения возможности измерения, к примеру, посредством аналогового компаратора и обеспечивает необходимую в рамках изобретения точность. Угловую скорость можно определить при этом как частное разности фаз и разности времени между двумя измеренными значениями, согласно:

ω_i=(φ_i+1-φ_i-1)/(t_i+1-t_i-1)

Для изменения угловой скорости действительно, соответственно:

Для предварительного расчета фазового угла φ_N напряжения сети аналогичным образом могут быть определены несколько переходов через ноль, причем, все же, обычно известна с высокой точностью частота f_N сети, так что временная характеристика фазового угла исходя из перехода через ноль может быть определена согласно:

φ_N(t)=2π·f_N·t (2π·f_N=ω_N)

Временная характеристика фазового угла φ_R напряжения остаточного поля выявляется с учетом фактически определенной угловой скорости ω_i=ω_R и установленного временного изменения угловой скорости согласно:

При этом t - это время между предпоследним измерением и подключением силового выключателя. ω_R - это круговая частота напряжения остаточного поля к моменту времени предпоследнего измерения и dω_R/dt - это изменение круговой частоты напряжения остаточного поля к моменту времени предпоследнего измерения. Наряду с временной характеристикой напряжения остаточного поля и напряжения сети в предпочтительном варианте может быть также определена, по меньшей мере, одна амплитуда A_R напряжения остаточного поля, причем при уменьшении амплитуды напряжения остаточного поля ниже заданного максимального напряжения A_max запускается команда на подключение для нагружения напряжением в независимости от соотношения фаз между напряжением остаточного поля и напряжением сети. В частности, при быстром торможении трехфазного двигателя имеется возможность для того, чтобы уже перед рассчитанным заранее непревышением заданной разницы фаз Δφ_max достигалось число оборотов двигателя, при котором независимо от соотношения фаз между напряжением остаточного поля и напряжением сети нагружение крутящим моментом находилось в приемлемых рамках, так чтобы можно было исключить повреждение карданной передачи. В частности, когда нагружения крутящим моментом меньше, чем при запуске трехфазного двигателя из состояния покоя, повторное подключение обычно не является критичным.

Так как в соответствии с изобретением определяется фактическая угловая скорость ω_R напряжения остаточного поля, то для заданных областей частот, в частности для областей частот вблизи критического для системы числа оборотов карданной передачи, может быть предусмотрено, что для предотвращения повреждений повторное подключение не состоится и тогда, когда либо разность фаз не превышает заданной предельной величины Δφ_max, либо амплитуда A_R напряжения остаточного поля не превышает заданного максимального напряжения A_max. Как только заданная область частот будет покинута, при наличии соответствующих условий, то есть при следующем непревышении заданной разности фаз или при непревышении заданного максимального напряжения, произойдет повторное подключение трехфазного двигателя.

Двигатели, к примеру, для привода турбокомпрессоров имеют на практике зачастую мощность от нескольких киловатт до нескольких мегаватт и обычно выполнены трехфазными. Так как у двигателей высокого напряжения нейтраль всегда недоступна, то обычно в качестве напряжения остаточного поля или напряжения сети измеряется соответственно сцепленное напряжение (линейное напряжение) между двумя фазами посредством соответственно двух датчиков.

Предметом изобретения является также электрическая схема для осуществления способа в соответствии с изобретением. Электрическая схема имеет устройство сбора измерительной информации, которое для определения временных характеристик напряжения остаточного поля и напряжения сети выполнено с возможностью подключения, с одной стороны, к трехфазному двигателю, а с другой стороны, к распределительной сети или к резервной сети, преобразователь-регулятор постоянного напряжения для создания коммутирующего импульса для силового выключателя и микроконтроллер, который делает возможным предварительный расчет соотношения фаз между напряжением остаточного поля и напряжением сети.

Напряжение остаточного поля и напряжение сети имеют обычно амплитуды в несколько тысяч вольт, так что устройство сбора измерительной информации предпочтительно имеет измерительные индикаторные головки для подключения к трехфазному двигателю и к напряжению сети, которые служат в качестве преобразователя напряжения и снижают измеренное напряжение в пределах, к примеру, от -10 В до +10 В.

Микроконтроллер, который для осуществления способа в соответствии с изобретением имеет обычно аналого-цифровой преобразователь, аналоговый компаратор, несколько таймеров и, по меньшей мере, один накопитель измеренных значений, предпочтительно оснащен стандартным программным интерфейсом для подключения к компьютеру или к компьютерной сети для того, чтобы была возможна простая конфигурация и, в частности, простой ввод заданных показателей.

Электрическая схема может иметь в рамках изобретения также и показания состояния и/или интерфейс для выдачи сообщений о состоянии, так что пользователю непосредственно могут быть предоставлены сведения о состоянии электрической схемы и о наличии повреждения распределительной сети. Возможно также, чтобы выданные сообщения о состоянии регистрировались центральным устройством управления машинами или производственным процессом и подвергались дальнейшей обработке.

Для повторного нагружения напряжением трехфазного двигателя после его отключения от напряжения сети обычно предусмотрен силовой выключатель, который получает коммутирующий импульс от преобразователя-регулятора постоянного напряжения. Для приведения в действие силового выключателя зачастую необходимы мощные коммутирующие токи, так что в предпочтительном варианте осуществления электрической схемы выход микроконтроллера в качестве управляющего сигнала подключен к выполненному предпочтительно как МОП-транзистор (MOSFET) полевому транзистору (FET), который соединяет отдельное входное напряжение с выходной стороной преобразователя-регулятора постоянного напряжения.

Изобретение разъясняется далее на основании примера осуществления со ссылкой на единственный чертеж. Единственный чертеж показывает в грубо схематичной форме плату, на которой выполнена электрическая схема в соответствии с изобретением.

Электрическая схема для осуществления способа в соответствии с изобретением включает в себя устройство 1 сбора измерительной информации, микроконтроллер 2 и преобразователь-регулятор 3 постоянного напряжения для выработки коммутирующего импульса для силового выключателя. Схема имеет далее восемь светодиодов 4 в качестве индикации 5 состояния, а также контактные выводы 6 для программирования микроконтроллера и для выдачи сообщений о состоянии.

Устройство 1 сбора измерительной информации посредством соответственно двух неизображенных измерительных индикаторных головок подключено к двум клеммам трехфазного двигателя и к двум клеммам напряжения сети. Напряжение сети подается при этом от распределительной сети или от дополнительной резервной сети, которая делает возможной работу двигателя при выходе из строя распределительной сети.

Микроконтроллер 2 имеет в своем распоряжении восемь цифровых выходов, которые для уведомления о состоянии в настоящее время соединены со светодиодами 4. Первый светодиод 4 включается при пуске микроконтроллера 2 и уведомляет о том, что схема работает. Когда горит второй светодиод 4, схема готова для разрыва связи с сетью. Светодиоды 4 с третьего по шестой уведомляют о ходе разрыва связи с сетью после отключения двигателя от напряжения сети. Третий светодиод 4 горит, когда имеет место разрыв связи с сетью в отношении распределительной сети, и гаснет, когда подается напряжение от резервной сети или снова от распределительной сети. Четвертый светодиод 4 горит, когда для определения временных характеристик фазы напряжения остаточного поля и питающего напряжения устройством 1 сбора измерительной информации принимаются переходы через ноль напряжения сети или напряжения остаточного поля. Если имеется достаточно много данных измерений, то четвертый светодиод 4 гаснет и пятый светодиод 4 уведомляет о том, что ожидается надлежащий заранее рассчитанный момент времени t_s для нагружения напряжением. Как только момент времени t_s достигнут, загорается шестой светодиод 4, в то время как схема возвращается в прежнее исходное положение. В то время как седьмой светодиод 4 служит для целей диагностики при разработке схемы, восьмой светодиод сообщает, когда для силового выключателя запускается команда на подключение для повторного подключения. Так как силовой выключатель имеет заранее известную задержку времени переключения τ_s, обычно в несколько десятков миллисекунд (к примеру, τ_s=60 мс у силового выключателя типа DIL М300 der Möller GmbH), команда на подключение должна запускаться соответственно перед достижением момента времени t_s.

Расчет момента времени t_s основывается на учете положения по фазе напряжения остаточного поля на присоединительных клеммах двигателя и напряжения сети. Для установления положения по фазе определяются переходы через ноль напряжения сети и напряжения остаточного поля фазы или сцепленного напряжения между двумя фазами. Эти напряжения могут быть замерены непосредственно перед или после силового выключателя.

При повреждении распределительной сети при работе электрической схемы открывается силовой выключатель, причем о разрыве связи с сетью сообщается на третьем светодиоде 4. В случае, когда напряжение сети после открытия силового выключателя после устранения повреждения снова должно быть подано от распределительной сети, сначала определяется длительность разрыва связи с сетью. Для этого сначала длительность разрыва связи с сетью определяется посредством устройства 1 сбора измерительной информации. После того как напряжение сети снова находится в распоряжении, посредством аналогового компаратора определяется переход через ноль напряжения сети, причем посредством определения данного перехода через ноль, с учетом частоты сети, может быть заранее рассчитана фаза напряжения сети. Затем определяются переходы через ноль напряжения остаточного поля, причем из временных интервалов между переходами через ноль определяются угловая скорость фазы и изменение угловой скорости. На основании заранее рассчитанных данных определяется момент времени t_s, к которому разность фаз не превышает заданное максимальное значение Δφ_max, к примеру, в 20°.

1. Способ повторного подключения трехфазного двигателя после его отключения от напряжения сети при наличии индуцированного остаточным полем ротора напряжения остаточного поля,
причем снимают временные характеристики напряжения остаточного поля и напряжения сети,
причем из временных характеристик напряжения остаточного поля и напряжения сети заранее рассчитывают разность фаз между напряжениями и момент времени t_s, к которому разность фаз не превысит заданное максимальное значение Δφ_max
и, причем с интервалом во времени, который соответствует заранее определенной задержке времени переключения τ_s, перед достижением момента времени t_s запускается команда на подключение для повторного подключения, причем двигатель примерно к моменту времени t_s оказывается подключен к напряжению сети.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что после отключения двигателя от напряжения сети повторная подача напряжения сети происходит либо через первоначальную, либо через резервную сеть.

3. Способ по п.1 или 2, характеризующийся тем, что двигатель выполнен трехфазным, причем временные характеристики напряжения остаточного поля и напряжения сети регистрируют соответственно посредством двух датчиков.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что определяют моменты времени переходов через ноль напряжения остаточного поля и причем угловая скорость и изменение угловой скорости напряжения остаточного поля определяются из временных интервалов между переходами через ноль.

5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что производят предварительный расчет временной характеристики напряжения сети, исходя из перехода через ноль, принимая во внимание постоянную частоту сети, и причем производят предварительный расчет временной характеристики напряжения остаточного поля, исходя из перехода через ноль, с учетом фактически определенной угловой скорости и установленного временного изменения угловой скорости.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наряду с определением временной характеристики напряжения остаточного поля и напряжения сети определяют, по меньшей мере, также и амплитуду напряжения остаточного поля.

7. Способ по п.6, характеризующийся тем, что при уменьшении амплитуды напряжения остаточного поля ниже заданного максимального напряжения запускают команду на подключение для повторного подключения, в зависимости от соотношения фаз между напряжением остаточного поля и напряжением сети.

8. Электрическая схема для осуществления способа по одному из пп.1-7, с устройством (1) сбора измерительной информации, которое для определения временных характеристик фаз напряжения остаточного поля и напряжения сети выполнено с возможностью подключения с одной стороны к трехфазному двигателю, а с другой стороны, к распределительной сети или к резервной сети, с преобразователем-регулятором (3) постоянного напряжения для создания коммутирующего импульса для силового выключателя и с микроконтроллером (2), который делает возможным предварительный расчет соотношения фаз между напряжением остаточного поля и напряжением сети.

9. Электрическая схема по п.8, характеризующаяся тем, что устройство (1) сбора измерительной информации имеет измерительные индикаторные головки для подключения к трехфазному двигателю и к напряжению сети.

10. Электрическая схема по п.8 или 9, характеризующаяся тем, что микроконтроллер (2) имеет стандартный программный интерфейс для подключения к компьютеру или к компьютерной сети.

11. Электрическая схема по п.8, характеризующаяся тем, что схема имеет индикацию (5) состояния и/или интерфейс для выдачи сообщений о состоянии.

12. Электрическая схема по п.8, характеризующаяся тем, что микроконтроллер (2) имеет аналого-цифровой компаратор, таймер и накопитель измерений.

13. Электрическая схема по п.8, характеризующаяся тем, что выход микроконтроллера (2) в качестве управляющего сигнала подключен к полевому транзистору (FET/MOSFET), который соединяет отдельное входное напряжение с выходной стороной преобразователя-регулятора (3) постоянного напряжения.