CN102017352A - 用于对带有多个线圈系统的传动机馈电的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为带有多个、优选两个线圈系统、尤其是三相电流线圈系统的传动机馈电的电路，其中给每个线圈系统分配有专用的变流器、优选脉宽调制的三相电流变流器，其带有电压中间回路和连接在前的二极管整流器，其中至少一个变流器能够在输入侧与不同的、未被同步的电压网络连接。

Description

用于对带有多个线圈系统的传动机馈电的电路
本发明涉及一种用于为带有多个、优选两个线圈系统、尤其是三相电流线圈系统的传动机馈电的电路，其中给每个线圈系统分配有专用的变流器、优选为脉宽调制的三相电流变流器(Drehstrom-Umrichter)，其带有电压中间回路和连接在前的二极管整流器。
在多种情况中，在传动系统的情况下可靠性是最重要的。例如，目前在船只中所谓的柴电传动装置得到非常广泛的应用，其中一个或者多个柴油发电机等等为一个或者多个船载电网馈电，除了其他的用电器之外，一个或者多个电传动马达从这些船载电网中获得其能量。如果一个或多个传动马达故障，则不能保证有关的船只达到其目的地，而是陷于海难并且导致一系列费时的并且花费大的救援措施。
通常，在船上(然而也在飞机、工业设备等等中)有多个不同的、彼此独立的电网可供使用。如果其中之一故障，则所有依赖于其的用电器不能提供其服务。因此，例如在具有多个柴油发电机和多个船用螺旋桨的船只情况下，每个传动支路按照可能性连接到不同的电网上。如果在这种船只中一个电网故障(例如由于在相关的发电机的故障)，则连接到其上的传动马达停止。在两个电网和两个传动马达的情况下，由此最多还有一个传动马达可供使用，即最大传动功率的50％，即使所涉及的发电机可以产生更高的功率。由此，可实现的航行速度大约降低到一般的速度，并且航行持续时间提高到大约两倍的值。
虽然为了提高传动系统的可用性已知的是，设计带有两个线圈系统、尤其是三相电流线圈系统的传动马达，其中给每个线圈系统分配有专用的变流器、优选为脉宽调制的三相电流变流器，其带有电压中间回路和连接在前的二极管整流器。然而两个与相同的马达耦合的变流器通常连接到相同的船载电网上，使得当所涉及的船载电网不再可用时传动马达完全故障。即使两个传动马达的两个线圈例如分别与不同的船载电网耦合，在一个船载电网故障时——由于通过连接到另外的电网上的变流器的有限的功率——传动功率必然降低到原始值的大约一半。
基于所描述的现有技术的这些缺点，产生得出本发明的初始问题，即找到一种如何将传动系统的可靠性或者可用性进一步提高的可能性。
该问题通过如下方式成功解决：为传动马达的线圈馈电的至少一个变流器可以在输入侧与不同的、未被同步的电压网络连接。
在此，本发明基于一种具有至少一个传动装置的结构，该传动装置通过变流器、尤其是通过耦合到至少一个(三相电流)中压网络的变流器借助电压中间回路和(二极管)整流器在输入端以及优选在脉宽调制的输出端上得到其功率。用于提高可用性的第一措施是使用至少一个传动马达，其带有两个(三相电流)线圈系统，连同各进行馈电的变流器。此外，本发明使用至少两个彼此独立的电压网络。然而与现有技术不同，并非所有变流器都在输入侧分别恰好分配有一个电压网络，而是至少一个变流器构建为可以从一个电压网络切换到另一个。这具有的优点是，由其馈电的线圈系统在多个(优选两个)电压网络中的仅仅之一故障时在任何情况下可以继续被驱动，即在相应地尚未被影响的电压网络上，确切地说，与电压网络的哪个发生故障无关。当所有要进行馈电的线圈系统被划分为两个不同的电压系统上的相同部分时，则这导致本来线圈系统的50％通常可以继续被驱动(即耦合到保持未受影响的电压系统上的线圈系统)，而现在其余的至少一部分由于本发明而同样可以被提供电压。由此，可用性提高到明显大于50％的值。如果例如分别带有两个线圈系统的两个传动马达连接到两个不同的电压网络上，使得两个马达的至少各一个线圈构建为可切换，则在电压网络中电压故障的情况下总是还有传动功率的75％可用，使得例如船只的航行时间在最坏情况下提高大约三分之一，而不像目前那样加倍。
证明为有利的是，至少一个变流器和/至少一个电压网络多相地、尤其是三相地被构建。三相的传动马达具有的优点是几乎无谐波的转矩，使得被驱动的装置要求较低。
用于实现本发明的一个可能性在于，至少一个变流器可以在输入侧通过至少一个开关装置与不同的、未被同步的电压网络相连。这种开关装置提供的优点是，分别被闭合的连接将电流几乎无损耗地传送。
开关装置应当构建为使得同时将所连接的变流器与两个电压网络相连是不可能的，以便避免在未被同步的电压网络之间的短路以及由此避免它们的崩溃。
在本发明的改进方案中规定，开关装置具有闭锁装置，其只有当所有其他开关接触部断开时才允许连接。在此，涉及一种用于相关的电压网络的纯粹的保护措施。
开关装置的闭锁装置可以通过机械方式来实现。
在本发明的第一实施形式的范围中，为此规定，开关装置构建为转换开关，其舌片连接到变流器上，而要与其相连的接触部连接到不同的电压网络上。在此，舌片的数目取决于参与的电网或者变流器的相的数目；在三相电流网络的情况下，于是涉及三个舌片，在交流电网的情况下仅仅两个舌片。因为转换开关的(不运动的)开关接触部从不彼此直接接触，在这种情况下短路最多还可以通过舌片来进行。然而，这可以通过相应的应对措施来避免。
这些应对措施之一是，转换开关具有在中间的零位，在该零位中，其舌片不与开关接触部相连。如果舌片足够缓慢地移动越过该中间的零位(这在手动操作的情况下通常被满足)，则有足够长的时段，当忽视另外连接的、然而优选未被接地的线圈时，在该时段中舌片几乎没有电势。在该时段中，馈电电流会消失并且可能熄灭光弧。开关接触部的间距当然必须足够大，由此在其间不能发生电压击穿。
为了在此不会出现未被定义的开关状态，转换开关应当构建为使得转换只能越过中间的零位才是可能的，在该零位于是始终中断电流。
另一方面，开关装置也可以借助至少一个接触器来实现。
如果仅仅存在唯一的(根据所参与的电压网络的类型优选为多极的、即在三相电网的情况下为三极，在交流电网的情况下主要为两极)接触器，则其应当构建为转换开关，其中其舌片连接到变流器上，而要与其连接的接触部连接到不同的电压网络上。这基本上对应于(要手动操作的)转换开关的结构。
这种构建为转换开关的接触器也应当具有中间的零位，在该零位中其舌片并不与开关接触部相连，由此避免了在参与的电压网络之间的电压击穿。然而要注意的是，在无电势的零位内的停留时间足够长，由此可以熄灭可能出现的光弧。因此合适的是，在这种情况下不使用太快地工作的接触器，或者至少使用具有在固定的转换接点之间非常大的距离的这种接触器。
此外也应当注意的是，将接触器构建为使得切换仅仅越过其中间的零位才是可能的，使得避免了未被定义的开关状态。
然而在所使用的电路装置内的闭锁也可以通过电学方式来进行。
这种情况下可能的是：使用两个彼此分离的接触器，它们分别构建为必要时(即根据所参与的开关网络的相数)多极的通/断开关，其中分别将一个必要时多极的工作接触部连接在变流器上，而相应的另外的、必要时多极的工作接触部分别连接到两个不同的电压网络中的一个上。这种结构提供了大的优点，即所参与的电压网络在开关装置内在任何地方都不直接相聚在一起。对于一个电压网络存在专用的接触器，并且对于另一电压网络存在空间上分离的接触器。
优选的是，使用如下接触器：其在施加控制电压(例如5V)的情况下接通，而在去掉控制电压的情况下相反关断，使得在控制电压的电压供给中故障的情况下，所有接触器分离，并且由此避免短路。
合适的是，将两个接触器的控制端子连接到共同的控制和/或闭锁装置上。这于是致力于以更可靠的方式激励所涉及的接触器，即使得所连接的两个接触器从不同时接通。
为了实现这一点，有一系列安全措施。其中首要的可以是，为每个参与的接触器设置附加的开关接触部和附加的舌片，其仅仅用于反馈的目的。该舌片可以如其他舌片那样构建，即当它们闭合时也闭合，或者该舌片反周期地设计，即只有当其他的断开时才闭合。由此，当其他引导中间电压的舌片被断开时，例如施加在静止的开关接触部上的电压、例如控制装置的供电电压可以被接通至舌片接触部。由此，可以通知控制和/或闭锁装置：变流器何时与所涉及的电压网络电流分离。
在该情况中，借助这种反馈输入可以导致控制和/或闭锁装置的各另外的控制输出的闭锁，即借助“与”(UND)门进行由控制装置所请求的接通信号与(其余的)反馈输入的逻辑连接，并且当它们没有用信号通知分离的接触器时，不能激励所希望的接触器。如果存在多于两个电压网络(变流器可以与这些电压网络耦合)，因此也存在多于两个接触器时，始终关注恰好所有其余接触器的、多于一个的反馈信号。这些反馈信号于是应当以“或”(ODER)方式彼此逻辑连接，并且该“或”门的输出连接到上述“与”门的闭锁的输入。
本发明此外规定，控制和/或闭锁装置构建为：使得当两个接触器被关断一定的时段时，一个接触器才被接通。该安全时段要为最后被关断的接触器给出足够的时间，以便让可能存在的光弧熄灭。这种时段的合适的近似值例如可以是所参与的电网电压的一个周期。在该时期内，至少最后被抽取的电压网络的电压经过至少一个过零点，并且当不大的电感试图延长电流时，电流于是应当快速地降低。最迟在大约两倍的周期持续时间的时段之后不再考虑电流影响。
为了实现这种“无效时间(Totzeit)”，控制和/或闭锁装置可以装备有定时器，一旦所有连接的接触器得到针对“关断”的控制信号时，和/或一旦所有(其余的)接触器反馈截止状态时，和/或在其他电压传感器和/或电流传感器报告所涉及的转换器在输入侧不再获得电压和/或电流时，启动该定时器。
本发明可以如下被改进：控制和/或闭锁装置的至少一个控制输出端借助内部的定时器来闭锁，即只有当内部的计时器显示在最后给出的和/或执行的关断指令之后经过预先给定的时段时，其才可以将其信号从“关断”转换为“接通”。
为了可靠地监视所给出的关断指令的规定的实施，也可能的是，将控制和/或闭锁装置附加地与至少一个电流传感器和/或电压传感器耦合，以便可以在变流器的输入端确定电流和/或电压。为此，甚至在多个参与的电网的情况下唯一的电流传感器和/或唯一的电压传感器就足够，使得参与的独立的电压网络越多，则这种实施形式越令人感兴趣。
至少一个电流信号和/或电压信号可以被输送给比较器，在那里电流信号被与阈值比较，以便确定是否变流器输入端没有电流。该比较器的输出信号作为数字信号给出关于是否变流器的输入端没有电流并且现在允许与(其他的)电压网络相连的信息。
最后，与本发明的教导对应的是，控制和/或闭锁装置的至少一个控制输出端借助内部的比较器来闭锁，即只有当内部的比较器显示在变流器的输入端的电流为零或者至少接近于零时，其才可以将其信号从“关断”转换为“接通”。出于安全性的原因，上面提及的计时器也可以在比较器的输出信号显示没有电流时才启动。
基于本发明的其他特征、细节、优点和作用由以下对本发明的优选实施形式的描述并且借助附图来得出。其中：
图1示出了根据本发明的带有两个马达的结构，这些马达由两个不同的电压网络馈电；
图2示出了图1中的结构，其中由于切换，两个马达由同一的电压网络馈电。
图1要在示意图中示出船只的船载电网1的最重要的部件。一共可以看出由未被示出的各柴油发动机驱动的三个三相电流发电机G1、G2、G3。当然，替选地也可以使用其他的能源，例如燃气涡轮机。
发电机G1在第一三相汇流排2上工作，并且由此形成第一三相电压网络3。另外的两个发电机G2和G3共同在另外的、同样是三相的汇流排4上工作并且由此形成第二三相电压网络5。
如果发电机G1与发电机G2和G3同步地进行供电，两个汇流排2、4可以按相位地通过开关6彼此耦合。
然而，在所考虑的例子中情况并非如此；更确切地说，只有发电机G2和G3彼此同步运行并且形成共同的电压网络5，而发电机G1与其并不同步，使得电压网络3在电压幅度、电压相位和/或电压频率中以完全不可预测的方式偏离电压网络5。
两个发电机G2和G3的同步性例如可以通过如下方式来建立：其转子彼此联接，例如借助刚性的轴来联接，使得它们以与柴油发动机等等的相同的转速和相位来驱动。
此外，在该实施例中有两个船用螺旋桨，它们分别与传动马达7、8相连并且被其驱动。在该例子中，两个传动马达7、8的每个都相同地构建并且分别具有两个彼此分离的三相电流线圈系统9a、9b、10a、10b。
总计四个的、这些分别为三相的三相电流线圈系统9a、9b、10a、10b中的每个都被专用的变流器11a、11b、12a、12b馈电。
每个变流器11a、11b、12a、12b优选又一致地构建，即带有直流电压中间回路13，其带有平滑电容器14和优选脉宽调制的三相的输出级15，线圈系统9a、9b、10a、10b分别通过三相电流线缆16联接到该输出级上。
为了在制动调度的情况下能够消除必要时被回馈的能量，对于多个变流器11a、11b；12a、12b的直流电压中间回路13设置了一个或者多个制动电阻17。
而在正常的行驶工作中，变流器11a、11b、12a、12b的直流电压中间回路13由至少各一个三相二极管整流器18馈电。为了使得传动马达7、8和进行馈电的变流器11a、11b、12a、12b尽可能地保持无电势，在整流器18的输入端之前连接有(分离)变压器19a、19b、20a、20b。
这些变压器19a、19b、20a、20b的初级线圈21a、21b、22a、22b可以由汇流排2、4或者由电压网络3、5馈电。
在此，用于第一传动马达7的线圈系统9a的变压器19a的初级线圈21a唯一地分配给第一电压网络3；其可以借助三相开关或者接触器23仅仅切换到该电压网络3或者从其分离；并未设计与另外的电压网络5的连接。
此外，用于第二传动马达8的线圈系统10b的变压器20b的初级线圈22b唯一地分配给第二电压网络5；其可以借助三相开关或者接触器24仅仅切换到该电压网络5或者从其分离；并未设计与另外的电压网络3的连接。
然而其以两个其余的变压器19b、20a的初级线圈21b、22a表现为不同。
它们各连接到开关装置25、26的三相输出端。每个开关装置25、26都具有两个分别为三相的输入端27a、27b或者28a、28b。由每个开关装置，一个三相输入端27a、28a相应地与电压网络3相连，或者可以通过另外的开关和/或接触器29a、30a相连，而相应另外的三相输入端27b、28b与电压网络5相连，或者可以通过另外的开关和/或接触器29b、30b相连。
每个开关装置25、26都分别具有两个接触器31a、31b；32a、32b。这些接触器31a、31b、32a、32b分别构建为三相的通/断开关，分别带有开关磁体33，在控制电流流动期间，开关磁体的电枢将强电流回路中的接触部保持闭合。
开关装置25的两个接触器31a、31b的每个三相的或者三极的开关接触部共同地并且相位正确地与变压器19b的三相初级线圈21b相连或者此外与用于传动马达7的线圈系统9b的变流器11b的整流器18相连。相应另外的、同样三相或者三极的开关接触部用作三相输入端27a、27b并且因此可以分别通过开关29a、30a与两个电压网络3、5之一相连。
另一方面，开关装置26的两个接触器32a、32b的每个三相或者三极的开关接触部共同的并且相位正确地与变压器20a的三相初级线圈22a相连，或者此外与用于传动马达8的线圈系统10a的变流器12a的整流器18相连。相应另外的同样三相或者三极的开关接触部用作三相输入端28a、28b并且因此可以分别通过开关29b、30b与两个电压网络3、5之一相连。
同一开关装置25；26的接触器31a、31b或者32a、32b的控制输入端连接到在附图中并未示出的各共同的控制和/或闭锁装置。这些控制和/或闭锁装置设计为使得同一开关装置25；26的两个接触器31a、31b或者32a、32b从不可同时接通，以便始终负责在两个电压网络3、5之间的可靠的电流分离。
相互的闭锁可以通过控制指令本身来进行，其方式是它们彼此“与”逻辑连接，其中分别将用于相应另外的接触器的信号即控制信号反相地输送给“与”门。此外，例如在这种“与”门的输出端上可以存在定时器，使得控制信号在一定的失效时间之后才可以从关断指令切换为接通指令。
控制装置和闭锁装置可以是自动的，使得借助唯一的指令、例如“将变流器11b从电压网络3切换到电压网络5”触发相应的切换顺序，该切换顺序需要一定的时期，并且首先负责分离接触器31a，并且在一定的等待时间(例如20ms至50ms)之后将接通指令发给接触器31b。
在图1中再现了船载电网1的起始状态，其中所有部件按照规定工作。
发电机1为电压网络3馈电并且由此通过变流器11a、11b为传动马达7的线圈系统9a、9b供电，而发电机G2和G3一同为电压网络5馈电并且由此通过变流器12a、12b为传动马达8的线圈系统10a、10b提供电流。
现在要假设的是，出现故障，例如在柴油发电机G1的范围中，其由于故障而失效。由此，电压网络3没有电流，如通过图2中的阴影要表明的那样。
现在(例如由自动的控制装置、其监视电压网络3、5和或柴油发电机G1、G2、G3)首先断开至电压网络3的所有开关连接23、29a、30a、31a。
在现有技术中，现在传动马达7是完全无电流的，因为该传动马达原始仅仅由电压网络3馈电。由此，传动功率被降低到大约50％，因为传动马达8必然仅仅具有两个传动马达7、8所集中的一半的传动功率。然而通过本发明现在可以向开始停止的马达7的至少一个线圈9b通过其变流器11b继续提供电流，其方式是其现在通过闭合三相接触器31b连接到电压网络5上，并且抽取在那里可用的能量储备。由此，对于船只可能的是：以其传动功率的大约75％继续航行，由此其其余的航行时间仅仅增大了大约三分之一。

Claims (23)

1.一种用于为分别带有多个、优选两个线圈系统(9a，9b，10a，10b)、尤其是三相电流线圈系统(9a，9b，10a，10b)的至少一个传动机(7，8)馈电的电路，其中给每个线圈系统(9a，9b，10a，10b)分配有专用的变流器(11a，11b，12a，12b)、优选三相电流变流器(11a，11b，12a，12b)，其带有直流电压中间回路(13)、连接在前的二极管整流器(18)和脉宽调制的逆变器作为输出级(15)，其特征在于，至少一个变流器(11a，11b，12a，12b)能够在输入侧与不同的、未被同步的电压网络(3，5)必要时通过中间连接的变压器(19a，19b，20a，20b)或者其他的耦合元件(25，26)连接或者耦合。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，至少一个变流器(11a，11b，12a，12b)和/或至少一个电压网络(3，5)多相地、尤其是三相地被构建。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，至少一个变流器(11a，11b，12a，12b)能够通过至少一个开关装置(25，26)与不同的、未被同步的电压网络(3，5)相连或者耦合。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述开关装置(25，26)构建为使得所连接的变流器(11a，11b，12a，12b)与两个电压网络(3，5)的同时连接或者耦合是不可能的。
5.根据权利要求3或4所述的电路，其特征在于，所述开关装置(25，26)具有闭锁装置，只有当同一开关装置(25，26)的所有其他开关接触部都断开时，该闭锁装置才允许连接。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述闭锁以机械方式进行。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述开关装置(25，26)构建为转换开关，该转换开关的舌片连接到变流器(11a，11b，12a，12b)上，而要与其连接的接触部连接到不同的电压网络(3，5)上。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述转换开关具有在中间的零位，在该零位中转换开关的舌片不与开关接触部相连。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述转换开关构建为使得所述转换仅仅越过在中间的零位才是可能的。
10.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述开关装置(25，26)包括至少一个接触器(31a，31b，32a，32b)。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述接触器构建为转换开关，其舌片连接到变流器(11a，11b，12a，12b)，而要与其连接的接触部连接到不同的电压网络(3，5)上。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述接触器具有在中间的零位，在该零位中转换开关的舌片不与开关接触部相连。
13.根据权利要求12所述的电路，其特征在于，所述接触器构建为使得转换仅仅越过接触器的在中间的零位才是可能的。
14.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述闭锁以电气方式或者电子方式进行。
15.根据权利要求14所述的电路，其特征在于，每个开关装置(25，26)设置有至少两个接触器(31a，31b，32a，32b)，这些接触器分别构建为必要时多极的通/断开关，其中分别将必要时多极的工作接触部连接在变流器(11a，11b，12a，12b)上，而相应地另外的、必要时多极的工作接触部分别连接到两个不同的电压网络(3，5)之一上。
16.根据权利要求15所述的电路，其特征在于，所述开关装置(25，26)的所有接触器(31a，31b，32a，32b)的控制端子连接到共同的控制和/或闭锁装置上。
17.根据权利要求16所述的电路，其特征在于，该共同的控制和/或闭锁装置构建为使得所有连接到其上的接触器(31a，31b，32a，32b)从不同时接通。
18.根据权利要求17所述的电路，其特征在于，该控制和/或闭锁装置构建为：使得当所有(其余的)接触器(31a，31b，32a，32b)都在在一定的时段上被关断时，接触器(31a，31b，32a，32b)才接通。
19.根据权利要求18所述的电路，其特征在于，该控制和/或闭锁装置具有定时器，一旦所有连接的接触器(31a，31b，32a，32b)获得用于“关断”的控制信号时，启动该定时器。
20.根据权利要求19所述的电路，其特征在于，该控制和/或闭锁装置的至少一个控制输出端借助内部的定时器来闭锁，即只有当内部的计时器显示在最后的关断指令之后经过预先给定的时段时，该定时器才能够将其信号从“关断”转换为“接通”。
21.根据权利要求17至20之一所述的电路，其特征在于，该控制和/或闭锁装置附加地与至少一个电流传感器耦合，以便能够在变流器(11a，11b，12a，12b)的输入端确定电流。
22.根据权利要求21所述的电路，其特征在于，至少一个电流信号被输送给比较器，在那里电流信号与阈值进行比较，以便确定是否变流器输入端(18)没有电流。
23.根据权利要求22所述的电路，其特征在于，该控制和/或闭锁装置的至少一个控制输出端借助内部的比较器来闭锁，即只有当内部的比较器显示在变流器(11a，11b，12a，12b)的输入端(18)的电流为零或者至少接近于零时，该比较器才能将其信号从“关断”转换为“接通”。
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