CN105940312B - 求出负载的供电电压的方法和负载 - Google Patents

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Abstract

为了在多相，尤其是三相供电网络(2)中可靠地求出负载(4)的单个线路(L1，L2，L3)的供电电压(Ui)，提出一种测量模块(6)，利用该测量模块由测量电压(Ui,mess)利用矩阵运算求出供电电压(Ui)。通过矩阵运算尤其对测量系统和供电网络(2)之间的电位差或电位偏移进行补偿，而无需硬件技术上的措施，例如电压互感器。

Description

求出负载的供电电压的方法和负载
技术领域
本发明涉及一种用于求出负载的供电电压的方法以及一种负载。
背景技术
负载在此是多相负载，也就是这样的负载，其连接在多相的，尤其是三相的供电网络上。供电网络在此包括多个供电线路以及补充地也许还有附加的零线线路。
在例如用于监控负载的状态或者还有用于监控能量消耗的监控系统的范畴中，负载在运行期间的电参数被求出。由该参数然后例如在状态监控(condition-monitoring)的范畴中推导出用于维护或者磨损的特征码。重要的参数在此是用于负载的供电电压。在三相供电网络中，相应的线路的单个供电电压典型地具有120°的相关系。通常，负载包括多个子负载，其适当地与各条线路连接。负载例如是交流电机并且子负载是该电机的各个线圈或者线圈组。
为了测量这样的负载的电压而需要求出各条线路的供电电压。为此通常为每条线路分配一个用于电压测量的分压器，其中分压器作为参考点连接至公共测量电位。
然而，在真实的系统中，取决于实际的运行情况，相应线路的这样测量出的测量电压不一定与实际施加在(子)负载上的供电电压一致。因此相应的供电电压也与以下相关，即负载以何种类型和方式与供电网络连接，是否例如通过所谓的星形电路或通过三角形电路连接。在第一种情况中，在相应的供电线路上分别施加例如230伏特的电压。在三角形电压的情况中在子负载上施加典型的例如400伏特的较高的电压。然而同时也许相应地仅仅测量到230伏特的测量电压。
在不同线路的非对称加载的情况中，这也会导致相的偏移，由此同样出现区别。最后，常常出现在测量电位、也就是用于测量电压的参考电位和电网电位、也就是用于各个(子)负载的参考电位之间的电位差。
在一些系统中，除了三相供电网络的三条线路之外还有附加的零线连接至负载，其在这种情况中确定了电网电位、也就是参考电位。
还有在确定电网电位时，有国家方面的区别。因此，例如在美国，供电线路之一的电位也被引入作为参考电位。
为了对电位差进行补偿，当前使用所谓的电压互感器，其作为硬件组件连接在测量系统的上游，从而避免基于电位差造成的错误测量。这种类型的电压互感器例如在用于功率测量的外部测量模块中应用。然而，这带来了较高的硬件技术成本。
从AU 2003 204 811 A1中已知一种测量装置，其构造用于，检测在负载上的多个相处的作用功率和无功功率，并且通过补偿装置来补偿干扰因素的作用。为此，首先借助处理单元对施加在一个相上的电压进行乘方，并且利用低通滤波器进行过滤。随后，在电压有效值处理单元中引入转换因数，以便为电压求出有效值。
发明内容
本发明的目的在于给出一种方法，借助该方法以较为简单的方式正确地求出在多相供电网络中的负载的供电电压。
该方法一般用于借助于测量模块求出负载的供电电压。负载在此连接至多相的，尤其三相供电网络，其具有多条供电线路，接下来简称为线路或者导电线路，负载连接到其上。为线路的每一条测量相对于公共测量和参考电位的相应电压。在此为每条线路求出测量电压。由所测量的电压通过借助于校正矩阵变换的矩阵求出相应的供电电压，该供电电压实际施加在负载上或者施加在相应的子负载上。
该方案的基本想法在于，不考虑通过用于适当的电位关系的硬件技术措施来避免例如在测量电位和电网参考电位之间的电位差，而是允许这种类型的误差或者误差调整并且纯计算性地执行校正。因此有意识地放弃硬件技术上的措施，例如像已知的电压互感器。因此，借助校正矩阵尤其对用于相应的(子)负载的相应的供电电压的、在测量电位和电网电位之间的电位差进行校正和补偿。由此整体上将硬件技术的耗费保持较小。
根据针对目的的改进方案，为不同的运行状态引入不同的校正矩阵。不同的运行状态不仅被理解为相应的负载的状态也理解为例如供电网络的状态或者还有基于负载与电网连接的相互影响的不同的状态。该不同的校正矩阵在此优选地存储在测量模块内部并且相应地根据实际的运行状态适当地选择。
优选地其在此自动地实现，即测量模块自动地识别出实际的运行状态并且自动地从存储的校正矩阵中选择出指派给该运行状态的矩阵。
该方法在此优选地作为算法固定地集成在具有集成电路的半导体组件中。其例如是特别为此设计的ASICs组件。
总体上通过提供不同的校正矩阵实现了这样的可能性，即对不同的运行状态灵活地作出反应。该测量模块因此总体上具有一定的智慧并且自己决定当前必须引入哪些校正矩阵。总体上，由此也可以提供能够通用地应用的测量模块，其尤其也能够跨国地用于不同的应用情况。
以合乎目的的方式，具有特定设计的半导体组件的该测量模块在此直接地集成到相应的负载中作为其组件并且作为集成的状态或者能量监控系统的一部分。不同的校正矩阵在此尤其考虑到接下来的不同的运行状态：
在测量模块上存在或者连接有零线，在测量电位和电网电位之间存在电位差，负载集成到具有星形电路的供电网络中以及负载集成到具有三角形电路的供电网络中。因此，对于这些不同的运行状态中的每一个来说都使用独有的、运行状态特定的校正矩阵。
此外，还可以通过另外的校正矩阵考虑另外的运行状态，例如像供电网络的各个线路的不对称的负载，例如在供电网络的一条线路失效的情况下或者还有使用供电线路的电压作为参考或者电网电位等等的情况下。
在针对目的的设计方案中，在此在测量循环的框架中求出实际的运行状态并且选择所指派的校正矩阵。测量循环在此优选地在负载运行期间反复地执行。但是这例如非强制性地在周期性的时间间隔中实现。该时间间隔在此例如处于几秒至几分钟的范围中。因此，通过该反复的测量循环实现了对当前的运行状态的恒定匹配，从而确保了对负载的尽可能精确的监控。对此可替换地产生这样的可能性，即例如相应地在负载启动时执行测量循环，也就是例如在接通电动机时。
在功率较强的电动机的情况中，常常在低负载或者启动运行和高负载或者正常运行之间切换，其中在启动运行中电动机的各个线圈彼此连接成星形电路并且在正常运行中为了较高的功率等级而彼此连接成三角形电路。在此，该切换典型地通过电机控制装置并借助于切换信号实现。也就是说，负载借助该切换信号通常从第一运行模式转换到第二运行模式中。该切换信号同时由测量模块检测到，并且自动地选择出相应于新的运行模式的、也就是新的运行状态的校正矩阵。
根据一个有利的实施方案变体，-如果识别出零线连接在测量模块上-测量零线电压并且借助用于每条线路的第一校正矩阵从相应地求出的测量电压和零线电压的差中求出相应的供电电压。在此，以特别简单的方式充分利用了经由零线确定电网电位并且因此通过简单地形成的差能够求出真实的供电电压。
以针对目的的方式，在在此描述的测量系统中通常自动地检验，是否连接有零线。为此，对在测量模块的零线输入端上的电平进行检验，并且只要在零线输入端上的电平满足预设的条件，则识别连接有零线。该条件尤其是测量电压的函数。仅仅当测量出的电平例如在取决于实际的测量电压的值之上时识别出零线。取决于实际的测量电压的决定以这样的考虑为基础，即在不同的线路上有高电压时也期待一定的零线电压。尤其是由此可靠地避免了错误释义，从而不会以错误的方式判断出零线的连接。
尤其是对于这样的情况，即没有识别到零线的情况，以针对目的的设计方案，借助于第二校正矩阵为每条线路从相应的测量电压Ui,mess和测量电压Ui,mess的平均值Q的差形成指派给相应的测量电压Ui,mess的供电电压Ui，即Ui＝Ui,mess-Q。
平均值Q在此优选地由测量电压Ui,mess之和与测量电压Ui,mess的数量A的商形成，也就是Q＝ΣUi,mess/A。其相当于形成算术平均数。
测量电压的平均值仅仅以通常的方式反映出在测量电位和电网电位之间的电位差。电位差因此可以视为在测量电位的参考电压中的错误，其由三个测量出的电压进行平均获得。因为电压分别是具有余弦形式的曲线的取决于时间的电压，因此为此通过该措施也在各条线路之间存在电位偏移(相偏移)时执行自动的校正。
以针对目的的方式同样自动地求出是否需要考虑这种类型的电位偏移。在一些设备中，这种类型的电位偏移可以通过特定的设备设计来排除。通过告知给测量模块的相应的设备特定的标记，因此可以通过该标记在校正矩阵方面存储决定规则，是否使用特定的校正矩阵或者不使用。可替换地或者补充的是，这种类型的决定规则也借助一种算法求出。为此例如测量模块的分压器被连接成虚拟的星形，其中星形中间点形成如在常规的星形电路中的公共参考电位。如果测量电压(在数值上看)是相同的，这意味着，即刚好没有电位偏移，否则说明在各个线路之间存在电位偏移。
在一个优选的设计方案中，至少一个求出的供电电压Ui被用于计算多相负载的功率。
校正矩阵优选通常是mx(m+1)矩阵，其中m是供电网络中的供电线路的数量。因此，校正矩阵在三相供电网络中通常设计成3X4矩阵。利用这种类型的通常的矩阵，在根据本发明的矩阵形式的范畴中能够简单和确切地反映出不同的运行状态。矩阵的最后一列在缺少零线的情况下由零填补并且在有零线的情况中以一个值，例如以一填补。
对于不同的应用实例来说，接下来示例性地示出不同的矩阵以及示例性地示出用于求出各个供电电压的矩阵变换。在此，从其上连接有负载的三相供电网络出发。对于混合情况来说，矩阵被适当地调整。
测量电压U1,mess，U2,mess和U3,mess对应于相应的线路L1，L2，L3。此外，在零线上测量出电压Un,mess。因此，供电电压Ui＝U1，U2和U3能够如下地在矩阵形式的公式中表示：
a)基础校正矩阵M0(没有零线)
如果没有识别出零线的连接，那么尤其用于星形电路的矩阵如下地作为基础校正矩阵M0示出：
优选的是，在矩阵中给出的矩阵元素“1”也通过另外的缩放因数替代。利用该 基础矩阵M0，在此供电电压Ui与测量电压Ui,mess等同。这在如果不存在电位差或者电位偏移 的情况下是有利的。
重要的是，即利用矩阵形式能够考虑到故障，其尤其对例如在供电网络，电源和测量系统之间的电位差进行调整。
b)第一校正矩阵M1(具有零线)
为了识别是否连接有零线，首先对求出的电压进行分析并且零线的电压值通过接下来的公式比较：
|Un，mess|≥max|U1，mess；U2，mess；U3，mess|·F (G3)
在此，F表示缩放因数。在公式G1中给出的电压是取决于时间的正弦或者余弦函数。阈值可以通过测量出的电压的共同作用来定义并且借助故障F缩放。如果Un,mess的值超过了缩放的阈值，那么识别出零线的连接。
供电电压Ui,mess，例如U1，i＝1，给出：
U1＝U1，mess-Un，mess (G4)
供电电压U2和U3相应地形成。由此由基础校正矩阵出发获得用于连接有零线的情况的第一校正矩阵
c)第二校正矩阵M2(没有零线，电位差)
对于该情况，即没有检测到零线连接并且检测有可能的故障，也就是电位差或者电位偏移应该被校正时，首先根据接下来的公式将电位故障UFehler定义为平均值Q：
借此，U1、被指派给测量出的电压Ui,mess的第一供电电压可以如下地表达：
由此可以如下地获得例如用于星形电路的第二校正矩阵
因此电压互感器就不是必要的了。
d)第三校正矩阵M3(基础矩阵三角形电路)。
对于负载有三角形电路的情况，可以借助接下来的第三校正矩阵M3根据上面列举的基础公式G1从测量电压Ui,mess求出相应的供电电压Ui。
第三校正矩阵M3因此形成没有电位偏移/电位差的具有三角形电路的系统。其因此同样如基础校正矩阵M0一样被视为基础矩阵，其中，供电电压Ui一方面(M0)对于星形电路被求出并且另一方面(M3)对于三角形电路被求出。这尤其当在负载的情况中从星形电路切换到三角形电路中时是重要的。
在负载中的切换过程在此通常通过接触器实现，其借助切换信号控制。该切换信号在在此描述的测量系统中由测量模块识别并且自动地在两个基础校正矩阵M0和M3之间切换。因此总体上，通过该矩阵方式可以即使对于三角形电路也能从测量电压Ui中求出外部导体电压，也就是各个(子)负载的自身的供电电压。
本发明的另外优选的设计方案和有利的设计方案从附图描述获知。
附图说明
接下来根据在附图中示出的实施例对本发明进一步进行描述和说明。
相应地以极简化的视图示出：
图1是具有连接的负载和测量模块的三相供电网络，以及
图2是用于对方法进行说明的流程图。
具体实施方式
图1中示出了三相电流或者供电网络，在其上连接有负载4。供电网络2是具有三个供电线路L1，L2，L3的供电网络。每个供电线路L1，L2，L3都分别指派给电压源V1，V2，V3。
此外，图1中示出了测量模块6，其优选地集成在负载4中，如其在图1示意性地通过虚线示出的那样。测量模块6总体上具有三个导电线路8以及一个零线输入端9，测量模块能够通过线路分别与供电网络2的线路L1，L2，L3中的一条连接以及也许与一条零线N连接。在图1中示出了没有零线N的供电网络2，该零线出于清晰显示的目的而仅仅通过虚线示出。
负载4优选是交流电驱动的电动机或者也是其他交流电驱动的负载。
测量模块6是监控系统的一部分，用于在条件监控的范畴中尤其是在其状态方面监控和控制负载4，例如像磨损等等并且优选地但是也在能量方面监控和控制负载，从而获得关于能量，消耗和负载4的功率的说明。为此，借助测量模块6确定在相应的供电线路L1，L2，L3中的相应的供电电压U1，U2，U3。在第一步骤中，为此例如利用在图中示出的测量电路为每个单独的供电线路L1，L2，L3求出测量电压Ui,mess，i＝1，2，3，并且将测量电压传输给测量模块6的评估单元10。在该评估单元中，通过之前描述的矩阵运算然后由该测量电压Ui,mess为每条线路L1，L2，L3计算出供电电压Ui。
为了求出测量电压Ui,mess，每条线路L1，L2，L3都被指派有一个分压器，其由两个电阻R构成，在电阻之间实现相应的电压测量器12的电压分接。所有电压测量器12都与共同作为测量电位P形成的电位连接。
在本实施例中，测量模块6具有自己的电压源14，其确定测量电位P并且自身在此相对于测量电位GND接地。由电压测量器12测量出的测量电压Ui,mess以在此没有详细示出的方式传输给评估单元10。同样如导电线路L1，L2，L3的连接一样，在零线接口N上的电平也被截取并且由电压测量器12求出的值作为零线电压Un,mess传输给评估单元10。
通过分压器将在例如100至大约700伏特的范围中的导电线路L1，L2，L3的被截取的电压引回到测量系统的电位上。通过将各个分压器连接到公共电位P上，将其近似于虚拟的星形布线。在本实施例中，该电压电位P基于电压源14的原因以相对于测量电位GND的确定的电位推移。利用这种测量布置模拟出通常星形的布置和负载4的星形的连接。
然而，测量出的电压Ui,mess仅仅在严格的对称运行时才与实际的供电电压Ui一致，并且尤其是也仅仅在以下的条件之下，即在测量电位P和负载4的参考电位(电网电位)之间不产生电位差。然而常常存在这样的电位差并且该运行通常不严格地对称，即在各个供电线路L1，L2，L3中的电压的幅值并不相同，和/或在各个导电线路L1，L2，L3之间的相关系彼此并不精确地差120°。
通过测量模块6，这种类型的错误如之前描述的那样仅仅通过描述的矩阵运算来补偿。用于供电电压Ui的、所获得的值然后应用用于监控系统。用于执行矩阵运算的方法在评估单元10中实施。该单元尤其设计成集成电路或者具有集成电路。集成电路尤其是微芯片或者应用特定的集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)。算法因此固定地在集成电路的半导体结构中实施。该集成电路当前也被被描述为“Power-ASIC”，以获得在此构造用于监控系统的功率测量的电路。在该集成电路内优选地实施有存储器16，其中存储不同的矩阵M。
为了确定和求出供电电压Ui而定期地执行测量循环，如其接下来根据图2和3所描述的那样。测量循环在第一步骤S1中开始。该开始例如通过接通负载4或者也以反复的时间间隔在负载4的运行期间发生。在接下来的步骤S2中首先实现零线N的电压测量。然后在步骤S3中检验，是否由相应的测量模块12求出的零线输入端9的电压值大于预设的阈值。如果是，那么在步骤S4中断定存在零线N。在接下来的步骤S5中然后选择所指派的校正矩阵，例如第一校正矩阵M1。然后接下来借助选择出的校正矩阵Mn连续地或者以通过监控系统预设的时间间隔求出用于监控系统的每条线路的供电电压Ui的值。
如果在步骤S3中的阈值调查时确定，即求出的零线电压Un,mess的值低于或者没有达到阈值，那么其相反在步骤S6中评估出，不存在零线N。
在另外的决定步骤S7中然后检验，是否应该对相偏移进行补偿。该决定例如通过设备特定的配置初始化，也就是视执行而定取决于设备地决定。如果不应该考虑相偏移，那么在步骤S8中通过在星形电路的情况中的校正矩阵M0或者在三角形电路的情况中的M2实现常规计算。是否应该对相偏移进行补偿的决定规则也可以替换地通过一种算法决定。为此例如对测量出的各个测量电压Ui,mess进行评估并且检验，是否其在其数值上是相同的。如果不是这种情况，那么其为此被评估为一种标志，即存在相偏移。
如果应该对相偏移进行补偿，那么在步骤S9中借助相应的选出的校正矩阵、例如第二校正矩阵M2从测量出的电压值Ui,mess求出供电电压Ui。

Claims (27)

1.一种用于借助测量模块(6)求出负载(4)的供电电压Ui的方法，其中，所述负载(4)连接在具有多个线路(Li)的多相供电网络(2)上，其中，为所述线路(Li)中的每一条测量相对于公共测量电位的电压，并且在此为每条所述线路求出测量电压Ui,mess，其中由所述测量电压Ui,mess通过借助于校正矩阵(Mn)变换的矩阵求出所述供电电压Ui，其中，借助所述校正矩阵(Mn)对用于相应的所述负载(4)的相应的所述供电电压Ui的电位差进行校正和补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法设置用于状态或能量监控系统。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为不同的运行状态引入不同的校正矩阵(Mn)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，不同的校正矩阵(Mn)在此存储在所述测量模块(6)内部并且相应地根据实际的运行状态被选择。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，不同的校正矩阵(Mn)在此存储在所述测量模块(6)内部并且相应地根据实际的运行状态被选择。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，自动地识别不同的运行状态，并且自动地引入指派给相应的所述运行状态的所述校正矩阵(Mn)以用于矩阵变换。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，自动地识别不同的所述运行状态，并且自动地引入指派给相应的所述运行状态的所述校正矩阵(Mn)以用于矩阵变换。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，在测量循环的框架中求出所述运行状态并且选择并引入被指派的所述校正矩阵(Mn)以用于所述矩阵变换，其中所述测量循环在所述负载的运行期间反复地执行。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在测量循环的框架中求出所述运行状态并且选择并引入被指派的所述校正矩阵(Mn)以用于所述矩阵变换，其中所述测量循环在所述负载的运行期间反复地执行。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据将所述负载(4)从第一运行模式转换到第二运行模式的切换信号，选择指派给所述第二运行模式的校正矩阵(Mn)。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，根据将所述负载(4)从第一运行模式转换到第二运行模式的切换信号，选择指派给所述第二运行模式的校正矩阵(Mn)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述负载(4)根据所述切换信号选择性地以星形电路或者以三角电路运行，并且相应地选择指派给所述电路的校正矩阵(Mn)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述负载(4)根据所述切换信号选择性地以星形电路或者以三角电路运行，并且相应地选择指派给所述电路的校正矩阵(Mn)。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，如果识别出零线(N)的连接，测量零线电压Un,mess，并且借助于第一校正矩阵(M1)为每条所述线路(Li)从相应的所述测量电压Ui,mess和所述零线电压Un,mess的差求出相应的所述供电电压Ui，即Ui＝Ui,mess-Un,mess。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，如果识别出零线(N)的连接，测量零线电压Un,mess，并且借助于第一校正矩阵(M1)为每条所述线路(Li)从相应的所述测量电压Ui,mess和所述零线电压Un,mess的差求出相应的所述供电电压Ui，即Ui＝Ui,mess-Un,mess。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中，自动地根据施加在所述测量模块(6)的零线输入端(9)上的电压的值识别出零线(N)的连接。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，自动地根据施加在所述测量模块(6)的零线输入端(9)上的电压的值识别出零线(N)的连接。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于每条所述线路(Li)，借助于第二校正矩阵(M2)从所述测量电压Ui,mess的平均值Q和相应的测量的电压Ui,mess的差形成指派给相应的所述测量电压Ui,mess的所述供电电压Ui，即Ui＝Ui,mess-Q。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，对于每条所述线路(Li)，借助于第二校正矩阵(M2)从所述测量电压Ui,mess的平均值Q和相应的测量的电压Ui,mess的差形成指派给相应的所述测量电压Ui,mess的所述供电电压Ui，即Ui＝Ui,mess-Q。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述平均值Q由所述测量电压Ui,mess之和与所述测量电压Ui,mess的数量A的商形成，也就是Q＝ΣUi,mess/A。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述平均值Q由所述测量电压Ui,mess之和与所述测量电压Ui,mess的数量A的商形成，也就是Q＝ΣUi,mess/A。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其中，求出的所述供电电压Ui中的至少一个供电电压用于计算所述负载(4)的功率。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，求出的所述供电电压Ui中的至少一个供电电压用于计算所述负载(4)的功率。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述校正矩阵(Mn)在三相供电网络中设计成3×4矩阵。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述校正矩阵(Mn)在三相供电网络中设计成3×4矩阵。
26.一种负载(4)，具有用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的集成的测量模块(6)。
27.根据权利要求26所述的负载，其中，所述负载是电机。
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