CN114830522A - 将动力系统的电动异步电机与电网连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将动力系统的电动异步电机(4)与电网(12)连接的方法，该动力系统包括：从动机(1)的驱动轴(2)；驱动机(4)；差动驱动装置(5)；和一个具有三个驱动端或者输出端的差速器(3)，其中的一个输出端与驱动轴(2)连接，第一驱动端与驱动机(4)连接并且第二驱动端与差动驱动装置(5)连接。在第一阶段中驱动机(4)从为零或者大约为零的转速起启动，而一个驱动端同时与另外的驱动端或者与输出端连接并且驱动机(4)在这个阶段中与电网(12)是分离的。在第二阶段中将驱动机(4)与电网(12)连接并且将所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离，并且在该方法中确定至少一个驱动端和/或输出端的转速。根据本发明，检测电网频率，并且当由驱动机(4)的转速产生的频率与电网频率的偏差小于±5.0％时，将驱动机(4)与电网(12)连接。随后将所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离。

Description

将动力系统的电动异步电机与电网连接的方法

技术领域

本发明涉及一种用于将动力系统的电动异步电机与电网连接的方法，其中动力系统包括从动机(做功机器)的一个驱动轴、驱动机、一个差动驱动装置和一个具有三个驱动端或者输出端的差速器，其中的一个输出端与驱动轴连接，第一驱动端与驱动机连接并且第二驱动端与差动驱动装置连接，其中在第一阶段中使驱动机从一个为零或者大约为零的转速起启动，而一个驱动端同时与所述另外的驱动端或者与输出端连接并且驱动机在这个阶段中与电网是分离的，其中在第二阶段中将驱动机与电网连接并且将所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离，并且确定至少一个驱动端和/或输出端的转速。

另外，本发明还涉及一种动力系统，其包括从动机的一个驱动轴、一个驱动机和一个具有三个驱动端或者输出端的差速器，其中一个输出端与驱动轴连接，第一驱动端与驱动机连接并且第二驱动端与一个差动驱动装置连接，该动力系统包括一个离合器(一个驱动端经由该离合器同时与所述另外的驱动端或者与输出端连接)、至少一个用于检测至少一个驱动端和/或输出端的转速的装置和具有一个用于控制差动驱动装置和可选地将离合器打开的控制系统。

背景技术

在WO 2016/172742 A1中说明了一种用于启动具有差动系统的动力系统的方法，所述动力系统包括从动机的一个驱动轴、一个驱动机和一个具有三个驱动端或者输出端的差速器，其中一个输出端可与驱动轴连接，第一驱动端可与驱动机连接并且第二驱动端可与一个差动驱动装置连接。在这个方法中，差动系统在第一阶段中以第一运行模式I运行，在该运行模式中一个差动驱动装置启动或者在低的部分负荷范围中驱动一个电动驱动机和一个从动机，直到驱动机达到其接通转速为止。接通转速是驱动机的一个转速，在该转速时驱动机与电网连接，并且该转速可以根据结构类型变化。通过一个附加连接实现使从动机和驱动机同时加速。这个附加连接是一个传动机构，经由该传动机构，例如差动驱动装置-除了与差速器连接之外-能够通过一个离合器与驱动机连接。在第二阶段中，将驱动机与电网连接。在第三阶段中，在运行模式II中，系统以差动模式直到一个最大扭矩为止或者在最大驱动转速下运行。

如果使用一个同步三相电机作为驱动机的话，则使该同步三相电机达到其接通转速，然后-根据公认的技术规则-与电网同步和无冲击地与电网连接。与此同时，差动驱动装置通过如下方式辅助使驱动机与电网同步，即该差动驱动装置调节驱动机的转速和优选还调节相位角。并使其与电网同步。一个同步装置与此同时优选测量电网和驱动机的相位角并且在相位角基本上同步时立刻将电网与驱动机连接。

如果驱动机设计为异步三相电机的话，则使该异步三相电机达到其接通转速，然后将电网开关闭合，以此使驱动机与电网连接。这个驱动机在它与电网连接时立刻短时产生一个高磁化电流。另外，驱动机的磁化造成该驱动机的转速短时下降，该转速(由于驱动机的转子的惯性质量之故)接着重新上升并且趋于其平稳的与功率或者打滑相关的运行转速。

磁化电流根据驱动机的结构和类型在转速等于零的开始时能够高达驱动机的额定电流的约10倍。磁化电流的高度和持续时间另外还取决于负载(从动机)是否随之上升或者驱动机以怎样的转速与电网连接。若如在WO 2016/172742 A1提出的方法中那样驱动机未使负载同时上升，则起动电流的高度在同步转速的例如90％至110％的转速极限内不发生显著变化。因此可以理解为，根据现有技术，在将异步三相电机同步时或者与电网连接时不针对接通转速采取特别的预防措施。

在DE 10 2016 213 639 A1中进行了如下说明，当输入轴上的转速达到主驱动机的额定转速范围时，可以将这个主驱动机与电网连接。其中进一步说明如下，如果驱动设备设计为对主驱动机、输出轴和辅助驱动机的三个转速中的至少两个转速进行检测或者测量的话，是有利的。行星齿轮传动机构上的第三必要转速可以通过转速方程(Willis方程)确定。特别是可以借助驱动端上的脉冲传感器和/或转速传感器进行检测或者测量。

一旦驱动机达到了其接通转速，差动系统的控制单元例如就给上一级的过程控制系统发送一个报告。接着，附加连接中的离合器优选在来自过程控制系统的“驱动机已经与电网连接”的反馈到达控制单元之后才打开。然而，与此同时驱动机已经与电网连接-这个延迟可能持续多个1/10秒，根据情况也可能持续数秒。优选在此应当实现尽可能短的时间。

差动驱动装置为了接通驱动机优选利用转速控制运行。一旦驱动机在离合器闭合时接通，差动系统就绷紧。因此伺服转速在第一时间由驱动机(由于该驱动机的磁化之故)和从动机拉低(转速变小)，接着产生驱动机的一个取决于负荷的运行转速，该运行转速由于打滑导致地小于其同步转速/额定转速。如果接通转速是明显超同步的，驱动机的运行转速将趋于进一步下降。如果接通转速是次同步的，则驱动机的运行转速将趋于上升。

同步的接通转速是指由于驱动机的极对数和当前的电网频率而产生的驱动机的转速。这样，例如对于4极的三相电机来说，同步的接通转速在额定电网频率为50Hz时是1500rpm，在额定电网频率为49Hz时是1485rpm，并且在额定电网频率为60Hz时是1800rpm。次同步的接通转速比同步的接通转速低，而超同步的接通转速则比同步的接通转速高。

根据EN50160，电网中的电网频率与同步连接的偏差允许为50Hz的±1％。一年中的最多0.5％的时间，电网频率允许有+4％与﹣6％之间的偏差。在例如亚洲的电网中，这些偏差可能更大。

在本发明的差动系统的情况中，过大的偏差在接通附加连接时不是最佳的，因为一旦驱动机被接通，差动系统就绷紧了。由于驱动机的接通，所以产生大的瞬态动力系统负载。然而，这就是说，电网频率在驱动机与电网接通的时间点对差动系统的切换行为(从运行模式I到运行模式II的过渡)具有很大的影响。

如果在一个差动系统中使用一个异步三相电机作为驱动机的话，出于上述原因所以将驱动机加速到一个事先确定的接通转速、特别是其额定转速(例如通过驱动机上的一个转速传感器测得的或者通过计算由差动驱动装置的转速中求出的)并不是最佳的，因为在此不能确保驱动机的转速足够接近当前的电网频率，以确保动力系统从运行模式I平稳地过渡到运行模式II中。

发明内容

本发明的目的是改进从动机与电网的连接，即减小差动系统的负荷。

这个目的利用具有权利要求1的特征的方法得以实现。

另外，这个目的还利用具有权利要求19的特征的动力系统得以实现。

根据本发明，检测电网频率，并且当由驱动机的转速产生的频率与电网频率的偏差小于±5％时，才将驱动机与电网连接，接着将所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离。动力系统为此具有用于检测电网频率的装置和在控制系统中的比较仪，该比较仪检查由驱动机的转速产生的频率与电网频率的偏差是否小于±5％。

通过这种方式能够防止差动系统在将驱动机接通后立刻绷紧/张紧的现象，并且能够避免大的瞬态动力系统负载。

另外，还区分出在附加连接中使用什么类型的离合器。

以下内容适用于单向离合器：在规定的与系统相关的极限内在次同步的范围中越远地接通，差动驱动装置和离合器的负荷就越低，就越能够更好地利用差动驱动装置的转速范围，因为这个差动驱动装置在接通驱动机过程中以一个较低的转速启动。因此，根据本发明建议在使用单向离合器的情况中将驱动机以次同步的方式(优选与当前的电网频率偏差-0.5％至-3.0％)与电网连接是适当的。通过次同步的接通，驱动机在与电网连接之后立刻超过单向离合器的差动驱动装置侧的部分并且因此自动地将驱动机与差动驱动装置之间的附加连接分离。

优选差动驱动装置在这个阶段中利用所谓的转速控制运行-就是说，过程控制系统和/或控制装置事先给定一个转速，并且差动驱动装置的闭环控制和开环控制单元努力尽可能精确地调节到这个转速。

由于磁化引起的转速下降之故，即由于在驱动机与电网接通过程中驱动机转速降低之故，差动驱动装置和从动机的转速在第一时间也被拉低。优选在“驱动机连接到电网”的反馈到达控制单元中时，立刻减小由差动驱动装置的控制系统为该差动驱动装置事先规定的转速，并且利用下游的扭矩控制器(通过例如转换器的场矢量控制)将扭矩的方向从电动机的象限转换到发电机的象限中。在接通过程中，优选(然而绝不是强制)主动监测和/或限制结构类型特定地最大允许的电流(主要是对于转换器而言)。

在本发明的一个优选的实施方式中，因此在驱动机转速作为该驱动机与电网连接的结果而降低时，相应地调整由控制系统为差动驱动装置事先规定的转速，以确保差动驱动装置负荷尽可能小。优选对驱动机实际上何时已经与电网连接进行检测，并且随后在驱动机转速作为该驱动机与电网连接的结果而降低时相应地调整由控制系统为差动驱动装置事先规定的转速。最后，改变差动驱动装置扭矩的方向并将离合器断开。本发明的这个实施方式也可以独立于本发明使用，即，独立于使驱动机的频率与电网频率相匹配和随后将所述与一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离，并且因此构成一个独立发明和形成保护动力系统免受不允许的高张力或者瞬态振动的可能性。

作为备选方案，也可以通过扭矩控制(即过程控制系统和/或控制装置事先规定一个扭矩)将扭矩(在不对由此产生的转速进一步主动施加影响的情况下)从电动机的象限调节到发电机的象限，并且差动系统接着在运行模式II中运行。此外，在此还优选(然而绝不是强制)主动监测和/或限制结构类型特定的最大允许的转速(主要是对于差动驱动装置而言)。这也构成一个独立发明和形成保护动力系统免受不允许高的张力或者瞬态振动的可能性。

总的来说应该注意，通常(就是说，在市场上可买到的工业驱动机中)在约20至40毫秒[ms]内实现转速控制的控制模式到扭矩控制的控制模式的切换或者参数化的转速规定值/限制和扭矩规定值/限制的变动。这个时间由差动系统的控制单元的循环时间或者转换器的调节的循环时间产生。因此非常快速的瞬态状态变化能够仅仅有限地(就是说，根据可实现的循环时间)通过控制模式转换得到补偿。另外，在此针对更短的循环时间没有设定限制，并且必须在测量技术或者控制技术方面的费用与可实现的负载减少之间达成合理的折衷。

若在附加连接中设置有一个单向离合器，那么这个离合器由于扭矩方向改变而自行打开或者说断开。

若在附加连接中代替单向离合器设置切换离合器(换挡式离合器)，那么这个离合器并不自行断开。在这个情况中，差动系统的第一控制方案是继续在这个时间点激活的转速控制。由于驱动机转速在驱动机与电网接通过程中下降之故，差动驱动装置利用其(位于转速控制器下游的)扭矩控制器将扭矩方向(通过例如变频器的场矢量控制)从电动机的象限改变到发电机的象限中，接着产生一个发电机扭矩。在此，在转换到发电机的象限中之前，先将电动机扭矩调节到接近零。

根据本发明，作为备选方案可以监测驱动机和/或从动机和/或差动驱动装置的转速，并且根据由于接通而引起的驱动机的转速波动“自动修正或跟踪”差动驱动装置的转速。在此，根据本发明可以计算和/或通过测量技术检测典型的接通时间和转速下降并且优选“保持”这些接通时间和转速下降–即利用一个离合器典型的或者驱动机典型的(±)延迟对差动驱动装置上的转速下降进行补偿。

根据本发明，作为备选方案也可以通过扭矩控制将扭矩(在不对由此产生的转速进一步施加影响的情况下)从电动机的象限调节到发电机的象限，其中系统然后接着在运行模式II中运行。

与此相应地在根据本发明的方法实施形式中，在驱动机转速作为驱动机与电网连接的结果而降低时，改变差动驱动装置的扭矩方向。优选同时检测驱动机实际上何时已经与电网连接，并且随后改变差动驱动装置的扭矩方向。与此同时将离合器打开。本发明的这个实施方式也可以独立于本发明使用，即，独立于使驱动机的频率与电网频率相匹配和随后将所述与一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离，并且因此构成一个独立发明和形成保护动力系统免受不允许高的张力或者瞬态振动的可能性。

在又一个另外的本发明变型中，将差动驱动装置的扭矩优选在接通的第一时间保持基本上恒定不变并且在又一个另外的变型实施方案中从“驱动机连接到电网”的反馈到达控制单元中的时间点起调节到接近零。这有利于在将离合器打开之前将附加连接中的负荷和在此特别是离合器的负荷保持为尽可能小。

总的来说，以下内容适用于使用切换离合器的情况：越接近同步转速进行接通，就能够在离合器和差动驱动装置的负荷尽可能低的同时越好地利用差动驱动装置的转速范围。另外，以下内容适用于切换离合器：在规定的与系统相关的极限内在次同步的范围中越远地接通，系统负荷、特别是离合器负荷就越高。

出于这个原因，根据本发明，还优选将切换离合器设计为限制扭矩式的(例如设计为具有摩擦衬片的多片式离合器)。

总之，作为驱动机的异步电机的接通造成明显的动力系统瞬态振动。所以为了在此避免动力系统中和特别是附加连接中大的扭矩过冲，根据本发明尽可能同步地将驱动机与电网连接是有利的。在这种情况下，小的转速差在(a)运行模式I与运行模式II之间的平稳过渡(例如泵的尽可能小的转速波动)或者(b)由此产生的系统负荷方面产生很大的不同。

出于这个原因，在本发明中，驱动机的接通转速或者由其产生的频率的允许偏差为当前电网频率的最大±5.0％，在一个优选的变型实施方案中为最大±3.0％，在一个特别优选的变型实施方案中为最大±2.0％和特别是为最大±1.0％。另外，在此针对更高的精度没有设定限制，必须在测量技术或者控制技术方面的费用与可实现的负载减少之间达成合理的折衷。

为了满足接通条件，在一个本发明的变型实施方案中检测电网频率。在此优选可以使用以下方法。

对电网频率的精确检测可以优选一方面通过技术上合适的测量装置(例如任何类型的电网频率测量仪器)进行，该测量装置将当前测得的电网频率传送给控制单元。在一个本发明的变型实施方案中，将由差动驱动装置的转换器检测的电网频率继续传输给控制单元。因此优选控制单元能够对驱动机的必要的接通转速进行非常精确的、适应情况的计算。因此可以将所期望的驱动机的接通转速带宽选择为很小。

另一方面，在许多情况中尽可能精确地检测驱动端或者输出端中的至少一个的转速就足够了。在这个情况中，例如可以通过如下方式确定所期望的驱动机的接通转速，即采用电网频率波动范围的典型值并且在此基础上确定所期望的驱动机接通转速。在此，电网频率波动范围的典型值例如可以是出自历史数据库的统计值，或者基于测量活动确定。然后从这些统计数据中例如确定一个带宽，优选现有电网中出现的电网频率的例如90％在该带宽内。这个带宽被用于进一步确定驱动机接通转速的极限值。

对于±1.0％的示例性的典型电网频率波动范围(带宽)的示例如下：

(a)若选择最大±3.0％的所期望的接通转速带宽，那么在这个示例中将驱动机接通转速的极限值规定为与驱动机同步转速偏差±2.0％。

(b)若选择从-0.5％至-3.0％的所期望的接通转速带宽，那么在这个示例中将驱动机接通转速的极限值规定为与驱动机同步转速偏差-1.5％至-2.0％。

为了能够遵守关于接通转速的允许偏差的所述规定值，优选必须重视尽可能小的转速误差。转速误差主要通过测量链的高分辨率或者精度决定，从频率测量或者转速检测开始，经由控制单元对测量信号的处理，直到差动驱动装置的转速控制为止。此外，在现有技术的一个驱动系统(电动机和转换器)中，当前测得的电网频率或者转速与驱动电机上产生的接通转速之间的±0.1％最大偏差(转速误差)是所期望的。另外，没有设定与此不同的精度的范围，并且必须在测量技术或者控制技术方面的费用与可实现的负载减少之间达成合理的折衷。

还需要从驱动机接通转速的极限值中扣除所述转速误差。就是说，在转速误差为±0.1％的情况中，上述示例(a)中的极限值从驱动机同步转速的±2.0％减小到±1.9％，或者在示例(b)中从-1.5％至-2.0％减小到-1.6％至-1.9％。

假设转速误差为±0.1％，那么在检测电网频率时可最佳选择的接通转速带宽为±0.1％。

本发明的优选实施方式是其余从属权利要求的内容。

附图说明

以下将参照附图阐述本发明的优选实施方式。附图中：

图1示出根据现有技术的差动系统的原理，其具有一个用于驱动一个泵的附加连接；

图2示出转速可变的驱动端的闭环控制和开环控制单元的典型闭环控制系统的示意图；

图3示出一个差动系统的本发明实施方式；并且

图4示出一个差动系统的驱动机的接通流程。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的一个差动系统的原理，其具有一个用于驱动一个泵的附加连接。所示出的动力系统包括一个被驱动的从动机1(在当前的示例中即所述泵)、一个驱动轴2、一个驱动机4和一个差动驱动装置5，它们与一个差速器3的输出端或者驱动端连接。差动驱动装置5通过一个转换器6(其由优选电机侧和电网侧的逆变器或者整流器构成-此处简化为单元示出)和一个变压器11与电网12相连。

驱动机4可以通过一个开关23与电网12连接。驱动机4优选是一个中压三相电机，其与电网12连接，该电网在所示出的示例中由于一个中压三相电机之故是一个中压电网。所选择的电压水平取决于使用情况和主要取决于驱动机4的功率水平并且可以具有任何所期望的电压水平，而不影响本发明系统的基本功能。根据驱动机4的极对数，产生一个结构类型特定的运转转速范围。该运转转速范围是一个转速范围，在该转速范围内驱动机4可以提供定义的或者所期望的或者必要的扭矩，并且在该转速范围内电动驱动机4已经与电网连接或者能够与电网12同步。

差动驱动装置5优选是三相电机并且特别是异步电机或者永磁激励同步电机。

也可以使用一个静液压伺服传动机构代替差动驱动装置5。在此，通过一个静液压的泵/马达组合替代差动驱动装置5，该静液压的泵/马达组合与一个压力管路连接并且优选是流量体积可调的。因此，如在转速可变的电动差动驱动装置5的情况中那样，转速是可调节的。

在这个实施方式中，差动系统的核心因此是一个具有三个驱动端或者输出端的单行星齿轮传动级，其中一个输出端与从动机1的驱动轴2连接，第一驱动端与驱动机4连接并且第二驱动端与差动驱动装置5连接。这个构思的主要优点是，驱动机4能够直接地、即在没有复杂的功率电子装置的情况下连接到电网12上。在可变的转子转速和与电网连接的驱动机4的固定转速之间的补偿通过转速可变的变速差动驱动装置5实现

随着与驱动机4连接的齿圈14的由驱动机4确定的转速和与从动机1连接的太阳轮13的由运行情况所要求的转速，在与差动驱动装置5连接的行星齿轮架16上强制性地产生一个需调节的转速或者需调节的扭矩，它们由差动驱动装置5调节。输出端和驱动端上的扭矩是相互成比例的，因此差动驱动装置5也可以调节整个动力系统中的扭矩。

差动驱动装置5的功率消耗或者输出基本上与从动机1的转速相对其基本转速的百分比偏差与该从动机1的功率相乘的乘积成正比。基本转速在此是当差动驱动装置5具有的转速等于零时在从动机1上出现的转速。从动机1的大的工作转速范围与此相应地要求为差动驱动装置5设计相应大的尺寸。如果差动驱动装置5具有的额定功率例如为系统总功率(从动机1的额定功率)的约20％的话，这意味着，在使用差动驱动装置5的典型的所谓的弱磁范围的情况下在从动机1上可以实现大约为额定工作转速50％的最小工作转速。通过差速器3和一个或者多个位于该差速器下游的适配传动机构的传动比确定差动系统的驱动端和输出端上的转速。在此基础上和基于从动机1的所要求的工作调节范围，接着产生差动驱动装置5和转换器6的必要的调节转速范围。该调节转速范围在此主要通过制造商规定的参数(如电压极限、电流极限和转速极限、弱磁范围、过载能力等等)确定。

由于根据标准利用更多极数的三相电机通常实现更高百分比的超转速(由于机械要求)，所以通常利用更多极数的三相电机能够实现更大的弱磁范围。这对于差动驱动装置5和转换器6的尺寸设计产生相应积极的作用。

由于在所说明的示例中从动机1以一个明显高于驱动机4的同步转速的转速运行，所以驱动轴2与太阳轮13连接并且驱动机4通过一个连接轴19与齿圈14连接。(具有两个或者更多行星齿轮15的)行星齿轮架16可以与差动驱动装置5连接(在下表中“变型5”)。因此可以通过简单的方式利用一个行星齿轮传动级和在无可选的适配传动机构的情况下实现驱动机4与从动机1之间的例如2.5至7.5、特别是至6.5的传动比。利用例如一个多级行星齿轮组，另外还能够实现高得多的传动比。一个多级行星齿轮组的特征在于行星齿轮15分别具有两个齿轮，它们相互抗扭连接并且具有不同的节圆直径，其中一个齿轮与太阳轮配合作用并且第二齿轮与齿圈配合作用。

下表示出了行星齿轮架16、太阳轮13和齿圈14与转子1[R]、差动驱动装置5[D]和驱动机4[A]的可能的联接组合，这些组合都属于本发明的范围：

变型

1

2

3

4

5

6

太阳轮13

D

A

R

D

R

A

行星齿轮架16

R

R

A

A

D

D

齿圈14

A

D

D

R

A

R

行星齿轮架16例如可以设计为只由一个部分组成的，或者由几个部分组成并且具有相互抗扭连接的部件。由于行星齿轮架16上的扭矩很高，在该行星齿轮架16与差动驱动装置5之间例如实施一个传动级17、18是有利的。一个适配传动机构(例如形式上为直齿的、斜齿的或者人字齿的正齿轮级)适合于此，其中一个齿轮17与行星齿轮架16抗扭连接，而另一个齿轮18与差动驱动装置5连接。然而，代替适配传动机构级17、18，例如也可以使用一个多级的直齿、斜齿或者人字齿的正齿轮传动机构、一个行星齿轮或者锥齿轮传动机构、一个链条传动机构、一个V型皮带传动机构、一个手动变速器等等或者这些传动类型的组合。

作为从动机1，在图1和3中作为示例象征性地示出了一个泵。然而，上面和下面所说明的原理也可以应用在用于其它从动机(诸如压缩机、鼓风机、传送带、研磨机、粉碎机和诸如此类)的驱动中。

图1示出了一个具有转换器6的差动驱动装置5。同样，多个差动驱动装置5可以驱动行星齿轮架16，以此将适配传动机构级17、18的需传递的扭矩分布到这些差动驱动装置5上。差动驱动装置5在此可以均匀地或者非对称地围绕齿轮17的圆周分布。优选-然而不是必须-差动驱动装置5在此由一个共同的转换器6操控，其中然后优选一个差动驱动装置5起所谓的“主(master)”的作用，而一个/数个另外的差动驱动装置5则起所谓的“从(slave)”的作用。差动驱动装置5也可以由多个电机侧的逆变器6单独或者分组操控，其中这些与差动驱动装置5连接的电机侧的逆变器6优选具有一个共同的、经由一个变压器11与电网12相连的电网侧整流器，这些逆变器经由一个直流中间电路与该整流器连接。

一个附加连接20与连接轴19连接并且接着与驱动机4或者差动系统的第一驱动端连接。这个附加连接20可以通过一个离合器22与差动驱动装置5连接。离合器22原则上可以定位在差动驱动装置5与差动系统的第一驱动端之间的功率流中的任何位置，即也可以定位在与附加连接20的一个与最接近差动驱动装置5的级不同的地方。离合器22优选设计为切换离合器(例如形式上为牙嵌离合器、齿式离合器或者多片式离合器)或者单向离合器。

单向离合器(也称为超越离合器)在此是一个只沿着一个旋转方向起作用的离合器。单向离合器也可以设计为一个自同步的切换离合器的形式。这是一个在完全激活的状态中经由一个齿式离合器进行扭矩传递的单向离合器。

驱动机4也可以与附加连接20的一个传动中间级连接，其中附加连接20与第一驱动端保持连接。

如果系统配备有多个差动驱动装置5的话，优选只将一个差动驱动装置5经由附加连接20与驱动机4连接。在这个情况中，除了第一差动驱动装置5之外，至少一个第二差动驱动装置5经由行星齿轮架16和适配传动机构级17、18驱动附加连接20。因此只需要一个附加连接20。作为备选方案，多个差动驱动装置也可以并行地通过一个单独的附加连接20与例如所述驱动机4连接。作为另外的备选方案，也可以通过一个附加连接将驱动机4与驱动轴2连接。

为了启动系统，通过将离合器22闭合，使差动驱动装置5与附加连接20连接。通过接着提高差动驱动装置5的功率，因此也将从动机1和驱动机4加速。在离合器22设计为单向离合器的形式的情况中，这个离合器自动将差动驱动装置5的旋转运动传递到附加连接20或者驱动机4上。差动系统在此在所谓的启动模式(运行模式I)中运行。

优选使驱动机4达到运行转速，然后接通开关23并将驱动机4与电网12连接。该驱动机在其与电网12连接时短时产生一个磁化电流。尽管这个磁化电流高于驱动机4的额定电流，然而仅仅出现几个电源周期并且低于产生的电流强度，该电流强度由驱动机4在这个驱动机在负载下与电网连接时引起。在需要时，可以通过使用公认的技术手段额外地减小这个磁化电流。

同时或者随后打开离合器22，并且差动系统在所谓的差动模式(运行模式II)中运行。如果离合器22设计为单向离合器的话，一旦驱动部件(差动驱动装置5)的转速变得小于需驱动的部件(附加连接20)的转速，连接就自动分离。

在运行故障(例如停电、系统故障、过载等等)的情况中，不仅驱动机4，而且从动机1都以不受控制的方式运行。为了在这样的情况中保护在差动模式中运行的差动驱动装置5，防止超转速，可以使用一个作用在差动系统的第二驱动端或者作用在差动驱动装置5上的(未示出的)制动器。作为备选方案，将一个在差动驱动装置5与差动系统的第二驱动端之间实施的(未示出的)离合器断开/打开并且通过这种方式将差动驱动装置5与差动系统的其余部分分离。

如果离合器22设计为单向离合器的话，当驱动部件(附加连接20)的转速变得小于需驱动的部件(差动驱动装置5)的转速时，自动激活单向离合器的连接，从而固有地防止差动驱动装置5的超转速。

如果离合器22设计为切换离合器的话，在一个运行故障的情况中，优选当附加连接20的驱动轴与差动驱动装置5之间的转速差为最小值(理想的情况下在转速差大约为零)时，激活这个离合器。

图2示出了一个差动系统的一个转速可变的驱动端的闭环控制和开环控制单元的示例性控制图的示意图。

一个控制单元24闭环控制和开环控制差动系统的功能。这个控制单元与一个上一级的过程控制系统25通信。经由通信接口主要交换与过程相关的状态报告和额定规定值。控制单元24经由另外的接口与转换器6通信。经由这个另外的通信接口也是主要交换与过程相关的状态报告和额定规定值。优选控制单元24决定控制模式(即在转速控制与扭矩控制之间)或者参数化的扭矩规定值/限制的改变。控制单元24也可以是转换器6的组成部分。就是说，转换器6的开环控制和闭环控制单元还承担控制单元24的功能和与过程控制系统25的通信。

通过控制单元24或者转换器6的实际电流监测，监测或者限制对于转换器6和差动驱动装置5来说最大允许的电流强度以及因此最大允许的扭矩。

在转速控制的情况中，优选转换器6检测差动驱动装置5的转速n(例如通过转速测量装置)，将这个转速在转速控制器中与转速规定值进行比较并且通过一个下游的扭矩控制器提高或者减小所述扭矩，以实现事先规定的转速。此外，在此优选(然而绝不是强制)主动监测和/或限制结构类型特定地最大允许的、产生的电流强度(主要是对于差动驱动装置5或者转换器6而言)。就是说，如果实现了最大允许的电流强度(在考虑到在时间上可能限定的、允许的过载的情况下)的话，则无法实现转速规定值，并且出现一个可基于最大允许的电流强度实现的转速。

通过所谓的场矢量控制，转换器6的开环控制和闭环控制装置能够在四个所谓的象限中调节转换器6的扭矩，从而能够与旋转方向相关地产生一个相应发电机的或者电动机的扭矩。此外，差动驱动装置5通过其转换器6也可以在所谓的弱磁范围内超同步地运行。通常这个超同步范围由于差动驱动装置5的机械限制之故是受限的，其中超转速限制通常随着系统规模的增加而变小。

图3示出了一个差动系统的本发明实施方式。该差动系统的构造基本上与在图1中说明的相同。动力系统在此也包括一个从动机1、一个驱动轴2、一个差速器3、一个附加连接20、一个电机轴19、一个驱动机4、一个差动驱动装置5和一个转换器6。在此，差动驱动装置5通过一个特别软的、即对扭转振动阻尼的离合器31与附加连接20连接。通过降低离合器31的刚性，能够相应地降低由接通引起的动力系统负载瞬变。

作为差动驱动装置5与驱动机4通过附加连接20实现的连接以外的备选方案，本发明的系统也利用在一个/数个差动驱动装置(5)与从动机1之间或者在驱动机4与从动机1之间的一个或者多个附加连接运行。

如在图2中说明的那样，控制装置24与转换器6和过程控制系统25通信。过程控制系统25主要控制开关23，以将驱动机4与电网12连接或者将该驱动机与电网12分开。作为备选方案，这也可以通过控制装置24或者转换器6控制。根据本发明，在图3的实施方式中，选择地实施用于检测电网12的电网频率的不同测量装置26、27(电网频率测量仪器)。这些测量装置例如可以集成在转换器6中(测量装置26)，然而也可以定位在可以检测当前电网频率的任何其它的地方，诸如在中压电网12中(测量装置27)。通过精确地检测当前的电网频率，能够使驱动机4的接通转速尽可能精确地与当前的电网频率相匹配，从而避免驱动机4接通时非期望地高的负荷，例如动力系统振动。

为了例如能够在接通驱动机4期间使差动驱动装置5的转速与所述驱动机4的转速曲线相匹配，在差动系统的驱动端和输出端上例如可以有一个或者多个转速测量装置28、29和30。在此，原则上只需要一个转速测量装置-优选转速测量装置30，因为能够据此导出其它的转速。在一个另外的实施方式中，可以通过-例如基于一个所谓的无传感器转速控制–在转换器6的电机侧逆变器中的转速计算替代转速测量装置30。

图4以蒸汽发电厂为例示出了差动系统的驱动机4的起动和接着与电网12接通的流程。

通常蒸汽发电厂由一个过程控制系统25控制。这个过程控制系统25同时还控制作为从动机(做功装置)1的锅炉给水泵的驱动机4的接通并且通过开关23将驱动机4与电网12连接。在此，过程控制系统25优选与控制单元24通信。

在“差动系统作为锅炉给水泵的转速可变的驱动装置”的示例的情况中，例如可以根据以下时间顺序进行接通过程：

首先如上所述借助差动装置5使驱动机4加速。在驱动机4达到其接通转速之后，控制单元24在时间点1给过程控制系统25发送指令‘驱动机接通电网’。由于通信接口中受系统制约的延迟，这个指令在时间点2到达过程控制系统中。

接着在过程控制系统中直到时间点3为止对这个指令进行处理，并且将指令“电网开关闭合”传送给电网开关23。这个过程“电网开关闭合”持续约80毫秒，并且在时间点4、即在从接通过程开始起总共590毫秒以后结束。

随后，过程控制系统25向控制单元24报告“电网开关闭合”。这在时间点5完成。接着在控制单元中对这个报告进行处理直到时间点6为止，并将一个相应的指令继续传输给离合器22。由于典型的、受系统制约的框架条件之故，离合器22将在时间点7(约100毫秒后)才开始打开。如果离合器例如是一个标准的多片式离合器的话，那么可传递的扭矩直到时间点8为止(例如100毫秒后)下降到约1/3并且离合器将在时间点9(例如进一步的300毫秒后)完全打开。整个接通过程因此持续约1.6秒钟。

图4中示出的时间流程是一个示例，并且由运转决定地和受系统制约地会与所示出的过程和时间流程有明显出入。就是说，一些的流程持续时间可能长得多，然而根据本发明也可能被缩短或者跳过。

根据上述接通过程，(差动系统的控制装置中的)系统控制系统在时间点“1”与“6”之间不知道驱动机是否或者精确地何时已经或者被接通。就是说，差动系统在或多或少的时间中保持“绷紧/张紧”状态，因此承受瞬态的动力系统振动/振荡。

根据本发明，在这种情况下可以通过如下方式实现改进，即通过转速测量装置28、29、30(和/或一个转速，从该转速能够导出由接通引起的转速下降)监测在接通阶段中动力系统的、即从动机1和/或驱动机4和/或差动驱动装置5的转速或者相应地据此导出所期望的差动驱动装置5额定转速。这个所期望的额定转速优选根据动力系统的转速和差速器3的传动比连同可能实施的适配传动机构级的传动比计算出。

Claims (25)

1.一种用于将作为动力系统的驱动机(4)的三相电机、特别是异步电机与电网(12)连接的方法，

该动力系统包括：从动机(1)的驱动轴(2)；驱动机(4)；差动驱动装置(5)；以及具有三个驱动端或者输出端的差速器(3)，

其中的一个输出端与驱动轴(2)连接，第一驱动端与驱动机(4)连接并且第二驱动端与差动驱动装置(5)连接，

使驱动机(4)在第一阶段中从为零或者大约为零的转速起启动，而一个驱动端同时与另外的驱动端或者与输出端连接，并且驱动机(4)在这个阶段中是与电网(12)分离的，

在第二阶段中将驱动机(4)与电网(12)连接并且将所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离，并且

确定至少一个驱动端和/或输出端的转速，

其特征在于：

检测、特别是通过测量技术检测电网频率或者定义电网频率波动范围，

当由驱动机(4)的转速产生的频率与电网频率的偏差小于±5.0％时，将驱动机(4)与电网(12)连接，

并且-优选同时或者随后-将在所述一个驱动端与所述另外的驱动端或者输出端之间的连接分离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：当由驱动机(4)的转速产生的频率与电网频率的偏差小于±3.0％、优选小于±2.0％、特别是小于±1.0％时，将驱动机(4)与电网(12)连接。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：测量至少一个驱动端和/或输出端的转速。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：离合器(22)是限制扭矩的离合器。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：差动驱动装置(5)是经由转换器(6)与电网(12)连接的电机、优选是三相电机、特别是异步电机或者永磁激励同步电机。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：驱动机(4)的转速由转换器(6)的控制值导出、特别是基于无传感器的转速控制导出。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：差动驱动装置(5)的转换器(6)确定电网频率。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：通过电网频率测量仪器(26，27)测量电网频率。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：在将驱动机(4)与电网(12)连接之前，通过差动驱动装置(5)使电机(4)的相位角与电网(12)同步。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：同时或者随后改变差动驱动装置(5)的扭矩方向。

11.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：在驱动机(4)的转速作为该驱动机与电网(12)连接的结果而降低时，改变差动驱动装置(5)的扭矩方向。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：检测驱动机(4)实际上何时已经与电网(12)连接，并且随后改变差动驱动装置(5)的扭矩方向。

13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于：所述一个驱动端在第一阶段中经由单向离合器与所述另外的驱动端或者与输出端连接，该单向离合器在扭矩大约为零时或者在扭矩方向变动时自动打开。

14.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于：所述一个驱动端在第一阶段中经由切换离合器与所述另外的驱动端或者与输出端连接，并且将切换离合器在扭矩大约为零时打开。

15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于：检测驱动机(4)实际上何时已经与电网(12)连接，并且将差动驱动装置的扭矩直到这个时间点为止保持恒定不变。

16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于：检测驱动机(4)实际上何时已经与电网(12)连接，并且随后将扭矩减小到零为止。

17.一种动力系统，其包括：从动机(1)的驱动轴(2)；驱动机(4)；和具有三个驱动端或者输出端的差速器(3)，其中输出端与驱动轴(2)连接，第一驱动端与驱动机(4)连接并且第二驱动端与差动驱动装置(5)连接，

该动力系统包括：离合器，一个驱动端经由该离合器同时与另外的驱动端或者与所述输出端连接；至少一个用于检测至少一个驱动端和/或输出端的转速的装置；以及控制系统，该控制系统用于控制差动驱动装置(5)并且可选地用于打开离合器，

其特征在于：

该动力系统设有用于检测电网频率的装置(26，27)，并且设有在控制系统中的比较仪，该比较仪检查由驱动机(4)的转速产生的频率与电网频率的偏差是否小于±5.0％。

18.如权利要求17所述的动力系统，其特征在于：比较仪检查由驱动机(4)的转速产生的频率与电网频率的偏差是否小于±3.0％、优选小于±2.0％、特别是小于±1.0％。

19.如权利要求17或18所述的动力系统，其特征在于：离合器(22)是牙嵌离合器、齿式离合器、单向离合器或者多片式离合器。

20.如权利要求17或18中任一项所述的动力系统，其特征在于：离合器是限制扭矩的离合器。

21.如权利要求17或18所述的动力系统，其特征在于：离合器是液力离合器，该液力离合器可选地具有附加的锁定功能。

22.如权利要求17至21中任一项所述的动力系统，其特征在于：差动驱动装置(5)是三相电机、特别是异步电机或者永磁激励的同步电机。

23.如权利要求17至21中任一项所述的动力系统，其特征在于：差动驱动装置(5)是静液压的泵/马达组合。

24.如权利要求17至23中任一项所述的动力系统，其特征在于：差速器是行星齿轮传动机构。

25.如权利要求17至24中任一项所述的动力系统，其特征在于：从动机(1)是泵、压缩机、鼓风机、传送带、粉碎机或者研磨机。

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