DE102018203627A1

DE102018203627A1 - Wechselstrommotorsysteme mit Antriebsschaltungen und Verfahren zur Verwendung

Info

Publication number: DE102018203627A1
Application number: DE102018203627.6A
Authority: DE
Inventors: Paul Bryan Snipes; Luis D. Morales; Maung Saw Eddison; Zachary Joseph Stauffer; Ludovic Andre Chretien; Lester Benjamin Manz
Original assignee: Regal Beloit America Inc
Current assignee: Regal Beloit America Inc
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2018-09-13
Also published as: US10256753B2; US20180262132A1

Abstract

Ein Wechselstrommotorsystem und Steuerungsverfahren sind hier bereitgestellt. Das Wechselstrommotorsystem beinhaltet einen Motor, eine erste Nennleistung aufweisend und dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, und eine Antriebsschaltung, dazu ausgelegt, elektrisch zwischen die Stromquelle und den Motor gekoppelt zu werden. Die Antriebsschaltung weist eine zweite Nennleistung auf, die niedriger als die erste Nennleistung ist.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein Wechselstrommotoren und insbesondere einen Wechselstrommotor mit einer Antriebsschaltung.
Zumindest einige bekannte Wechselstrommotoren sind Motoren mit fester Drehzahl, die durch unmittelbares Aufbringen von Netzeingangsspannung auf den Motor durch ein Schütz oder ein Relais in einer netzübergreifenden Architektur angetrieben werden. Derartige Wechselstrommotoren sind am wirkungsvollsten, wenn sie mit voller Drehzahl und mit Netzfrequenz arbeiten. Während Niedriglastzuständen, in denen ein Betrieb mit voller Drehzahl nicht notwendig ist, veranlasst die Verwendung der Netzeingangsspannung derartige Wechselstrommotoren, dass sie mit einem höheren Leistungsniveau als notwendig betrieben werden, was den Wirkungsgrad reduziert. Frequenzumrichter (variable frequency drives - VFDs) ermöglichen das Antreiben von Wechselstrommotoren mit variablen Drehzahlen innerhalb der Betriebsbereiche der Motoren. Diese variable Drehzahlregelung unter Verwendung von VFDs erhöht den Wirkungsgrad des Betreibens der Wechselstrommotoren bei weniger als Volldrehzahl, verglichen mit der netzübergreifenden Architektur. Solche VFDs sind jedoch kostspielig und können in einigen Fällen sogar die Kosten des Wechselstrommotors übersteigen. Zusätzlich kann das Verwenden eines VFD zum steuerbaren Erhöhen der Spannungsgröße bis zu der Nennspannung oder -leistung des Wechselstrommotors einen groß bemessenen VFD erfordern, der eine Spannungs- oder Nennleistung aufweist, die im Wesentlichen gleich der des Wechselstrommotors ist. Durch VFDs werden annähernd 3-5% mehr Verluste hinzugefügt, die ein Nur-Motor-Konzept nicht aufweisen würde, wenn es bei Netzspannung liefe. Durch diese Zunahme an Verlust muss sich der Gehalt an Aktivmaterial bei der Motorkonzeption erhöhen, um denselben Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen aufrecht zu erhalten wie ein System, das einen VFD aufweist. Dies kann das Erhöhen einer Baugröße des Motors beinhalten oder das Erhöhen einer Länge des vorliegenden Gehäuses durch Hinzufügen von zusätzlichen Wicklungen und von Stahlmaterial.
Wechselstrom-Asynchronmaschinen mit einer festen Drehzahl werden aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres hohen Wirkungsgrads, wenn sie bei Netzfrequenz betrieben werden, üblicherweise bei Luft- und Wasserbewegungsanwendungen verwendet. Neuere Umweltbestimmungen und -standards erfordern, dass Motoren, die bei Luft- und Wasserbewegungsanwendungen verwendet werden, bei niedrigerer Drehzahl betrieben werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Ein Verfahren zum Bereitstellen eines Betriebs bei niedrigerer Drehzahl beinhaltet das Hinzufügen einer zweiten Wicklung zu einem Wechselstrom-Asynchronmotor mit fester Drehzahl zum Bereitstellen eines Betriebs bei hoher Drehzahl, wenn die erste Wicklung verwendet wird, und eines Betriebs bei niedriger Drehzahl, wenn die zweite Wicklung verwendet wird. Jedoch erfordert in der Regel das Hinzufügen einer zweiten Wicklung das Erhöhen der Gehäusegröße des Wechselstrom-Asynchronmotors, was zu kostspielig ist. Ein anderes Verfahren beinhaltet das Hinzufügen eines VFD zu dem Wechselstrom-Asynchronmotor, was, wie oben beschrieben, dem Motor eine wesentliche Größe sowie Kosten hinzufügt.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird ein Wechselstrommotorsystem bereitgestellt. Das Wechselstrommotorsystem beinhaltet einen Motor, eine erste Nennleistung aufweisend und dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, und eine Antriebsschaltung, dazu ausgelegt, elektrisch zwischen der Stromquelle und dem Motor gekoppelt zu werden. Die Antriebsschaltung weist eine zweite Nennleistung auf, die niedriger ist als die erste Nennleistung.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt, das Bereitstellen eines Motors, der eine erste Nennleistung aufweist und dazu ausgelegt ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ebenfalls das elektrische Koppeln einer Antriebsschaltung zwischen der Stromquelle und dem Motor. Die Antriebsschaltung weist eine zweite Nennleistung auf, die niedriger ist als die erste Nennleistung des Motors. Die Antriebsschaltung beinhaltet eine Antriebsschaltungssteuerung.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems;
2 ist ein schematisches Diagramm einer Antriebsschaltung zur Verwendung in dem in 1 gezeigten Motorsystem;
3 ist ein Blockdiagramm des in 1 gezeigten Motorsystems, wobei die Antriebsschaltungssteuerung ein alternatives Verfahren implementiert zum Bestimmen, ob das Bypass-Schütz unter Verwendung von Netzstrom angesteuert wird.
4 ist ein Blockdiagramm des in 1 gezeigten Motorsystems, wobei die Antriebsschaltungssteuerung ein alternatives Verfahren implementiert zum Bestimmen, ob das Bypass-Schütz unter Verwendung von Netzspannung oder Netzstrom angesteuert wird.
5 ist ein beispielhaftes Steuerungsverfahren zur Verwendung in dem in 1 gezeigten Motorsystem.
6 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Motorsystems.
7 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Motorsystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie hier verwendet, sollte ein Element oder Schritt, der bzw. das im Singular zitiert und dem das Wort „ein/eine“ vorangestellt wird, als mehrere Elemente oder Schritte nicht ausschließend verstanden werden, außer es wird explizit ein derartiger Ausschluss zitiert. Ferner ist nicht beabsichtigt, dass Bezüge auf „eine beispielhafte Implementierung“ oder „eine Implementierung“ der vorliegenden Offenbarung derart ausgelegt werden, dass sie die Existenz zusätzlicher Implementierungen, welche die zitierten Merkmale ebenfalls berücksichtigen, ausschließen.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems 100. Das Motorsystem 100 beinhaltet einen Motor 102, eine Stromquelle 104, ein Bypass-Schütz 106, eine Antriebsschaltung 108, ein Antriebsleistungsschütz 110 und eine Antriebsschaltungssteuerung 112.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 102 ein Wechselstrom-Asynchronmotor oder ein elektronisch kommutierter Motor (z. B. ein Permanentmagnet-Wechselstrommotor mit einem integrierten Antrieb). In anderen Ausführungsformen kann der Motor 102 jede Art eines elektrischen Motors sein, einschließlich, beispielsweise, ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), ein Schrittmotor, jeder mit einem Frequenzumrichter gekoppelte Motor usw. Bei einigen Ausführungsformen kann der Motor 102 bei Luftbewegungsanwendungen verwendet werden, die in der Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsbranche (heating, ventilation, and air conditioning - HVAC) angewendet werden, kann bei Fluidpumpanwendungen verwendet werden und/oder kann bei kommerziellen und industriellen Anwendungen verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Motor 102 mit jedem geeigneten Arbeitsbauteil in Eingriff stehen und dazu ausgelegt sein, ein derartiges Arbeitsbauteil anzutreiben. Der Motor 102 ist ein Drehstrommotor und beinhaltet die Motorleiter T1, T2 und T3, die mit einem Eingang des Motors 102 gekoppelt sind, der jeweils mit jeder der drei Phasen des Motors 102 gekoppelt ist.
Der Motor 102 beinhaltet eine erste Nennleistung (PS), die eine Menge an Arbeit definiert, die der Motor 102 erwartungsgemäß leisten kann, eine erste Nennspannung, die ein spezifisches Spannungsniveau oder eine Kombination von Spannungsniveaus (für Zweispannungs- oder Dreispannungsmotoren), bei denen der Motor 102 eine optimale Leistung bringt, definiert, und eine erste Nenndrehzahl, die eine ungefähre Drehzahl des Motors 102 definiert, wenn er bei Nennspannung und -frequenz betrieben wird. Ein Motor kann beispielsweise eine 4,9-PS-Nennleistung mit einer 230-V/460-V-Nennspannung und einer 1725-UPM-Nenndrehzahl aufweisen. Der Motor 102 ist dazu ausgelegt, am effizientesten bei Volldrehzahl betrieben zu werden, wobei die Wechselstrom-Eingangsleistung unmittelbar auf den Motor 102 aufgebracht wird.
Die Motorbaugruppe 100 ist dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle 104 gekoppelt zu werden, um Eingangsleistung zum Antreiben des Motors 102 zu empfangen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Stromquelle 104 eine Wechselstromquelle, die Drehstrom an den Außenleitern L1, L2 und L3 generiert. Obwohl hier als Drehstromquelle beschrieben, kann die Stromquelle 104 bei einigen Ausführungsformen einphasigen Wechselstrom erzeugen. Die Stromquelle 104 stellt eine dreiphasige feste Spannung sowie Wechselstrom mit fester Frequenz aus einem Wechselstromnetz oder Verteilungssystem (z. B. „Versorger“ oder „Netz“) bereit, das an einem Installationsstandort des Motors 102 vorliegt. Die Stromquelle 104 kann Wechselspannung oder Netzspannung von 200 V, 230 V, 380 V, 460 V oder 600 V bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz auf die Außenleiter L1, L2 und L3 abhängig von dem entsprechenden Wechselstromnetz zuführen. Alternativ dazu kann die Stromquelle 104 jede andere Spannung oder Frequenz zuführen, die dem Motorsystem 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren.
Das Bypass-Schütz 106 ist in Serie zwischen der Stromquelle 104 und den Motorleitern T1, T2 und T3 des Motors 102 gekoppelt. Das Bypass-Schütz 106 beinhaltet einen ersten Schalter 114, einen zweiten Schalter 116 und einen dritten Schalter 118, jeweils in Serie mit der Drehstromquelle 104 über jeweilige Außenleiter L1, L2 und L3 (ein Leiter pro Phase) gekoppelt. Alternativ dazu kann das Bypass-Schütz 106 ein Relais oder jede andere Schaltvorrichtung sein, die dem Bypass-Schütz 106 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Das Bypass-Schütz 106 ist dazu ausgelegt, in Reaktion auf Empfangen eines Steuersignals für eine hohe Drehzahl von einer Anwendungssteuerung 120 zu schließen, um den Motor 102 an seinem Arbeitspunkt bei hoher Drehzahl zu betreiben. Alternativ dazu kann das Steuersignal für eine hohe Drehzahl an die Antriebsschaltung 108 übertragen werden, und die Antriebsschaltung 108 steuert den Betrieb des Bypass-Schützes 106. In der beispielhaften Ausführungsform schließt das Steuersignal für eine hohe Drehzahl von der Anwendungssteuerung 120 das Bypass-Schütz 106 unmittelbar durch Aktivieren und Schließen der Schalter 114, 116 und 118. Dies ermöglicht das Koppeln der Stromquelle 104 unmittelbar mit dem Motor 102. Bei hohen Drehzahlen ist die Netzspannung von der Stromquelle 104 annähernd gleich dem ersten Nenn-Arbeitspunkt, der dem Motor 102 zugeordnet ist. Durch unmittelbares Koppeln der Stromquelle 104 mit dem Motor 102 wird der Motor 102 bei Voll-Nenndrehzahl unter Verwendung von Netzspannung und -frequenz betrieben. Hierbei handelt es sich um den effizientesten Arbeitspunkt des Motors 102.
Die Antriebsschaltung 108 ist mit den Außenleitern L1, L2 und L3 der Stromquelle 104 an einer Eingangsseite und mit den Motorleitern T1, T2 und T3 des Motors 102 an einer Ausgangsseite gekoppelt. Zusätzlich sind die Antriebsschaltung 108 und optional ein in Serie gekoppeltes Antriebsleistungsschütz 110 elektrisch parallel mit dem Bypass-Schütz 106 gekoppelt. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltung 108 dazu ausgelegt, von der Stromquelle 104 empfangenen Wechselstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, der eine gewünschte Spannung und eine gewünschte Frequenz aufweist, um den Motor 102 an einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl anzutreiben. Die Antriebsschaltung 108 beinhaltet eine zweite Nennleistung, die niedriger ist als die erste Nennleistung des Motors 102. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die zweite Nennleistung der Antriebsschaltung 108 etwa 2/3 der ersten Nennleistung des Motors 102. In anderen Ausführungsformen beträgt die zweite Nennleistung der Antriebsschaltung 108 etwa 1/2 der ersten Nennleistung des Motors 102. Jedoch kann die Antriebsschaltung 108 jede andere Nennleistung aufweisen, die niedriger ist als die erste Nennleistung des Motors 102 und der Antriebsschaltung 108 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Die Antriebsschaltung 108 ermöglicht die Verwendung desselben, physikalisch kleiner bemessenen Gehäuses von Wechselstrommotoren, die heutzutage in Verwendung sind, während sie auch mindestens einen Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl bereitstellt. Der Motor 102 und die Antriebsschaltung 108 sind nicht nur auf einen Betrieb mit zwei Drehzahlen beschränkt; jedoch ist die Antriebsschaltung 108 fähig, jede Anzahl von Arbeitspunkten aufzuweisen, solange sie die Nennleistung der Antriebsschaltung 108 nicht überschreiten.
Zusätzlich weist die Antriebsschaltung 108 eine zweite Nennspannung und eine zweite Nenndrehzahl auf, die beide niedriger sind als die erste Nennspannung und die erste Nenndrehzahl, die dem Motor 102 zugeordnet sind. Das heißt, eher als dass das Motorsystem 100 ein VFD beinhaltet, das für den vollen Betriebsbereich des Motors 102 wie bei bekannten Motorsystemen bemessen ist, ist die Antriebsschaltung 108 für einen niedrigeren PS-Betrieb als der Motor 102 bemessen, um den Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen zu erhöhen und zu verhindern, dass die Gehäusegröße des Motors 102 vergrößert werden muss.
Bei einer Ausführungsform sind der Motor 102, die Antriebsschaltung 108 und/oder das Antriebsleistungsschütz 110 alle innerhalb eines integrierten Motorpakets enthalten. Das integrierte Paket ist dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle 104 und einem Bypass-Schütz 106 gekoppelt zu werden. Alternativ dazu können der Motor 102, die Antriebsschaltung 108 und/oder das Antriebsleistungsschütz 110 separate Bauteile sein, die aneinander gekoppelt werden. Darüber hinaus kann das Bypass-Schütz 106 in dem integrierten Motorpaket gemeinsam mit dem Motor 102, der Antriebsschaltung 108 und/oder dem Antriebsleistungsschütz 110 enthalten sein.
2 ist ein schematisches Diagramm der Antriebsschaltung 108 (gezeigt in 1). Die Antriebsschaltung 108 beinhaltet drei Stufen: einen Umrichter 200, einen Gleichspannungsanschluss 202 und einen Wechselrichter 204. Der Umrichter 200 richtet die feste Netzfrequenz, den festen Netzspannungswechselstrom aus der Wechselstromquelle 104 in Gleichstrom um. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Umrichter 200 beispielsweise ein Vollwellenbrückengleichrichter, der Drehstrom in Gleichstrom umwandelt. Der Gleichspannungsanschluss 202 filtert den Gleichstrom von dem Umrichter 200 unter Verwendung eines Filters 206, wie etwa eines oder mehrerer Kondensatoren. Der Gleichspannungsanschluss 202 weist mit „+“ und „-“ bezeichnete Schienen auf. Der Wechselrichter 204 wandelt den Gleichstrom von dem Gleichspannungsanschluss 202 für den Motor 102 in Wechselstrom mit variabler Frequenz und variabler Spannung um. Der Wechselrichter 206 ist ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Wechselrichter, der sechs Schaltvorrichtungen verwendet 208, beispielsweise, IGBTs oder MOSFETs. Die Schaltvorrichtungen 208 sind in einer dreiphasigen Brückenkonfigurierung mit dem Gleichspannungsanschluss 202 verbunden, um Strom an den Wechselrichter-Ausgangsanschlüssen U, V und W aufzubringen. Die Schaltvorrichtungen 208 werden durch Signale auf Leitungen von der Antriebsschaltungssteuerung 112 (in 1 gezeigt) pulsweitenmoduliert.
Die Antriebsschaltungssteuerung 112 beinhaltet einen Prozessor 210 und eine Speichervorrichtung 212. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltungssteuerung 112 in einer oder mehreren Verarbeitungsvorrichtungen implementiert, wie etwa einem Mikrocontroller, einem Mikroprozessor, einer programmierbaren Gatteranordnung, einer Schaltung mit reduziertem Befehlssatz (reduced instruction set circuit - RISC), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application specific integrated circuit-ASIC) usw. Demgemäß ist bei dieser beispielhaften Ausführungsform die Antriebsschaltungssteuerung 112 aus Software und/oder Firmware konstruiert, die in einer oder mehreren Verarbeitungsvorrichtungen eingebettet ist. Auf diese Weise ist die Antriebsschaltungssteuerung 112 programmierbar, sodass Befehle, Intervalle, Schwellen und/oder Bereiche usw. für einen bestimmten Motor 102 und/oder einen Betreiber des Motors 102 programmiert werden können. Die Antriebsschaltungssteuerung 112 kann ganz oder teilweise von diskreten Bauteilen bereitgestellt werden, die sich extern zu einer oder mehreren Verarbeitungsvorrichtungen befinden.
Der Prozessor 210 ist mit dem Wechselrichter 204 gekoppelt, um die Schaltvorrichtungen 208 zu steuern, um die Wechselspannung zum Antreiben des Motors innerhalb der Grenzen der zweiten Nennleistung der Antriebsschaltung 108 auszugeben. Der Prozessor 210 ist weiterhin mit der Antriebsschaltung 108 gekoppelt, um die Drehzahl, bei der der Motor 102 betrieben wird, zu steuern, wenn er von der Antriebsschaltung 108 basierend auf im Speicher 212 gespeicherten Einstellungen betrieben wird.
Unter Rückbeziehung auf 1 kann das System 100 ferner ein Antriebsleistungsschütz 110 beinhalten, das in Serie zwischen die Antriebsschaltung 108 und die Motorleiter T1, T2 und T3 des Motors 102 gekoppelt ist. Das Antriebsleistungsschütz 110 beinhaltet einen ersten Schalter 120, einen zweiten Schalter 122 und einen dritten Schalter 124, die jeweils in Serie mit der Antriebsschaltung 108 über jeweilige Ausgangsanschlüsse U, V und W gekoppelt sind. Alternativ dazu kann das Antriebsleistungsschütz 110 ein Relais oder jede andere Schaltvorrichtung sein, die dem Antriebsleistungsschütz 110 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Wenn ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl von der Anwendungssteuerung 120 empfangen wird, ist das Antriebsleistungsschütz 110 dazu ausgelegt zu schließen, um die Antriebsschaltung 108 mit dem Motor 102 zu koppeln, um der Antriebsschaltung 108 zu ermöglichen, dem Motor 102 am Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl Wechselspannung bereitzustellen.
Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltungssteuerung 112 dazu ausgelegt, das Antriebsleistungsschütz 110 in Reaktion auf das Steuersignal von der Anwendungssteuerung 120 zu steuern. Insbesondere überwacht die Antriebsschaltungssteuerung 112 das Drehzahl-Steuersignal, das von der Anwendungssteuerung 120 der Antriebsschaltung 108 und/oder dem Antriebsleistungsschütz 110 bereitgestellt wird, um zu bestimmen, ob die Antriebsschaltung 108 verwendet werden soll. Wenn ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl detektiert wird, schließt die Antriebsschaltungssteuerung 112 das Antriebsleistungsschütz 110, wodurch der Antriebsschaltung 108 ermöglicht wird, eine Ausgangsspannung, die innerhalb der zweiten Nennspannung der Antriebsschaltung 108 liegt, zu generieren und dieselbe dem Motor 102 bereitzustellen.
Beim Überwachen des von der Anwendungssteuerung 120 bereitgestellten Drehzahl-Steuersignals und Bestimmen, dass ein Steuersignal für eine hohe Drehzahl detektiert wurde, kann die Antriebsschaltungssteuerung 112 ferner dazu ausgelegt sein, das Bypass-Schütz 106 zu steuern und zu schließen, wodurch veranlasst wird, dass die Stromquelle 104 unmittelbar mit dem Motor 102 gekoppelt ist, um den Motor 102 bei Voll-Nenndrehzahl unter Verwendung von Netzspannung und -frequenz zu betreiben.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Antriebsschaltungssteuerung 112 Schutzprotokolle beinhalten, welche die empfangenen Drehzahl-Steuersignale der Antriebsschaltung 108 und des Antriebsleistungsschützes 110 vergleichen, um sicherzustellen, dass sie beide denselben Steuerbefehl erhalten, um offen oder geschlossen zu sein. Zusätzlich oder alternativ dazu ist die Antriebsschaltungssteuerung 112 dazu ausgelegt, die durch die Anwendungssteuerung 120 bereitgestellten Steuersignale zu überwachen, um das Antriebsleistungsschütz 110 und das Bypass-Schütz 106 anzusteuern, und die Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen U, V und W zu überwachen, um zu bestimmen, wann die Antriebsschaltung 108 schadensfrei zu betreiben ist. Die Antriebsschaltungssteuerung 112 stellt beispielsweise sicher, dass die Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen U, V und W keine Schwelle überschreitet, bevor die Antriebsschaltung 108 eingeschaltet ist und das Antriebsleistungsschütz 110 geschlossen ist, da das Einschalten bei Vorliegen von Netzspannung die Antriebsschaltung 108 und/oder den Motor 102 schädigen kann. Diese von der Antriebsschaltungssteuerung 112 durchgeführte Überwachungs- und Selbstschutzfunktion beseitigt die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Leistungsschutzschalter, der in der Regel für den Schutz während solcher Operationen erforderlich ist.
Wie oben beschrieben, ist die Antriebsschaltung 108 für einen Betrieb bei niedrigerer Leistung als der des Motors 102 bemessen. Beispielsweise kann abhängig von der Anwendung, für die der Motor 102 installiert werden soll, die Antriebsschaltung 108 ausgewählt werden, eine 2/3-Nennleistung oder eine 1/2-Nennleistung relativ zur ersten Nennleistung des Motors 102 aufzuweisen. Jedoch ist die Antriebsschaltung 108 nicht auf diese spezifischen reduzierten Nennleistungen beschränkt, sondern kann mit jeder gewünschten Nennleistung bereitgestellt werden, die niedriger ist als die erste Nennleistung des Motors 102.
Die Antriebsschaltung 108 wird nur verwendet, um den Motor 102 für Arbeitspunkte mit niedriger Drehzahl, unterhalb des Volllastbetriebs, anzutreiben. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltung 108 dazu ausgelegt, einen Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl für den Motor 102 bereitzustellen, sodass der Motor 102 mit mindestens zwei Drehzahlen angetrieben werden kann, einer niedrigen Drehzahl (unter Verwendung der Antriebsschaltung 108) und einer hohen Drehzahl (unter Verwendung der Stromquelle 104). Ein Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl oder einige unterschiedliche Arbeitspunkte mit niedriger Drehzahl können in der Antriebsschaltung 108 definiert werden, solange die zweite Nennleistung der Antriebsschaltung 108 nicht überschritten wird.
Das folgende Beispiel dient lediglich erläuternden Zwecken und die Ansprüche sind nicht dahingehend auszulegen, dass sie nur auf die beschriebenen Werte beschränkt seien. Bei einer Ausführungsform ist der Motor 102 ein 4,9-PS-Motor, eine Nennspannung von 460 V und eine Nenndrehzahl von 1725 UPM aufweisend. Wenn er bei Volldrehzahl bei Netzeingangsspannung und -frequenz (60 Hz) betrieben wird, arbeitet der Motor mit einem Wirkungsgrad von etwa 83 %.
Wenn der Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl ausgewählt ist, bei 2/3-Nennleistung relativ zu dem Volllast-Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl zu betragen, würde die Antriebsschaltung 108 eine Nennspannung von 306 V und eine Nenndrehzahl von 1150 UPM bei einer Frequenz von 40 Hz aufweisen. Dies würde erfordern, dass die Antriebsschaltung 108 eine 1,5-PS-Nennleistung aufweist, um den Motor 102 am Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl zu betreiben. Die niedrigere, zweite Nennleistung der Antriebsschaltung 108 relativ zur ersten Nennleistung des Motors 102 ermöglicht einen Betrieb bei niedriger Drehzahl mit einem Wirkungsgrad von etwa 75 %.
Alternativ dazu, wenn ein Arbeitspunkt mit extrem niedriger Drehzahl ausgewählt wird, bei 1/2 Nennleistung relativ zu dem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl zu betragen, würde die Antriebsschaltung 108 eine Nennspannung von 230 V und eine Nenndrehzahl von 862 UPM bei einer Frequenz von 30 Hz aufweisen. Dies würde erfordern, dass die Antriebsschaltung 108 eine 0,6-PS-Nennleistung aufweist, um den Motor 102 am Arbeitspunkt mit extrem niedriger Drehzahl zu betreiben. Die niedrigere, zweite Nennleistung der Antriebsschaltung 108 relativ zur ersten Nennleistung des Motors 102 ermöglicht einen Betrieb bei extrem niedriger Drehzahl mit einem Wirkungsgrad von etwa 68 %.
Die niedrigeren Nennleistungen, die für die Arbeitspunkte mit niedrigerer Nennleistung und niedriger Drehzahl notwendig sind, ermöglichen die Verwendung von kleiner bemessenen Antriebsschaltungen zum Betreiben des Motors 102. Somit ermöglicht das Motorsystem 100 einen Betrieb des Motors 102 mit zwei Drehzahlen ohne eine Erhöhung der Motorgehäusegröße, -länge und/oder des Aktivmaterials zu erfordern, wie es bei bekannten Systemen erforderlich ist, die dem Motor einen VFD oder eine zweite Wicklung hinzufügen. Ferner ermöglicht das Motorsystem 100 den Betrieb mit zwei Drehzahlen, während es die strengeren Gesetzesnormen bezüglich des Wirkungsgrads erfüllt und im Verhältnis zu den bekannten Motorsystemen minimale Zusatzkosten entstehen.
3 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems 100, wobei die Antriebsschaltungssteuerung 112 ein alternatives Verfahren implementiert zum Bestimmen, ob das Bypass-Schütz 106 unter Verwendung von Netzstrom angesteuert wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Motorsystem 100 einen Stromsensor 300, der an Ausgangsleitungen des Bypass-Schützes 106 gekoppelt ist. Der Stromsensor 300 misst und überträgt Strommesssignale an die Antriebsschaltungssteuerung 112. Wenn in den Ausgangsleitungen Strom fließt, bestimmt die Antriebsschaltungssteuerung 112, dass der Motor 102 arbeitet, und Netzspannung wird durch die Leitung von der Stromquelle 104 aufgebracht. An diesem Punkt deaktiviert die Antriebsschaltungssteuerung 112 die Antriebsschaltung 108. Dies ermöglicht der Antriebsschaltung 108, dass sie nicht in unmittelbarem Kontakt mit den Ausgangsleitungen des Bypass-Schützes 106 steht. Eher handelt es sich bei dem Strommesssignal um eine induzierte Spannung durch den Stromsensor 300.
4 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems 100, wobei die Antriebsschaltungssteuerung 112 ein alternatives Verfahren zum Bestimmen, ob das Bypass-Schütz 106 unter Verwendung von Netzspannung oder Netzstrom angesteuert wird, implementiert. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist das Antriebsleistungsschütz 110 eher ein 24-V-Gleichstrom-Schütz als ein 24-V-Wechselstrom-Schütz. Die Antriebsschaltungssteuerung 112 überwacht die Spannung des Bypass-Schützes 106 durch Messen der 24-V-Wechselstrom-Spulenspannung unter Verwendung eines Spannungssensors 400, oder den Strom des Bypass-Schützes 106 durch Verwenden eines Stromsensors 402. Wenn eine/beide Bedingungen falsch sind und anzeigen, dass keine Netzspannung am Motor 102 vorliegt, dann aktiviert und schließt die Antriebsschaltungssteuerung 112 das Antriebsleistungsschütz 110 durch Bereitstellen einer +20 V (Versorgung) und Absenken des Stroms durch einen Ausgangspin der Antriebsschaltungssteuerung 112. Sobald das Antriebsleistungsschütz 110 geschlossen ist, überwacht die Antriebsschaltungssteuerung 112 die Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen U, V und W zum Bestimmen, ob Spannung vorliegt, bevor die Antriebsschaltungssteuerung 112 eine Ausgabe kommutiert. Wenn die Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen U, V und W unterhalb eines Schwellenspannungswerts liegt, kann die Antriebsschaltung 108 schadenfrei arbeiten und die Antriebsschaltungssteuerung 112 fährt mit der Steuerung der Antriebsschaltung 108 fort.
5 ist ein beispielhaftes Steuerungsverfahren zur Verwendung mit dem in 1 gezeigten Motorsystem 100. Bei Schritt 502 beinhaltet das Verfahren 500 Bereitstellen eines Motors, der eine erste Nennleistung aufweist, wobei der Motor dazu ausgelegt ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden. Der Motor ist ein Drehstrommotor und kann ein Wechselstrom-Asynchronmotor oder ein EC-Motor sein. Die Stromquelle kann entweder eine Drehstromquelle, wie ein Versorger oder ein Netz, oder eine einphasige Wechselstromquelle sein.
Bei Schritt 504 beinhaltet das Verfahren 500 elektrisches Koppeln einer Antriebsschaltung zwischen der Stromquelle und dem Motor. Die Antriebsschaltung beinhaltet eine Antriebsschaltungssteuerung und weist eine zweite Nennleistung auf, die niedriger als die erste Nennleistung des Motors ist. Die Antriebsschaltung kann auch eine Nennspannung aufweisen, die niedriger als eine Nennspannung des Motors ist.
Das Verfahren 500 kann elektrisches Koppeln eines Antriebsleistungsschützes in Serie zwischen der Antriebsschaltung und dem Motor beinhalten. Die Antriebsschaltungssteuerung steuert das Antriebsleistungsschütz zum Ermöglichen des Betreibens des Motors mit der zweiten Nennleistung unter Verwendung der Antriebsschaltung. Die Antriebsschaltungssteuerung steuert die Antriebsschaltung, um den Motor bei einem oder mehreren Arbeitspunkten mit niedrigerer Drehzahl zu betreiben. Dies beinhaltet Optionen, die auf Anwendungs- oder Schützsignalaufrufen basieren, die gegebenenfalls das Steuern des Antriebsleistungsschützes und/oder des Bypass-Schützes durch die Antriebsschaltungssteuerung beinhalten.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 500 ferner elektrisches Koppeln eines Bypass-Schützes parallel zur Antriebsschaltung zwischen der Stromquelle und dem Motor. Das Bypass-Schütz kann aktiviert werden, um die Antriebsschaltung zu umgehen, wenn der Motor mit der ersten Nennleistung betrieben wird. Zusätzlich kann Aktivieren des Bypass-Schützes ferner Generieren einer unmittelbaren Kopplung des Motors mit der Stromquelle beinhalten. Ferner kann Aktivieren des Bypass-Schützes ferner Empfangen eines Steuersignals für eine hohe Drehzahl von einer Anwendungssteuerung oder jedem anderen geeigneten Steuerungselement beinhalten, einschließlich der Antriebsschaltung 108 (in 1 gezeigt), die einen Befehl zum Betreiben des Motors an einem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl beinhaltet. Der Motor wird dann mit einer Nennspannung des Motors unter Verwendung von von der Stromquelle erhaltener Netzspannung betrieben.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren 500 auch das Empfangen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines Steuersignals für eine niedrige Drehzahl von einer Anwendungssteuerung beinhalten. Das Steuersignal für eine niedrige Drehzahl beinhaltet einen Befehl, den Motor bei einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl zu betreiben. Die Antriebsschaltung richtet Strom, der von der Stromquelle empfangen wurde, in Wechselstrom um, der eine gewünschte Spannung und eine gewünschte Frequenz gemäß dem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl aufweist. Die Antriebsschaltungssteuerung aktiviert dann das Antriebsleistungsschütz, um die Antriebsschaltung mit dem Motor zu koppeln, und treibt den Motor unter Verwendung des Wechselstroms von der Antriebsschaltung an.
Bei einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 500 das Überwachen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines von einer Anwendungssteuerung übermittelten Drehzahl-Steuersignals. Die Antriebsschaltungssteuerung bestimmt, ob das Drehzahl-Steuersignal ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl ist. Wenn ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl bestimmt wird, aktiviert die Antriebsschaltungssteuerung ein Antriebsleistungsschütz, um der Antriebsschaltung zu ermöglichen, dem Motor gemäß dem Steuersignal für eine niedrige Drehzahl Ausgangsspannung bereitzustellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 500 Überwachen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines von einer Anwendungssteuerung bereitgestellten Drehzahl-Steuersignals zum Bestimmen, ob der Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird. Wenn die Bestimmung anzeigt, dass der Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird, überwacht die Antriebsschaltungssteuerung die Spannung an Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung. Die Antriebsschaltungssteuerung vergleicht die überwachte Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Wenn die überwachte Spannung gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist oder denselben überschreitet, verhindert die Antriebsschaltungssteuerung den Betrieb der Antriebsschaltung, um einen Schaden zu verhindern. Die überwachte Spannung, die die vorbestimmte Schwelle erreicht, zeigt an, dass Netzspannung von der Stromquelle an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung vorliegt.
6 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Motorsystems 600. Das Motorsystem 600 ist dem Motorsystem 100 (in 1 gezeigt) ähnlich und Bauteile des Motorsystems 600, die Bauteilen des in 1 gezeigten Motorsystems 100 identisch sind, sind in 6 unter Verwendung derselben Bezugsziffern gezeigt wie in 1 verwendet. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 102 ein Drehstrommotor, beispielsweise ein Wechselstrom-Asynchronmotor oder ein elektronisch kommutierter Motor, dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle 602 gekoppelt zu werden, wobei die Stromquelle 602 eine einphasige Wechselstromquelle ist, einen ersten und einen zweiten Leitungseingang L1 und L2 aufweisend. Zum Betreiben eines Drehstrommotors unter Verwendung von einphasigem Strom ist es notwendig, eine zusätzliche Phase an einem Motoranschluss zu erzeugen, um dem Motor 102 zu ermöglichen, ordnungsgemäß zu drehen. Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet der Motor 102 eine erste, eine zweite und eine dritte Motorwicklung 604, 606 und 608, die in einem herkömmlichen „Stern“-Verbindungsmuster angeordnet sind.
Die Antriebsschaltung 108 beinhaltet einen Wechselrichter 204 (in 2 gezeigt), welcher ein dreiphasiger Wechselrichter ist, der einen Satz Wechselrichterschalter für jede der drei Phasen aufweist. Insbesondere beinhaltet der Wechselrichter 204 einen ersten Phasenausgang 610, einen zweiten Phasenausgang 612 und einen dritten Phasenausgang 614.
Eine erste Seite 616 der ersten Wicklung 604 ist mit dem ersten Phasenausgang 610 gekoppelt, eine erste Seite 618 der zweiten Wicklung 606 ist mit dem zweiten Phasenausgang 612 gekoppelt und eine erste Seite 620 der dritten Wicklung 608 ist mit dem dritten Phasenausgang 614 gekoppelt. Jeweilige zweite Seiten 622 der ersten, der zweiten und der dritten Motorwicklung 604, 606 und 608 sind alle gemeinsam aneinander gekoppelt. Darüber hinaus sind eine Schaltervorrichtung 624 und ein Kondensator 626 in Serie zwischen der ersten Seite 618 der zweiten Wicklung 606 und der ersten Seite 620 der dritten Wicklung 608 gekoppelt.
Während des Betriebs des Motors 102 bei hoher Drehzahl (d.h. die Antriebsschaltung 108 wird nicht verwendet) sind das Bypass-Schütz 106 und das Relais 626 geschlossen, um den ersten Leitungseingang L1 unmittelbar mit der ersten Seite 616 der ersten Wicklung 604 zu koppeln, um die erste Phase bereitzustellen, und den zweiten Leitungseingang L2 unmittelbar mit der ersten Seite 618 der zweiten Wicklung 606 zu koppeln, um die zweite Phase bereitzustellen. Die in Serie gekoppelte Schaltervorrichtung 624 und der Kondensator 626 stellen einen Phasenwinkel der zweiten Phasenspannung ein, um eine künstliche dritte Phase zu generieren, wodurch ein ordnungsgemäßer Betrieb des Drehstrommotors ermöglicht wird.
7 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Motorsystems 700. Das Motorsystem 700 ist dem Motorsystem 600 (in 6 gezeigt) ähnlich und Bauteile des Motorsystems 700, die identisch mit Bauteilen des in 6 gezeigten Motorsystems 600 sind, werden in 7 unter Verwendung derselben Bezugsziffern wie in 6 verwendet, identifiziert. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 102 ein Drehstrommotor, beispielsweise ein Wechselstrom-Asynchronmotor oder ein elektronisch kommutierter Motor, dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle 702 gekoppelt zu werden, wobei die Stromquelle 702 eine einphasige Wechselstromquelle ist, die einen ersten und einen zweiten Leitungseingang L1 und L2 aufweist. Um einen Drehstrommotor unter Verwendung von einphasigem Strom zu betreiben, ist es notwendig, eine zusätzliche Phase an einem Motorausgang zu erzeugen, um dem Motor 102 zu ermöglichen, ordnungsgemäß zu drehen. Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet der Motor 102 eine erste, eine zweite und eine dritte Motorwicklung 704, 706 und 708, die in einem herkömmlichen „Dreieck“-Verbindungsmuster angeordnet sind.
Die Antriebsschaltung 108 beinhaltet den Wechselrichter 204 (in 2 gezeigt), der ein Drehstrom-Wechselrichter ist, der einen Satz von Wechselrichterschaltern für jede der drei Phasen beinhaltet. Insbesondere beinhaltet der Wechselrichter 204 einen ersten Phasenausgang 710 und einen zweiten Phasenausgang 712, die jeweils der ersten und der zweiten Motorwicklung 704 und 706 entsprechen. Eine parallel gekoppelte Schaltervorrichtung 714 und ein Kondensator 716 sind mit dem dritten Phasenausgang 714 zwischen der zweiten und der dritten Motorwicklung 706 und 708 gekoppelt.
Während des Betriebs des Motors 102 bei hoher Drehzahl (d. h. die Antriebsschaltung 108 wird umgangen) wird das Bypass-Schütz 106 geschlossen, um den ersten Leitungseingang L1 unmittelbar mit dem ersten Phasenausgang 710 zu koppeln, um die erste Phase bereitzustellen, und den zweiten Leitungseingang L2 unmittelbar mit dem zweiten Phasenausgang 712 zu koppeln, um die zweite Phase bereitzustellen. Die parallel gekoppelte Schaltervorrichtung 714 ist offen und der Kondensator 716 stellt einen Phasenwinkel der zweiten Phasenspannung ein, um eine künstliche dritte Phase zu generieren, die einen ordnungsgemäßen Betrieb des Drehstrommotors ermöglicht.
Die hier beschriebenen Wechselstrommotorsysteme stellen eine Kombination eines Motors und einer Antriebsschaltung bereit, die einen wirkungsvolleren Motor mit zwei Drehzahlen bereitstellen, Arbeitspunkte mit hoher Drehzahl und niedriger Drehzahl aufweisend, ohne eine Erhöhung der Motorgehäusegröße, -länge und/oder des Aktivmaterials zu erfordern. Insbesondere können Ausführungsformen der hier beschriebenen Wechselstrommotorsysteme einen Motor, eine erste Nennleistung in Kombination mit einer Antriebsschaltung aufweisend, eine zweite Nennleistung aufweisend, die niedriger ist als die erste Nennleistung, verwenden. Es ist ferner hier umgesetzt, dass ein derartiges Wechselstrommotorsystem in verschiedenen Konfigurationen betrieben werden kann, einschließlich bei der ersten Nennleistung und an einem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl durch unmittelbares Koppeln des Motors mit einer Eingangsstromquelle und Umgehen der Antriebsschaltung, oder bei der zweiten Nennleistung und an einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl durch Verwenden der Antriebsschaltung zum Umrichten der Eingangsspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben des Motors, wobei die Ausgangswechselspannung durch die niedrigere Nennleistung der Antriebsschaltung begrenzt ist. Es ist ferner hier umgesetzt, dass, durch vorherige vollkommen variable Drehzahlsteuerung, bei niedrigeren Drehzahlen unter Verwendung eines VFD eine Antriebsschaltung mit niedrigerer Nennleistung verwendet werden kann, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist, von geringerer Größe und kostengünstiger ist. Es ist ferner hier umgesetzt, dass ein Umgehen der Antriebsschaltung für einen Betrieb des Motors bei hoher Drehzahl den Wirkungsgrad durch Beseitigen von weitergeleiteten Betriebsverlusten des Frequenzumrichters mit variabler Spannung weiter erhöht.
Das Wechselstrommotorsystem kombiniert die Vorzüge der Arbeitspunkte mit niedriger Drehzahl, sanftem Anlauf, und der gesteuerten Beschleunigung einer Antriebsschaltung mit dem Faktor von Netzbetreibbarkeit und erhöhter Leistung sowie mit den charakteristischen Vorzügen reduzierter elektromagnetischer Interferenz (electromagnetic interference - EMI) eines Wechselstrom-Asynchronmotors, um den gesamten Systembetrieb und -wirkungsgrad zu verbessern. Insbesondere, eher als den Motor bei nominellen 60 Hz ungeachtet der Lastanforderung anzutreiben, passt sich das Wechselstrommotorsystem an leichtere Lasten durch Reduzieren der Drehzahl des Motors an. Die Antriebsschaltung steuert den Motor an Arbeitspunkten mit niedriger Drehzahl, um ihn an wechselnde Lasten anzupassen, speziell in Leistungsbereichen mit niedrigerer Leistung, in denen Wechselstrommotoren mit fester Drehzahl in der Regel weniger effizient sind. Ferner kann die Antriebsschaltung bei Leistungsbereichen mit höherer Leistung einen reduzierten Leistungsfaktor, verbesserte EMI-Charakteristika und/oder elektronische Verluste aufweisen. Wenn die vom Motor signalisierte Frequenz innerhalb des vorgegebenen Bereichs der Netz-Eingangsleistungsfrequenzen oder bei Volllast liegt, umgeht das Wechselstrommotorsystem die Antriebsschaltung, was technische Wirkungen bereitstellt einschließlich eines höheren Leistungsfaktors, reduzierter EMI, eines erhöhten Wirkungsgrads und eines Betriebs bei mehreren Drehzahlen. Ferner kann eine Größe, Länge und/oder ein Aktivmaterial der Antriebsschaltung reduziert werden, da die Antriebsschaltung nicht bei Volllast arbeiten muss, was verhindert, dass die Motorgehäusegröße vergrößert werden muss, um die Antriebsschaltung unterzubringen.
Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme können unter Verwendung von Computerprogrammierungs- oder Engineering-Techniken einschließlich Computersoftware, - firmware, -hardware oder jeder Kombination oder Teilgruppe davon implementiert werden, wobei die technische Wirkung mindestens eines aus Folgendem beinhalten kann: (a) Kombinieren eines Motors mit fester Drehzahl mit einer Antriebsschaltung für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl; (b) Reduzieren von Verlusten durch Umgehen der Antriebsschaltung, wenn bei einer Netzspannung betrieben, insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen; (c) Betreiben des Motors bei geringerer Kapazität und bei einer niedrigen Drehzahl; (d) Verbessern des Betriebswirkungsgrads, z. B. SEER, der Antriebsschaltung und des Wechselstrommotorsystems bei niedrigen Drehzahlen; (e) weiteres Verbessern des Wirkungsgrads des Wechselstrommotorsystems durch Absenken der Nennleistung der Antriebsschaltung relativ zur Nennleistung des Motors, um den Wirkungsgrad sowohl bei Arbeitspunkten mit niedriger Drehzahl und hoher Drehzahl zu verbessern; und (f) Reduzieren von Kosten und Komplexität mittels Frequenzumrichtern.
Einige Ausführungsformen beinhalten die Verwendung einer oder mehrerer elektronischer oder Rechenvorrichtungen. Derartige Vorrichtungen beinhalten in der Regel einen Prozessor, eine Verarbeitungsvorrichtung oder einen Controller, wie etwa eine universelle zentrale Verarbeitungseinheit (central processing unit - CPU), eine Graphikverarbeitungseinheit (graphics processing unit - GPU), einen Mikrocontroller, einen (reduced instruction set computer - RISC-)Prozessor mit reduziertem Befehlssatz, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC), eine programmierbare Logikschaltung (programmable logic circuit - PLC), eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (field programmable gate array - FPGA), eine Digitalsignalverarbeitungs(digital signal processing - DSP)-Vorrichtung und/oder jede andere Schaltung oder Verarbeitungsvorrichtung, die fähig ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hier beschriebenen Verfahren können als ausführbare Befehle codiert sein, die in einem rechnerlesbaren Medium eingebettet sind, einschließlich, ohne Einschränkung, einer Speichervorrichtung und/oder eines Speichergeräts. Derartige Instruktionen, wenn von einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt, veranlassen die Verarbeitungsvorrichtung, zumindest einen Teil der hier beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die obigen Beispiele sind lediglich beispielhaft und somit nicht beabsichtigt, auf irgendeine Weise die Definition und/oder Bedeutung der Begriffe Prozessor, Verarbeitungsvorrichtung und Controller zu beschränken.
In den hier beschriebenen Ausführungsformen kann Speicher insbesondere Folgendes beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt, ein rechnerlesbares Medium, wie etwa ein Direktzugriffsspeicher (random access memory - RAM), und ein rechnerlesbares nichtflüchtiges Medium, wie etwa Flash-Speicher. Alternativ dazu können auch eine Diskette, ein CD-Nurlesespeicher (CD-ROM), eine magneto-optische Disk (MOD) und/oder eine digitale, vielseitig verwendbare Disk (digital versatile disc - DVD) verwendet werden. Ebenfalls können in den hier beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Eingabekanäle Rechnerperipheriegeräte sein, die mit einer Bedienerschnittstelle, wie etwa einer Maus und einer Tastatur, verbunden sind, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Alternativ dazu können ebenfalls andere Rechnerperipheriegeräte verwendet werden, die beispielsweise einen Scanner beinhalten können, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Ferner können weitere Ausgabekanäle in der beispielhaften Ausführungsform einen Bedienerschnittstellenmonitor beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „Software“ und „Firmware“ austauschbar und beinhalten jedes im Speicher gespeicherte Computerprogramm zur Ausführung durch einen Prozessor, einschließlich RAM-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher und nichtflüchtigen RAM(NVRAM)-Speicher. Die obigen Speichertypen sind lediglich Beispiele und sind somit nicht beschränkend bezüglich der Arten von Speicher, die für eine Speicherung eines Computerprogramms verwendbar sind.
Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Verfahren können eher unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden.
Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um Einzelheiten der Offenbarung bereitzustellen, einschließlich der besten Ausführungsform, und auch, um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Offenbarung zu praktizieren, einschließlich des Herstellens und Verwendens jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und Durchführen jeglicher integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die Fachleuten auffallen. Es ist beabsichtigt, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht vom genauen Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortsinn der Ansprüche beinhalten.

Claims

Wechselstrommotorsystem, Folgendes umfassend: einen Motor, eine erste Nennleistung aufweisend und dazu ausgelegt, mit einer Stromquelle gekoppelt zu sein; und eine Antriebsschaltung, dazu ausgelegt, elektrisch zwischen der Stromquelle und dem Motor gekoppelt zu sein, wobei die Antriebsschaltung eine zweite Nennleistung aufweist, die niedriger ist als die erste Nennleistung.
Wechselstrommotorsystem nach Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: ein Bypass-Schütz, elektrisch parallel mit der Antriebsschaltung gekoppelt und dazu ausgelegt, dem Motor zu ermöglichen, mit der ersten Nennleistung zu arbeiten, während die Antriebsschaltung umgangen wird; und ein Antriebsleistungsschütz, elektrisch in Serie zwischen der Antriebsschaltung und dem Motor gekoppelt, wobei das Antriebsleistungsschütz dazu ausgelegt ist, dem Motor zu ermöglichen, mit der zweiten Nennleistung unter Verwendung der Antriebsschaltung zu arbeiten.
Wechselstrommotorsystem nach Anspruch 2, wobei, wenn es geschlossen ist, das Bypass-Schütz ein direktes Koppeln des Motors mit der Stromquelle ermöglicht.
Wechselstrommotorsystem nach Anspruch 3, wobei die Antriebsschaltung zu Folgendem ausgelegt ist: Empfangen eines Steuersignals für eine hohe Drehzahl von einer Anwendungssteuerung; Anweisen des Bypass-Schützes, aufgrund des Steuersignals für eine hohe Drehzahl zu schließen; und Betreiben des Motors mit Volldrehzahl unter Verwendung von Netzspannung, die von der Stromquelle empfangen wird, wobei die Netzspannung im Wesentlichen dieselbe wie eine Nennspannung des Motors ist.
Wechselstrommotorsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Bypass-Schütz nach Empfangen eines Steuersignals für eine hohe Drehzahl von einer Anwendungssteuerung schließt, wobei das Steuersignal für eine hohe Drehzahl einen Befehl zum Betreiben des Motors an einem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl beinhaltet.
Wechselstrommotorsystem nach Anspruch 5, wobei der Motor zum Betreiben an dem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl dazu ausgelegt ist, bei Volldrehzahl des Motors unter Verwendung von Netzspannung, die von der Stromquelle empfangen wird, zu arbeiten, wobei die Netzspannung im Wesentlichen dieselbe wie eine Nennspannung des Motors ist.
Wechselstrommotorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Antriebsleistungsschütz ferner dazu ausgelegt ist, gezielt die Antriebsschaltungs-Ausgangsspannung mit dem Motor zu verbinden oder von demselben zu trennen.
Wechselstrommotorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Antriebsschaltung eine Antriebsschaltungssteuerung umfasst, die zu Folgendem ausgelegt ist: Überwachen eines von einer Anwendungssteuerung übertragenen Drehzahl-Steuersignals; Bestimmen, ob das Drehzahl-Steuersignal ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl ist; wenn ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl bestimmt wird, Aktivieren des Antriebsleistungsschützes zum Ermöglichen der Antriebsschaltung, dem Motor Ausgangsspannung gemäß dem Steuersignal für eine niedrige Drehzahl bereitzustellen; und wenn ein Steuersignal für eine hohe Drehzahl bestimmt wird, Aktivieren des Bypass-Schützes zum Ermöglichen einer unmittelbaren Kopplung des Motors mit der Stromquelle.
Wechselstrommotorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Antriebsschaltung eine Antriebsschaltungssteuerung umfasst, die zu Folgendem ausgelegt ist: Überwachen eines von einer Anwendungssteuerung bereitgestellten Drehzahl-Steuersignals zum Bestimmen, ob der Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird; wenn die Bestimmung anzeigt, dass ein Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird, Überwachen der Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung; Vergleichen der überwachten Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und Verhindern des Betriebs der Antriebsschaltung zum Verhindern von Schaden, wenn die überwachte Spannung gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist oder denselben überschreitet, wobei die überwachte Spannung, welche die vorbestimmte Schwelle überschreitet, anzeigt, dass Netzspannung von der Stromquelle an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung vorliegt.
Wechselstrommotorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Antriebsschaltung ferner Folgendes umfasst: einen Stromsensor, der mit Ausgangsleitungen des Bypass-Schützes gekoppelt ist, wobei der Stromsensor dazu ausgelegt ist, Strom an den Ausgangsleitungen zu messen und ein Strommesssignal zu übertragen; eine Antriebsschaltungssteuerung, die zu Folgendem ausgelegt ist: Empfangen des Strommesssignals von dem Stromsensor; Bestimmen, dass der Motor arbeitet und Netzspannung von der Stromquelle durch die Leitung aufgebracht wird, wenn der gemessene Strom eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; und Deaktivieren der Antriebsschaltung, sodass die Antriebsschaltung keinen unmittelbaren Kontakt mit den Ausgangsleitungen des Bypass-Schützes aufweist, wenn bestimmt wird, dass Netzspannung durch die Leitung aufgebracht wird.
Wechselstrommotorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Antriebsschaltung eine Antriebsschaltungssteuerung umfasst, die zu Folgendem ausgelegt ist: Überwachen mindestens einer Spannung an dem Bypass-Schütz unter Verwendung eines Spannungssensors oder eines Stroms in dem Bypass-Schütz unter Verwendung eines Stromsensors; Bestimmen, dass keine Netzspannung am Motor anliegt, wenn die/der überwachte Spannung und/oder Strom nicht detektiert wird; Aktivieren des Antriebsleistungsschützes; Überwachen der Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung zum Bestimmen, ob Spannung anliegt; und Kommutieren eines Ausgangs, um den Motor anzutreiben, wenn die überwachte Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen unterhalb eines Schwellenspannungswerts liegt.
Wechselstrommotorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsschaltung dazu ausgelegt ist, Strom, der von der Stromquelle empfangen wurde, in Wechselstrom umzuwandeln, der eine gewünschte Spannung und eine gewünschte Frequenz aufweist, um den Motor bei einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl anzutreiben.
Wechselstrommotorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsschaltung dazu ausgelegt ist, mit der zweiten Nennleistung zu arbeiten, nachdem sie ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl empfängt, das einen Befehl beinhaltet, den Motor bei einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl zu betreiben.
Wechselstrommotorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor, die Antriebsschaltung und das Antriebsleistungsschütz in einem integrierten Motorpaket eingeschlossen sind.
Wechselstrommotorsystem, Folgendes umfassend: einen Drehstrommotor, eine erste Nennleistung aufweisend und dazu ausgelegt, mit einer einphasigen Wechselstromquelle gekoppelt zu werden, wobei die einphasige Wechselstromquelle einen ersten und zweiten Netzeingangsanschluss beinhaltet; eine Antriebsschaltung, dazu ausgelegt, elektrisch zwischen der Stromquelle und dem Motor gekoppelt zu sein, wobei die Antriebsschaltung eine zweite Nennleistung, die niedriger ist als die erste Nennleistung, aufweist; ein Bypass-Schütz, das elektrisch parallel zu der Antriebsschaltung mit dem ersten und dem zweiten Netzeingangsanschluss und dem Motor gekoppelt ist, wobei das Bypass-Schütz dazu ausgelegt ist, dem Motor zu ermöglichen, mit der ersten Nennleistung zu arbeiten, während die Antriebsschaltung umgangen wird; eine erste Wicklung, dazu ausgelegt, mit einem ersten Phasenausgang der Antriebsschaltung oder einem ersten Netzeingangsanschluss der einphasigen Wechselstromquelle über das Bypass-Schütz gekoppelt zu sein; eine zweite Wicklung, dazu ausgelegt, mit einem zweiten Phasenausgang der Antriebsschaltung oder einem zweiten Netzeingangsanschluss der einphasigen Wechselstromquelle über das Bypass-Schütz gekoppelt zu werden; eine dritte Wicklung, dazu ausgelegt, mit einem dritten Phasenausgang der Antriebsschaltung gekoppelt zu werden, wobei die erste, zweite und dritte Wicklung in einem Stern-Verbindungsmuster angeordnet sind; und eine in Serie gekoppelte Schaltervorrichtung und einen Kondensator, der zwischen den Eingangsseiten der zweiten und dritten Wicklung gekoppelt ist, wobei die in Serie gekoppelte Schaltervorrichtung und der Kondensator dazu ausgelegt sind, eine dritte Stromphase zu generieren, wenn die einphasige Wechselstromquelle unmittelbar mit dem Motor gekoppelt ist.
Wechselstrommotorsystem, Folgendes umfassend: einen Drehstrommotor, eine erste Nennleistung aufweisend und dazu ausgelegt, mit einer einphasigen Wechselstromquelle gekoppelt zu sein, wobei die einphasige Wechselstromquelle einen ersten und einen zweiten Netzeingangsanschluss beinhaltet; eine Antriebsschaltung, dazu ausgelegt, elektrisch zwischen der Stromquelle und dem Motor gekoppelt zu sein, wobei die Antriebsschaltung eine zweite Nennleistung aufweist, die niedriger ist als die erste Nennleistung; ein Bypass-Schütz, das elektrisch parallel zur Antriebsschaltung mit dem ersten und dem zweiten Netzeingangsanschluss und dem Motor gekoppelt ist, wobei das Bypass-Schütz dazu ausgelegt ist, dem Motor zu ermöglichen, mit der ersten Nennleistung zu arbeiten, während die Antriebsschaltung umgangen wird; eine erste Wicklung, dazu ausgelegt, zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenausgang der Antriebsschaltung oder mit einem ersten Netzeingangsanschluss der einphasigen Wechselstromquelle über das Bypass-Schütz gekoppelt zu sein; eine zweite Wicklung, dazu ausgelegt, zwischen dem zweiten und dem dritten Phasenausgang der Antriebsschaltung oder mit einem zweiten Netzeingangsanschluss der einphasigen Wechselstromquelle über das Bypass-Schütz gekoppelt zu sein; eine dritte Wicklung, dazu ausgelegt, zwischen dem ersten und dem dritten Phasenausgang der Antriebsschaltung gekoppelt zu sein, wobei die erste, die zweite und die dritte Wicklung in einem Dreieck-Verbindungsmuster angeordnet sind; und eine parallel gekoppelte Schaltervorrichtung und einen Kondensator, die zwischen dem dritten Phasenausgang und der dritten Wicklung gekoppelt sind, wobei die parallel gekoppelte Schaltervorrichtung und der Kondensator dazu ausgelegt sind, eine dritte Stromphase zu generieren, wenn die einphasige Wechselstromquelle unmittelbar mit dem Motor gekoppelt ist.
Verfahren, Folgendes umfassend: Bereitstellen eines Motors, eine erste Nennleistung aufweisend, wobei der Motor dazu ausgelegt ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden; elektrisches Koppeln einer Antriebsschaltung zwischen die Stromquelle und den Motor, wobei die Antriebsschaltung eine zweite Nennleistung aufweist, die niedriger ist als die erste Nennleistung, wobei die Antriebsschaltung eine Antriebsschaltungssteuerung beinhaltet; elektrisches Koppeln eines Antriebsleistungsschützes in Serie zwischen die Antriebsschaltung und den Motor; und Steuern, durch die Antriebsschaltungssteuerung, des Antriebsleistungsschützes zum Ermöglichen des Betriebs des Motors mit der zweiten Nennleistung unter Verwendung der Antriebsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner Folgendes umfassend: elektrisches Koppeln eines Bypass-Schützes parallel zur Antriebsschaltung zwischen die Stromquelle und den Motor; und Aktivieren des Bypass-Schützes zum Umgehen der Antriebsschaltung, wenn der Motor mit der ersten Nennleistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Aktivieren des Bypass-Schützes ferner Generieren einer unmittelbaren Kopplung des Motors mit der Stromquelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei Aktivieren des Bypass-Schützes ferner Folgendes umfasst: Empfangen eines Steuersignals für eine hohe Drehzahl von einer Anwendungssteuerung, beinhaltend einen Befehl zum Betreiben des Motors bei einem Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl; und Betreiben des Motors mit einer Nennspannung des Motors unter Verwendung von Netzspannung, die von der Stromquelle empfangen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, ferner Folgendes umfassend: Empfangen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines Steuersignals für eine niedrige Drehzahl von einer Anwendungssteuerung, wobei das Steuersignal für eine niedrige Drehzahl einen Befehl beinhaltet, den Motor an einem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl zu betreiben; Umwandeln, durch die Antriebsschaltung, von Strom, der von der Stromquelle empfangen wurde, in Wechselstrom, der eine gewünschte Spannung und eine gewünschte Frequenz gemäß dem Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl aufweist; Aktivieren, durch die Antriebsschaltungssteuerung, des Antriebsleistungsschützes, um die Antriebsschaltung mit dem Motor zu koppeln; und Antreiben des Motors unter Verwendung des Wechselstroms von der Antriebsschaltung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, ferner Folgendes umfassend: elektrisches Koppeln eines Antriebsleistungsschützes in Serie zwischen die Antriebsschaltung und den Motor; und Steuern, durch die Antriebsschaltungssteuerung, des Antriebsleistungsschützes zum Ermöglichen des Betriebs des Motors mit der zweiten Nennleistung unter Verwendung der Antriebsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner Folgendes umfassend: Überwachen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines Drehzahl-Steuersignals, das von einer Anwendungssteuerung übertragen wird; Bestimmen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, ob das Drehzahl-Steuersignal ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl ist; und wenn ein Steuersignal für eine niedrige Drehzahl bestimmt wird, Aktivieren, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines Antriebsleistungsschützes zum Ermöglichen der Antriebsschaltung, dem Motor Ausgangsspannung gemäß dem Steuersignal für eine niedrige Drehzahl bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, ferner Folgendes umfassend: Überwachen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, eines von einer Anwendungssteuerung bereitgestellten Drehzahl-Steuersignals zum Bestimmen, ob der Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird; wenn die Bestimmung anzeigt, dass der Betrieb der Antriebsschaltung aufgerufen wird, Überwachen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, der Spannung an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung; Vergleichen, durch die Antriebsschaltungssteuerung, der überwachten Spannung bis zu einem vorbestimmten Schwellenwert; und Verhindern, durch die Antriebsschaltungssteuerung, des Betriebs der Antriebsschaltung zum Vermeiden von Schaden, wenn die überwachte Spannung gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist oder diesen überschreitet, wobei das Erreichen des vorbestimmten Schwellenwerts durch die überwachte Spannung anzeigt, dass Netzspannung von der Stromquelle an den Antriebsausgangsanschlüssen der Antriebsschaltung anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, ferner umfassend Einschließen des Motors, der Antriebsschaltung und des Antriebsleistungsschützes in ein integriertes Motorpaket.