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HINTERGRUND
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Motorantriebe mit einer variablen Frequenz weisen etliche potenzielle Vorteile auf, darunter Möglichkeiten einer verbesserten Effizienz, einer verbesserten Steuerung und Leistungsfähigkeit. Doch sie bieten auch etliche Herausforderungen, was ihr Design anbelangt, darunter eine Notwendigkeit, Schaltungen und Bauelemente der Leistungselektronik vor Überspannungen zu schützen, die zu katastrophalen Ausfällen führen können. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um diese Probleme anzugehen, u. a. durch Bereitstellen von Drosselspulen, Sicherungen und/oder Schutzschaltern zwischen einer Stromversorgung und einer Eingangsstufe des Antriebs, durch Verwenden von Metalloxid-Varistoren, Entstörschaltungen und/oder überdimensionierten Gleichstrombus-Kondensatoren im Antrieb und Verwenden von transistorbasierten Schaltern oder einer aktiven transistorbasierten Spannungsbegrenzung oder Beschaltung. Diese Vorgehensweisen verschaffen zwar einige Vorteile, weisen aber alle auch Grenzen und Unzulänglichkeiten auf. Von besonderer Wichtigkeit können diese Nachteile für Antriebsanwendungen mit hoher Last, wie etwa bei Verdichterantrieben für Heizungs-, Lüftungs-, Klimatisierung- oder Kühlsysteme (heating, ventilation, air conditioning or refrigeration HVACR) wie etwa Kälteerzeugungssysteme, sein. Es gibt nach wie vor einen erheblichen Bedarf an dem einzigartigen und erfinderischen Überspannungsschutz für Antriebe mit einer variablen Frequenz, an den Vorrichtungen, Verfahren und Systemen, die hier offenbart sind.
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OFFENBARUNG
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Zwecks einer klaren, knappen und genauen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, der Art und des Herstellungsverfahrens und der Verwendung derselben und um die Ausübung, Herstellung und Verwendung derselben zu ermöglichen, wird nun auf bestimmte Ausführungsbeispiele Bezug genommen, darunter jene, die in den Figuren gezeigt sind, und es werden besondere Formulierungen verwendet, um diese zu beschreiben. Es versteht sich, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung erfolgt und dass die Erfindung solche Abänderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen der Ausführungsbeispiele, die einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung in den Sinn kommen würden, umfasst und schützt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es werden einzigartige Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zum Überspannungsschutz von Antrieben mit einer variablen Frequenz offenbart. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Motorantriebssystem mit einer variablen Frequenz bereitgestellt, das einen Gleichrichter, einen Gleichstrombus, der mit dem Gleichrichter elektrisch gekoppelt ist, einen Wechselrichter, der mit dem Gleichstrombusse elektrisch gekoppelt ist, umfasst. Es wird eine Schutzvorrichtung bereitgestellt, die mit dem Gleichrichter elektrisch gekoppelt und dazu eingerichtet ist, auf der Basis von Störungszuständen die Stromversorgung des Systems zu unterbrechen. Es wird ein Controller bereitgestellt und dazu eingerichtet, eine Information zu empfangen, die eine Spannung des Gleichstrombusses angibt, die empfangene Information zu verarbeiten, um einen Zustand mindestens einer Komponente des Motorantriebs mit einer variablen Frequenz zu modellieren, und die Schutzvorrichtung steuert, um die Stromversorgung des Motorantriebs mit einer variablen Frequenz zu unterbrechen, wenn der modellierte Zustand ein Störungskriterium erfüllt. Weitere Ausführungsformen, Formen, Aufgaben, Merkmale, Vorteile, Aspekte und Nutzen werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften HVACR-Systems.
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2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorantriebssystems mit einer variablen Frequenz.
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3 ist ein Ablaufplan, der ein beispielhaftes Diagnose- und Steuerungsverfahren veranschaulicht.
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4 ist ein Diagramm, das Charakteristiken einer beispielhaften Arbeitsstromauslösefunktion veranschaulicht.
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5 ist ein Diagramm, das Charakteristiken einer beispielhaften Arbeitsstromauslösefunktion zusammen mit weiteren Antriebskennlinien veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der ein beispielhaftes HVACR-System 100 veranschaulicht ist, das einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter 110, einem Kondensator 120 und einem Verdampfer 130 umfasst. Durch das System 100 fließt Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf von dem Verdichter 110 zu dem Kondensator 120, zu dem Verdampfer 130 und zurück zu dem Verdichter 110. Verschiedene Ausführungsformen können auch weitere Kältemittelkreislaufelemente umfassen, beispielsweise Ventile zum Steuern des Kältemittelstroms, Kältemittelfilter, Vorwärmer, Ölabscheider und/oder Kühlkomponenten und Strömungswege zwischen verschiedenen Systemkomponenten.
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Der Verdichter 110 wird von einer Antriebseinheit 150 angetrieben, die einen Permanentmagnet-Elektromotor 170 umfasst, der von einem Antrieb mit einer variablen Frequenz 155 angetrieben wird. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Antrieb mit einer variablen Frequenz 155 dazu eingerichtet, ein dreiphasiges PWM-Antriebssignal auszugeben, und der Motor 170 ist ein Motor, dessen Permanentmagnet eine magnetische Oberfläche aufweist. Die Verwendung anderer Typen und Ausgestaltungen von Antrieben mit einer variablen Drehzahl oder Antriebe mit einer variablen Frequenz und anderer Typen von Elektromotoren wie etwa Motoren, deren Permanentmagnet ein eingebetteter Magnet ist, und Induktionsmotoren wird ebenfalls in Betracht gezogen.
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Der Kondensator 120 ist dazu eingerichtet, von dem verdichteten Kältemittel, das er vom Verdichter 110 entgegennimmt, Wärme zu übertragen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Kondensator 120 ein wassergekühlter Kondensator, der an einem Einlass 121 Kühlwasser entgegennimmt, Wärme von dem Kältemittel auf das Kühlwasser überträgt und an einem Auslass 122 Kühlwasser abgibt. Auch wird in Erwägung gezogen, dass andere Typen von Kondensatoren benutzt werden können, beispielsweise luftgekühlte Kondensatoren oder Verdunstungskondensatoren. Ferner versteht es sich, dass Verweise auf Wasser hier wässrige Lösungen einschließen, sätzliche Bestandteile enthalten können, sofern dies nicht anderweitig eingeschränkt ist.
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Der Verdampfer 130 ist dazu eingerichtet, von dem Kondensator 120 Kältemittel entgegenzunehmen, das Kältemittel zu entspannen, um seine Temperatur herabzusetzen, und von einem gekühlten Medium Wärme auf das Kältemittel zu übertragen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Verdampfer 130 als Wasserkühler ausgelegt, der an einen Einlass 131 geliefertes Wasser entgegennimmt, Wärme vom Wasser auf das Kältemittel überträgt und an einem Auslass 132 gekühltes Wasser abgibt. Es wird in Erwägung gezogen, dass eine Reihe von speziellen Typen von Verdampfern und Kälteerzeugungssystemen verwendet werden kann, darunter u. a. Trockenexpansionsverdampfer, Verdampfer vom Überflutungstyp, Glattrohrverdampfer, Plattenoberflächenverdampfer und Rippenrohrverdampfer.
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Ferner umfasst das HVACR-System 100 einen Controller 160, der Steuersignale an den Antrieb mit einer variablen Frequenz 155 ausgibt, um den Betrieb des Motors 170 und des Verdichters 110 zu steuern. Der Controller 160 empfängt auch eine Information über den Betrieb der Antriebseinheit 150. In Ausführungsbeispielen empfängt der Controller 160 sowohl Informationen in Zusammenhang mit dem Motorstrom, der Motorausschlussspannung und/oder anderen Betriebskenndaten des Motors als auch Informationen über die Gleichstrombusspannung, wie hier im Folgenden beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Steuerungen, Steuerroutinen und Steuermodule unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und verschiedenen Kombinationen davon implementiert werden können und ausführbare Anweisungen verwenden können, die in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium oder mehreren nichtflüchtigen, computerlesbaren Medien gespeichert sein können. Ferner versteht es sich, dass der Controller 160 in verschiedenen Formen bereitgestellt werden kann und eine Anzahl von Hardware- und Software-Modulen und -Komponenten umfassen kann.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen, wo ein Schaltbild eines beispielhaften Elektromotorantriebssystems mit einer variablen Drehzahl 200 gezeigt ist. Das System 200 ist an eine Stromquelle 210 angeschlossen, wie etwa ein Stromversorgungsnetz oder ein Notstromaggregat, das Wechselstrom an eine Schutzvorrichtung 220 abgibt. Die Schutzvorrichtung 220 kann ein Arbeitsstromauslöser-Schutzschalter, ein Schütz oder ein anderer Typ von Vorrichtung sein, die dazu eingerichtet ist, die Stromquelle 210 auf der Basis eines empfangenen Steuersignals von nachgeschalteten Komponenten zu trennen. Normalerweise liefert die Schutzvorrichtung 220 Dreiphasenstrom an einen Netzfilter 230, kann jedoch so gesteuert werden, dass sie bei Empfang eines Befehls oder Steuersignals die Stromversorgung unterbricht. Die Schutzvorrichtung 220 ist dazu in der Lage, die Versorgungsspannung von der Baugruppe innerhalb einer festgelegten Zeitspanne zu trennen, wenn ihr ein Auslösesignal oder -befehl geliefert wird und zwar vorzugsweise innerhalb eines Blindleistungszykluses. Die Komponenten, die die Antriebsbaugruppe mit einer variablen Drehzahl, einschließlich Gleichrichter, Kondensatoren, MOVs und den Wechselrichter, die nachstehend detaillierter beschrieben werden, umfassen, sind so ausgewählt, dass sie bei einer normalen Versorgungsspannung, die mit einer Toleranz anliegt, einen normalen Betrieb aufrechterhalten, und die Schutzvorrichtung 220 wird so gesteuert, dass der Betrieb nur innerhalb der Toleranz erfolgt.
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Der Netzfilter 230 umfasst eine Drossel, die dazu eingerichtet ist, Oberschwingungen zu dämpfen, um Verluste abzuschwächen, die aus einer Oberschwingungsrückkopplung von Antriebskomponenten zu der Stromquelle 210 entstehen können. Der Netzfilter 230 gibt Dreiphasenwechselstrom an einen Gleichrichter 290 aus, der den Wechselstrom in Gleichstrom überführt und den Gleichstrom an einen Gleichstromzwischenkreis 285 liefert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Gleichrichter 290 als 6-Puls-Diodenbrücke eingerichtet, es versteht sich jedoch, dass 12-Puls-, 18-Puls-, 24-Puls- oder 30-Puls-Gleichrichter zusammen mit Phasenverschiebungstransformatoren benutzt werden können, die für einen 12-Puls-, 18-Puls-, 24-Puls oder 30-Puls-Betrieb geeignete phasenverschobene Eingaben liefern, und dass andere Typen von Gleichrichtern oder Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlern als jene, die aktive Bauelemente umfassen, benutzt werden können.
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Der Gleichstromzwischenkreis 285 umfasst einen Metalloxid-Varistor (MOV) 286 und einen Kondensator 287. Der MOV 286 ist dazu eingerichtet, die Gleichstrombusspannung zu begrenzen, und bietet Schutz gegen zu hohe Einschwingspannungen, indem er Strom, der durch die erhöhte Spannung hervorgerufen wird, von anderen Systemkomponenten ableitet, bis ein Ausfallpunkt erreicht ist. In weiteren Ausführungsformen können in dem Gleichstromzwischenkreis 285, der ebenfalls dazu dient, die Spannung zu begrenzen, verschiedene Bauelemente enthalten sein, beispielsweise Bauelemente mit kurzer Einschwingzeit, Halbleiterbauelemente, diodenbasierte Begrenzungsschaltungen und andere Arten von Spannungsbegrenzungen. Der Kondensator 287 ist dazu eingerichtet, die Ausgabe des Gleichrichters 280 zu glätten und eine Oberschwingungsrückkopplung vom Schalten des Wechselrichters abzuschwächen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Kondensator 287 ein Schichtkondensator mit einer verhältnismäßig niedrigen Kapazität im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren. Weitere Ausführungsformen können Kondensatoren verwenden, die eine höhere Kapazität aufweisen, wie etwa Elektrolytkondensatoren. Die Ausgabe des Gleichstromzwischenkreises 285 wird an den Eingang des Wechselrichters 290 gekoppelt.
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Der Wechselrichter 290 umfasst Schalter, die an die positiven und negativen Leitungen des Gleichstromzwischenkreises 285 angeschlossen sind. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Schalter des Wechselrichters 290 als IGBT- und diodenbasierte Schalter ausgelegt, es können aber auch andere Typen von Leistungselektronik-Schaltelementen wie etwa Leistungs-MOSFETs oder andere elektrische Schaltvorrichtungen verwendet werden. Der Wechselrichter 290 wird so gesteuert, dass er ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Spannungssignal an die Anschlüsse 271, 272 und 273 des Motors 270 ausgibt.
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Der Motor 270 weist einen Stator, einen Rotor und einen Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator auf. Die Motoranschlüsse 271, 272 und 273 sind an im Stator 271 bereitgestellte Wicklungen angeschlossen. In Ausführungsbeispielen ist der Motor ein Permanentmagnetmotor, der mehrere Permanentmagnete aufweist, die an der Oberfläche oder im Innern des Rotors bereitgestellt sind.
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Das System 200 umfasst ferner eine Steuerschaltung 240, die sowohl einen mikroprozessorbasierten digitalen Signalprozessor (DSP) 241 und ein Gate-Antriebsmodul 242 als auch weitere Komponenten, die für eine Fähigkeit zur internen und externen Kommunikation sorgen, umfasst. Der DSP 241 ist dazu eingerichtet, Steuerbefehle zu empfangen, die einen gewünschten Systembetrieb angeben, die empfangenen Befehle zu verarbeiten, um Schaltersteuersignale zu dem Antriebsmodul 240 zu liefern, das seinerseits Steuersignale an die Schaltelemente des Wechselrichters 290 ausgibt. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Schaltersteuersignale IGBT-Gate-Steuerspannungen, die durch zwischengeschaltete Verstärkereinheiten auf eine endgültige Steuerspannung verstärkt werden. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Wechselrichters 290 eine Vielfalt unterschiedlicher Ausgestaltungen verwendet werden könnte.
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Der DSP 241 empfängt eine Information von einer Anzahl anderer Komponenten des Systems 200. Unter einem Aspekt ist der DSP 241 dazu eingerichtet, eine Information zu empfangen, die die Spannung des Gleichstrombusses 285 angibt. Diese empfangene Information kann verwendet werden, um eine Steuerungsfunktionalität für eine Vielzahl anderer Komponenten einschließlich der Schutzvorrichtung 220 bereitzustellen. In Ausführungsbeispielen ist der DSP 241 dazu eingerichtet, eine Arbeitsstromauslösefunktion zu implementieren, die die Schutzvorrichtung 220 auslöst, um zwecks Vermeidung katastrophaler Systemausfälle einen stromlosen Zustand zu schaffen. In bestimmten Formen ist die Schutzvorrichtung 220 ein Arbeitsstromauslöser-Schutzschalter, es versteht sich jedoch, dass Schütze, Festkörperschalter oder andere Vorrichtungen, die dazu eingerichtet sind, eine Schaltung zu trennen oder zu unterbrechen, verwendet werden können. Deshalb versteht es sich, dass, obwohl bestimmte Ausführungsformen mit Bezug auf einen Arbeitsstromauslöser-Schutzschalter beschrieben werden, diese Beschreibung auch für andere Schutzvorrichtungen gilt, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Bei Einschwingvorgängen oder fehlerhafter/voller Stromversorgung können an dem System 200 Spannungen anliegen, die über die normalen Werte und üblichen Toleranzen der Versorgung hinausgehen. In beispielhaften Kosten/Leistungs-optimierten Systemen können viele Komponenten diese Überspannungen nicht über die Zeitspanne tolerieren, die vergeht, bis die Spannung erfasst wird und die Schutzvorrichtung aufgrund einer Überstrombedingung auslöst. Ein erfolgreicher Betrieb und Schutz dieser Komponenten kann durch Auswahl von Bauelementtechnologien, -werten und -nennspannungen erreicht werden, sodass die Baueinheit tolerant gegenüber einem Betrieb bei einer Eingangsspannung über dem angestrebten normalen Toleranzbereich ist und im Einklang mit der begrenzenden Impedanz untypische Spannungsauslenkungen, die durch Funktionsstörungen/Ausfälle in der Stromversorgung verursacht sind, bis zu einem erfassten Wert und über eine Zeit, die ausreicht, dass die Schutzvorrichtung auslöst, toleriert. Die hier offenbarten Techniken können implementiert werden, um für einen proaktiven Schutz der Antriebskomponenten zu sorgen, indem ihr Betrieb auf die Nennwerte, für die sie ausgelegt sind, beschränkt wird und schädliche Überstrombedingungen gänzlich vermieden werden.
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In bestimmten Ausführungsformen wird mit dem DSP 241 eine Arbeitsstromauslösefunktion implementiert, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, ein Arbeitsstromauslöserelais eines Schutzschalters zu erregen, der zwischen einer Stromversorgung und einem Antrieb mit einer variablen Frequenz vorgesehen ist, um katastrophale Ausfälle des Antriebs zu vermeiden. In Ausführungsbeispielen ist die Arbeitsstromauslösefunktion so gestaltet, dass die Gleichstrombusspannung erfasst wird und Versagensmechanismen detektiert werden und Ausfälle nach Möglichkeit vermieden werden. Die Arbeitsstromauslösefunktion ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Strom zu dem Antrieb zu unterbrechen, bevor der Ausfall ein Auslösen des Schutzschalters über seine Überstromschutzfunktion bewirkt.
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Beispielsweise ließ eine Analyse eines beispielhaften Antriebssystems mit einer variablen Frequenz mit den voranstehend in Verbindung mit 2 beschriebenen Merkmalen verschiedene Kriterien erkennen, die eine beispielhafte Arbeitsstromauslösefunktion erfüllen muss, darunter MOV-Energieaufnahmekurven, eine Gleichstrombusüberspannung und praktische Grenzen der Ansprechzeit der Schutzvorrichtung und Erfassungsschaltungen. Im vorliegenden Beispiel wurde der MOV als die Systemkomponente identifiziert, die für Überspannungsfehler am empfindlichsten ist, und die MOV-Verbindungskurven und Energieaufnahmekurven wurden verwendet, um Ausfallkriterien zu bestimmen. Es versteht sich jedoch, dass in weiteren Ausführungsformen andere Komponenten oder Bauelemente mit anderen minimalen Leitungskurven als Basis für ein Modellieren von Ausfallarten verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann die minimale Leitungskurve eine Funktion der Charakteristiken von mehreren Komponenten oder Bauelementen insgesamt sein, beispielsweise von mehreren MOVs in Parallel- oder Reihenschaltung, von MOVs, die mit anderen Schutzvorrichtungen parallelgeschaltet sind, um ihre minimale Leitungskurve zu erweitern, oder von anderen Kombinationen von Schutzvorrichtungen.
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Bei einer Inbetriebsetzung tritt eine Gleichstrombusüberspannung auf und ist am schlimmsten, wenn der Bus-MOV zufällig der maximalen Leitungskurve folgt. Praktische Grenzen, wie etwa eine Verzögerungszeit beim Erregen der Spule und die Betragsgrenze der Busspannungserfassungsschaltungen, schränken die obere linke Spannungs-Zeit-Grenze vor einer realisierbaren Schutzfunktion ein. Ausgehend von diesen Überlegungen kann eine beispielhafte Arbeitsstromauslösefunktion als ein Differentialspannungsakkumulator sechster Ordnung bezüglich der Zeit definiert werden, beispielsweise wie durch Gleichung 1 beschrieben: (VDC – STminV)6·t = (STmaxV – StminV)6·STtime (1)
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In Gleichung 1 ist VDC die Spannung des Gleichstrombusses, STminV ist die Minimalspannung, die theoretisch einen Arbeitsstromauslöser auslösen könnte, STmaxV ist eine Schwelle, oberhalb der stets ein Arbeitsstromauslöser ausgelöst werden sollte, STtime ist die Zeit, die zum Auslösen eines Arbeitsstromauslösers benötigt wird, wenn die Gleichstrombusspannung gleich STmaxV ist, und t ist die Zeit. Der Einfachheit halber können die Terme (STmaxV – StminV)6·STtime als eine Konstante STK angesehen werden, und es kann eine Substitution vorgenommen werden, die eine Arbeitsstromauslösefunktion nach Gleichung 2 liefert: (VDC – STminV)6·t = STK (2)
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Es versteht sich, dass die Arbeitsstromauslösefunktionen nach Gleichung 1 oder 2 in einer Vielzahl von Implementierungen bereitgestellt werden können.
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In bestimmten Ausführungsformen kann das Verhalten des MOV durch Hinzufügen einer Ableitungskonstante zu dem Akkumulator detaillierter modelliert werden. Wenn zum Beispiel ein MOV eine maximale Verlustleistung von 2,5 W und eine maximale Energieaufnahme von 2325 J aufweist und eine konservative Annahme getroffen wird, nämlich dass eine maximale Verlustleistung eine konstante Rate ist, kann das Verhalten des MOV auf der Basis dieser Parameter modelliert werden. Wenn der MOV bei 2325 J einen relativ starken Stromstoß empfängt, wird er 2325 J/2,5 W oder 930 Sekunden zum Abkühlen benötigen. Es kann eine Arbeitsstromauslösefunktion bereitgestellt werden, die diesem Verhalten Rechnung trägt. Bei vier Zeitkonstanten wird die Funktion auf 0,67 Prozent ihres ursprünglichen Werts abfallen, also ergibt 930/4 eine Zeitkonstante von 232,5 Sekunden. Bei 12 kHz ergeben 2,325 Sekunden mal 1200 Abtastwerte/Sekunde 2790000 Abtastwerte. Folglich wird ein Hinzufügen einer Multiplikatorkonstante von 2790000/2790001 oder 0,99999964 zur Arbeitsstromauslösefunktion dieser erlauben, bei ungefähr der benötigten Zeitkonstante abzufallen, um das Ableiten durch den MOV zu simulieren.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen, wo ein Ablaufplan gemäß einem beispielhaften Arbeitsstromauslöser-Steuerungsprozess 300 veranschaulicht ist. Der Prozess 300 ist eine beispielhafte Implementierung der voranstehend beschriebenen Techniken, der das physikalische System einer oder mehrerer Antriebskomponenten modelliert, und ist dazu eingerichtet, im Falle eines drohenden Ausfalls den Antrieb mit einer variablen Frequenz präventiv von der Antriebsquelle zu trennen. Dadurch kann ein Antrieb vor katastrophalen Ausfällen, die möglicherweise einen Austausch des gesamten Antriebs erfordern, geschützt werden.
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In dem Prozess 300 empfängt der Operator 310 kalibrierfähige Größen STmaxV 301, STminV 302 und STtime 303 als Eingaben. Außerdem empfängt der Operator 310 die Spannungsabtastung VDC(k) 304. Die kalibrierfähigen Größen 301, 302 und 303 können vorher vorbestimmte und in einem computerlesbarem Speicher eines Controllers gespeicherte Werte sein, die von einer ausführbaren Routine, die den Prozess 300 implementiert, abgerufen und verwendet werden können. Die Werte der kalibrierfähigen Größen 301, 302 und 303 können empirisch bestimmt werden und können in Abhängigkeit von den speziellen Bauelementen, die in dem Antrieb mit einer variablen Frequenz verwendet sind, und von der Größe des Antriebs, auf den der Prozess angewendet wird, variieren.
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Die kalibrierfähige Größe STmaxV 301 dient als Schwelle. Jede Spannung, die größer als der Wert STmaxV ist, kann verwendet werden, um eine Arbeitsstromauslösung zu aktivieren. Zudem legt die kalibrierfähige Größe STmaxV 301 in Verbindung mit der Arbeitsstromauslösungs-Zeitvariablen STtime 303 das „Knie” der Arbeitsstromauslösungskurve fest, beispielsweise wie in Zusammenhang mit 4 beschrieben. Die kalibrierfähige Größe STminV 302 ist die Minimalspannung, die theoretisch einen Arbeitsstromauslöser auslösen könnte. Da die Arbeitsstromauslösung eine Potenzfunktion ist und daher asymptotisch ist, würde sie eine unendlich lange Zeit benötigen, um dieses Minimum zu erreichen, dennoch wird die Variable vorteilhaft verwendet. Die kalibierfähige Größe STtime 303 ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Arbeitsstromauslösefunktion auszulösen, wenn die Spannung gleich der maximalen Spannung des Arbeitsstromauslösers, größer oder gleich der maximalen Spannung STmaxV 301 des Arbeitsstromauslösers ist. Die Variable 304 VDC(k) ist ein Abtastwert der Gleichstrombusspannung, die unter Verwendung einer Spannungserfassungsschaltung erfasst, gemessen oder bestimmt werden kann.
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Der Operator 310 verarbeitet die Eingaben, die er empfängt, um einen akkumulierten Arbeitsstromauslösungswert nach der folgenden Gleichung 3 zu bestimmen: STaccum(k) = (VDC(k) – STminV)6·Ts + STaccum(k – 1) (3) wobei k eine Probenzahl ist, STaccum der akkumulierte Arbeitsstromauslösungswert bei einer gegebenen Probenzahl ist, VDC eine Spannung des Gleichstromzwischenkreises bei einer gegebenen Probenzahl ist, MINV die Minimalspannung ist, bei der eine Stromversorgungsunterbrechung erfolgen sollte, und Ts die Zeit ist. Ferner können Ausführungsformen unter Verwendung der obigen Terme zusammen mit einer Ableitungskonstante Kb einen akkumulierten Arbeitsstromauslösungswert nach der folgenden Gleichung 4 bestimmen: STaccum(k) = (VDC(k) – STminV)6·Ts + STaccum(k – 1)·Kb (4)
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Von der Operation 310 geht der Prozess 300 zum Operator 320 weiter. Der Operator 320 bestimmt, ob der akkumulierte Arbeitsstromauslösungswert STaccum(k) größer als die Arbeitsstromauslösungskonstante STK ist. Wenn STaccum(k) nicht größer als STK ist, springt der Prozess 300 zur Operation 310 zurück. Wenn STaccum(k) größer als STK ist, geht der Prozess 300 zur Operation 330 über, die einen Arbeitsstromauslöser aktiviert, indem sie einen Arbeitsstromauslösungsbefehl sendet. Es versteht sich, dass der Arbeitsstromauslösungsbefehl zusammen mit einer Vielzahl von Vorrichtungen verwendet werden kann, darunter, jedoch ohne Beschränkung hierauf, ein Arbeitsstromauslöser-Schutzschalter, ein Schütz, ein Festkörperschalter oder eine andere Vorrichtung, die in Reaktion auf ein Signal oder einen Befehl für einen stromlosen Zustand sorgen kann.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, in der ein Diagramm mit der Gleichstromspannung auf der vertikalen Achse versus der logarithmierten Zeit auf der horizontalen Achse in Einheiten von Sekunden dargestellt ist. Das Diagramm in 4 veranschaulicht Charakteristika einer beispielhaften Arbeitsstromauslösefunktion. Eine Spannung 410 ist als maximale Spannung des Arbeitsstromauslösers definiert. Eine Spannung 420 ist als minimale Spannung des Arbeitsstromauslösers definiert. Und die Arbeitsstromauslösungszeit erstreckt sich über eine Dauer 430.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, wo ein Diagramm mit der Gleichspannung versus der logarithmierten Zeit in Einheiten von Sekunden dargestellt ist. 5 veranschaulicht eine maximale Leitungskurve 501 und eine minimale Leitungskurve 502, die die maximale und die minimale Zeit-Spannungs-Kurven für einen MOV-Ausfall definieren. MOVs weisen für diese Zeit-Spannungs-Leitungskurven statistische Schwankungen auf. Die maximale Leitungskurve 501 repräsentiert die obere statistische Grenze, oberhalb welcher sämtliche MOVs in einer statistischen Stichprobengruppe unter stationären Bedingungen ausfallen. Die minimale Leitungskurve 502 repräsentiert die untere statistische Grenze, unterhalb welcher kein MOV in der Stichprobengruppe unter stationären Bedingungen ausfallen wird. Der Bereich zwischen den Kurven 501 und 502 enthält sämtliche Ausfallpunkte für MOVs in der Stichprobe. Je nach angestrebtem Vertrauensniveau kann versucht werden, mit einer Arbeitsstromauslösefunktion eine Kurve zu approximieren, einer Kurve zu folgen oder einen bestimmten Abstand zu einer Kurve beizubehalten, wobei diese Kurve zwischen oder auf den Kurven 501 und 502 liegt. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen wird eine Arbeitsstromauslösefunktion danach streben, der Kurve 502 zu folgen. Die Arbeitsstromauslösefunktion 505 ist als ein Beispiel für solch eine Funktion gezeigt, die im Allgemeinen danach strebt, der Kurve 502 zu folgen, jedoch als Kompromiss, um die Komplexität der Berechnungen gering zu halten, eine gewisse Abweichung davon zulässt. Es versteht sich, dass auch andere Arbeitsstromauslösefunktionskurven verwendet werden können, die anderen Bahnen als im gezeigten Beispiel folgen.
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5 veranschaulicht ferner eine Zeit 503 eines Arbeitsstromauslöser-Schutzschalters, die die minimale Ansprechzeit eines Schutzschalters oder Schützes darstellt, und eine maximale Gleichstrombus-Erfassungsspannung 506 an der, die den maximalen Gleichstrombus-Erfassungseingangspegel darstellt. Die Zeit 503 und die Spannung 506 legen faktisch den Bereich fest, innerhalb dessen ein Wirksamwerden der Arbeitsstromauslösefunktion erwartet werden kann, denn sie definieren die Grenzen für den Betrieb von Systemkomponenten. Diese Parameter sind nützlich, um den Wert einer Arbeitsstromauslösefunktion so festzusetzen, dass ein Spielraum bleibt, um der Verzögerung bei der Schutzschalter-Ansprechzeit Rechnung zu tragen. Beispielsweise ist die Arbeitsstromauslösefunktion 505 bis zum Zeitpunkt 503 ein konstanter Wert und versucht eben nicht, der Kurve 502 zu folgen. Dadurch wird ein gewisser Spielraum zur Anpassung an eine Systemkomponentenverzögerung geschaffen. Außerdem zeigt 5 eine maximale Leitungskurve 504 für eine 480 V-Vorladung, die den theoretischen ungünstigsten Fall (Worst Case) für ein Einschwingen beim Inbetriebsetzen darstellt. Die Kurve 504 stellt ein Worst-Case-Szenario für ein Einschwingen beim Inbetriebsetzen dar. Die Kurve 504 ist verwendbar, um eine Grenzbedingung für ein unerwünschtes Abschalten zu definieren. Eine Arbeitsstromauslösefunktion, die einer Bahn oberhalb der Kurve 504 folgt, wird unnötige, unerwünschte Abschaltungen bei Inbetriebsetzungsereignissen vermeiden.
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Es versteht sich, dass die Ausführungsbeispiele, die voranstehend zusammengefasst und ausführlich beschrieben und in den Figuren gezeigt sind, der Veranschaulichung dienen und nicht beschränkend oder einschränkend auszulegen sind. Es sind nur die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden, und sämtliche Änderungen und Abwandlungen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen, sollen geschützt sein. Es versteht sich, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Formen in bestimmten Fällen kombiniert werden können und in anderen Fällen einander ausschließend sein können. Ebenso versteht sich, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Formen mit anderen Aspekten und Merkmalen, die hier an anderer Stelle offenbart sind, kombiniert werden können. Es versteht sich, dass gegebenenfalls verschiedene Merkmale und Aspekte der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht notwendig sind und Ausführungsformen, denen diese fehlen, ebenfalls geschützt sind. Beim Lesen der Ansprüche soll, wenn Wörter wie „ein”, „eine”, „mindestens ein”, „mindestens eine” oder „mindestens ein Teil” gebraucht wurden, dies nicht als Beschränkung des Anspruchs auf nur ein Element ausgelegt werden, sofern nicht im Anspruch ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Wenn die Begriffe „mindestens ein Teil” und/oder „ein Teil” verwendet werden, kann das Element einen Teil und/oder das gesamte Element umfassen, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist.
