DE4332555A1 - Elektrische Verteilungseinrichtung mit Drehmomentschätzvermögen - Google Patents

Elektrische Verteilungseinrichtung mit Drehmomentschätzvermögen

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DE4332555A1
DE4332555A1 DE4332555A DE4332555A DE4332555A1 DE 4332555 A1 DE4332555 A1 DE 4332555A1 DE 4332555 A DE4332555 A DE 4332555A DE 4332555 A DE4332555 A DE 4332555A DE 4332555 A1 DE4332555 A1 DE 4332555A1
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Gerald Burt Kliman
Kamakshi Srinivasan
Rik Wivina Anna Ade De Doncker
David Eric Ritscher
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    • G01—MEASURING; TESTING
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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine elektrische Verteilungseinrichtung. Insbesondere bezieht sich die Er­ findung auf einen Schalter oder ein Schütz mit einer Dreh­ momentschätzeinrichtung zum Ableiten von Drehmomentmessun­ gen aus Schalter- oder Schützsensoren, die darin verwendet werden.
In einem Motorsystem ist es häufig notwendig, das durch den Motor erzeugte Drehmoment zu überwachen, insbesondere wenn der Motor dazu verwendet wird, eine komplexe Last, wie bei­ spielsweise eine Pumpe oder ein Ventil, anzutreiben. Gele­ gentlich werden elektromechanische Momentwandlersysteme verwendet, aber sie sind beschränkt aufgrund physikalischer Einschränkungen, hoher Kosten und fehlender Zuverlässigkeit und Robustheit. Eine neuere Alternative zum Überwachen des Drehmomentes beruht auf dem Strom, der durch einen einzel­ nen Stromwandler in einer der drei Phasen abgetastet wird, die den Antriebsmotor speisen. Dabei wird angenommen, daß der Strom eine skalierte Version des tatsächlichen Drehmo­ mentes darstellt, das von dem Motor erzeugt wird.
Wie sich jedoch aus dem stationären Ersatzschaltbild von einem Induktionsmotor ergibt, ist leider die Relation zwi­ schen Strom und Ausgangsmoment (oder Wellenmoment) nicht fest, sondern ändert sich, wenn sowohl der Leistungsfaktor als auch der Wirkungsgrad sich bei unterschiedlichen Lasten und Drehzahlen ändern, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Andere Faktoren, die die Relation zwischen Strom und Wellenmoment beeinflussen, beinhalten elektrische und mechanische Zeit­ konstanten des Rotors und die Sättigung. Die Verwendung des Stroms, um den Zustand der Last und die Art der Fehler ab­ zuleiten, hat deshalb signifikante Fehler zur Folge.
Ein anderes Verfahren zum Überwachen des Ausgangsmomentes in einem Induktionsmotor beinhaltet einen auf einem Modell basierenden Lösungsansatz, wobei die Kenntnis von Motorpa­ rametern (beispielsweise Rotor- und Statorwiderstände, Streuinduktivitäten und Magnetisierungsinduktivität) und der Motordrehzahl zusätzlich zu Motorströmen und -spannun­ gen erforderlich ist. Leider müssen jedoch Motorparameter gegeben sein, gemessen oder abgeschätzt werden; und eine Abschätzung unter transienten bzw. flüchtigen Bedingungen ist schwierig und kann komplexe Berechnungen beinhalten.
Es ist deshalb wünschenswert, Mittel zu schaffen, um das Drehmoment in einem Induktionsmotor unter Verwendung von sowohl Strom- als auch Spannungsinformation präziser abzu­ schätzen, wobei diese Information von Schaltersensoren ge­ liefert werden kann, die die Funktion haben, den Motor vor Überströmen und Unterspannungen zu schützen. In ähnlicher Weise kann diese Information von Schützsensoren oder ähnli­ chen Vorrichtungen in einem Motorregelzentrum geliefert werden. Weiterhin ist es wünschenswert, daß diese Drehmo­ mentmessungen gemacht werden, ohne daß Messungen von Motor­ parametern oder Drehzahl erforderlich sind.
Gemäß der Erfindung enthält ein Schalter zum Schützen eines motorgetriebenen Systems vor Überströmen und Unterspannun­ gen Strom- und Spannungssensoren und eine Drehmomentschätzeinrichtung zum Erzeugen von Drehmomentmes­ sungen aus abgetasteten Strömen und Spannungen. Die Drehmo­ mentschätzeinrichtung ist in Software auf einem Computer­ steuerchip für den Schalter implementiert. Vorteilhafter­ weise wird deshalb der Zustand der Last an der Motorwelle präzise ermittelt, ohne daß eine Kenntnis von Drehzahl oder Parametern des Motors erforderlich ist.
In ähnlicher Weise enthält ein Schütz Strom- und Spannungs­ sensoren und eine Drehmomentschätzeinrichtung zum Erzeugen von Drehmomentmessungen aus abgetasteten Strömen und Span­ nungen.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Schalter oder ein Schütz mit einer Drehmomentschätzeinrich­ tung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung von dem Wellenmoment als eine Funktion des Leitungsstroms für einen typischen Motor.
Fig. 3 stellt grafisch dar: (a) gemessenes Drehmoment ge­ mäß üblicher mechanischer Verfahren, (b) eine Momentab­ schätzung gemäß der Erfindung, und (c) den effektiven Mo­ torstrom.
Fig. 4 stellt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel des Schalters oder Schützes gemäß Fig. 1 dar.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schalter oder ein Schütz für ein motorgetriebenes System gemäß der Erfindung mit Mitteln zum Liefern präziser Messungen des Ausgangsmomentes des Motors. Der Schalter oder das Schütz gemäß Fig. 1 ist so dargestellt, daß er bzw. es in einem Gehäuse 10 enthal­ ten ist. Eingangsleitungen 12-14 sind mit einer dreiphasi­ gen Wechselstromquelle (nicht gezeigt) verbunden. Ströme in den Leitungen 12-14 werden durch Stromsensoren 16-18 abgetastet, die in Fig. 1 als Stromwandler dargestellt sind. Es können jedoch auch andere geeignete Stromsensoren verwendet werden, wie beispielsweise Hall-Effekt-Stromsen­ soren oder Nullflußsysteme. Jeder Stromwandler weist eine Spule 20-22 auf, die um einen entsprechenden Wandlerkern 24-26 gewickelt ist. Ein Widerstand 28-30 ist auf entspre­ chende Weise jeder Spule 20-22 parallel geschaltet, so daß die Spannung über dem entsprechenden Widerstand 28-30 proportional zu dem Strom durch die entsprechende Eingangs­ leitung 12-14 ist. Die Ausgangsgröße von jedem Stromwand­ ler wird einem Computersystem 31 zum Steuern des Schalters zugeführt.
Der Schalter oder das Schütz gemäß Fig. 1 enthält ferner Spannungssensoren 32-34 zum Abtasten der Spannung über jeder Motorphase. Die Spannungssensoren sind so darge­ stellt, daß sie Spannungstransformatoren 36-38 und Wider­ stands-Spannungsteiler 40-42 aufweisen. Es können jedoch auch andere geeignete Spannungssensoren verwendet werden, wie beispielsweise kapazitive oder widerstandsbehaftete Spannungsteiler. Die Spannung am Ausgang von jedem Teiler 40-42 wird dem Computersystem 31 (über Analog/Digital bzw. A/D-Wandler 43) zugeführt und ist proportional zu der entsprechenden Motorphasenspannung.
Eine Kontaktstück-Stelleinrichtung 44 wird durch das Com­ putersystem 31 über eine Ausgangstreiberschaltung 45 zum Öffnen oder Schließen von Kontaktstücken 46-48 in Abhän­ gigkeit von einem Überstrom oder einer Unterspannung (d. h. für einen Schalter) oder ein anderes vorbestimmtes Stromsi­ gnal (d. h. für ein Schütz) gesteuert, wie es in bekannter Weise durch Stromsensoren 16-18 abgetastet wird. Alterna­ tiv kann die Stelleinrichtung 44 über das Computersystem 31 durch eine Fernsteuerung gemäß bekannten Verfahren gesteu­ ert werden.
Das Computersystem 31 enthält ferner eine Drehmomentschätz­ einrichtung 50 zum Zuführen von Drehmomentschätzwerten an eine Anzeige/Interface 52, das die Drehmomentmessungen ei­ nem Kommunikationsnetzwerk zuführt, wie es in Fig. 1 dar­ gestellt ist, oder eine Auslesung der Drehmomentmessungen entweder lokal oder ferngesteuert, je nach Wunsch, liefert.
Gemäß der Erfindung generiert die Drehmomentschätzeinrich­ tung 50 Drehmomentschätzwerte in Abhängigkeit von den ge­ messenen Strömen und Spannungen von den Sensoren 16-18 beziehungsweise 32-34, wobei der folgende Ausdruck für das elektromagnetische Drehmoment Te in einer elektrischen Maschine verwendet wird:
wobei L(R) eine Induktivitätsmatrix für den Motor und iT die Transponierung des Stromvektors i darstellen, wobei:
wobei isi die dreiphasigen Statorströme darstellt und iri die dreiphasigen Rotorströme darstellt (Tiefzahl i = 1, 2, 3). In ähnlicher Weise sind die dreiphasigen Stator- und Rotorspannungen dargestellt durch den Vektor:
v= [vs1, vs2, vs3, vr1, vr2, vr3].
Die Spannungen können dann integriert werden und liefern die Flußverkettungen:
λ= [λs1, λs2, λs3, λr1, λr2, λr3].
Bei Transformation aller Variablen in Gleichung (1) in einen Stator-Bezugsrahmen und von einem dreiphasigen in ein zweiphasiges Koordinatensystem in bekannter Weise kann das elektromagnetische Moment Te in Größen der Statorflußver­ kettungen und Statorströme dargestellt werden als:
wobei p die Polpaarzahl darstellt und λsd, λsq, isd und isq die zweiphasigen Komponenten der Statorflüsse beziehungs­ weise Statorströme sind. Die transformierten zweiphasigen Komponenten der Statorströme und Statorspannungen werden in Größen der dreiphasigen Komponenten wie folgt dargestellt:
Die transformierten Komponenten der Statorströme und Sta­ torflüsse können auch wie folgt in Beziehung gesetzt wer­ den:
wobei rs den Statorwiderstand darstellt. Die Statorspannun­ gen und -ströme werden durch die Spannungs- und Stromsenso­ ren gemessen, wie es vorstehend beschrieben wurde; und der Statorwiderstand rs wird auf einfache Weise gemessen. (Die Verwendung der Statorwiderstandsmessung verbessert die Ge­ nauigkeit der Drehmomentschätzwerte.) Das Drehmoment wird somit präzise aus diesen Messungen durch die Drehmoment­ schätzeinrichtung 50 unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) ermittelt.
Zum Vergleich stellt Fig. 3a grafisch das Drehmoment dar, das während des Betriebs von einem dreiphasigen Motor unter Verwendung eines elektromechanischen Momentwandlers gemes­ sen ist, und Fig. 3b stellt das Drehmoment dar, wie es ge­ mäß der Erfindung geschätzt wurde. Fig. 3c stellt den ef­ fektiven Motorstrom dar. Durch Vergleichen der Kurven gemäß Fig. 3a und 3b ist ersichtlich, daß die Drehmomentschätz­ einrichtung gemäß der Erfindung präzise Drehmomentschätz­ werte liefert. In der Tat liefert die Drehmomentschätzein­ richtung bei einem Nullmoment eine sogar bessere Messung des Drehmomentes als der Drehmomentwandler. Darüber hinaus verdeutlicht die Kurve gemäß Fig. 3c, im Vergleich zu den Kurven gemäß Fig. 3a und 3b, wie der Strom nicht eine skalierte Version des tatsächlichen Drehmomentes ist, das durch den Motor erzeugt wird.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Span­ nungs- und Stromsensoren in einem Modul 80 getrennt von dem Computersystem 31 und dem Schalter oder Schütz angeordnet, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 angegeben ist. Auf diese Weise wird eine sogar höhere Präzision in den Spannungs- und Strommessungen und demzufolge in den Drehmomentschätzwerten erhalten, indem die Verwendung von miniaturisierten Komponenten vermieden wird.
In einem noch weiteren Ausführungsbeispiel, das schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, sind drei Moduln vorgesehen, die enthalten: (1) die Strom- und Spannungssensoren (gezeigt als Stromwandler CT bzw. Spannungstransformatoren PT); (2) den Schalter oder das Schütz 10′ mit einem modifi­ zierten Computersystem 31′ (d. h. ohne die Drehmomentschätz­ einrichtung); (3) eine Drehmomentschätzeinrichtung 50′. Für dieses Ausführungsbeispiel enthält die Drehmomentschätzein­ richtung ihre eigene Elektronik, d. h. A/D-Wandler und Steuerungen bzw. Regelungen getrennt von denjenigen des Schalters oder Schützes 10′.
In vorteilhafter Weise liefert ein Schalter gemäß der Er­ findung einen Überstrom- und Unterspannungsschutz und ein präzises Drehmomentschätzvermögen innerhalb eines einzelnen Paketes. In ähnlicher Weise enthält ein Schütz gemäß der Erfindung ein Drehmomentschätzvermögen. Somit können der Status von einer motorgetriebenen Last genau und zuverläs­ sig ermittelt und auch die Natur von Fehlern in dem Motor oder der Last ermittelt werden.

Claims (21)

1. Schalter zur Verwendung in einem motorgetriebenen System, enthaltend:
eine Stromabtasteinrichtung (16-18) zum Messen des Stroms in jeder entsprechenden Phase des Motors,
eine Spannungsabtasteinrichtung (32-34) zum Messen der Spannung über jeder entsprechenden Phase des Motors,
eine Stelleinrichtung (44) zum Steuern eines Kontaktpaares (46-48), das mit jeder entsprechenden Phase des Motors in Verbindung steht, wobei die Stelleinrichtung (44) die Kon­ taktstücke in Abhängigkeit von einer Anzeige von einem Überstromzustand durch die Stromabtasteinrichtung oder einen Unterspannungszustand durch die Spannungsabtastein­ richtung trennt oder schließt,
gekennzeichnet durch eine Computereinrichtung (31) zum Emp­ fangen der gemessenen Ströme und Spannungen von der Stromabtasteinrichtung (16-18) bzw. der Spannungsabtast­ einrichtung (32-34) und zum Steuern der Stelleinrichtung (44) in Abhängigkeit davon, wobei die Computereinrichtung (31) ferner eine Drehmomentschätzeinrichtung (50) aufweist zum Schätzen des von dem Motor abgegebenen Drehmomentes aus den gemessenen Strömen und Spannungen.
2. Schalter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor drei Phasen hat und die Drehmomentschätzeinrichtung (50) die gemessenen Ströme und Spannungen in einen zweipha­ sigen Stator-Referenzrahmen transformiert und das abgegebe­ ne Drehmoment Te wie folgt ableitet: wobei λsd, λsq, isd, und isq transformierte zweiphasige Komponenten der Statorflüsse bzw. der gemessenen Ströme wobei vsd und vsq die transformierten zweiphasigen gemesse­ nen Spannungen und rs den Statorwiderstand darstellen.
3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) stromabtastende Wand­ ler aufweist.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabtasteinrichtung (32-34) Spannungstransforma­ toren aufweist.
5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (10) als Ummantelung vorgesehen ist.
6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) und die Spannungsabta­ steinrichtung (32-34) in einem Abtastmodul (80) getrennt von der Stelleinrichtung (44), den Kontaktstücken (46-48) und der Computereinrichtung (31) enthalten sind.
7. Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Verbinden der Computereinrichtung (31) mit einer Kommu­ nikationseinrichtung zur Fernsteuerung der Stelleinrichtung (44) durch die Computereinrichtung (31).
8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs- und Stromabtasteinrichtungen, die Stellein­ richtung und die Drehmomentschätzeinrichtung jeweils in ei­ nem getrennten Modul enthalten sind.
9. Schütz zur Verwendung in einem motorgetriebenen System, enthaltend:
eine Stromabtasteinrichtung (16-18) zum Messen des Stroms in jeder entsprechenden Phase des Motors,
eine Spannungsabtasteinrichtung (32-34) zum Messen der Spannung über jeder entsprechenden Phase des Motors,
eine Stelleinrichtung (44) zum Steuern eines Kontaktpaares (46-48), das mit jeder entsprechenden Phase des Motors in Verbindung steht, wobei die Stelleinrichtung (44) die Kon­ taktstücke in Abhängigkeit von einem Steuersignal trennt oder schließt,
gekennzeichnet durch eine Computereinrichtung (31) zum Emp­ fangen der gemessenen Ströme und Spannungen von der Stromabtasteinrichtung (16-18) bzw. der Spannungsabtast­ einrichtung (32-34) und zum Steuern der Stelleinrichtung (44) in Abhängigkeit davon, wobei die Computereinrichtung (31) ferner eine Drehmomentschätzeinrichtung (50) aufweist zum Schätzen des von dem Motor abgegebenen Drehmomentes aus den gemessenen Strömen und Spannungen.
10. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor drei Phasen hat und die Drehmomentschätzeinrichtung (50) die gemessenen Ströme und Spannungen in einen zweipha­ sigen Stator-Referenzrahmen transformiert und das abgegebe­ ne Drehmoment Te wie folgt ableitet: wobei λsd, λsq, isd, und isq transformierte zweiphasige Komponenten der Statorflüsse bzw. der gemessenen Ströme sind und wobei vsd und vsq die transformierten zweiphasigen gemesse­ nen Spannungen und rs den Statorwiderstand darstellen.
11. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) stromabtastende Wandler aufweist.
12. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabtasteinrichtung (32-34) Spannungstransformatoren aufweist.
13. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (10) als Ummantelung vorgesehen ist.
14. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) und die Spannungsabta­ steinrichtung (32-34) in einem Abtastmodul (80) getrennt von der Stelleinrichtung (44), den Kontaktstücken (46-48) und der Computereinrichtung (31) enthalten sind.
15. Schütz nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Verbinden der Computereinrichtung (31) mit einer Kommu­ nikationseinrichtung zur Fernsteuerung der Stelleinrichtung (44) durch die Computereinrichtung (31).
16. Schütz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs- und Stromabtasteinrichtungen, die Stellein­ richtung und die Drehmomentschätzeinrichtung jeweils in ei­ nem getrennten Modul enthalten sind.
17. Elektrisches Verteilungssystem zur Verwendung in einem Motorregelzentrum, enthaltend:
eine Stromabtasteinrichtung (16-18) zum Messen des Stroms in jeder entsprechenden Phase des Motors,
eine Spannungsabtasteinrichtung (32-34) zum Messen der Spannung über jeder entsprechenden Phase des Motors, gekennzeichnet durch eine Computereinrichtung (31) zum Steuern der Stelleinrichtung (44) in Abhängigkeit davon, wobei die Computereinrichtung (31) ferner eine Drehmoment­ schätzeinrichtung (50) zum Empfangen der gemessenen Ströme und Spannungen von den Strom- bzw. Spannungsabtasteinrich­ tungen und zum Schätzen des von dem Motor abgegebenen Dreh­ momentes aufweist, und
eine Einrichtung zum Verbinden der Drehmomentschätzeinrich­ tung mit einer Kommunikationseinrichtung zur Fernsteuerung eines Motors in Abhängigkeit von dem geschätzten Ausgangs­ drehmoment aus der Drehmomentschätzeinrichtung.
18. Verteilungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motor drei Phasen hat und die Drehmoment­ schätzeinrichtung (50) die gemessenen Ströme und Spannungen in einen zweiphasigen Stator-Referenzrahmen transformiert und das abgegebene Drehmoment Te wie folgt ableitet: wobei λsd, λsq, isd, und isq transformierte zweiphasige Komponenten der Statorflüsse bzw. der gemessenen Ströme sind und wobei vsd und vsq die transformierten zweiphasigen gemesse­ nen Spannungen und rs den Statorwiderstand darstellen.
19. Verteilungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) stromabtastende Wandler aufweist.
20. Verteilungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabtasteinrichtung (32-34) Spannungstransformatoren aufweist.
21. Verteilungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (16-18) und die Spannungsabtasteinrichtung (32-34) getrennt von der Drehmomentschätzeinrichtung in einem Abtastmodul enthalten sind.
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