МОНИТОРИНГОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАКТИВНОЙ МАШИНЫ И СПОСОБ МОНИТОРИНГА
MONITORING APPARATUS FOR RELUCTANCE MACHINE AND METHOD FOR MONITORING

Изобретение относится к реактивной машине и ее мониторингу. Синхронная реактивная машина может работать управляемым или регулируемым образом.
Реактивные машины представлены в виде реактивного электродвигателя или, соответственно, в виде реактивного генератора. Для определения положения ротора (называемого также вращающейся частью) реактивной машины может применяться датчик. Но реактивная машина может также работать без датчика.
Для определения положения ротора у электрической машины может, например, использоваться также векторное регулирование.
Из DE 19703248 A1 известны способ и устройство для определения угловой скорости ротора не имеющей датчика, снабженной векторным регулированием машины с вращающимся магнитным полем.
Из EP 2023479 B1 известна система для непрерывного нахождения скорости и/или положения, включая останов, у ротора с постоянными магнитами электрической машины. Описан способ нахождения скорости и/или положения электрического провода из измерения многофазного тока статора.
Из EP 2226929 A1 описана система мониторинга достоверности для измерений движений устройства электрического привода. В этом способе мониторинга измерения движения устройства электрического привода на достоверность мониторится измерение движения датчика. На основании измерений электрических токов в устройстве электрического провода создаются одно или несколько оценочных значений положения, скорости и/или ускорения устройства привода, причем указанное или указанные оценочные значения сравниваются на соответствие с одним или несколькими, созданными из выходных сигналов датчика измеренными значениями.
Реактивная машина, в частности синхронная реактивная машина, может применяться, работая без датчика. В таком режиме работы, при работе без датчика, реактивная машина может работать управляемым образом. При управляемой работе параметрируемый ток всегда неизменен. При управляемой работе, в частности, происходит проход диапазона низких выходных частот. Ток настраивается, в частности, так, что может прикладываться или, соответственно, создаваться ожидаемый момент. Если амплитуда тока слишком мала, ротор ускоряется не так, как желательно, и реактивный двигатель стопорится или, соответственно, блокируется. Вектор тока вращается относительно ротора и создает при переходе через ось вращающего момента попеременно положительный и отрицательный момент. Это воспринимается как «стук». Частота вращения остается в среднем на нуле; то есть ротор реактивной машины, или, соответственно, вал, который соединен с ротором, блокируется.
Задачей изобретения является надежная работа реактивной машины.
Решение задачи обеспечивается посредством мониторингового устройства для реактивной машины по 1 формулы изобретения или, соответственно, способа мониторинга реактивной машины по п.4 формулы изобретения. Соответствующие варианты осуществления получаются по пп.1-3 или, соответственно, 5-8 формулы изобретения.
Чтобы избежать «стука» при управляемой работе, может мониториться отклонение модуля тока. Однако регулятор тока реактивной машины может при маленьких частотах хорошо отрабатывать возникающие гармоники (в частности, 2-кратную частоту статора). Поэтому мониторинг может дополнительно улучшаться.
При регулируемой работе может мониториться разность номинального и фактического потока и таким образом мониториться ротор. Также путем применения датчика может распознаваться блокирование (стук) ротора, или, соответственно, блокирование соединенного с ротором вала.
Для распознавания блокирования (стука) реактивной машины или, соответственно, ротора реактивной машины есть другая возможность. Это касается, в частности, управляемой работы реактивной машины.
Реактивная машина укомплектована преобразователем тока. Для регулирования и/или управления реактивной машиной предусмотрено ориентированное по полю регулирование/управление или, соответственно, регулятор тока. Они могут одновременно использоваться для мониторинга реактивной машины. Если вектор тока вращается относительно неподвижного вала, возникает составляющая потока за счет комплексного и комплексно-сопряженного вектора тока по следующей формуле:
Ψ
d
q
= Ψ+jΨ
Ψ
I
I
Ʃ
Δ
= (L+L*)
Ʃ
d
q
L = 0,5 ∙ (L+L)
Δ
d
q
L = 0,5 ∙ (L - L)
Ψ
где:  поток (магнитный поток)
d компонента d
q компонента q
L индуктивность.
Ψ
FUND
FUND
При этом одна компонента  потока вращается с положительной основной частотой f, а одна с отрицательной основной частотой f. Основная частота является частотой вектора тока.
Рассматриваются электрические частоты (отнесенные к статору). Частота потока преобразуется с числом пар полюсов на стороне статора. Чтобы отрегулировать желательный вектор тока, регулятор тока создает вектор напряжения, который создает некоторую составляющую с отрицательно вращающейся основной частотой. Вследствие преобразования пространственного вектора в систему координат, которая вращается с отрицательной основной частотой, все составляющие частоты смещаются на основную частоту. При этом возникающая из-за комплексно-сопряженного тока составляющая становится постоянной составляющей. Эта постоянная составляющая может отфильтровываться фильтром нижних частот из сигнала (общего сигнала) и использоваться для обнаружения блокированного вала. Отсюда получается, следовательно, другая возможность мониторинга реактивной машины.
При этом возникающая в случае ошибки (стука) и вращающаяся с отрицательной частотой составляющая напряжения вследствие преобразования во вращающуюся с отрицательной частотой систему координат смещается на нулевую линию частоты и при этом становится сигналом постоянной величины. Вращающаяся с положительной частотой и приводящая в движение машину составляющая основных волн напряжения вследствие преобразования координат смещается на линию двойной основной частоты. Посредством фильтра нижних частот уровень нулевой линии частот может отделяться от уровня двойной основной частоты. При этом на выходе фильтра нижних частот в случае ошибки появляется стационарный сигнал постоянной величины.
Мониторинговое устройство для реактивной машины имеет блок вращения вектора для вращения зависимого от напряжения пространственного вектора, фильтр нижних частот для вращаемого пространственного вектора и блок обработки сигнала для выходного сигнала фильтра нижних частот. Посредством этого мониторингового устройства может распознаваться остановившийся (стучащий) вал или, соответственно, ротор. Зависимый от напряжения пространственный вектор может быть, например, вектором напряжения или пространственным вектором потока. Пространственный вектор потока дифференцирован от вектора напряжения. Вектор потока является интегралом вектора напряжения. Вектор напряжения является производной вектора потока.
В одном из вариантов осуществления мониторингового устройства с помощью блока вращения пространственных векторов вращается система координат, вращающаяся с отрицательной основной частотой.
В одном из вариантов осуществления мониторингового устройства блок вращения вектора выполнен, чтобы вращать пространственный вектор на отрицательную основную частоту. Так может находиться наличие постоянной составляющей. Положительная основная частота является частотой заданного вектора тока (неизменный ток).
В одном из вариантов осуществления мониторингового устройства пространственный вектор является вектором напряжения. Этот вектор напряжения находится в соответствии с вектором потока. То есть пространственный вектор альтернативно может быть также вектором потока.
В одном из вариантов осуществления мониторингового устройства блок обработки сигнала имеет блок нахождения модуля и блок сравнения с пороговым значением. С помощью фильтра нижних частот может находиться постоянная составляющая. Находится модуль этой постоянной составляющей пространственного вектора, которая относится к потоку или напряжению. Затем этот модуль может сравниваться с некоторым пороговым значением. Если модуль выше порогового значения, распознается ошибка. То есть распознается блокирование (стук) вала (ротора).
Это блокирование (стук) вала, в противоположность мониторингу отклонения тока, может распознаваться во всем диапазоне частоты вращения. С помощью надлежащего сообщения об ошибке внимание оператора реактивной машины может быстрее обращаться на ошибочное параметрирование (например, на низкий пусковой ток для управляемой работы).
При способе мониторинга реактивной машины пространственный вектор потока, который зависим от напряжения, преобразуется во вращающуюся с отрицательной частотой систему координат и мониторится в ней как стационарный сигнал постоянной величины. Соответственно этому сигнал постоянной величины является постоянной величиной и/или постоянной составляющей сигнала.
Соответственно этому в одном из вариантов осуществления способа из потока, т.е. из соответствующего вектора, может обнаруживаться постоянная составляющая. Так как поток зависим от напряжения, соответственно этому получается постоянная составляющая также у напряжения. Так постоянная составляющая тока пространственного вектора потока может находиться или, соответственно, мониториться из блока обработки сигнала посредством фильтра нижних частот. Применение фильтра нижних частот уже описано выше.
Таким образом, при способе мониторинга реактивной машины может мониториться пространственный вектор потока или, соответственно, напряжения. Этот пространственный вектор преобразуется на основную частоту. Преобразование осуществляется, в частности, на отрицательную основную частоту. Эта основная частота соответствует, в частности, заданной частоте вращения реактивной машины. При этом мониторится постоянная составляющая преобразованного пространственного вектора. При нормальной работе эта постоянная составляющая равна нулю или, соответственно, почти нулю. Постоянная составляющая повышается, когда ротор блокируется или, соответственно, стучит.
В одном из вариантов осуществления способа после преобразования (в частности, выполненного с помощью блока вращения вектора) посредством фильтра нижних частот создается или, соответственно, находится имеющаяся при определенных обстоятельствах (то есть в случае блокирования или, соответственно, стука) постоянная составляющая.
В одном из вариантов осуществления способа постоянная составляющая сравнивается с некоторым пороговым значением и выдается сообщение об ошибке, когда постоянная составляющая подвергнутого векторному преобразованию пространственного вектора достигает этого порогового значения и/или превышает его. Для этого в одном из вариантов осуществления может также дополнительно применяться гистерезис.
В одном из вариантов осуществления способа реактивная машина работает с мониторингом как не имеющая датчика реактивная машина. Так надежная работа реактивной машины может достигаться экономичным образом без датчиков.
В одном из вариантов осуществления способа реактивная машина работает в управляемом режиме. При этом может также надежно выполняться пуск реактивной машины.
Изобретение, а также другие варианты осуществления изобретения поясняются подробнее далее с помощью примеров осуществления на фигурах. Показано:
фиг.1: сечение листов ротора реактивной машины;
фиг.2: реактивная машина, имеющая регулятор тока;
фиг.3: векторная диаграмма при нормальной работе;
фиг.4: векторная диаграмма в случае ошибки (блокирование или, соответственно, стук ротора или, соответственно, вала); и
фиг.5: мониторинговое устройство.
d
q
На изображении в соответствии с фиг.1 показано сечение 1 листов ротора реактивной машины. Показан также полюс 2 и промежуток 3 между полюсами вместе с осями d и q потока на основе преобразования Парка. Ось d относится к составляющей, образующей поток, а ось q относится к составляющей, образующей момент, всего потока. Это сечение 1 листов ротора представляет собой характерный наглядный пример ротора реактивной машины. Наряду с полюсом 2 и промежутком 3, которые соответственно изображают ось d и ось q, изображен также поток Ψ и поток Ψ.
I
I
U
U
soll
На изображении в соответствии с фиг.2 показана реактивная машина 4, имеющая регулятор 14 тока. При этом получается упрощенная блок-схема регулирования реактивной машины 4. Реактивная машина 4 имеет статор 5, имеющий пазы 6 статора, в которые вставлены обмотки статора. Показан также ротор 7, сечение листов которого отображено. Реактивная машина 4 имеет подключение 8 к трехфазному току. Для измерения тока или, соответственно, напряжения фаз подключения 8 к трехфазному току предусмотрен трехфазный измерительный элемент 9. Снятые измеренные значения обрабатываются в блоке 10 обработки фактических значений. Блок 10 обработки фактических значений выдает фактическое значение  тока. Это фактическое значение  тока является входным значением регулятора 15 тока. Другим входным значением регулятора 14 тока является номинальное значение I 12 тока. Кроме того, регулятор 14 тока имеет связь с моделью 13 двигателя. Выходным значением регулятора 14 тока является номинальное значение  15 напряжения. Это номинальное значение  15 напряжения является входной величиной инверторного управления 16. Это инверторное управление 16 имеет в качестве выходных величин сигналы 17 активирования, которые введены в инвертор 18. Инвертор 18 служит для питания реактивной машины 14 электрической энергией.
I
Ψ
I
I
r
На изображении в соответствии с фиг.3 показана векторная диаграмма для реактивной машины, причем на этой векторной диаграмме векторы напряжения отдельно не изображены. Вектор напряжения получается из производной по времени потока и повернут на 90° относительно вектора потока. Эта векторная диаграмма базируется на изображении оси d 26 и оси q 27. Изображены вектор  тока, поток Ψ, поток  и поток Ψ*. Пространственные векторы движутся, как изображен, с угловой скоростью ω электрического ротора. Применительно к изображенным значениям получаются следующие уравнения:
r
ω = ω
I
R
I
Ψ=L ∙
I
Im
I
Ψ* = L ∙ *
На изображении в соответствии с фиг.3 показана векторная диаграмма реактивной машины при работе предписанным образом. В рабочем состоянии реактивной машины в соответствии с фи.3 не возникает стука или, соответственно, блокирования ротора. На основании уравнений
Ψ
d
q
= Ψ+jΨ
Ψ
I
I
Ʃ
Δ
= (L+L*)
Ʃ
d
q
L = 0,5 ∙ (L+L)
Δ
d
q
L = 0,5 ∙ (L - L)
делается вывод, что ось d вращается одновременно, как и комплексно-сопряженная составляющая потока.
I
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
I
I
I
I
I
I
На изображении в соответствии с фиг.4 показана другая векторная диаграмма, имеющая оси d 26 и q 27. Изображен также вектор  тока, имеющий угловую скорость ω, и проходящий по нему вектор , а также смещенный относительно него на -ω вектор *. В отличие от изображения в соответствии с фиг.3, на изображении в соответствии с фиг.4 показано не нормальное рабочее состояние, а случай ошибки, при котором вал или, соответственно, ротор блокирован, то есть стучит. Вектор  потока вращается с угловой скоростью ω. Вектор * вращается с угловой скоростью -ω. При этом векторы  и * вращаются в противоположных направлениях. Отсюда получается постоянная составляющая, которая может обнаруживаться.
ab
Fund
Fund
ab
XV
Ʃ
Δ
Δ
Ʃ
Δ
I
I
I
На изображении в соответствии с фиг.5 показано мониторинговое устройство 19. Это мониторинговое устройство 19 служит для мониторинга реактивной машины. Мониторинговое устройство имеет входные сигналы 21 и 25. Входной сигнал 21 является пространственным вектором, в частности неподвижным относительно статора вектором U напряжения (напряжение на клеммах двигателя). Входной сигнал 25 является отрицательной круговой частотой 2π(-f). При этом основная частота f обозначена как отрицательная отрицательным знаком перед числом. Отрицательная круговая частота 25 считывается посредством считывания с частотой T считывания. Для блока 20 вращения вектора посредством блока 24 интегрирования по углу осуществляется интегрирование входного сигнала 25 по времени считывания. Выходной сигнал блока 24 интегрирования по углу вводится в блок 20 вращения вектора, который вращает пространственный вектор 21. Вращаемый с отрицательной круговой частотой пространственный вектор 21 направляется через фильтр 22 нижних частот. Выходной сигнал фильтра 22 нижних частот дополнительно обрабатывается в блоке 23 обработки сигнала. Блок 23 обработки сигала представляет собой, например, блок нахождения модуля, причем в настоящем случае нахождение модуля ⏐U⏐ компонентов вектора напряжения выполняется во вращающейся системе координат. В случае ошибки компонента L вращается, как в нормальном случае, всегда с положительным направлением. Компонента L* в случае ошибки вращается с отрицательным направлением. В нормальном случае компонента L* вращается также с положительной частотой. То есть, таким образом, в случае ошибки, как и в нормальном случае, компонента LI вращается с положительной частотой (направлением вращения), сопряженная компонента LI* в нормальном случае вращается с положительным направлением, однако в случае ошибки изменяет направление вращения и вращается в отрицательном направлении.