УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ ПОМЕХ В СЕТИ
NOISE IN NETWORK ELIMINATION CONTROL DEVICE

Изобретение относится к устройству регулирования для снижения электрических помех в сети, которые вызываются колебаниями момента электродвигателя, в частности фликер-эффекта. Изобретение также относится к системе с таким устройством регулирования, а также к способу снижения электрических помех, вызванных колебаниями момента электродвигателя, в частности фликер-эффекта, в сети с помощью такого устройства регулирования.
Причиной помех в сети, как, например, фликер-эффекта, являются колебания момента приводных устройств, которые электрически соединены с сетью. В случае приводного устройства электродвигатель, который питается через инвертор (преобразователь переменного тока в постоянный), связан с механической нагрузкой или с механическим источником. Помехи могут возникать, если механическая нагрузка, например поршневой компрессор, или механический источник, как, например, двигатель внутреннего сгорания, имеет колеблющийся профиль момента. Это приводит к колебаниям в сетевом токе, которые затем могут вызвать помехи в сети. Электродвигатель может эксплуатироваться как двигатель, так что он преобразует электрическую энергию в механическую энергию, чтобы тем самым приводить в действие нагрузку, или может эксплуатироваться как генератор, если он механическую энергию преобразует в электрическую энергию, чтобы тем самым генерировать электрическую энергию. Инвертор служит для того, чтобы управлять потоком энергии. К инвертору относится устройство регулирования инвертора, в том числе для приема сигналов заданных значений. Оно может находиться в непосредственной близости, в частности в общем шкафу распределительного устройства с инвертором, или размещаться пространственно отдельно. Неравномерная механическая нагрузка на вал двигателя, которая, например, вызывается работой поршневого компрессора, приводит к неравномерной электрической нагрузке сети, что может проявляться в форме сетевых помех, как, например, фликер-эффекта. Неравномерная механическая нагрузка электродвигателя может смягчаться и уменьшаться за счет того, что большая маховая (инерционная) масса используется на валу двигателя. Она снижает мешающие воздействия на электрической стороне электродвигателя. В общем случае маховая масса увеличивает конструктивный объем, вес и тем самым также стоимость двигательного блока отчасти даже заметно.
В основе изобретения лежит задача простым и экономичным образом минимизировать или в идеальном случае устранять электрические помехи, которые обусловлены колебаниями момента при работе нагрузки или источника в электродвигателе, который электрически питается через связанный с сетью инвертор.
Эта задача решается устройством регулирования для снижения электрических помех в сети, которые вызываются колебаниями момента по меньшей мере одного электродвигателя, в частности фликер-эффекта, причем устройство регулирования имеет по меньшей мере один первый вход для подачи входного сигнала, который содержит информации, которые пригодны для определения нагрузки сети колебаниями момента, и по меньшей мере один выход для выдачи выходного сигнала на по меньшей мере один инвертор, питающий электродвигатель, для снижения электрических помех в сети, вызываемых колебаниями момента электродвигателя.
Эта задача также решается системой с признаками пункта 6 формулы изобретения, а также способом с признаками пунктов 11 и 16 формулы изобретения.
В основе изобретения лежит знание о том, что помехи в сети могут быть минимизированы или даже устранены неожиданно простым образом путем обработки информаций о нагрузке сети колебаниями момента.
При этом устройство регулирования вмешивается во взаимодействие механической энергии и электрической энергии, причем в этой компоновке инвертор служит в качестве исполнительного элемента. Для этого устройство регулирования получает в качестве входных параметров соответствующие информации о нагрузке сети. Чтобы этой нагрузке сети противодействовать, в зависимости от входного сигнала генерируется соответствующий выходной сигнал и передается на инвертор в качестве исполнительного элемента. Главным преимуществом такого регулирования является то, что маховые массы могут быть исключены или по меньшей мере уменьшены. Наряду с меньшим весом и меньшими затратами можно тем самым одновременно достичь высокой динамики привода.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В предпочтительной форме выполнения входной сигнал содержит информации об электрической мощности, принимаемой из сети или вводимой в сеть по меньшей мере одним электродвигателем, или о токах и/или напряжениях, имеющих место в электродвигателе. Эти параметры особенно пригодны для того, чтобы определять нагрузку сети колебаниями момента. Определение может, например, осуществляться путем вычислений или оценок. Преимущество этих параметров заключается в том, что они могут относительно просто предоставляться посредством соответствующих измерительных устройств. Особенно предпочтительным этот вариант осуществления является в том случае, когда соответствующие измерительные устройства уже имеются в системе для других задач регулирования, управления или контроля, так что соответствующие параметры могут просто подаваться на устройство регулирования.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройство регулирования имеет по меньшей мере один дополнительный вход для подачи дополнительного входного сигнала, который содержит выводимые из электродвигателя механические информации, в частности, для числа оборотов и/или угла ротора. Из этой информации можно получить взаимосвязь между нагрузкой сети и углом ротора. Эта взаимосвязь может использоваться для того, чтобы выполнять регулирование частотно-избирательным образом. Это имеет, в числе прочего, большое преимущество, заключающееся в том, что динамика регулирования используется для частотных составляющих, с помощью которых можно противодействовать помехе наиболее эффективно.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройство регулирования имеет средства для частотного анализа, которые предусмотрены для обработки входных сигналов. Это имеет, в числе прочего, большое преимущество, состоящее в том, что динамика регулирования используется для тех частотных составляющих, с помощью которых можно противодействовать помехе наиболее эффективно.
В другом предпочтительном варианте осуществления выходной сигнал содержит информации о заданном моменте и/или о напряжениях инвертора. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что устройство регулирования может простым способом привязываться к устройству регулирования инвертора, так как устройство регулирования инвертора часто имеет вход для заданного значения момента. Преимущество выходов напряжения состоит в раздельном построении различных имеющихся контуров регулирования, чтобы также можно было их отдельно оптимизировать. При этом, например, устройство регулирования числа оборотов использует вход устройства регулирования инвертора для заданного значения момента, в то время как устройство регулирования для снижения помех в сети оказывает влияние на напряжения инвертора. Тем самым возможно разделение задач регулирования, и отдельные задачи могут соответственно различным образом оптимизироваться.
В другом предпочтительном варианте осуществления система для устранения помех в сети содержит регулятор двигателя. Преимуществом этой компоновки является то, что также существующие системы регулирования с регуляторами двигателей, например, для регулирования числа оборотов могут быть расширены на соответствующее изобретению устройство регулирования, чтобы устранять помехи, которые вызываются колебаниями момента. Это расширение на устройство регулирования для устранения помех может при необходимости осуществляться также впоследствии.
В другом предпочтительном варианте осуществления система имеет блок связи для сопряжения выходного сигнала устройства регулирования и выходного сигнала регулятора двигателя. Преимуществом этой формы выполнения является то, что устройство регулирования максимально просто встраивается в соответствующую систему, при необходимости также в существующую систему. Имеющиеся выходы регулятора двигателя простым способом связываются с выходами устройства регулирования через блок связи, чтобы их затем подать на устройство регулирования инвертора. В частности, для последующих расширений системы на устройство регулирования для снижения помех в сети за счет этого обеспечивается простая интеграция. Устройство регулирования инвертора не требуется при таком расширении дополнять другими входами.
В другом предпочтительном варианте осуществления применяется фильтр верхних частот для фильтрации входного сигнала электрической мощности. Он, в числе прочего, обеспечивает то, что изменения заданного значения числа оборотов не интерпретируются регулятором как помеха. Тем самым в максимальной степени устраняется взаимодействие различных контуров регулирования. Кроме того, низкочастотные составляющие момента на электродвигателе исключаются из вычисления регулирующего сигнала для снижения помех. Эти составляющие могли бы при обстоятельствах вызвать неточности в определении выходного сигнала. Преимущество этого варианта осуществления заключается в более высокой точности при определении регулирующего сигнала устройства регулирования.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройство регулирования, регулятор двигателя, устройство регулирования двигателя, фильтр верхних частот и/или блок связи совместно или по частям объединены в общий блок регулирования. Так как различные задачи регулирования посредством различных частей программного обеспечения могут быть осуществлены на одном и том же блоке аппаратных средств, то посредством такого объединения может быть достигнуто сокращение затрат на аппаратные средства и тем самым отчасти заметное сокращение стоимости.
Далее изобретение описывается более подробно и поясняется на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - первая блок-схема системы с питаемым через инвертор электродвигателем и устройством регулирования,
Фиг. 2 - другая блок-схема системы согласно фиг. 1, расширенной на регулятор двигателя и дополнительный вход для устройства регулирования,
Фиг. 3 - другая блок-схема системы согласно фиг. 2, расширенной на блок связи, фильтр верхних частот и средства для частотного анализа,
Фиг. 4 - другая блок-схема системы согласно фиг. 3, в которой части регулирования объединены в общий блок регулирования, и
Фиг. 5 - общая блок-схема соответствующей изобретению системы.
На фиг. 1 показана первая блок-схема системы с питаемым через инвертор 3 электродвигателем 4 и устройством 1 регулирования. К основным компонентам системы относятся сеть 2 для обмена электрической энергией, инвертор 3, который питает электродвигатель 4, а также устройство 1 регулирования. Устройство 14 регулирования инвертора является функциональным компонентом инвертора 3. Для того, чтобы снижать или устранять помехи в сети 2, которые возникают из-за колебаний момента в электродвигателе 4, входной сигнал 8 на первом входе 7 передается к устройству 1 регулирования, с помощью которого может определяться нагрузка сети 2 на основе колебаний момента электродвигателя 4. Устройство 1 регулирования генерирует для этого выходной сигнал 10 на выходе 9 устройства 1 регулирования, который пригоден для того, чтобы с помощью инвертора 3 противодействовать помехам. Этот выходной сигнал 10 подается на устройство 14 регулирования инвертора 3.
На фиг. 2 показана другая блок-схема системы согласно фиг. 1, расширенной на регулятор 5 двигателя и дополнительный вход 11 для подачи дополнительного входного сигнала 12 для устройства 1 регулирования. При этом также могут быть реализованы варианты выполнения, которые содержат только один из этих обоих элементов в качестве расширения. Относительно иных компонентов системы можно сослаться на описание фиг. 1 и на приведенные там ссылочные позиции. Устройство 1 регулирования получает на дополнительном входе 11 входной сигнал 12, который содержит информации о числе оборотов и/или угле ротора электродвигателя 4. Средства 17 для частотного анализа, содержащиеся в устройстве 1 регулирования, могут на основе дополнительного входного сигнала 12 раскладывать входной сигнал 8 на различные частотные составляющие. Дополнительный входной сигнал 12 способствует тому, чтобы определять релевантные частоты для частотного анализа. Они представляют, в частности, основное колебание, которое соответствует механической частоте двигателя, а также соответствующие высшие гармоники. Выход 9 устройства 1 регулирования передает выходной сигнал 10 на устройство 14 регулирования инвертора, который имеет лишь ограниченное число частот. Только с составляющими из основного колебания могут уже быть достигнуты удовлетворительные результаты регулирования. Каждая последующая частотная составляющая улучшает режим регулирования. Тем самым динамика регулирования используется для частот, с помощью которых инвертор может противодействовать помехам наиболее эффективно. Регулятор 5 двигателя служит тому, чтобы устанавливать рабочую точку, как, например, число оборотов электродвигателя 4. Для этого регулятору 5 двигателя требуется входной сигнал 19 с электродвигателя 4, в данном примере сигнал числа оборотов. В качестве выходного сигнала 16 регулятор 5 двигателя предоставляет инвертору 3 заданное значение, чтобы регулировать электродвигатель 4 в заданную рабочую точку.
Фиг. 3 показывает другую блок-схему системы согласно фиг. 1 и фиг. 2, так что во избежание повторений относительно согласующихся компонентов системы можно сослаться на описания фиг. 1 и фиг. 2 и приведенные там ссылочные позиции. Фиг. 3 содержит для дополнительной оптимизации режима регулирования еще фильтр 15 верхних частот для обработки входного сигнала 8, а также блок 6 связи. При этом также могут быть реализованы варианты выполнения, которые содержат один из обоих элементов в качестве расширения.
Блок 6 связи обеспечивает сопряжение выходного сигнала 10 устройства 1 регулирования и выходного сигнала 16 регулятора 5 двигателя друг с другом и вырабатывает выходной сигнал 18 блока 6 связи, который передается к устройству 14 регулирования инвертора 3 для управления электродвигателем 4. Для системы обеспечивается преимущество, состоящее в том, что устройство 14 регулирования инвертора должно вновь принимать только один сигнал. Расширения на второй вход для устройства 14 регулирования инвертора можно избежать, так что также уже существующие системы могут быть расширены на устройство регулирования для устранения помех в сети. Фильтр 15 верхних частот служит тому, чтобы входной сигнал 8 устройства 1 регулирования обрабатывать перед подачей на устройство 1 регулирования. При этом низкочастотные составляющие удаляются из сигнала. Это, в числе прочего, гарантирует, что задачи регулирования регулятора двигателя, как, например, намеренное изменение числа оборотов, не будут интерпретироваться устройством 1 регулирования как помеха. За счет этого можно в значительной степени избежать взаимодействия различных контуров регулирования. Тогда во входном сигнале 8 остаются составляющие, обусловленные помехами. Тем самым определение выходного сигнала 10 устройства 1 регулирования может выполняться проще, точнее и с меньшими затратами.
Фиг. 4 показывает другую блок-схему системы, соответствующей фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, так что во избежание повторений относительно согласующихся компонентов системы можно вновь сослаться на описания фиг.1 - фиг.3 и приведенные там ссылочные позиции. Особенность примера выполнения согласно фиг. 4 состоит в том, что компоненты регулирования системы, такие как устройство 1 регулирования, устройство 14 регулирования инвертора, регулятор 5 двигателя, фильтр 15 верхних частот и блок 6 связи объединены в общий блок 13 регулирования. Различные компоненты часто являются только различными частями программного обеспечения, которые, однако, могут быть осуществлены на тех же аппаратных средствах регулирования. Тем самым для отдельных компонентов регулирования не требуются обязательным образом различные блоки аппаратных средств. Объединение различных программных процедур в одном блоке аппаратных средств приводит во многих случаях к сокращению затрат.
Фиг. 5 показывает другой пример выполнения соответствующей изобретению системы. При этом связанный с сетью 2 инвертор 3 питает электродвигатель 4. Для регулирования числа оборотов двигателя применяется регулятор 5 двигателя, который в качестве входных параметров получает сигнал 101 числа оборотов как фактическое значение от электродвигателя 4 и заданное значение 105 числа оборотов как заданное значение. В регуляторе 5 двигателя из обоих поданных значений формируется разность, которая подается на регулятор 108 числа оборотов, например, PI регулятор. Регулятор 108 числа оборотов генерирует заданное значение 104 крутящего момента, которое тогда одновременно представляет собой выходной сигнал 16 регулятора двигателя. Как уже было показано и объяснено в связи с фиг. 1 - фиг. 4, для подавления помех в сети 2 дополнительно к регулятору 5 двигателя имеется устройство 1 регулирования. Из информаций 103 на электродвигателе 4, в частности из напряжения(й) и тока или токов, с помощью средства 111 для определения мощности генерируется сигнал 112 мощности. Фильтр 15 верхних частот удаляет низкочастотную составляющую, чтобы входной сигнал 8 устройства 1 регулирования содержал только составляющие мощности, вызванные помехами в сети 2. Это, в том числе, гарантирует, что задачи регулирования регулятора 5 двигателя, как, например, изменение числа оборотов, не будут интерпретироваться устройством 1 регулирования как помеха. За счет этого в значительной степени предотвращается взаимодействие различных контуров регулирования. В устройстве 1 регулирования входной сигнал 8 подается на регулятор 107 колебаний мощности. Для того, чтобы иметь возможность выполнения частотного анализа, который относится к основному колебанию и колебаниям верхних гармоник механической частоты двигателя, из сигнала 101 числа оборотов с помощью интегратора 109 формируется механический угол 102 ротора и подается на средство 17 для частотного анализа. Последнее генерирует вспомогательные сигналы 113 для частотного анализа, которые формируются из синусных и косинусных значений механического угла 102 ротора и его кратных значений. В принципе, для частотно-избирательного регулирования можно привлекать любое количество гармоник. Достаточно хорошие результаты регулирования достигаются уже для основного колебания. Фиг. 5 показывает дополнительное применение 1-ой гармоники, что также оказалось целесообразным. Отдельные вспомогательные сигналы 113 для частотного анализа в регуляторе 107 мощности колебаний перемножаются соответственно с входным сигналом 8, затем интегрируются, чтобы затем с соответственно одинаковыми вспомогательными сигналами 113 для частотного анализа перемножаться, как перед этим. Результатом являются отдельные дополнительные составляющие 115 момента, сумма которых подается на пропорциональное звено 114, которое путем умножения на постоянный коэффициент оптимизирует режим регулирования. Получаемый отсюда выходной сигнал является заданным значением 106 дополнительного момента, который соответствует выходному сигналу 10 устройства 1 регулирования. Заданное значение 106 дополнительного момента с отрицательным знаком накладывается на заданный момент 104 и подается как общий заданный момент 110 на устройство 14 регулирования инвертора.