CN101802626B - 用于识别三相电网中的负载不对称的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种识别三相电网中的负载不对称的装置(10)，其中，提供通过三相线(99)的三相电流的整流时间曲线作为与该三相电流成比例的输入电压信息(35，45)，其特征在于，该输入电压信息(35，45)被输送至一个最大值模块(14，24)；通过该最大值模块(14，24)提供第一辅助电压信息(36，46)，该第一辅助电压信息相当于输入电压信息(35，45)在一个可预定的时间间隔内保持近似不变的峰值；该第一辅助电压信息(36，46)被输送至一个比例模块(15，25)；通过该比例模块(15，25)输出/提供一个与第一辅助电压信息(36，46)成比例的第二辅助电压信息(37，47)；输入电压信息(35，45)和第二辅助电压信息(37，47)分别被输送到一个比较模块(16，26)，通过该比较模块提供一个包含关于负载不对称的数据的输出电压信息(38，48)。

Description

用于识别三相电网中的负载不对称的装置

技术领域

本发明涉及一种用于识别三相电网中的负载不对称，其中，提供通过三相线的三相电流的整流时间曲线作为与该三相电流成比例的输入电压信息。

背景技术

众所周知的是，在能量供应领域中的三相电网具有三条不同的供电线，所谓的三相负载与这些供电线连接。在理想情况下，能量供应网的负载是对称的，也就是说，通过各条供电线的交变电流具有相同的频率，大小相等且在各条供电线之间相位互差120°。在对称的能量供应网中的电压具有相类似的特征，即三条供电线在测量点上相对于参考点的电压具有相同的频率，相同的振幅，但相位互差120°。在这种对称情况下，三条供电线的电流通过一条共同的回线叠加为零。

大多数情况下，能量供应网的不对称状态是由负载不对称引起的，也就是说，三个单独的供电线中流过大小不同的电流，这同样导致不受欢迎的补偿效应。通过三条供电线的电流在它们的共同的回线中不再叠加成零。无论如何，这样的非对称状态在纯粹的能量供应网中是不受欢迎的，但是在一定程度上是可容忍的，例如当通过各条供电线的电流之间的大小差别不超过20％。

异步电动机是一种三相电负载，该负载由于对称的绕组机械设计结构而被视为是理想对称的。因此，在异步电动机中的负载不对称性是存在故障的一个评判标准。通常地，异步电动机通过与之相适应的三相逆变器进行馈电，这些逆变器产生三个分别相互错开120°的正弦形电压，这些电压的频率和振幅视异步电动机需要达到的工作状态而定是可改变的。异步电动机可以具有几个kW到多个MW的设备功率。额定转速位于不超过10000min^-1的转速范围内，需要产生的供应电压的最大频率也间接地同这些转速相适应。但是，异步电动机也可以在不使用逆变器的条件下与例如频率为50Hz或60Hz的电力供应网连接，在这种情况下，调速能力就非常有限。

为了在异步电动机中识别故障，根据现有技术，通常采用各种安全装置，特别是热过载继电器。这些装置大多都是基于对通过异步电动机的三相供电线的电流进行的逐相测量，其中，故障识别标准在于，在一定时间间隔内的电流有效值超过事先确定的极限值。这例如可借助双金属片的温升来实现，通过电流流过在该双金属片中进行热输入。

这种做法的缺点特别是，只识别超过极限电流，从而不识别在故障电流小于极限电流的情况下可能发生的故障，例如这些故障可能在异步电动机欠载的情况下出现。特别是按照现有技术的故障识别在未经调整的异步电动机中证实是有困难的，因为该电动机在起动时需要一个增大的起动电流，该起动电流可能明显超过它的额定电流。为了避免故障识别的可能的错误触发，通常选择增大的电流极限值和/或延长的时间常数，从而因此不利地降低了安全灵敏度。

发明内容

从该现有技术出发，本发明的任务是提供一种用于识别三相电网中，特别是异步电动机中的负载不对称的装置，该装置避免了所述的缺点并尽可能快速地识别可能出现的负载不对称。

根据本发明，该任务是通过一种用于识别三相电网中的负载不对称的装置得以解决。该用于识别三相电网中的负载不对称的装置的特征在于，输入电压信息被输送至一个最大值模块；通过该最大值模块提供一个第一辅助电压信息，该第一辅助电压信息相当于输入电压信息在一个可预定的时间间隔内保持近似不变的峰值；该第一辅助电压信息被输送至一个比例模块；通过该比例模块输出/提供一个与第一辅助电压信息成比例的第二辅助电压信息；输入电压信息和第二辅助电压信息分别被输送至一个比较模块，通过该比较模块提供一个包含关于负载不对称的数据的输出电压信息。

输入电压信息近似地分段地具有正弦形的走向，以及在对称负载情况下，在一个周期内由6个正弦函数波峰彼此紧挨的排列组成，该周期由信号频率的倒数得出，例如在50Hz时为20ms。数量6由各个电流相移120°且对各个正弦负半波进行整流而得到，因此这6个波峰分别相互间隔60°。

输入电压信息低于相应的最大值的85％的值，可以被看作是可能的不平衡负载的标准，正如下面在实施例中所说明的。

第一电压信息的最大值与第一辅助电压信息相对应，该第一辅助电压信息通过最大值模块形成。

为了测定可能出现的输入电压信息值偏低的情况，在最大值模块之后连接一个比例模块，此时输入电压信息的值低于其最大值的某个需要确定的百分比值(但最高为85％)，借助该比例模块提供一个与第一辅助电压信息成比例的第二辅助电压信息，例如50％的第一辅助电压信息。

如果输入电压信息低于第二辅助电压信息，这是存在不平衡负载的一个标准，那么由输入电压信息与第二辅助电压信息通过比较模块的比较可得出第一电压信息值。如果不存在低于的情况，那么由比较模块提供一个第二电压信息值。

因此，特别是在异步电动机中，即使在其额定电流值以下也可能较快地识别可能发生的不平衡负载。

有利地，借助测量模块，三个通过三相线的相电流能够逐相地在测量技术上被检测并能够分别被转换成第一，第二及第三比例测量电流信息。连接在后的整流模块将这些测量电流信息转换成第四测量电流信息。在这种转换过程中，提供第一，第二及第三测量电流信息中的数值总是最大的测量电流信息值作为第四测量电流信息。该第四测量电流信息能够借助又是布置在后面的转换模块被转换成一个与之成比例的电压信息并提供给开头所述的最大值模块或者比较模块作为输入量。

有利地，实际电压可以用作电压信息，而实际电流可以用作电流信息。

以这种方式，所述的模块可以借助电子标准元件来实现，例如可以获得本发明装置机械坚固性特别好的结构。此外，这使得特别简单地制造模块成为可能。

然而，本发明的构思还包括测量电流信息及电压信息作为数据值在模块之间进行交换。这在如下情况下是特别有利的：可编程开关电路或数据处理设备可供使用，在这些电路或数据处理设备上，这些模块至少部分能够以程序模块的形式来实现。此外，这使得其他功能的简单集成成为可能，例如借助测得的电流来基于模型地确定异步电动机的温升。

经证实有利的是，比例模块的比例系数是可调节的，该比例系数是模块的输出电压信息值与模块的输入电压信息值的比例。

因此，也就是说，改变本发明装置在识别可能的不平衡负载方面的灵敏度是可能的。

在另一种实施方式中，在比较模块的最初被提供输入电压信息的那个输入端之前连接一个第二比例模块，该第二比例模块具有可调节的比例系数。

以这种方式，实现了改变装置灵敏度的另一种可能方案。

在一种特别有利的实施方式中，在比较模块之后还连接一个评价模块，该评价模块分析输出电压信息在一个特定的时间间隔内的时间曲线，并在识别到不平衡负载的情况下启动至少一个通过供电线供电的负载的切断过程。

因此，通过本发明装置监控的负载得到保护，免受可能的过载的影响，以及以积极的方式影响总供电网的稳定性。

在一种优选的实施方式中，一个和/或多个模块连同以后对于本发明装置的应用来说有意义的元件被设置在同一个壳体内，这些有意义的元件例如是一个或多个安全装置、开关装置和/或指示装置。

以这种方式，减少了为保护和/或监控一个或多个负载所需要的全部元件的数量，以及简化了装置的装配或者维护。

如果为了进一步保护和/或监控一个或多个电负载而需要实现其他功能，那么处于多个壳体中的装置的模块化结构是特别有利的。这些功能利用在装置中存在的测量电流和/或电压信息的一部分，例如利用最大值模块的输出。同样可想到的是这样的装置，在该装置中，用于检测电流的模块设置在一个单独的壳体中，以及该模块的测量电流信息可以通过可插接的连接件传递到其他模块，这些其他模块例如一方面是属于一个根据本发明由所述模块组成的装置，再者属于一个设置在单独的壳体中且未详细描述的用于确定例如是异步电动机的负载的热温升的装置，然而，这样的装置对于本领域技术人员来说是已知的。

这种类型的结构减少了在整个***中需要的单个模块和/或元件的数量。

在另一种实施方式中，在同一个壳体中集成了附加功能，如本发明的装置。如果共同期望多个功能，例如在异步电动机中的不平衡负载保护和热温升保护，这是特别有利的。

这样，以有利的方式进一步减少了使用的壳体的数量。

在本发明对象的另一种设计方案中，在其内设置有少数几个和/或多个模块和/或元件的壳体具有尽可能灵活的连接方式，例如至少一种可插接和/或可夹紧的连接方式。同样也可以想到的是一个共同的可插接的用于信息、电流和/或电压传递的连接总线***。

因此，通过模块化的结构，一个或多个壳体的操作可得到进一步的减少。

附图说明

借助在附图中所示的实施例，详细地描述本发明、其他实施方式及其他优点。

图1示出了用于识别负载不对称的第一电路原理图；

图2示出了根据本发明的基于标准元件的用于识别负载不对称的装置的另一个详细电路图；

图3示出了在负载对称且频率为50Hz的情况下的输入电压信息的时间曲线的一个例子；

图4示出了在一相出故障情况下的输入电压信息、输出电压信息以及第二辅助电压信息的时间曲线的一个例子。

具体实施方式

图1示出了本发明装置10的电路原理图，该原理图描述了单个的且相邻的模块之间的信号连接。一条三相供电线99连接一个电负载(未示出)与一个电源(未示出)。电流检测模块11，例如为电流互感器，与流过供电线99的三条相线的电流相对应地产生第一测量电流信息31、第二测量电流信息32及第三测量电流信息33。在负载对称的情况下，这三个测量电流信息具有正弦形时间曲线，大小相等且它们的相位角分别相互偏移120°。在调速异步电动机中，通过测量电流信息描述的测量电流的频率可以在小于10Hz到超过10kHz之间。

在例如由于损坏的供电线99而导致的缺相情况下，在供电线所涉及的相线中没有电流流过，而在剩余的其他相线中分别流过一个大小取决于供电网或者馈电逆变器的电流。

在单相短路的情况下，在供电线99所涉及的相线中流过一个增大的电流。

这三个测量电流信息31，32，33被输送至一个整流模块12，该整流模块在其输出端以第四测量电流信息的形式提供一个数值总是最大的测量电流信息值。在实际测量电流的情况下，这例如是通过B6整流器来实现。

第四测量电流信息34在转换模块13中被转换成比例电压信息35。在实际电流的情况下，这例如可以通过测量电阻来实现，实际测量电流34流过该测量电阻并在该测量电阻上产生比例压降。

可选地，例如对于电压信息35是数字化的值，也就是说纯粹的数据值的情况，借助可编程集成电路的纯粹的数学乘法是可能的，正如下面所要描述。然后处理这些数据值，例如形式为集成的可编程开关电路，所谓的ASICS，其中，在这里，多个单个模块的功能是可有利地联合。

电压信息35被输送至一个最大值模块14，该最大值模块提供输入电压信息35在最近的前一个时间间隔(例如为几秒钟)内的最大值，作为形式为第一辅助电压信息36的输出量。该电压信息值是衡量三个测量电流信息31，32，33之一在前一个观察时间间隔内的最大值有多高的一个标准，此外还用作参考值，以使得各个测量电流信息之间可能的数值偏差是可识别的。对于实际电压值，这例如可通过电容器、放电电阻和二极管来实现。该放电电阻在这里用于实现时间窗(例如几秒钟)，在该时间窗内进行最大值观察。下面借助例子来说明另一种最大值模块的另一种实施方式。

第一辅助电压信息36在比例模块15中被转换成一个成比例的第二辅助电压信息37并与输入电压信息35一起被输送至比较模块16。第二辅助电压信息37与第一辅助电压信息36的比例是通过比例模块15预先给定，例如位于50％到85％的数值之间，并影响本发明装置10的故障灵敏度。该比例越小，对于可能的不平衡负载的故障灵敏度就越不灵敏。

比较模块16输出一个输出电压信息38作为输出量，然后从该输出电压信息中可得出可能的负载不对称或者不平衡负载，如下文借助例子所示。

图2示出了本发明用于识别负载不对称的装置的一种实施方式20，该实施方式包括另一种最大值模块24、另一种比例模块25和另一种比较模块26。与在图1中所示的模块14，15及16存在功能类似。以有利的方式，在本例中的各个模块具有电子标准元件，例如电阻，电容器，二极管或差分放大器。通过使用这样的标准元件来保证本发明装置相对于环境影响的特别坚固的结构，环境影响例如机械振动或温度变化。此外，这种类型的装置的制造可非常简单地进行。

在所选取的例子中，输入量是实际输入电压45，该输入电压被输送至该另一种最大值模块24中。该最大值模块由三个电阻R1，R2和R3、一个二极管D1、一个电容器C1及一个第一差频信号放大器N1组成，其中，确定最大值是通过电容器C1和二极管D1来实现。该另一种最大值模块24的输出量是实际的第一辅助电压46。在本例中使用的这些实际电压例如位于这样的电路通常的0V到10V的范围内。

按照图2，该另一种比例模块35是作为分压器来实现，该分压器由两个电阻R4和R5组成，以及它的输出量是一个实际的第二辅助电压47。电阻R5同R4与R5的总值之间的比例描述了第二辅助电压47和第一辅助电压46之间的比例。为了实现50％的比例，选取相等的电阻R4，R5，例如分别为100kΩ。

该另一种比较模块26在本例中由处于标准连接中的两个电阻R6和R7及一个第二差分放大器N2组成。在这里所示的装置的输出量是一个实际电压48，该实际电压可以表现为第一电压值或者第二电压值，并从该实际电压是可得出负载不对称的存在。

图3示出了对于按照图1所示的例子，负载对称且频率为50Hz的情况下，经过整流的输入电压信息35的时间曲线。对于该例子，由此得到20ms的周期长度，该周期长度相当于360°的相位角。在所示的时间间隔内的最小电压信息值大约为在所示的时间间隔内的最大值的85％。这相当于30°角的余弦函数值，因为输入电压信息35在一个周期长度内是由6个正弦函数波峰组成，其中，每个波峰覆盖60°的范围。因此，波峰最大值与相邻最小值的角度间隔为30°。

原则上，低于最大值的85％的极限值可看作是存在负载不对称的标准。但是，为了避免由测量误差或者随机波动决定的可能的错误触发，要选取一个小于85％的数值，例如75％。

图4示意地示出了输入电压信息35、第二辅助电压信息37和输出电压信息38在如图1例子的一相出故障的情况下的时间曲线。最小电压信息在本例子中大约为最大值的50％，这相当于60°的正弦函数值，其中，60°是正弦波峰的中点到相邻最小值的角度间隔。第二辅助电压信息通过比例模块同样被调整至大约为输入电压信息35的最大值的50％。在这种情况下，负载不对称被识别，因为输入电压信息35部分表现为比近似不变的第二辅助电压信息37更小的值。因此，输出电压信息38在这种情况下表现为最小的第一个值，或者在另一种可能的情况下，即没有出现低于的情况，则表现为最大值。布置在后面的评价模块(未示出)此外对输出的电压信息进行评价。

由于测量误差或随机波动，输入电压信息在数秒的时间间隔内一次且少量地低于第二辅助电压信息可能不是基于实际的不平衡负载。这例如可以由随机波动或测量误差决定。因此，为了通过必要时设置在后面的评价模块来避免可能的错误触发，适合的是，只有当在最长为一秒的时间内存在至少一次重复的负尖峰，例如至少十个负尖峰时，才可视为检测到负载不对称。可选地，这种可能的错误触发也可通过借助合适地选取比例模块(15，25)的比例系数，例如为75％或更小，降低装置灵敏度来避免。

对于电压信息值为实际电压的情况，这些电压信息值优选在可比较的电路通常的电压范围内，例如0V到10V的范围内变化。

附图标记说明：

10用于识别负载不对称的装置

11测量模块

12整流模块

13转换模块

14最大值模块

15比例模块

16比较模块

20用于识别负载不对称的装置的实施方式

24另一种最大值模块

25另一种比例模块

26另一种比例模块

31第一测量电流信息

32第二测量电流信息

33第三测量电流信息

35输入电压信息

36第一辅助电压信息

37第二辅助电压信息

38输出电压信息

45输入电压

46第一辅助电压

47第二辅助电压

48输出电压

60电压信息值

99三相供电线

Claims (11)

1.用于识别三相电网中的负载不对称的装置(10)，其中，通过该三相电网的三相线(99)的三相电流能够借助测量模块(11)从测量技术的角度进行检测并能够分别被转换成第一比例测量电流信息(31)、第二比例测量电流信息(32)及第三比例测量电流信息(33)；借助整流模块(12)能够从第一比例测量电流信息(31)、第二比例测量电流信息(32)及第三比例测量电流信息(33)中生成一个第四测量电流信息(34)，该第四测量电流信息通过转换模块(13)被转换成一个与之成比例的输入电压信息(35，45)，提供该输入电压信息作为输出量，其特征在于，输入电压信息(35，45)被输送至一个最大值模块(14，24)；通过该最大值模块(14，24)提供一个第一辅助电压信息(36，46)，该第一辅助电压信息相当于输入电压信息(35，45)在一个可预定的时间间隔内保持近似不变的峰值；该第一辅助电压信息(36，46)被输送至一个比例模块(15，25)；通过该比例模块提供一个与第一辅助电压信息(36，46)成比例的第二辅助电压信息(37，47)；输入电压信息(35，45)和第二辅助电压信息(37，47)分别被输送至一个比较模块(16，26)，通过该比较模块提供一个包含关于负载不对称的数据的输出电压信息(38，48)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，输入电压信息(35)、输出电压信息(38)、第一辅助电压信息(36)、第二辅助电压信息(37)中至少有一个是实际电压；和/或，第一比例测量电流信息(31)、第二比例测量电流信息(32)、第三比例测量电流信息(33)、第四测量电流信息(34)中至少有一个是实际电流；和/或，输入电压信息(35)、输出电压信息(38)、第一辅助电压信息(36)、第二辅助电压信息(37)、第一比例测量电流信息(31)、第二比例测量电流信息(32)、第三比例测量电流信息(33)、第四测量电流信息(34)是数字化的值。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在第二辅助电压信息(37，47)和第一辅助电压信息(36，46)之间形成一个可借助该比例模块(15，25)调节的比例系数。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在输入电压信息(35，45)所要送至的比较模块(16，26)之前，在此比较模块输入侧连接一个附加的比例模块，该附加的比例模块的输入量是输入电压信息(35，45)，并通过该附加的比例模块提供一个与输入电压信息(35，45)成比例的第三辅助电压信息，作为所述比较模块(16，26)的输入量。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述比较模块(16，26)之后连接一个评价模块，通过该评价模块能够启动至少一个连接的负载的切断过程。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，测量模块(11)、整流模块(12)、转换模块(13)、最大值模块(14)、比例模块(15)、比较模块(16)中的至少一个模块具有以下结构中的至少一种：至少一个分立电子元件、至少一个集成电路。

7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，测量模块(11)、整流模块(12)、转换模块(13)、最大值模块(14)、比例模块(15)、比较模块(16)中的至少两个模块是在一个唯一的共同的模块中实现。

8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，测量模块(11)、整流模块(12)、转换模块(13)、最大值模块(14)、比例模块(15)、比较模块(16)中的至少一个模块和/或其他元件被设置在一个共同的壳体内。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少设置用于可拆卸连接的连接元件，该连接元件是可夹接或可插接的快速连接器。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，为了识别负载不对称，第二辅助电压信息(37，47)的值与第一辅助电压信息(36)的值的比例在比例模块(15，25)上预先给定，范围为50％到85％。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，为了识别负载不对称，第二辅助电压信息(37，47)的值与第一辅助电压信息(36)的值的比例在比例模块(15，25)上预先给定，范围为75％。

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