专利名称：在逆变器供电压缩机中识别“旋转失速”故障的方法
技术领域：
本发明涉及一种在一由换流器供电三相交流电动机驱动的压縮机中识别"旋转失
速"故障的方法。
背景技术：
压縮机工作中可能出现以下故障，S卩"喘振(Surge)"、"失速(Stall)"和"旋转失 速(Rotating Stall) ，，。 J. M. Sorokes于2003年2月通过Dresser-RandCompany，Houston, Texas公司发表了"Rotating Stall-An Overview ofDresser_Rand_Experience，，(方定转失 速_德莱赛兰公司实践概述) 一文，文章在详细介绍"旋转失速"故障之前，对上述几种故 障作了简单说明。"旋转失速"故障经常在"喘振"故障之前出现。这两种故障在一定范围内都是允 许的，不过由于"旋转失速"故障中会有振动现象出现，因此"旋转失速"故障会导致材料疲 劳。迄今为止，对"旋转失速"故障的识别只在大型压縮机中借助于压力传感器和/或振动 传感器进行。这种识别的品质和分辨率与这些压力传感器和/或振动传感器的定位和数量 有关。另外，这些压力传感器和/或振动传感器的安装和分析也很复杂。使用压力传感器 时，可能会出现安装点密度和状态识别分辨率方面的问题。 DE 10 2004 060 206 B3中公开过一种由换流器供电三相电机驱动的压縮机。所 采用的换流器具有一场定向控制装置。该专利说明书提供了一种操作换流器供电压縮机的 方法，这种方法可以显著縮短喘振的持续时间并大幅降低其强度。这种方法是根据压縮机 的驱动换流器的信号电平和一预存的喘振极限特性曲线测定该压縮机的实际工作状态。用 换流器供电三相电机的信号电平可以很快确定是否存在不允许的工作状态。为此须对驱动 换流器产生转矩的电流分量和转速实际值这两个参数加以利用。此外，该方法还需使用喘 振极限特性曲线和与转速相关的转矩特性曲线。
发明内容
本发明的目的是提供一种在换流器供电压縮机中通过使用驱动换流器的信号电 平来识别"旋转失速"故障的方法。 根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。 本发明基于以下认识，即在换流器供电压縮机中，旋转失速会导致驱动该压縮机 的换流器供电三相交流电动机的电枢电流急剧下降。 本发明的方法是根据测得的换流器输出电流计算一产生转矩的电流分量，这个电 流分量与一转矩估计值相当。借助于一闭环转速控制装置，根据一测得的与转速成比例的 信号和一预定的与转速成比例的信号测定一产生转矩的电流分量的额定值，该电流分量与 一转矩额定值相当。将存在于场定向控制装置中的电动机转矩估计值与一固定的电动机转 矩额定值相比较。如果该估计值与电动机转矩的固定额定值不一致，就表明存在"旋转失 速"故障。
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在使用已有驱动变量的情况下，不必再设置附加的压力传感器和/或振动传感 器。 本发明所述方法的有利实施方式由从属权利要求2至7给出。
下面借助附图对本发明作进一步说明，附图所示为一用于实施本发明所述方法的 装置的实施方式的示意图，其中 图1为一换流器供电压縮机的框图，该压縮机包括一用于实施本发明所述方法的 装置；以及 图2为出现"旋转失速"故障时，测得电枢电流以时间为横坐标的曲线图。
具体实施例方式
在图1中，2表示一用于实施本发明所述方法的装置，4表示一负载侧换流器，6表 示一场定向控制装置，8表示一三相交流电动机，10表示一用于检测一与转速成比例的信 号"的装置，12表示一压縮机。三相交流电动机8在其定子侧与负载侧换流器4的输出 端相连，该负载侧换流器又被称为"逆变器"。压縮机12和用于检测一与转速成比例的信号 "的装置10与三相交流电动机8的转子机械相连。负载侧换流器4是一电压源换流器的 组成部分。负载侧换流器4以其直流电压侧与一电压源直流链电路相连，一网侧换流器也 通过其直流电压侧连接在该电压源直流链电路上。为清楚起见，该电压源换流器只显示为 负载侧换流器4。 场定向控制装置6具有一实际值计算器14和一额定值计算器16。实际值计算器 14 (经常也被称为"磁通计算器")与测量装置18和20相连，这些测量装置用于测量负载侧 换流器4的输出电流^、i^和iS3以及输出电压i^、i^和i^。例如，具有电流模型和电压 模型的实际值计算器14，根据这些测量值isl、iS2、iS3和usl、uS2、uS3以及三相电机8的参数， 计算出正交场定向电流分量i^和i^以及一磁通定向g 。如果实际值计算器14具有电流模 型，则除了负载侧换流器4的测得输出电流isl，、 iS2和i^夕卜，该电流模型还需要一与转速 成比例的信号"。额定值计算器16同样需要这个信号"，因此该信号"在实际值计算器
14中显示为一断线。由于这些计算实际值j:::3、 if;q和e涉及的都是模型值，所以都附带了 —方面，额定值计算器16具有一转速控制电路22、 一磁通控制电路24和一转矩控 制电路26，另一方面具有一变换装置28。转速控制电路22具有一比较器30和一转速控制 器32。转矩控制电路26同样具有一比较器34和一控制器36。该转矩控制电路26从属于 转速控制电路22。比较器30用一预定的额定值"*和一测定的与转速成比例的信号"产 生一控制差值，这个控制差值经转速控制器32调整后归零。该转速控制器32的输出端上 存在一转矩额定值m*，比较器34将该转矩额定值与一转矩估计值A进行比较，这个转矩估 计值与测定的电流分量"q成比例。借助于控制器36(其输出端上存在一正交电流分量i:^ 的一额定值)使转矩估计值ft跟踪转矩额定值m气正交电流分量i^也被称作"产生转矩的 电流分量"，是场定向电流矢量"电动机电流"的一电流分量。磁通控制电路24的前面连接有一磁通额定值生成器38，该磁通额定值生成器的输出端与磁通控制电路24的比较器40 的一输入端相连。比较器40的反相输入端上存在正交电流分量〖,^的计算估计值。这个比 较器的输出端与一磁通控制器42相连，该磁通控制器的输出端上存在一第二正交电流分 量is/的一额定值。这个第二正交电流分量is/也被称为"产生磁通的电流分量"。这两 个电流分量k/和is/由一矢量移相器44转换成正交定子定向电流分量i^ ^和ise 、所 述矢量移相器的角度输入端(Winkeleingang)上存在一计算磁通角估计值f:。借助一坐标 转换器46，根据这些正交定子定向电流分量is。 ^和ise^，产生一三相电流系统的三个电流
额定值is/、^/和is/。将这些电流额定值is/、^/和isJ按相位分别传输给一比较器 48，这些比较器通过其输出端分别与一电流控制器50相连。此外，这些比较器48还通过其 输入端分别与一测量装置18相连。 用于实施本发明所述方法的装置2，按照本发明的方法，对驱动装置的转矩估计值 r i和转矩额定值m*进行处理，该驱动装置由负载侧换流器4和包括压縮机12的三相交流电 动机8构成。最终产生一表明出现"旋转失速"故障的信号S^。将两个转矩信号A和n^进 行比较以产生这个信号S『其中，转矩额定值n^为一固定值。由于该转矩额定值!11*是由 一上级转速控制电路22测定，所以这个转矩额定值!11*与工作点相关。当计算转矩估计值 lft与固定的转矩额定值m*不一致时，就表明存在"旋转失速"故障。 图2显示的是在n = 17000rpm的转速下出现"旋转失速"故障时，三相电机8的 测得电枢电流曲线图，该三相电机8包括相连压縮机12，该曲线图以时间为横坐标。该电枢 电流在时间点tKS1急剧下降，在时间点tKS2重新回升。电枢电流的这种急剧下降是"旋转失 速"故障引起的。 为了尽可能紧接着时间点tKS1检测出这个时间点tKS1上发生的"旋转失速"故障， 须对转矩估计值ft (该转矩估计值与三相电机8的产生转矩的电流分量isq成比例)进行过
滤，其中，这一过滤包含微分运算。亦即，当在时间点tKS1出现"旋转失速"故障时，经过滤的
转矩估计值A逐渐发生变化，而固定的转矩额定值n^则保持不变。为了在发生负载变化时
也能检测出"旋转失速"故障，须将检测出的转矩的额定值与实际值的差值(该差值作为控
制器差值存在于转矩控制电路26的比较器34的输出端上)与一预定的最大值相比较。如
果该差值超过了这个最大值，就表明在负载变化过程中出现了"旋转失速"故障。 在采用本发明的方法的情况下，由换流器供电三相交流电动机8驱动的压縮机中
不必再设置附加的压力传感器和/或振动传感器，而压縮机12中这些附加元件所带来的不
利因素也不会出现。此外，由于可以可靠地在"旋转失速"故障发生时同步检测出这一故障，
因而可以及时地采取应对措施。 这些措施包括-降低转速 为此，首先需要减小电动机转矩，使得压縮机12的反转矩能起制动作用。其目的 是减小质量流量，以便达到一个新的稳定工作点。
-提高转速 这首先需要增大电动机转矩。其目的是增大质量流量，以便达到一个新的稳定工 作点。 为了能在"旋转失速"故障发生后立即对其予以确认，本发明的方法对换流器供电三相交流电动机8的已有信号加以利用。本发明的方法由此可作为应用软件整合在换流器中。这样就可以在不借助任何辅助手段的情况下对每个由此类换流器供电三相交流电动机8驱动的压縮机12进行针对"旋转失速"故障的监测。
权利要求
一种在一压缩机(12)中识别“旋转失速”故障的方法，所述压缩机由一换流器供电三相交流电动机(8)驱动，其中，将一转矩估计值与一转矩额定值(m*)比较，在二者不一致的情况下产生一信号(SRS)，所述信号表明已出现“旋转失速”故障，所述转矩估计值是根据一测得的换流器输出电流(iS1，iS2，iS3)和一测得的与转速成比例的信号(ω)计算得到，所述转矩额定值(m*)是根据一测得的与转速成比例的信号和一预定的与转速成比例的信号(ω，ω*)而确定的。F2008800247350C00011.tif,F2008800247350C00012.tif
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述计算转矩估计值(A )进行微分运算。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于 对所述测得转矩额定值(m*)进行微分运算。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述转矩估计值(A )和所述转矩额定值(m*)所形成的一转矩差值与一与工作点相 关的固定值比较，在二者不一致的情况下产生所述信号(SKS)。
5. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于对所用的转矩值 (m， m"进行过滤。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于 对所形成的转矩差值进行过滤。
7. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述信号(SKS)产生一报警信号。
全文摘要
本发明涉及一种在一压缩机(12)中识别“旋转失速”故障的方法，所述压缩机由一换流器供电三相交流电动机(8)驱动。根据本发明，将一转矩估计值(m)与一转矩额定值(m*)比较，在二者不一致的情况下产生一信号(SRS)，所述信号表明已出现“旋转失速”故障，所述转矩估计值是根据一测得的换流器输出电流(iS1，iS2，iS3)和一测得的与转速成比例的信号(ω)计算得到，所述转矩额定值是根据一测得的与转速成比例的信号和一预定的与转速成比例的信号(ω，ω*)测定。对于由换流器供电三相交流电动机(8)驱动的压缩机(12)来说，如此就可在不设置压力传感器和/或振动传感器的情况下检测出“旋转失速”故障。
文档编号F04D27/02GK101784798SQ200880024735
公开日2010年7月21日 申请日期2008年7月28日 优先权日2007年7月30日
发明者格哈德·内泽尔, 阿克塞尔·默滕斯 申请人:西门子公司