切换过程以及关联控制设备的制作方法【专利摘要】本发明涉及一种用于在来自可调速驱动器（ASD）的供电与来自电网的供电之间切换交流电动引擎的电源的过程，其中所述过程包括以下阶段：确定所述电动引擎的理想转动速度；以及将所述ASD所输送的电压与所述电网所输送的电压的相位和幅度同步。【专利说明】切换过程以及关联控制设备【
技术领域：
】[0001]本发明涉及在来自可调速驱动器(ASD)与电网的供电之间切换以交流电操作的电动引擎(electricengine)的电源的过程。本发明还涉及一种用于控制关联电动引擎的电源的设备。【
背景技术：
】[0002]电动引擎将电能转化成机械能。电动引擎主要由电动机(motor)组成。[0003]对于某些应用，针对电动引擎的电动机具有特定速度要求。在石油或者气体压缩领域中，尤其出现这种情况。在这类情况中，所希望的是，可将电动机的电源从电网快速切换到可调速驱动器(AdjustableSpeedDrive;简称ASD),反之亦然。[0004]ASD尤其适于对电动机进行起动。一旦已起动，电动机就必须通过电网提供电力，并且另外通过ASD提供电力。这就要求ASD与电网所供应的电压同步。这用来防止切换瞬间在电压或电流中出现可能对电动引擎的电动机有害的浪涌(surge)。[0005]已知的是，用于起动电动机的过程包括两个阶段:初始步骤，在所述初始步骤中，使电动机加速，直到使其达到所要求的速度；接着是第二步骤，在所述第二步骤中，将ASD与电网所供应的电压电平同步。[0006]根据黑泽尔(Hazel)于2000年在施耐德电气技术通报第196号(SchneiderElectricTechnicalBulletinN0.196)中公布的标题为“在工业场地和商业建筑中的集成发电(IntegratedElectricalGenerationinIndustrialSitesandCommercialBuildings)”的文档,这种同步通过同步设备实现,所述同步设备由同步单元和同步检查继电器组成。同步检查继电器是测量ASD所提供的电压与电网电压之间幅度和相位差的装置。同步检查可以检验所测量的幅度和相位与同步准则的符合度。[0007]如果并不满足同步准则，那么激活同步。此单元将指令发送到ASD控制器，以使ASD控制器能够校正所测量的差值。指令通常是以电脉冲形式发送。[0008]当这种技术用于进行起动时，加速阶段持续长达10秒，并且同步阶段处于激活状态20秒。因此，整个过程耗时30秒。这对向电动机供电的某些ASD来说时间较长。在某些情况中，此时段的长度足以使得ASD的发热要求通过水或加大尺寸(oversizing)而来进行冷却。[0009]因此，需要一种在ASD与电网的供电之间切换电动引擎的电源的方法，所述切换被更快速地激活。【
发明内容】[0010]本发明中，这种需要通过一种过程满足:在来自可调速驱动器(ASD)的供电与来自电网的供电之间切换交流电动引擎的电源。所述过程包括阶段:确定所述电动引擎所要求的理想转动速度，以及所述可调速驱动器所供应的电压与所述电网所供应的电压的相位和幅度的进行同步。所述同步阶段包括步骤:对所述可调速驱动器所供应的电压和所述电网所供应的电压进行测量，并且计算分别表示两个测得电压之间幅度差和相位差的信号。另外，所述过程包括步骤:确定所述电动引擎的理想流量(flow)。所述同步阶段还包括步骤:基于所述理想流量来针对所述ASD的电压产生控制信号。随后，将表示所计算幅度差的信号添加到这个控制信号上。[0011]根据个别表现，所述过程包括以下特征中一个或多个，这些特征采用分开的或者技术上有可能的任何组合的方式:[0012]激活(或实现)在所述ASD的电压下产生命令的所述阶段，同时也考虑到理想转动速度，向所述电压命令中添加了表示所计算相位差的信号；[0013]所述产生阶段使用矢量命令(或控制)方法激活；[0014]所使用的矢量命令(或控制)方法是调节所述流量和所述速度的幅度；[0015]如果并不满足以下条件中的一个或两个，那么重复所述同步阶段:表示相位差的所述信号的绝对值小于2度，并且表示所计算幅度差的所述信号的绝对值小于所述电网所供应(或输送)电压的2%；[0016]所述电网通过第一开关连接到所述电动引擎上，并且所述可调速驱动器通过第二开关连接到所述电动引擎上；[0017]所述电动引擎最初仅由所述电网提供电力，并且所述过程还包括阶段:如果满足所述两个条件，那么闭合所述第二开关，从而将命令发送到ASD并控制ASD以使电网供应到电动引擎的电流减少并使所述第一开关断开；[0018]所述电动引擎最初仅由所述ASD提供电力，并且所述过程还包括阶段:如果满足所述两个条件，那么闭合所述第一开关，从而将命令发送到ASD并控制ASD以使电网供应到电动引擎的电流增加并使所述第二开关断开；[0019]所述过程还包括阶段:将命令发送到所述ASD并控制所述ASD的电压，以便在所述电动引擎的转动速度的范围内使所述电动引擎的转动速度增加，测量所述电动引擎的所述转动速度，并且一旦所述电动引擎的转动速度达到理想转动速度的90%，就激活所述同步阶段；[0020]一旦所述电动引擎的转动速度达到理想转动速度的96%，就激活所述同步阶段。[0021]另外，本发明还涉及一种控制交流电动引擎的电源的设备，其中所述电动引擎可由ASD和电网提供电力，其中所述设备包括测量所述电网和所述ASD所供应的电压的传感器和能够如上所述激活切换过程的控制设备。【专利附图】【附图说明】[0022]通过阅读对本发明的表现的描述，将更清楚本发明的其他特征以及优点，其中本发明的表现仅仅借助实例并且参照以下附图给出:[0023]图1示出包括根据本发明的切换设备和电动引擎的电气系统的示意性表示，[0024]图2示出在起动图1电动引擎时根据本发明的切换过程激活实例的流程图，以及[0025]图3示出在停止图1电动引擎时根据本发明的切换过程激活实例的流程图。【具体实施方式】[0026]在下文中，将电流方向定义为上游-下游。[0027]图1中的电气系统10包括电源12、用于控制电源12的设备14和交流电动引擎16。电源12通过接线17连接到电动引擎16上。[0028]电源12包括输入端18和输出端20。输入端18连接到电网22上。电网22能够供应电压并且在称为电网频率的频率下运作。在图1的情况中，电网22所供应的电压是三相电压。[0029]电源12包含2个电路24和26，以将输入端18连接到输出端20上。[0030]第一电路24仅仅包括一个开关28。这个开关在下文中称作电网开关28。实际来说，电网开关28具有断开位置和闭合位置，在断开位置中，输入端18和输出端20不通过第一电路24相连接，在闭合位置中，输入端18与输出端20处于直接电接触。在这后一种情况中，输出端20连接到电网22上。[0031]第二电路包括处于串联中的分离变压器30、ASD32和开关34。[0032]变压器30设计方式为使得它引起其作为一方面的一个初级电路或多个初级电路与其作为另一方面的一个次级电路或多个次级电路之间的有效分离。[0033]可调速驱动器32通常以缩写ASD表示。ASD32能够起动交流电动引擎16。[0034]第二电路26中的开关34在下文将被称作可调速驱动器(ASD)开关34。实际来说，ASD开关34具有断开位置和闭合位置，在断开位置中，ASD32和电源12的输出端20不通过第二电路26相连接，在闭合位置中，ASD32与电源12的输出端20处于直接电接触。[0035]因此，电源12能够根据三个配置进行操作。[0036]在第一配置中，电源12能够通过电网22独立输送电压。在这种情况中，电网开关28闭合并且ASD开关34断开。[0037]在第二配置中，电源12能够通过ASD32独立输送电压。在这种情况中，电网开关28断开并且ASD开关34闭合。[0038]在第三配置中，电源12能够通过电网22和ASD32输送电压。在这种情况中，两个开关28和34都闭合。[0039]用于控制电源12的设备14包括用于电动引擎16的流量估计器(floweStimat0r)36、用于电动引擎16的速度测量传感器或估计器38、编号为40和42的两个用于测量电压的传感器和控制器44。[0040]流量估计器36可以通过测量电动引擎16的电压和电流电平对流量进行估计，而不考虑电动引擎16的电源12的性质(通过电网22和/或通过ASD32)。[0041]电动引擎16的速度测量传感器38能够测量或估计电动引擎16的速度。[0042]两个电压测量传感器(40和42)中的一个传感器40能够测量电网开关28上游处的电网22的电压。另一电压测量传感器42则能够测量ASD32与ASD32的开关之间的电压。[0043]流量估计器36和三个测量传感器38、40和42连接到控制器44上。[0044]控制器44能够控制ASD32的电压，并且能使两个开关28和34断开和闭合。这种控制能力在图1中以虚线48示意性地示出。[0045]另外，控制器44能够在来自ASD32与来自电网22的供电之间切换电动引擎16的电源12。[0046]电动引擎16起动过程激活参照图2的流程图进行描述。[0047]在这种情况中，问题在于将电源12从其中电压由ASD32独立供应的配置(ASD开关34闭合并且电网开关28断开)切换到其中电压由电网独立供应的配置(ASD开关34断开并且电网开关28闭合)。[0048]所述过程包括阶段100，所述阶段100用于确定电动引擎16的理想转动速度。[0049]举例来说，将理想转动速度选择为等于与电网22的工作频率关联的转动速度。[0050]或者，将理想转动速度选择为等于电动引擎16的标称速度。[0051]所述过程包括阶段102，所述阶段102用于确定电动引擎16的理想流量。[0052]举例来说，将理想流量选择为电动引擎16的标称流量。[0053]当起动时，最初电动机是稳态的，并且要求在由电网22供应电压的同时电动机应处于理想转动速度。[0054]通过阶段104来确保电动引擎16的转动速度增加，所述阶段104通过控制器44将合适电压命令发送到ASD32。[0055]因此，所述过程包括阶段106，所述阶段106用于测量电动引擎16的转动速度。[0056]一旦所测量的转动速度超过理想转动速度的预定值，那么阶段108被激活以使ASD32所输送电压的相位和幅度与电网22所输送的电压的相位和幅度同步。[0057]预定值小于100%，以便确保在电动引擎16实现其理想转动速度之前开始同步阶段108。如果电动引擎16速度继续增加，那么激活同步阶段108。[0058]举例来说，预定值是等于90%、优选地是95%，或者甚至更优选地是96%。[0059]同步阶段108包括阶段110，所述阶段110通过电压传感器40和42测量ASD32所输送的电压和电网22所输送的电压。[0060]同步阶段108包括阶段112，所述阶段112计算表示ASD32所输送的电压与电网22所输送的电压之间相位误差的信号。[0061]举例来说，在图2的实例中，表示相位误差的信号是ASD32所输送的电压与电网22的电压之间的相位差。[0062]同步阶段108包括阶段114，所述阶段114计算表示ASD32与电网22所输送的电压之间幅度误差的信号。[0063]举例来说，在图2的实例中，表示幅度误差的信号是ASD32所输送的电压与电网22的电压之间的幅度差。[0064]因此，同步阶段108包括阶段116，所述阶段116基于从理想转动速度和从理想流量计算出的两个信号针对ASD32产生控制信号。[0065]在图2的实例框架内，所述控制信号由以下两个总值产生:一个是理想流量与表示幅度误差的信号的总值，另一个是理想转动速度与表示相位误差的信号的总值。[0066]例如，所述产生通过矢量控制方法而实施。所述方法的正确术语是“矢量控制”(“vectorcontrol”)或“场定向控制”(“field-orientedcontrol”)。矢量控制方法允许电动引擎16的速度和流量通过控制施加到ASD32的电压而来控制。[0067]作为说明，使用具有缩写MLI的脉冲宽度调制。这种调制更常见地是通过术语“脉宽调制”或其相关缩写PWM而已知。[0068]如果并未满足两个连续条件，那么重复同步阶段。这由图2流程图中的测试118并由fti头120不出。[0069]两个条件是其中值邻近于表示相位和幅度值的信号的绝对值的同步条件。[0070]例如，将表示相位误差的信号的绝对值与2度进行比较。将表示幅度值的信号的绝对值与电网22所输送的电压的2%进行比较。[0071]一旦使这两个条件得到满足，同步阶段108就完成了，并且所述过程包括阶段122，所述阶段122通过控制器44将闭合命令发送到电网开关28。[0072]发送闭合命令的阶段122通常在电动引擎16达到其理想转动速度之后很快就发生。通常，它在小于3秒的时间内发生。当电网开关28因控制器44发送给发送阶段122的命令而闭合时，电动引擎16由ASD32和电网22同时供电。[0073]另外，ASD32相位由电网22的相位提供。例如，锁定通过锁定相位(lockingphase)或该相位控制的环路(这也被称作“锁相环路(Phase-LockedLoop)”；缩写为PLL)实现。[0074]因此，所述过程包括阶段124，所述阶段124用于控制ASD32的电压以减少ASD32所输送的电压和电流。[0075]如果ASD32所输送的电流低于预定阈值，那么过程包括阶段126，在所述阶段126中，将命令发送到控制器44以便断开可调驱动器开关。[0076]所述预定阈值选择方式为使得当ASD开关34断开时，ASD32输送低幅度的电流。[0077]例如，预定阈值对应于阶段124之前ASD32所输送电流值的5%，所述阶段124控制ASD32的电压以便减少ASD32所输送的电流电平(levelofcurrent)。[0078]或者，预定阈值可以等于固定的值。作为说明，此值等于标称电流的5%。参照图3的流程图来描述当电动引擎16停止时所述过程的激活。[0079]在这种情况中，必须将电源12从其中电压由电网独立供应的配置(ASD开关34断开并且电网开关28闭合)切换到其中电压由ASD32独立供应的配置(ASD开关34闭合并且电网开关28断开)。[0080]所述过程包括阶段200，所述阶段200用于测量电动引擎16的转动速度。[0081]所述过程包括阶段202，所述阶段202用于确定电动引擎16的理想转动速度。用于确定理想转动速度的此阶段202通过将所测量的转动速度选择为理想转动速度而来激活。[0082]所述过程包括阶段204，所述阶段204通过流量估计器36测量电动引擎16的转动速度。[0083]所述过程包括阶段206，所述阶段206用于确定电动引擎16的理想流量。用于确定理想流量的此阶段206通过将所估计的流量选择为理想流量而来激活。[0084]所述过程包括同步阶段208，所述同步阶段208与上文参照图2所述同步阶段108相同。按照相同方式，如果并不满足与上述过程中测试118中的那些条件类似的两个连续同步条件，那么重复同步阶段208。这由测试210并由箭头212示出。[0085]如果使这两个条件得到满足，同步阶段208就完成了，并且所述过程包括阶段214，在所述阶段214中，通过控制器44发送命令以将ASD开关34闭合。[0086]一旦ASD开关34因控制器44所发送的命令而闭合，那么电动引擎16由ASD32和电网22同时供电。[0087]另外，ASD32相位由电网22的相位提供。例如，锁定通过锁定相位或该相位控制的环路(这也被称作“锁相环路”;缩写是PLL)实现。[0088]因此，所述过程包括阶段216，所述阶段216用于控制ASD32的电压以减少电网22输送到电动引擎16的电流。[0089]如果电网22输送到电动引擎16的电流低于预定阈值，那么过程包括阶段218，在所述阶段218中，由控制器44发送命令以便断开电网开关28。[0090]所述预定阈值选择方式为使得当电网开关28断开时，电网22输送低幅度的电流。[0091]例如，预定阈值对应于阶段126之前电网22所输送电流值的5%，所述阶段126控制ASD32的电压以便减少电网22输送到电动引擎16的电流电平。[0092]或者，预定阈值可为固定的值。作为说明，此值等于标称电流的5%。因此，所述过程包括阶段220，所述阶段220用于通过逐渐减小ASD32所施加的电压电平而来停止电动弓I擎16。这种减小通过由控制器44修改电压电平实现。[0093]在所述两种情况中，电动引擎16的速度和电动引擎16的流量用于针对ASD32产生电压命令，从而使得ASD32所输送的电压的频率和相位能与电网22所输送的电压的频率和相位同步。控制器44所产生的电压以幅度和角度/频率进行表征。流量与电压幅度直接相关，而速度直接影响角度/频率，这在针对电压幅度和角度的同步行为之间产生去耦效应(uncouplingeffect)。[0094]在图2和3所含的每个过程中，存在一个瞬间:此时，在使电压的相位和幅度同步之后，电网22和ASD同时连接到电动引擎16上用于为后者供电。[0095]所述过程使得能够在切换过程中避免电动引擎16电流电平的突然变化。也避免了电网22电压的波动。[0096]所述过程使得与采用同步单元和同步检查继电器的那些过程相比，在ASD32与电网22所输送的电压之间更快速地实现相位和幅度同步。同步最多在3秒内实现并且通常耗时I秒与2秒之间。这意味着同步持续时间至少改进10倍。[0097]更快同步就意味着相比与同步单元和同步检查继电器一起使用的ASD而言，使用在更低维功率下操作的ASD。此类ASD具有制造成本更低的特别优点。[0098]对于用在起动情况下的过程，更快同步具有减少ASD中的电子部件在其操作过程中所产生的热量的效果。受益于ASD32的热恒定性(thermalconstancy)并且使用其部件无需用水冷却的ASD32,现在已成可能。[0099]根据所提出的过程，经过开关28和34的电流值在它们断开前接近于O。这使得在切换操作中产生极低应力级，因此使开关28和34的使用寿命更长。[0100]所提出的过程适用于所有类型电动引擎。所述过程尤其适用于感应电动机、同步电动机，并且尤其适用于使用永磁体工作的电动机(也被称作“PMSM”或“永磁同步电动机”(permanentmagnetsynchronousmotors))。【权利要求】1.一种用于在可调速驱动器(32)与电网(22)之间切换交流电动引擎(16)的电源(12)的过程，其中所述过程包括以下阶段:确定所述电动引擎(16)的理想转动速度，将所述可调速驱动器(32)所输送的电压的相位和幅度与所述电网(22)所输送的电压的相位和幅度同步，并且其中所述同步阶段包括以下阶段:测量所述可调速驱动器(32)所输送的所述电压和所述电网(22)所输送的所述电压，计算分别表示两个测得电压之间幅度差和两个测得电压之间相位差的信号，并且其中上述过程还包括确定阶段，所述确定阶段用于确定所述电动引擎(16)的理想流量，并且所述同步阶段还包括产生阶段，所述产生阶段基于所述理想流量来针对所述可调速驱动器(32)的所述电压产生命令信号，向所述命令信号中添加表示所计算幅度差的信号。2.根据权利要求1所述的过程，其中激活所述针对所述可调速驱动器(32)产生电压命令的阶段，同时还考虑到所述理想转动速度，向所述电压命令中添加表示所计算相位差的所述信号。3.根据上述权利要求1或2所述的过程，其中通过使用矢量命令方法激活所述产生阶段。4.根据上述权利要求3所述的过程，其中所使用的矢量命令方法用于对所述流量和所述速度的幅度进行调节。5.根据前述权利要求1至4中任一权利要求所述的过程，其中如果以下条件中的一个或者两个得不到满足，那么重复所述同步阶段:表示所述相位差的所述信号的绝对值小于2度，以及表示所述幅度差的所述信号的绝对值小于所述电网(22)所输送的所述电压的2%。6.根据前述权利要求1至5中任一权利要求所述的过程，其中所述电网(22)通过第一开关(28)连接到所述电动引擎(16)上，并且所述可调速驱动器(32)通过第二开关(34)连接到所述电动引擎(16)上，并且所述电动引擎(16)最初仅由所述电网(22)供电，并且其中所述过程还包括以下阶段:如果两个条件都满足，那么闭合所述第二开关(34)，将命令发送到所述可调速驱动器(32)，以使所述电网(22)供应到所述电动引擎(16)的电流电平减少，断开所述第一开关(28)。7.根据前述权利要求1至5中任一权利要求所述的过程，其中所述电网(22)经由第一开关(28)联接到所述电动引擎(16)上，并且所述可调速驱动器(32)经由第二开关(34)联接到所述电动引擎上，而所述电动引擎(16)最初由所述可调速驱动器(32)独立供电，并且其中所述过程还包括以下阶段:如果两个条件都满足，那么闭合所述第一开关(28)，将命令发送到所述可调速驱动器(32)，以使所述电网(22)供应到所述电动引擎(16)的电流电平增加，断开所述第二开关(34)。8.根据上述权利要求7所述的过程，其中所述过程还包括以下阶段:将命令发送到所述可调速驱动器(32)，以使所述电动引擎(16)的所述转动速度增加，测量所述电动引擎(16)的所述转动速度，并且一旦所述电动引擎(16)的所述转动速度达到所述理想转动速度90%的水平，就激活所述同步阶段。9.根据上述权利要求8所述的过程，其中一旦所述电动引擎(16)的所述转动速度达到所述理想转动速度96%的水平，就激活所述同步阶段。10.一种用于控制交流电动引擎(16)的电源(12)的设备(14)，其中所述电动引擎(16)能够由可调速驱动器(32)和电网(22)提供电力，其中所述设备(14)包括:用于测量所述可调速驱动器(32)所输送的电压的传感器(40)，用于测量所述电网(22)所输送的电压的传感器(42)，以及能够激活根据前述权利要求1至9中任一权利要求所述的切换过程的控制器(44)。【文档编号】H02P21/00GK103973185SQ201310741496【公开日】2014年8月6日申请日期:2013年12月27日优先权日:2012年12月27日【发明者】S.西亚拉,B.P.雷迪申请人:通用电气能源能量变换技术有限公司