用于识别变流器中的断相、尤其电网故障的方法和设备与流程
本发明涉及一种用于识别变流器中、尤其是连接到馈电网上的变流器中的断相、尤其是电网故障形式的断相的方法和设备。
背景技术
为了在机床的生产过程期间保护昂贵的工件，应快速且可靠地识别断相、尤其电网断相，并且设施应基于这种识别而置于安全运行状态。以这种方式，当前例如在多轴车削/铣削机中加工的工件应当被保护，以防止由于能量供应失败引起的机器轴的不期望/非协调的运动所造成的损坏。因为所加工的工件的价格有时位于六位数或甚至七位数的范围中，所以对于保护这种工件的高耗费是有充分道理的。
下面描述的段落考虑用于机床、特别是切削机床和其他生产机器中。已知的以下全部机器都称作为机床，所有机器首要在机械制造和工具制造中用于利用工具加工工件。与之相对，工业机器人是通用的、可编程的生产机器，其除了加工工件之外还替代地确定且设置用于操纵工件和安装目的。在此和在下文中，表述“机床”用作为术语“机床”、“生产机器”、“工业机器人”等的上位概念。
在猜测面临电网故障或电网干扰的情况下，应当及时地采取预防性的机床机器轴的回退运动。机床的总体设计必须配合于这种要求。机床的制造商则要求集成的驱动和控制设备有相应的功能。
在这种应用中，典型地将以igbt桥电路构成的自换流的换流器用作为动态的且能回馈的电网逆变器。换流器调节驱动联合体的中间回路电压并且(例如借助于脉宽调制-pwm)施加正弦形的电网电流，电网电流引起所需的给电网的功率通量。为了保持换流器输出电压的脉冲频率份额远离电网参与者，使用电网滤波器，其典型地包含电感和在滤波器支路中的至少一个电容。典型地，换流器如下地调节，使得在滤波器的连接点处的无功功率需求近似为零，即-除了较高频率的畸变份额之外-与电网交换纯的有功电流(功率因数
相对频繁地出现的电网电压的扰动或短路或接地的情况在下文中不考虑，因为由此所导致的在逆变器和扰动的电网电压之间的大的电压差会产生大的电流，而该电流能够被简单地探测到。此外，利用电压检测和/或输入电压的模型计算能够简单地探测到电压幅度的大的改变。
与之相对，在电网相位有高欧姆的失效时存在另一种状况。对此的典型实例是触发一个电网相位中的保险装置。通过换流器运行所需的电网滤波器的电容器来保持和模拟故障的电网相位的电压。因此，尤其在未负荷状态下(空载)对高欧姆的电网失效的识别会有问题，在此为该问题提出解决方案。基于借此可能的对高欧姆的电网失效的识别，例如能够在机床中，当支路保险装置已经在此之前作废时，则防止开始加工步骤。
多于一个电网相位的高欧姆失效-由于3导线连接的能量流中断-又是平常的，并且进而在此不考虑。例如，这种状况能够在电流通量中断时或在电网滤波器处有突变的电压时识别。
尽管在此提出的方案以脉冲逆变器的电网侧应用为例进行阐述，该方案也可转用于具有正弦形输出滤波器(具有纵向电感和横向电容的)马达侧逆变器上。拓扑以及调节方法原则上能够等同地应用，仅仅块“电网”通过电动机、尤其同步电动机取代。这可以根据如下情况来理解，电网典型地借助于发电机来形成，使得在电网逆变器的情况下，块“电网”也能够由电机构成。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提出一种用于识别断相的方法，断相尤其呈现在下文中简称为电网故障的单相位的电网相位中断形式，该方法尤其用于识别在具有电网滤波器的激活的电网逆变器的空载运行或者部分负荷运行中的电网故障。
根据本发明，该目的借助于具有权利要求1的特征的方法以及借助具有并列的设备权利要求的特征的设备来实现。
在用于识别变流器中的断相、尤其是用于识别连接到馈电网上的变流器的电网故障、即单相位的电网相位中断的方法中，为了对变流器进行电流调节，一方面设有正序系统的电流调节器并且另一方面设有逆序系统的电流调节器，其中正序系统的电流调节器以及逆序系统的电流调节器分别具有积分器或积分部分。正序系统和逆序系统实施为，在正常情况下、即在没有电网干扰的情况下，相应的电流调节器的积分器脱耦。在电网故障的情况下，引起至此脱耦的积分器的耦合，并且因此引起期望的不稳定性。由于该不稳定性，对于不同的测量或计算参量来说产生针对积分器的耦合并进而针对所基于的电网故障的典型变化。借助于监控单元检查相应考虑的或者每个相应考虑的测量或计算参量的变化，并且监控单元识别相应的测量或计算参量的针对电网故障的典型变化。考虑用于识别电网故障的测量或计算参量的实例是逆序系统的电流调节器的积分器的绝对值。在识别到这种对于电网故障的典型变化的情况下，监控单元生成故障信号，使得操作人员注意到故障情况和/或能够对电网故障自动地做出反应，例如以关断机床的方式。
确定和设置用于实施该方法的设备用于识别变流器中的断相、尤其是连接到馈电网上的变流器中的电网故障，该设备为了对变流器进行电流调节而一方面包括正序系统的电流调节器并且另一方面包括逆序系统的电流调节器，其中正序系统的电流调节器和逆序系统的电流调节器分别具有积分器或积分部分。如上面已经阐述的那样，正序系统和逆序系统实施为，在正常情况下、即在没有电网干扰的情况下，相应的电流调节器的积分器脱耦。相反，在电网故障的情况下，引起积分器的耦合并且借助于监控单元能够探测至少一个测量或计算参量针对积分器的耦合的典型变化。此外，在识别到这种典型变化的情况下，也能够借助于监控单元生成故障信号，该故障信号例如能够被评估用于对识别到的故障情况自动做出反应。
本发明的优点在于，在生产周期开始之前，已经可以探测前文所述类型的相位或电网故障，该相位或电网故障典型地由于电网保险装置的失效而产生，并且以该探测为基础可以及时地警告或关断连接到电网逆变器上的机器，例如机床。在连接到电网逆变器上的机床的情况下，能够因此有效地避免工件损坏，否则能够由于中断制造工艺而产生这种损坏。
还有利的是，在使用在此描述的方案时，不会为了故障识别而中断或者用测试信号干扰电网逆变器的正常运行，而这种中断或干扰例如否则为了避免对电网电压的反馈作用是必需的。因此，在制造过程中不出现等待时间。此外，所提出的方法原则上能够转用于具有正弦输出滤波器的电动机逆变器中的断相识别。
本发明的其他优点是识别时间短，典型地借助于在此提出的方案能够在小于一秒内探测到电网故障，并且优点还在于对通常的电流和中间回路电压调节的稳定性和鲁棒性的影响低到可忽略。这主要取决于，不通过输出测试信号等产生干扰性的电网影响，而测试信号否则通常对于主动的探测方法是必需的。该方法是鲁棒的且可靠的并且在存在电网电压谐波或电网阻抗改变时能够实现可靠探测而不触发故障。最后，该方法是可通用的，即利用/没有电网滤波器和不同的滤波器拓扑中的电压测量不仅用于kw范围中的“小型的”逆变器，也能用于mw范围中的“大型的”逆变器。该方法的低计算时间需求使得该方法可以用于机床中的多轴联合体中的书本大小环境中，而没有对每个控制单元的最大轴数进行限制。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。在此使用的引用关系表示通过相应从属权利要求的特征来进一步改进独立权利要求的主题。其不可理解为放弃对所引用的相关从属权利要求的特征组合实现独立、客观保护。此外，在权利要求的设计方面，在对下级的权利要求中的特征进行更详细的具体化时以下述为前提，即在分别上级的权利要求中不存在这种限制。最后需要指出的是，这里提出的方法也可以根据从属的设备权利要求来改进并且反之亦然。
在方法的一个实施方式中，为了限制逆序系统的积分器的上升，在逆序系统中设有限制块。借助限制块能够限制逆序系统调节装置的输出，使得能够有干扰、尤其电网干扰经过，但是还确保了可靠的识别。
在方法的另一实施方式中提出，逆序系统不是持久激活的并且在需要时根据变流器的平均功率消耗，例如仅在空载时或在部分负荷时被激活。这考虑到如下情况，在电网电流足够大时，也能够以其他途径识别到呈现相位分离形式的电网故障，例如根据在中间回路电压中的双倍电网频率时的振动分量、瞬时功率、有功电流、无功电流等。已知，这种参量能够简单地借助带通滤波和带通滤波输出的阈值监控来评估。
在方法的又一实施方式中，在变流器的平均功率消耗超过预设的或可预设的阈值时，逆序系统被去激活。逆序系统调节装置的这种去激活例如可以是重要的，以便在高功率时提高总调节装置的稳定性或以便降低计算负荷。
上面提出的目的也借助用于操控变流器的起到变流器控制单元作用的控制装置来实现，其根据在此和在下文中描述的方法运行并且为此包括用于执行方法的构件。在此，本发明优选以软件或以软件和固件来实施。因此，本发明一方面也涉及具有可通过计算机执行的程序代码指令的计算机程序，并且另一方面涉及具有这种计算机程序的存储介质，即具有程序代码构件的计算机程序产品，以及最后也涉及变流器控制单元，在该变流器控制单元的存储器中加载或能够加载这种计算机程序作为用于执行方法和其设计方案的构件。当在下文中描述方法步骤或方法步骤序列时，则涉及如下动作，其由于这种计算机程序而自动地进行或在计算机程序的控制下自动地进行。
代替具有各个计算机代码指令的计算机程序，也能够以固件的形式执行在此和在下文中描述的方法。对于本领域技术人员清楚的是，代替以软件执行方法，始终也可以以固件或以固件和软件或以固件和硬件来执行。因此，对于在此提出的说明书适用的是，术语“软件”或术语“计算机程序”也包括其他的实施可行性，即尤其以固件实施或以固件和软件实施或以固件和硬件实施。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明。彼此相对应的内容或元素在全部附图中配有相同的附图标记。
实施例不应理解为对本发明的限制。这尤其在基于电网故障的描述方面是适用的。该方案也如前文所述那样考虑用于电动机侧的变流器。这在下文中应始终连带理解。此外，在本公开的范围内，补充和修改是完全可行的，特别是例如通过对结合普遍性说明部分或具体说明部分所描述的以及在权利要求和/或附图中包含的各个特征或方法步骤进行组合或者转换，对于本领域技术人员来说，鉴于该目的的解决方案可以得出这种补充和修改，并且通过所组合的特征产生新的主题或新的方法步骤/方法步骤序列。
附图示出
图1示出具有变流器的系统，
图2示出具有另外的细节的根据图1的系统的另一视图，
图3示出根据图1、图2的系统的特征参量图，
图4示出具有变流器控制单元的根据图1、图2的系统，和
图5示出根据图4的系统的特征参量图。
具体实施方式
图1中的视图简化地示出了系统(变流器联合体)，其具有：下文中有时简称为逆变器、换流器或变流器10的电网逆变器10；电网滤波器12，其带有换向扼流器(纵向电感)以及带有电容器(横向电容)的滤波器-横向支路；以及带有与馈电网16的分离部位14的连接线路，必要时也将其他部件18连接到馈电网处。前文已经详述，在此提出的方案也能够转用于马达侧的逆变器。对此，可将在此称为电网16的单元理解为马达。
图2中的视图简化地示出根据图1的系统，其具有另外的细节，即变流器10的脉冲的/切换的、尤其脉宽调制的输出电压uu以及换向扼流器、带有电容器的电网滤波器-横向支路和可能的其他部件18(在此还具有星形点的接地)、带有分离部位14的连接点、集中的电网电感和理想的电网电压源un。高欧姆的电网失效通过在电网滤波器12和电网电感之间的分离部位14处的单相断开来模仿。根据电网滤波器12的设计，代替或除了滤波器-横向支路的扼流装置之外，在横向支路与分离部位之间也存在电感。
根据图2的电路，能够简单地说明本发明所基于的问题：因为变流器10在到电网16的连接点(分离部位14)处调节到
对电网相位的高欧姆失效的识别也应当在没有测量滤波器电压uf,rs和uf,st的情况下运行，因为在小型变流器10的情况下出于成本理由通常都不构建对此所需的在设备外部的电压测量装置。即使提供有这种测量参量，也不会很有帮助：高欧姆的电网支路处的电容器电压近似地遵循相应的变流器输出电压的基波变化(grundschwingungsverlauf)，进而不确保可靠的状态识别。这至少在变流器10在脉冲运行中起到电压源作用期间是适用的。而在脉冲屏障下(igbt逆变器此时仅作为二极管整流器工作)，可以明确地测量丢失的电网电压。
变流器联合体的瞬时的视在功率越大，显然电流和电压相对于期望变化的偏差就越大。这也解释了，为何利用如今已经实施的在部分负荷阈值之上的监控(电网相位角与期望变化的偏差，有功电流和中间回路电压与期望变化的偏差)确保了断相识别。
为了说明所基于的问题，图3的视图示出在真实测试结构情况下的测量，更确切地说从上向下是在变流器10(active-line-module有源型电源模块；alm)与电网滤波器12之间的相位电流(部段i)、有功和无功电流调节器的积分部分(部段ii)、中间回路电压vdc(部段iii)、测量的滤波器电压uf,rs和uf,st(部段iv)以及控制系数，即变流器10相关于中间回路电压的输出电压(部段v)。在时间点t＝96ms，分离相位s，即切换为参量in,s＝0。因为电网滤波器12的无功电流需求从变流器10馈入并且进而另外的电网电流in,r和in,t极其小，所以，能够用于鲁棒地识别电网干扰的系统参量不产生显著改变。这专门适用于滤波器电压uf,rs和uf,st以及变流器10的相位电流iu,r、iu,s和iu,t。至少后者通常作为测量参量被提供；滤波器或电网电压在多种应用中仅借助于模型来计算出。
在此提出的方案利用了将三相电流系统分解成对称分量的方法。这种数学方案提出，可以将具有任意地、亦即不同的幅度的三相电压/电流系统分解成多个电压/电流源，这些电压/电流源在全部三个支路中分别具有相同的幅度(即是对称的)。该划分以一个零系统以及两个三相电压/电流系统来实现，零系统在所有三个支路中起到相同作用而没有相互的相移，三相电压/电流系统分别具有在带有正转动方向(正序系统20)的支路与带有负转动方向(逆序系统22)的支路之间的120°相移。
图4的视图示出根据图1、图2的变流器联合体的实施方式，具有中间回路电压源24以及正序系统20和逆序系统22。
在三个导线中幅度相同并且导线参量之间有120°相移的正常情况下，仅正序系统20不等于0。这表示，对于在常规对称电网中的应用而言，馈入正序系统20中的电流(即以由电网16预设的相位序列)的电流调节装置就足够了。
相应地，变流器的电流调节装置典型地具有仅一个用于正序系统20的调节环路，该调节环路具有d电流调节器26以及q电流调节器28。借助于电网模型30或pll，由测量的电流和/或电压计算出当前的电网相位角
脱耦块32、34补偿两个空间向量轴线的耦合，该耦合通过向量旋转到d-q系中形成。调节装置的电压输出向量借助于调制器36换算成用于变流器10的半导体开关的开关命令。按照开关周期上的时间平均，通过在三相变流器输出端处的开关操作恰好产生由调节器26、28计算的输出电压。电网/正弦滤波器12(典型地以lc或lcl结构来实施)将变流器输出端处的切换快速频繁的电压改变(典型地在khz范围中)平滑成在与电网16的联结点处(分离部位14)形成近似正弦的信号变化，该信号变化的谐波部分位于有效的规定和标准之内。
对于在此提出的方法的可用性来说重要的是，d-q电流调节器26、28具有积分部分，即在s＝0时或在距s频率复平面的原点极其近的情况下的单极点(对于数字调节器，相应的点处于z＝1)。从系统理论中已知，这种传递元件是稳定的，并且只要输入参量、即调节偏差不具有静态的直流部分，就不增长超过全部极限值。调节装置的d和q轴线形成正交分量，因此脱耦并且能够彼此独立地调节。这解释了，为何调节器26、28对于这两个轴线能够分别包含一个积分器并且进而调节回路是稳定的。
为了主动地识别断相，传统的电流调节装置以用于逆序系统22的调节块进行补充，该调节块具有自有的电流调节器40、42：逆序系统电流的额定值通常设定为0。逆序系统电流的电流实际值形成逆序系统调节器40、42的两个轴线的输入值，其作为调节偏差。在实施例中，这些实际值通过如下方式有效地计算出，通过以相位角
对于方法的运行来说重要的是，d-g逆序系统电流调节器40、42同样具有积分部分(即在s＝0或z＝1时的极点)。允许存在附加的按比例或差分作用的调节元件，然而这不是必需的。在这方面，优选考虑在逆序系统22中设有纯积分调节器，因为正序系统调节器26、28的p-(d-)元件对于整个频率范围来说都是有效的。如在正序系统20中那样，在逆序系统22中也补充脱耦块44、46。总输出电压由于将逆序系统调节器40、42的输出电压和正序系统调节器26、28的输出电压相加而产生。
在无干扰的对称系统中，正序系统20中的变流器电流和逆序系统22中的变流器电流形成正交分量。这些正交分量脱耦并且能够彼此独立地调节。正序系统20和逆序系统22的调节器26、28；40、42的积分器50、52；54、56因此同样脱耦并且不相互引起共振。相反，电网相位的分离引起系统的结构改变，该结构改变引起正序系统和逆序系统20、22的耦联。在组合的、具有正序和逆序电流的总系统中，相应地在虚轴线上产生多个极点并且进而产生不稳定性，其导致积分部分的易于探测的增长。能够显示出，正序系统和逆序系统20、22的积分器在电网相位分离时彼此相反地工作，即形成正反馈。
优选地，不能使积分上升到由于过电流或过电压造成失效。因此提出，仅能使积分部分上升到超过用于明确探测的报警阈值为止并且能够报告给上级的控制系统或操作者。借助于限制块60、62或对d-q逆序系统电流调节器40、42的积分器54、56的抗积分饱和(anti-windup)反馈，防止逆序系统积分器的不受限上升。例如，用于逆序系统22的识别阈值能够有意义地置于额定端子电压的20％。应用特定地，在达到或超过识别阈值时能够实现工具机床的工具的紧急回退或者也能鲁棒地承受电网故障。
因此，在此提出的方案基于，对用于变流器10的常规电流调节装置补充逆序系统22，其中电流调节装置具有用于对正序系统电流的实部和虚部进行调整而没有永久的调节偏差的积分器，逆序系统本身包括具有积分器的电流调节器40、42。逆序系统22的电流调节器40、42确定用于调整复逆序电流。由电流调节器40、42所包括的积分器确保对于复逆序系统电流的调整，而没有永久的调节偏差。这种变流器调节装置对于对称的被调节对象来说通常不是必需的，因为在此在逆序系统22中不存在或仅存在少量的激发，并且逆序系统22中的电流和电压保持得很小。除了例外情况之外，复逆序系统电流的额定值设定为0。即使在未受干扰的对称系统中，逆序系统调节装置并且尤其是其积分器也对要调节的对象有可忽略的影响。在受干扰的系统中，即具有由于一个电网相位的高欧姆失效而引起的分离部位14的系统中，逆序系统22的积分器作用为总系统中的首先小的、但是持续变大的干扰，其能够实现对干扰的简单探测。
为了探测干扰，设有监控单元64。监控单元对此确定和设置成，对显著的测量和/或计算参量检查在干扰情况中的典型变化。测量或计算参量在干扰情况下的典型变化例如是超过预设的或可预设的极限值。对于借助监控单元64进行监控而替选地或累加地考虑例如以下测量或计算参量
-逆序系统调节装置的积分器的绝对值，
-在双倍电网频率下的电网电流值的振动幅度，
-在双倍电网频率下的滤波器电压值的振动幅度，
-在双倍电网频率下的中间回路电压的振动幅度，或
-在双倍电网频率下的控制系数的振动幅度。
在图4所示的实施例中，借助监控单元64监控逆序系统调节装置的积分器的绝对值。在所示出的状态下，积分器的绝对值借助于原则上可选的、连接在监控单元64上游的pt1元件来低通滤波。当绝对值之一或两个绝对值超过预设的或可预设的极限值时，这以原则上已知的方式和方法借助监控单元64被识别并且借助监控单元64例如生成故障信号66。
基于这种故障信号66能够根据相应应用的要求为操作者生成报告，例如“识别到(电网)断相”。借助通过上级控制系统(未示出)对故障信号66的评估，能够自动地触发在相应过程中的适当响应，例如停止、回退运动、执行紧急程序、将信息转发给上级控制结构等。
图4中示出的功能单元、即至少正序系统20和逆序系统22的实施方案起到变流器控制单元68的作用。正序系统20和逆序系统22在此例如以软件、即作为计算机程序来实施。就此而言，变流器控制单元68包括在此未示出的、本身已知的、呈微处理器形式或类型的处理单元以及同样未示出的存储器。具有正序系统20和逆序系统22的实施方案的计算机程序加载到存储器中，并且在变流器控制单元68运行时借助处理单元执行计算机程序，从而引起在此描述的方案的执行。
图5中的视图最后示出与之前图3中那样相同的状况，然而使用了在此提出的、具有配属的调节器40、42的逆序系统22形式的探测系统。在上方的第一部段中示出中间回路电压vdc(部段i)。其下方为控制系数，即变流器10相关于中间回路电压的输出电压(部段ii)。再下方示出逆序系统调节装置的调节量α和β的变化(部段iii)，这些调节量通过以50hz电网角
用于逆序系统电流的调节器40、42的i部分使得在分离的相处(如之前的相位s)的不再被钳位的电势移动。通过在分离部位14处使得相s的导线不再与电网16连接(不再钳位到电网电压)，电压uf,rs和uf,st能够改变。尽管在实例中不实施干扰关断，然而能够简单地探测到电网干扰，例如由于逆序系统调节装置的输出幅度或还由于控制系数的电网同步的波动。同样，滤波器电压幅度显著地发生改变，然而需要测量外部电压。图5中示出的在400v电网处进行测试的状况下，振动幅度为564v，电压uf,rs和uf,st的较小的(在观察时间点较小的)幅度随逆序系统响应而下降到大约400v，即下降大约30％。这显然落在正常的-15％的电网电压公差之外。
在图5的视图中，就此而言，示例性地分别绘出借助监控单元64可单独地和/或累加地监控的极限值70、72、74，即在双倍电网频率下的控制系数的振动幅度的极限值70(部段ii)、两个积分器之一的大小的极限值72(相当于逆序系统振动的幅度；部段iii)和一个/每个链接的电网电压的幅度的最小值的极限值74(部段v)。
达到或超过或低于这种极限值70、72、74是对于积分器50、52；54、56的所提及耦合来说的典型变化。通过监控单元64监控相应的测量或计算参量并且将违背极限值的情况识别为对于积分器50、52；54、56的耦合来说的典型变化，借助监控单元64自动地识别所基于的电网故障。为了以信号报告所识别的电网故障，监控单元64生成故障信号66。
尽管在细节上通过实施例详细地阐述和描述了本发明，但本发明不局限于一个或多个所公开的实例并且本领域技术人员能够从中推导出其他的变体，而没有偏离本发明的保护范围。
在此建立的说明书的前述各个方面能够因此简短地如下总结：为了识别断相，尤其电网故障形式的断相，提出一种主动的识别方法，该识别方法有针对性地引起由于相位/电网故障被干扰的系统中的状态改变，以便获得显著的且可探测的信号改变并且通过阈值比较即使在空载时也识别到受干扰状态。该主动的方法如下地实现，即在未受干扰的运行状态下实际上系统不发生行为改变。特别地，不将专用的测试信号发送到电网16中，该测试信号描述与输出电压的理想变化的偏差进而会形成不期望的电网反馈。代替于此，变流器10的调节器如下地实施，即在要识别断相/电网故障(相位中断)的情况下引起调节装置的结构改变。该结构改变引起，在正常运行时不会彼此耦合的功能单元(电流调节器26、28；40、42的积分器)耦合并且产生反馈环路，当由于相位/电网故障出现结构改变时，反馈环路首先引起持续增长的且可自动探测的干扰信号。
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