CN101179250A - 无传感器的永久磁体同步电动机的控制方法 - Google Patents

无传感器的永久磁体同步电动机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种新的无传感器的永久磁体同步电动机(PMSM)的控制方法，该控制方法由单一的逆变器装置可靠地同步起动2台以上无传感器PMSM、对稳定的额定运行、低速转动时发生振动等以及故障时的安全停止等进行控制。本发明是一种2台以上以三相交流电源作为动力的无传感器的永久磁体同步电动机的同步起动方式，是包含2台以上以三相交流电源作为动力的无传感器PMSM的同步起动的控制方法，其特征在于，利用单一的逆变器装置将超低频三相交流电流以固定时间施加到该2台以上PMSM并以低转速同步起动后，逐渐提高电源频率，使转速上升达到额定转速。

Description

无传感器的永久磁体同步电动机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种无传感器的永久磁体同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，以下称为PMSM)的控制方法，具体涉及利用单一的逆变器装置使2台以上无传感器PMSM同步起动并以额定速度连续运行、可以从反向转动状态起动、能防止以低于额定速度运转时所产生的振动、并在故障时安全停止的无传感器PMSM的控制方法。
背景技术
以往，以三相交流电作为电源的PMSM安装有检测转子磁极位置的传感器(位置检测装置)并采用这样的起动方式：即通过该传感器检测转子磁极位置，根据检测出的转子磁极位置使电流流经定子线圈的各相而产生转动磁场，通过与所产生的磁场之间的相互作用而从磁极产生转矩，从而将动力传递给负载。
这种带传感器的PMSM、控制电路和逆变器装置不仅总成本高于作为交流电动机的代表例的感应电动机和逆变器装置的总成本，而且还会有传感器出故障的问题，为此，在例如鼓风机等在固定转速以上的条件下所使用的PMSM中，采用不要传感器以减少成本的无传感器方式PMSM。为了将连续运行中的控制保持为与带传感器的PMSM相同的级别，在该无传感器PMSM中检测呈现在定子线圈端子处的各种数据，推算其特性并进行复杂的控制(参照例如日本特开2001-268974号、日本特开2002-272195号)。
专利文献1：日本特开2001-268974号公报
专利文献2：日本特开2002-272195号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在利用现有的方法来起动无传感器PMSM时，需要起动用的另外的特殊控制装置，或者由于控制方法进一步复杂化而需要从起动开始进行控制，存在由于该控制方式的复杂而有时起动失败的问题。另外对1台PMSM各需要1台提供电源的逆变器装置，存在妨碍实现减少成本的问题。
用于解决问题的方案
本发明是以三相交流电源作为动力的2台以上无传感器PMSM的同步起动方式，其利用单一的逆变器装置将超低频三相交流电流以固定时间施加到该2台以上PMSM并以低速转动同步起动后，逐渐提高电源频率，使转速上升达到额定转动，从而利用单一的逆变器装置可靠地起动2台以上PMSM，解决了上述问题。
本发明是一种2台以上以三相交流电源作为动力的无传感器PMSM的同步起动方式，其利用单一的逆变器装置将超低频三相交流电流施加到该2台以上PMSM固定时间并以低速转动同步起动后，逐渐提高电源频率，使转速上升并达到额定转动，从而利用单一的逆变器装置可靠地起动2台以上PMSM。
另外通过由逆变器装置将直流电流施加到2台以上PMSM的各三相线圈内任意二相线圈上而形成定子磁轴，从而吸引转子磁极，并在将2台以上PMSM同时同步化之后逐渐提高三相交流电压的频率来达到额定转动。
在PMSM由于外因而反向转动时，通过在2台以上PMSM的三相线圈之间将各相分别连接并在该PMSM间产生电气制动电流，从而将全部PMSM以反向转动状态同步化为相同的转速并检测已同步的转速中PMSM的产生电压、频率，在通过由逆变器装置施加该角速度±公差角速度的频率的电压、电流从而与电源同步化之后，通过转换成正向转动方向的转动磁场从而经过停止状态达到额定转动，实现同步起动。
在降低同步运行的2台以上PMSM的转速并降低负载转矩的状态下运行时，在逆变器装置的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)电路的输出侧检测所产生的电压、频率及电流值，通过使由该逆变器装置所提供的电流的相位比PMSM的产生电压提前15°以上的相位并增大内部相差角δ，从而使2台以上PMSM不致发生振动(电动机不能安静地进行转动、而是抖动着转动并发出噪音的状态)、振荡(同步电动机应该与转动磁场完全同步地转动，但是转子同步的同时又相对三个定子磁极轴变动而进行转动)、失步(当振荡达到最大时，无法与转动磁场同步，导致从电源系统脱离)等而运行。
由逆变器装置的IGBT电路检测与PMSM的转速对应所产生的频率、电压、电流，并且由IGBT电路检测与由发生异常的PMSM产生的异常频率的电压、电流，从而由该IGBT电路检测当同步运行中的2台以上PMSM中的1台因故障等而偏离同步速度而降低转速时所产生的异常频率的电流，来断开该逆变器装置的输出、安全地停止正常的PMSM转动。
发明的效果
本发明能够通过简易的控制方法，由单一的逆变器装置对2台以上无传感器PMSM从同步起动到连续运行为止进行控制，因此产生能够实现大幅度降低成本的效果。
产生能够将包含2台以上的无传感器PMSM从反向转动状态起动的效果。
产生能够防止无传感器PMSM在比额定转动速度低的转动时发生的振动等、实现稳定且安静的低速转动的效果。
产生能够检测并控制无传感器PMSM故障等时的异常转动状态、安全地进行停止等的效果。
附图说明
图1是表示1C1M的起动时等效电路示例的图。
图2是表示1CXM的电路示例的图。
图3是表示第2实施例的同步起动方法的原理图。
图4是表示反向转动时的同步化的原理图。
图5是表示反向转动时所施加的电压的向量图。
图6是表示同步起动方式的原理图。
具体实施方式
实施例1
所谓同步起动方式是使以三相交流电源作为动力的同步电动机起动的方式之一，如图6所示，将驱动侧的同步发电机G和被驱动侧的同步电动机M两者作为同步设备，在停止状态下在两者的三相端子之间互相连接并分别流通励磁电流，在起动时使与同步发电机G直接连接的驱动设备D缓慢转动，则同步发电机G进行转动并将超低频电流提供给同步电动机M，与由在同步电动机M侧产生的转动磁场和励磁电流所产生的磁场发生作用，从而将同步电动机M与同步发电机G同步化，此后通过提高同步发电机G侧的转速来继续保持同步提高转速直到上升到高速的额定转速为止。
这种同步起动方式用作大容量的同步电动机、例如与抽水发电站的泵水轮机直接连接的发电电动机的起动，或用作大容量的涡轮发电机的起动等，作为不给所连接的系统造成起动时的较大负载，能够平滑地起动的方法而适用，并在各种实施例中进行详细的分析，确认各种参数下的同步起动的可能范围。
在要将同步起动方式应用于PMSM中的情况下，存在以下不同点：首先，PMSM的输出是100瓦至几千瓦，因此与前述的普通电动机相比容量非常小，其电机子线圈的电阻以单位法计为0.04～0.2pu(4～20％)非常大；另外励磁是永久磁体，因此PMSM的励磁E2是固定的恒定值；以及电源的供给使用IGBT电路来取代同步发电机G的逆变器电源等。对于这些，详细的计算非常复杂，因此根据从已经明确了的参数中省略影响较少的参数的简单计算来求出成为该同步起动的可能范围的转速N1(或角速度ω1)。此外，利用逆变器装置将电源以固定时间施加给PMSM。
1)1C1M(以1台逆变器装置来起动1台PMSM)的情况
(a)电路和电流
图1是表示从电源(逆变器装置)将与非常低速的频率f1对应的角速度ω1(以单位法表示为0.01数量级)的电压提供给PMSM的状态的图。
设V0为额定时的相电压、额定时的电流为I0(A)、f0为额定频率，则在超低速时以N1min-1转动时的电压V为：
V＝V0·(f1/f0)＝V0·(ω1/ω0)……(1)
此处Lm是与电动机的电抗对应的电感。
由于ω1Lm与Rm相比非常小，因此电路的阻抗Zm为：
Figure A20071012727500081
流至图1的电路中的电流I1(A)为：
Figure A20071012727500083
此外，如果忽略电源的电阻，则Rm成为PM SM的电阻。
(b)转矩的推算
①同步设备在额定时产生的F0以下式来表示：
F0＝0.707·Bm1·A1·Kw·cosδ[N/m2]……(4)
Bm1：永久磁体产生的磁力线内基本波磁力线密度的峰值[T]
A1：电机子线圈造成的带电负载，以A1＝(I0·∑Z)/(πD)(A/m)来表示。(∑Z为三相线圈的全部串联导体数量，D为定子内直径(m))
Kw：线圈系数，δ：内部相差角、设为
Figure A20071012727500091
将应用于数百瓦级PM SM的情况下的数值代入上述(4)式，则可求出F0的大概值。
Figure A20071012727500092
另一方面，对于I1，就2种具体的PMSM(输出200W和150W)进行计算。
200W：单相的电阻值Rm＝7Ω
150W：单相的电阻值Rm＝20Ω
由于端子电压是200V，故上述(3)式的相电压为：
V 0 = 200 / 3 = 115.5 V . . . . . . ( 6 )
对于ω1/ω0＝0.005、0.01、0.02、0.03、0.06(pu)分别求出I1。
表1
  ω1/ω0   0.005   0.01   0.02   0.03   0.06
  200W的I1(A)   0.082   0.165   0.33   0.5   1.0
  150W的I1(A)   0.029   0.058   0.116   0.173   0.347
②200W设备产生的转矩：
200W设备的额定电流为I0＝1.0(A)，转子表面积为S＝0.01(m2)，额定转速为N0＝1300min-1，转子半径为r＝0.033m，因此使用上述(5)式来推算整个PMSM的力F1以及产生转矩T。
F1＝F0·(I1/1.0)·S[N]，T＝F1·r[Nm]……(7)
表2
  ω1/ω0   0.005   0.01   0.02   0.03   0.06
  F1[N]   1.74   3.5   7.0   10.5   20.9
  T[Nm]   0.06   0.11   0.23   0.34   0.69
③150W设备产生的转矩
在使用150瓦设备的额定电流为I1＝0.7(A)，转子表面积为S＝0.008(m2)，额定转速N0＝1300min-1，转子半径r＝0.0285m时，同样能够推算F1和T。
表3
  ω1/ω0   0.005   0.01   0.02   0.03   0.06
  F1[N]   0.703   1.4   2.81   4.19   8.41
  T[Nm]   0.02   0.04   0.08   0.12   0.24
3)GD2所需的能量和转矩
在转动体具有GD2(kgm2)的飞轮效应、以N0(min-1)的转速转动时保持的能量E0为：
E0＝1.37·GD2·(N0/1000)2(kWS)
＝(1/730)·GD2·N0 2(WS或J)……(8)
GD2被设为：作为PMSM的负载的风扇的GD2比PMSM大得多，在200W设备和150W设备中使用同一GD2。
GD2＝0.124[kgm2]
因此，E0＝(1/730)·0.124·13002＝287(WS或J)……(9)
ω1/ω0的转速时保持的能量E为
E＝E0·(ω1/ω0)2(WS或J)……(10)
另一方面，在三相电流流入定子线圈(ω1/ω0的低频)产生缓慢的转动磁场时，通过该磁场在转子的表面被磁化的N、S的磁场之间产生力，不得不在最初的N、S极处同步化。
设转子磁极为8极结构，则每极的机械角θ1为
θ1＝2π/8＝0.785[rad]……(11)
设使转子运动θ1角所需的转矩为Tm，则所需的能量W为：
W＝Tm·θ1[Nm或J]＝0.785·Tm……(12)
设上述(10)＝(12)，则
W＝287·(ω1/ω0)2＝0.785·Tm……(13)
因此Tm＝365·(ω1/ω0)2……(14)
将200W设备所需的Tm与②中求出的产生转矩T进行比较。
表4
  ω1/ω0   0.005   0.01   0.02   0.03   0.06
  Tm[Nm]   0.009   0.0365   0.146   0.329   1.314
  T[Nm]   0.06   0.11   0.23   0.34   0.69
通过该计算结果，可知如果(ω1/ω0)的值为约0.03pu(即3％)以下的速度就可以同步化，在0.03pu以上就难以同步化。
同样地，对于150W设备也进行计算。
表5
  ω1/ω0   0.005   0.01   0.02   0.03   0.06
  Tm[Nm]   0.009   0.0365   0.146   0.329   1.314
  T[Nm]   0.02   0.04   0.08   0.12   0.24
通过该计算结果，可知即使(ω1/ω0)的值为约0.01pu(即1％)的速度，也难以进行同步化。
4)能够同步起动的条件
由以上的计算结果可知能够同步起动的条件是：由电源将某恒定频率(对应于ω1)的电压施加到PM SM，由流通的电流提供给PMSM的转矩以及能量能够超过在某段期间内包含GD2并达到ω1所需的转子能量，并能够有裕量地供给该能量。
在上述200W设备中，如果将ω1固定在ω1为0.03pu(即3％)以内，则能够同步化。
另一方面，当150W设备的ω1为0.01pu(即1％)以下时，同步化范围狭窄，难以进行稳定的同步化，因此这种情况下能够通过增加电源电压V来稳定地起动。
由此为了稳定地进行同步化，可以考虑减小PMSM的电阻值、或在允许范围内提升电源电压等方法，但这些都必须以[电动机成本+逆变器成本]＝总成本来看待。是增大PMSM的体型并降低电阻值、还是对逆变器装置设置裕量为好的判断很重要，根据使用条件来选择即可。
上述的例是1C1M(以1台逆变器装置来起动1台PMSM)的情况，1CXM(以1台逆变器装置来起动2台以上PMSM)的情况由于要增加X台各自的同步化问题，因此需要进一步的裕量。
根据以上1)～4)所示的起动方法，如果在PMSM中不需要传感器(无传感器)并在低频状态(几个百分点以下，主要是3％以下)下将三相用逆变器装置的输出频率的电压、电流在几秒钟的固定时间内施加给PMSM，则如图2所示，即使有2台以上PMSM电源也能够同步化，此后能够通过提升逆变器装置的电源频率从而保持同步上升至高速的额定转速。
实施例2
接着，说明同步起动方法的第2实施例。如图3所示，在三相线圈内首先使直流电流流入二相线圈，利用由此产生的定子磁轴(不转动)来吸引转子磁极，调整磁轴进行同步化，接着像普通的逆变器装置那样在VW间、WU间进行相位切换来提升频率。在这种情况下，将最初的磁极对准磁轴也需要几秒的固定时间Δt(直到转子在以固有振动进行振动的同时同步化、稳定化为止)。
图3是关于1台PMSM的图，在将本方法应用于2台以上的X台PMSM的起动的情况下，虽然同步化条件会稍微严格一些，但能够通过研究PMSM的电阻值、GD2、施加电压等而实现可靠的同步化。可以通过对包含控制方式和台数的整体平衡的研究来决定选择第1、第2实施例中的哪一种同步起动方法。
在以1CXM(以1台逆变器装置来起动X台PMSM)起动PMSM的情况下，如前所述，决定可否同时起动的首要因素是PMSM的电机子电阻值，其次，GD2、电源电压也有影响。即在同时起动2台以上PMSM的情况下，重要之处在于使这些阻抗值具有裕量，并且平稳地保持由逆变器装置提供的电压、频率(低电压、低频率)以及其保持期间从而使起动电流(同步化电流)流入PMSM，在2台PMSM的情况下同时起动2台并使之完全同步化。如果完全实施该同步化，在进一步提高电源频率来增加PMSM的转速的过程中，同步化力互相发生作用，因此可以稳定地上升。该上升过程以及到达额定转速后的运行控制可以切换为由PMSM的电压和频率的检测构成的闭环控制，从而能够稳定地运行。而且，由于能够利用单一的逆变器装置使2台以上PMSM可靠地起动，因此能够大幅度降低包含无传感器PMSM的成本在内的整体成本。
实施例3
在无传感器PMSM的使用地方是例如大型空调设备等的情况下，直接连接至PMSM的负载是鼓风机，当为了停止某PMSM组(利用单一的逆变器装置运转的2台以上PMSM)而切断电源时，由其它正在运行的鼓风机造成的正压环境对已停止的鼓风机施加压力，成为与普通状态相反的反向转动而进行转动。其转速有时可达额定转速的40％。
本发明提出了一种在像那样反向转动时的状况下、在2台以上无传感器PMSM的情况下也可以可靠地与单一的逆变器电源同步、稳定地起动的方法。
如果2台鼓风机有各自不同的电源(各自用的逆变器装置)，以不同的转速(例如一台为-N3min-1，另一台为-N4min-1)进行转动时，在1C1M的情况下将两台PMSM的各相线圈之间连接，利用由反向转动产生的流过两台PMSM间的电流而产生发电制动，以两台PMSM各自转动的大致中间的-N5min-1这一相同转速使2台PMSM成为同步的状态，即能够成为可将2台PMSM视作1台PMSM的状态。
检测该状态下由PMSM产生的电压、频率，通过由IGBT电路施加与此对应的电压从而使2台PMSM同时同步化，能够使转动从-N5min-1(反向转动)到0min-1(停止)再上升至N0min-1(额定转速)。
进一步详细地进行说明，在2台PMSM(a)(b)的情况下(1C2M)，将两台PMSM的三相端子分别连接到来自IGBT电路的输出端子上。从而在以任何原因停止该组件而切断IGBT电路的输出时，PMSM(a)(b)从N0min-1(额定转速)到0min-1(停止)再成为反向转动状态，但是两台设备被电气地连接，因此在反向转动的情况下也保持同步状态，成为以-N5min-1的相同转速进行转动。如果是在两台PMSM间无连接而单独运行的情况下，PMSM(a)(b)因各风机特性等的不同而分别以-N3min-1、-N4min-1的不同转速进行转动，但在电气地连接的情况下由于制动电流流动而电气制动转矩起作用，就同步为-N3min-1与-N4min-1的中间的-N5min-1的转速进行转动。
因此，由电源底座检测此时PMSM的产生电压以及频率(PMSM作为发电机而起作用)，逆变器装置施加与该电压V5对应的反向转动磁场的三相电压和频率，流过规定的电流与电源同步化，此后通过切换电源的二相作为正方向转动磁场就能够转变为0min-1的状态。
在以上的过程中，能够进行从反向转动的状态开始的无传感器PMSM的起动。其主要特征在于不仅对1台适用，也能适用于多台PMSM。
该反向转动时的同步化现象与从0min-1开始的起动时的同步现象大致类似。如图4所示，设顺时针方向为正向转动方向，则反向转动方向成为逆时针方向，在2台PMSM的情况下如前述那样进行同步化并形成以-N5min-1转动的反向转动磁场，因此在定子线圈中激起的频率f5为：
f5＝PN5/120(Hz)(P为极数)
由于ω5＝2πf5，
可知对于根据由线圈端子所检测出的频率而求出的角速度ω5，作为由逆变器装置施加的电源在反向转动磁场中如果是角速度ω5±(0～ω1)的范围就可以同步化。ω1为同步化公差角速度。实际上重要之处在于施加ω5±Δω1(Δω1＜ω1)的角速度来更容易且可靠地进行同步化。施加电压应当是1)处叙述的能够流通同步化所需电流的电压。参照图5的向量。
图4的(b)示出了同步化时逆变器装置输出的产生反向转动磁场的电流的方向。因此，同步化后通过如图4(c)所示立即转换V、W相从而变更为正向转动磁场，使转速从-N5min-1回到0min-1。即使是多台PMSM也能够容易且可靠地进行上述过程。从0min-1开始的起动应用1)所述的同步起动方法。
实施例4
在本实施例中说明作为额定转速的70％以下转速时的稳定化对策的控制方法。
当转速低于额定转速时，特别是在鼓风机等负载的情况下，其负载转矩与转速的平方成正比降低。因此，作为PMSM所需的电流也与转矩成正比降低。这意味着PMSM的内部相差角δ变小了，当在1CXM的情况下将2台以上PMSM连接至1台逆变器电源时，在电流值大幅度减少的状态下，产生因各鼓风机负载的若干特性的不同而造成的内部相差角之差而引起的振动，有时会发生不能稳定运行的现象。因此在逆变器装置的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)电路的输出侧检测同步运行中的2台以上PMSM的电压、频率、电流值，通过使该逆变器装置所提供的电流的相位比PMSM的产生电压提前15°以上的相位来增大内部相差角从而增加电流，从而使2台以上PMSM不发生振动、振荡、失步等而运行。
通常在额定运行时(额定转速)，为使PMSM以最高效率运行而多采用直轴电流Id＝0控制(使电动机产生电压与电流的相位同相的控制)。在这种情况下电流为最小值，因此在2台以上并列运行的情况下，如上所述降低转速运行时，振动或者振荡的可能性变高。为了改善这种情况而使电流的相位角比产生电压超前时，由于内部相差角δ增大为δ+Δδ，并且电流值也增大，因此由负载特性的不同产生的两台PMSM(在2台的情况下)的有效电流的差额由于I2R损失的增加等而降低，能够抑制振动或者振荡。设超前相角为15°以上、最好是20°以上就可期待稳定的抑制效果。
实施例5
在本实施例中说明故障时等安全地停止PMSM的方法。
由IGBT电路检测与PMSM的转速对应而产生的频率的电压、电流，同时由IGBT电路检测在同步运行中的2台以上PMSM中的1台因故障等而偏离同步速度并降低转速时所产生的异常频率的电流，断开该逆变器装置的输出，使其它正常的PMSM的转动安全地停止。
例如当2台PMSM运行时，其中1台由于轴承损伤等而偏离同步速度、趋向于停止而降低转速时，PMSM产生与其转速对应的频率的电压，该电流作为异常频率的电流而流至逆变器装置的IGBT电路以及另外1台PMSM，因此在由IGBT电路的输出侧检测出该电流并切断逆变器装置的输出时，能够使该组件安全地停止。此外，如果前述1台故障设备提早完全停止就会从IGBT电路流出大电流，因此能够由OCR(Over Current Relay：过流中继)电路来停止。
工业上的可利用性
本发明的控制方法具有在使用2台以上无传感器PMSM的环境下可信赖性高、结构简单且成本较低，能够广泛利用。

Claims (5)

1.一种2台以上以三相交流电源作为动力的无传感器的永久磁体同步电动机即PM SM的同步起动方式，其特征在于，
其利用单一的逆变器装置将超低频三相交流电流施加到该2台以上PM SM固定时间并以低转速同步起动后，逐渐提高电源频率，使转速上升达到额定转速。
2.根据权利要求1所述的无传感器的永久磁体同步电动机的同步起动方法，其特征在于，
由逆变器装置将直流电流施加到2台以上PMSM的各三相线圈内任意二相线圈上而形成定子磁极轴，从而吸引转子磁极，并在将2台以上PM SM同时同步化之后逐渐提高三相交流电压的频率来达到额定转速。
3.一种从反向转动状态开始的无传感器的永久磁体同步电动机的同步起动方法，
在2台以上PMSM的三相线圈之间将各相分别连接并在该PMSM间产生电气制动电流，从而将全部PMSM以反向转动状态同步化为相同的转速并检测该同步后的转速中PMSM的产生电压、频率，在通过由逆变器装置施加该角速度±允许角速度的频率的电压、电流从而与电源同步化之后，通过转换成正向转动方向的转动磁场从而经过停止状态达到额定转速。
4.一种无传感器的永久磁体同步电动机的运行方法，
在降低同步运行中的2台以上PMSM的转速并降低负载转矩的状态下运行时，在逆变器装置的IGBT、即绝缘栅双极型晶体管电路的输出侧检测所产生的电压、频率及电流值，通过使由该逆变器装置所提供的电流的相位比前述PMSM的产生电压提前15°以上的相位来增大内部相差角δ，从而使2台以上PMSM不产生振动、振荡、失步等而运行。
5.一种无传感器的永久磁体同步电动机的停止方法，
由逆变器装置的IGBT电路检测与PMSM的转速对应产生的频率、电压、电流，并且由IGBT电路检测与由发生异常的PMSM产生的异常频率的电压、电流，从而由该IGBT电路检测出同步运行中的2台以上PMSM中的1台因故障等而偏离同步速度而降低转速时所产生的异常频率的电流，断开该逆变器装置的输出，安全地停止正常的PMSM的转动。
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