CN101272115A - 电动机系统及其控制方法和永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机系统，其不损失永磁同步电动机固有的高效率且小型、轻量的特征，而确保稳定的起动、运转特性。该电动机系统具有：永磁同步电动机(2)，具有作为定子绕组的、独立的第一绕组和第二绕组；开关(3)，对商用交流电源(1)和第一绕组的连接进行开闭；倒相电路(6)，与商用交流电源(1)相连接而向第二绕组供电；控制电路(7)，控制开关(3)和倒相电路(6)。控制电路(7)具有在永磁同步电动机(2)从停止状态到额定转速附近的起动期间进行永磁同步电动机(2)的控制的功能、和永磁同步电动机(2)额定运转时进行使由负载变动引起的转速的振荡衰减的矢量控制的功能。

Description

电动机系统及其控制方法和永磁同步电动机

发明领域

本发明涉及适用于驱动固定速度的负载的永磁同步电动机、和利用它的电动机系统及其电动机系统的控制方法。

背景技术

作为驱动固定速度的负载的感应同步电动机，例如有在转子的永久磁铁的外周设置作为感应电动机而作用的鼠笼型绕组，并从商用交流电源向鼠笼型绕组供电而起动转子的自起动式同步电动机(例如，参照专利文献1)。

在该自起动式同步电动机中，根据鼠笼型绕组而作为感应电动机起动。之后，以额定转速作为永磁同步电动机而驱动，但此时，由于鼠笼型绕组作为同步电动机的制动绕组而作用，因此有衰减因负载变动而产生的输出的振荡(不稳定)、可以确保稳定性的特征。

另一方面，还有制冷装置，其是具有变速电动机和定速电动机的系统，当负载小时，只有变速电动机进行容量控制运转，当负载大时，再使一台定速电动机驱动，而且由变速电动机进行容量控制运转(参照专利文献2)。

在该制冷装置中，电源中需要倒相器，但由于在负载大时使定速电动机驱动，因此有可以用小容量的倒相器进行制冷装置的容量控制的特征。另外，作为定速电动机采用在转子的永久磁铁的外周设置鼠笼型绕组的自起动式永磁同步电动机。

【专利文献1】特开2003-259579号公报

【专利文献2】特开2005-40000号公报

发明内容

在转子的永久磁铁的外周设置鼠笼型绕组的自起动式同步电动机中，存在如下问题：励磁磁极的结构复杂化，而且为了设置鼠笼型绕组，转子的直径只能增大，其结果导致电动机输出密度的降低和惯性力矩(moment)的增大，另外不能发挥永磁同步电动机的小型、轻量的优点。而且由于用商用交流电源直接起动，因此存在起动时产生大的噪音的问题。

另一方面，除了上述自起动式同步电动机，在转子上不设置鼠笼型绕组，而用固定速度的负载驱动永磁同步电动机时，一般的方法为，设置与同步电动机相同规模的大容量倒相器，通过该倒相器来驱动同步电动机。根据该方法，抑制基于变频运转的起动或同步电动机的输出的振动的功能由倒相器(inverter)承担，因此能够避免上述问题。

但是，用在不需要变速的固定速度用途的大容量倒相器，不仅因高价而不经济，而且倒相器的功率转换元件的发热、或因包含在倒相器的电压的高次谐波而产生的同步电动机的发热有可能使系统的效率降低。

在上述的制冷装置的系统中，通过将负载的一部分分担给另一台的定速电动机，由此可以使倒相器小容量化，但是由于该定速电动机需要自起动，所以需要采用自起动式电动机，因此不能避免对于自起动式电动机的上述问题。

该发明是为了解决上述问题而成的，其目的在于不损失永磁同步电动机固有的高效率且小型、轻量的特征，而确保稳定的起动、运转特性。

为了达成上述目的，有关本发明的电动机系统的特征在于，具有：永磁同步电动机，具有作为定子绕组的、相互电独立的第一绕组和第二绕组；开关，对商用交流电源与上述第一绕组的连接进行开闭；倒相电路，与上述商用交流电源相连接而向上述第二绕组供电；控制电路，控制上述开关和倒相电路。

另外，有关本发明的永磁同步电动机的特征在于，作为定子绕组具有与交流电源相连接的第一绕组、和与上述第一绕组电独立、且与倒相电路相连接的第二绕组。

再有，有关本发明的电动机系统的控制方法，对作为定子绕组具有相互电独立的第一绕组和第二绕组的永磁同步电动机进行控制，该方法特征在于，通过开关将商用交流电源与上述第一绕组相连接，通过倒相电路将上述第二绕组与上述商用交流电源相连接，在永磁同步电动机从停止状态到额定转数附近的起动期间，通过打开上述开关、控制上述倒相电路来进行上述永磁同步电动机的控制，而且通过控制上述倒相电路来进行使因额定转数时的负载变动而产生的转速的振荡(不稳定)衰减的矢量控制。

根据本发明，不损失永磁同步电动机固有的高效率且小型、轻量的优点，就可以确保稳定的起动、运转特性，并且能够实现既经济又高效率的电动机系统。

附图说明

图1是表示有关本发明的电动机系统的第一实施方式的构成的模块图。

图2是表示图1的电动机系统的永磁同步电动机的第一例的横截面图。

图3是表示图1的电动机系统的动作特性的时间图，分别表示(a)运转状态的变化、(b)转速的变化、(c)负载转矩的变化、(d)永磁同步电动机的小容量绕组的转矩的变化、(e)永磁同步电动机的大容量绕组的转矩。

图4是表示图1的电动机系统的永磁同步电动机的第二例的横截面图。

图5是表示本发明的第二实施方式的电动机系统的构成的模块图。

符号说明

1…商用交流电源

2…永磁同步电动机

3、5…三相开关

3A、5A…操作部

6…倒相电路

7…控制电路

8…旋转位置检测部

9…运转工作状态转换开关

10…电动机框架

12…旋转轴

13…传感器

14…定子

15…大容量绕组(第一绕组)

16…小容量绕组(第二绕组)

20…转子

21…定子铁心

22…槽

23…永久磁铁

25…转子铁心

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示根据本发明的第一实施方式的电动机系统的构成的模块(block)图。另外，图2是表示图1的电动机系统的永磁同步电动机的第一例的横截面图。

永磁同步电动机2具有筒状定子14、和在定子14内转动的转子20。转子20包含转子铁心25，在转子铁心25内配置有多个永久磁铁23。定子14包含定子铁心21，在与定子铁心21的转子20相对置的位置，沿圆周方向并排形成有向轴方向延伸的多个槽(slot)22。在这些遭22内配置有大容量绕组(第一绕组)15和小容量绕组(第二绕组)16。

大容量绕组15和小容量绕组16相互电独立，具有各自的绕组端子(未图示)。例如，大容量绕组15的作为单体的最大输出是600kw，小容量绕组16的作为单体的最大输出是300kw，永磁同步电动机2的额定输出是900kw。

图2所示的例子是将现有的绕组线圈(coil)分为大容量绕组15和小容量绕组16的。在各槽22上配置上线圈和下线圈，这里分配有大容量绕组15和小容量绕组16。在图2中，用U、V、W、-U、-V、-W表示大容量绕组15的各相，用圈圈住这些记号来表示小容量绕组16的各相。大容量绕组15通过三相开关与三相商用交流电源1相连接。另一方面，小容量绕组16通过倒相电路6和三相开关5与商用交流电源1相连接。

三相开关3、5通过操作部3A、5A来进行开闭，操作部3A、5A根据控制电路7的控制指令来动作。控制电路7由在永磁同步电动机2的旋转轴12上设置的旋转位置检测器8来检测转子的位置，并通过倒相(inverter)电路6，对永磁同步电动机2进行速度矢量控制和转矩矢量控制。另外，运转工作状态转换开关9被连接在控制电路7。

永磁同步电动机2、倒相电路6以及控制电路7被容纳于共同的电动机框架10内。

优选地，永磁同步电动机2使用转子上不设置鼠笼型绕组的、小型、轻量的永磁同步电动机。该永磁同步电动机2不能自起动，因此通过与小容量绕组16相连接的倒相电路6进行矢量控制变速运转，由此从停止起动至额定转速。若起动完毕而达到了额定转速，则闭合三相开关，开始由商用交流电源1向大容量绕组15供电。在接通对大容量绕组15的电源时，暂态电流流过，但通过控制电路7的倒相器使该电流瞬时衰减。

通常，在用商用交流电源1驱动了不具有鼠笼型绕组的永磁同步电动机2时，几乎没有衰减永磁同步电动机2的输出的振荡(不稳定)的功能。因此，当由于负载变动而电输出产生振荡时，该振荡将持续。因此，以这种状态不能称为是稳定的电动机。

在该实施方式中，增加基于与小容量绕组16相连接的倒相电路6的矢量控制的转矩(torque)，由此抑制由负载变动引起的永磁同步电动机2的电输出的振荡。由于小容量绕组16的输出比大容量绕组15的输出小，因此在大的振荡时，在几次振荡内就可以使之衰减，对于固定速度的负载并不是不适合。

永磁同步电动机2的电输出和负载的关系与弹簧和摆锤的关系相似，负载f和永磁电动机的输出x的关系可以用以下微分方程式近似。

m(d2x/dt2)＝f-c(dx/dt)-kx

也就是说，从负载f到永磁同步电动机2的输出x的传递函数可以用1/(ms2+cs+k)的形式近似表示。

其中，c为确定阻尼(dumping)的增益(gain)，不具有鼠笼型绕组的永磁电动机2几乎c＝0。当c＝0时，对于负载变动f，永磁同步电动机2的输出一旦开始振荡就不终止。控制电路7生成令确定阻尼的增益c为正数值的转矩指令信号，并通过倒相电路6以矢量控制方式驱动控制永磁同步电动机2，抑制上述的振动。

图3是表示图1的电动机系统的动作特性的时间图，(a)表示运转状态的变化、(b)表示转速的变化、(c)表示负载转矩的变化、(d)表示永磁同步电动机的小容量绕组的转矩的变化、(e)表示永磁同步电动机的大容量绕组的转矩。

从停止状态起动时，通过将运转工作状态(mode)转换开关(switch)9置为起动状态，闭合三相开关5而使倒相电路6工作，通过控制电路7的速度矢量控制使倒相电路6的频率从低频逐渐上升，并通过小容量绕组16起动至额定转速。

在起动状态时，可以驱动大到小容量绕组16的300kw的低负载(无负载、低负载运转)，但为了驱动更大到900kw的负载(额定负载运转)，将运转工作状态转换开关9置于运转状态，闭合三相开关3而从商用交流电源向大容量绕组15供电。并且通过控制电路7和倒相电路6的矢量控制，在小容量绕组16产生消除振荡的转矩(小容量绕组16的转矩)，并随着时间的经过，衰减在负载变动时产生的振荡的输出转矩(大容量绕组15的转矩)。

在该实施方式中，设置600kw的大容量绕组15和300kw的进行矢量控制的小容量绕组16，因此即使输出振荡的振幅非常大，也可以富裕地抑制其输出振荡。

这样，在永磁同步电动机2设置大容量绕组15和小容量绕组16，使与倒相电路6相连接的小容量绕组16承担永磁同步电动机2从停止起动至额定转速的功能、和通过矢量控制衰减由以额定转速运转时的负载变动引起的转速的振荡(不稳定)的功能。由此，在永磁同步电动机1中不需要设置鼠笼型绕组，就可以实现小型、轻量，而且由于也不需要与永磁同步电动机同规模的大容量倒相器，因此可以得到既经济又高效率的系统。

另外通过构成为在同一电动机框架10内容纳永磁同步电动机2、倒相电路6以及控制电路7，由此可以紧凑地(compact)构成电动机系统，构成部件的布线也变得容易。

图4是表示图1的电动机系统的永磁同步电动机的第二例的横截面图。只是，在与图2相同或类似的部分附上共同的符号而省略重复说明。在该构成例中构成为，在定子14的整个槽22配置大容量绕组15和小容量绕组16，并引出与那些对应的绕组端子。

下面，对本发明的第二实施方式的电动机系统，参照图5进行说明。只是，在与图2相同或类似的部分附上共同的符号而省略重复说明。图5是表示该实施方式的电动机系统的构成的模块图。

在第一实施例中，讲述了在旋转轴12设置旋转位置检测器8而矢量控制永磁同步电动机2，并根据旋转轴12的速度的振动来检测输出变动的例子。在该第二实施方式中，当永磁同步电动机2的矢量控制为无传感器(sensor-less)方式时，如图5所示，在永磁同步电动机2的电枢(定子)绕组侧设置传感器13，根据该传感器13的信号检测永磁同步电动机2的输出振荡。根据传感器13的检测信号，通过控制电路7的倒相电路6驱动控制永磁同步电动机2，由此能够抑制振荡(不稳定)。从而可以简略系统。

作为变形例，系统可以构成为，永磁同步电动机2是以旋转位置检测器等有传感器的矢量控制方式，输出振荡的检测是以在电枢绕组侧设置的传感器13的方式来分担功能。

Claims (9)

1、一种电动机系统，其特征在于，包括：

永磁同步电动机，具有作为定子绕组的、相互电独立的第一绕组和第二绕组；

开关，对商用交流电源和上述第一绕组的连接进行开闭；

倒相电路，与上述商用交流电源相连接，并向上述第二绕组供电；

控制电路，控制上述开关和倒相电路。

2、如权利要求1所述的电动机系统，其特征在于，上述控制电路具有在上述永磁同步电动机从停止状态到额定转速附近的起动期间进行上述永磁同步电动机的控制的功能、和上述永磁同步电动机额定运转时进行使由负载变动引起的转速的振荡衰减的矢量控制的功能。

3、如权利要求2所述的电动机系统，其特征在于，还具有检测上述永磁同步电动机的旋转位置的旋转位置检测器，上述控制电路根据上述旋转位置检测器的输出，进行速度矢量控制和转矩矢量控制。

4、如权利要求2或3所述的电动机系统，其特征在于，用于检测上述永磁同步电动机的输出振荡的传感器被设置于上述永磁同步电动机的定子绕组，上述控制电路是根据上述传感器的输出，通过上述倒相电路控制上述永磁同步电动机的。

5、如权利要求1或2所述的电动机系统，其特征在于，上述控制电路控制上述开关，以在从停止状态到额定转速附近的起动期间打开上述开关，而在额定转速附近闭合上述开关，并且，进行控制以使在闭合上述开关时流过的暂态电流瞬时衰减。

6、如权利要求1或2所述的电动机系统，其特征在于，上述第一绕组具有比第二绕组大的容量。

7、如权利要求1或2所述的电动机系统，其特征在于，上述永磁同步电动机、倒相电路以及控制电路容纳于共同的电动机框架内。

8、一种永磁同步电动机，其特征在于，作为定子绕组具有与交流电源相连接的第一绕组和与第一绕组电独立、且与倒相电路相连接的第二绕组。

9、一种电动机系统控制方法，控制具有作为定子绕组的、相互电独立的第一绕组和第二绕组的永磁同步电动机，该方法特征在于，

通过开关，将上述第一绕组与商用交流电源相连接；

通过倒相电路，将上述第二绕组与上述商用交流电源相连接；

在永磁同步电动机从停止状态到额定转速附近的起动期间，打开上述开关，控制上述倒相电路，由此进行上述永磁同步电动机的控制；

通过控制上述倒相电路，进行使由额定运转时的负载变动引起的转速振荡衰减的矢量控制。

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