CN101689819B - 起动具有无刷直流励磁机的同步电动机的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电动机的起动方法和系统，其中通过施加磁化电流以建立经由定子的磁通来使电动机作为感应电动机起动，其中励磁电流被设在最大允许励磁机定子电流(即，以过渡速度在主磁场中引起额定空载电流的电流)。电动机定子电流被保持在允许电动机产生足够的起动转矩来克服任何静摩擦的值。以特定的过渡速度或在一时间段之后，通过去除初始磁化电流，驱动将开始从感应电动机控制向同步电动机控制的过渡，随后励磁电流通过DC励磁机被施加给电动机。一旦完成这个过渡，驱动将斜升至期望的速度需求。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年4月20提交的美国临时专利申请No.60/913,128的优先权权益。
背景技术
许多同步电机，例如被设计要利用晶闸管软起动器起动的电动机，具有或采用无刷直流(DC)励磁机。采用励磁机有助于克服与将转子从从静止位置加速至全速有关的惯性。
在不同的情况下，希望的是运行具有无刷DC励磁机的同步电动机，所述无刷DC励磁机具有中压、可变频率驱动(VFD)电动机控制器，诸如在对Hammond的美国专利No.5,625,545中所描述的。中压VFD电动机控制器提供起动具有无刷DC励磁机的同步电动机所需的初始电流，同时避免公用电源电压中的电压降。然而，为了在无需速度传感器的情况下运行，具有无刷DC励磁机的同步电动机在施加有效负载之前应该是同步的。否则，电机可能滑差一个极(slip a pole)并引起磁通快速减少，有时会导致速度控制失败。因此，采用无速度传感器的VFD来起动具有无刷DC励磁机的同步电动机可能是困难的。
克服这种困难的一个选择是用交流(AC)励磁机来代替DC励磁机，使得可以在静止状态下施加励磁。然而，在许多情况下该动作过程在机械上可能是困难的，因为这在通常难以接近的位置需要替换一部分。
在此公开的内容力图解决上面列出的一个或多个问题。
发明内容
本文描述一种无需速度传感器的起动方法，其中具有无刷DC励磁机的同步电机可以作为感应电动机被起动，并可以以特定的瞬时速度被切换到同步电动机运行。
在无需速度传感器的运行下，不像具有AC励磁机的同步电动机那样，具有无刷DC励磁机的同步电动机需要不同的起动策略用以将电动机拉入 同步。在本文所述的方法中，VFD可以通过以异步方式旋转电动机转子来开始其运行。一旦转子旋转，驱动可将电动机拉入同步并过渡到正常的同步电动机控制。
在一实施例中，通过施加磁化电流以建立经由定子的磁通可以使电动机作为感应电动机起动，其中励磁电流设在最大允许励磁机定子电流(即，以过渡速度在主磁场中引起额定空载电流的电流)。电动机定子电流将保持在允许电动机产生足够的起步转矩以克服任何静摩擦的值。以特定的过渡速度或在一段时间之后，通过去除初始磁化电流，驱动将开始从感应电动机控制到同步电动机控制的过渡，励磁电流(field current)随后通过DC励磁机施加给电动机。一旦完成这个过渡，驱动可以升至期望的速度需求。
附图说明
图1是控制异步电动机的VFD的框图。
图2是电动机控制方法的框图。
图3是控制具有无刷DC励磁机的同步电动机的VFD运行的时序图。
图4是描述可以如何确定磁化电流(Ids)参考和励磁电流(Ifield)参考值的框图。
图5显示了根据时间的初始磁化电流和同步电动机前馈(FF)电流的例子。
图6是示出示例性可变频率驱动的组件的框图。
具体实施方式
在描述本方法之前，应该理解的是本发明不限于所述的特定系统、方法或协议，因为它们是可以变化的。还应该理解的是在此采用的术语的目的仅是为了描述特定实施例，而不是为了限制本公开的范围。
除非上下文明确地另外规定，在此和在所附的权利要求中所采用的单数形式的“一”和“该”包括复数参考。除非另有定义，在此采用的所有技术和科学术语均具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。这里使用的术语“包含”的意思是“包括，但不限于”。
图1示出了可变频率驱动(VFD(variable frequency drive))100、无刷直流(DC)励磁机120和同步电动机110的示例性配置。如图1中所示， VFD 100可被连接用以将功率输送到电动机110的定子。尤其是，VFD 100给电动机110提供初始磁化电流(initial magnetizing current)(Ids)、初始励磁电流(Ifield)和初始转矩电流(Iqs)。下面关于图2和图3更详细地论述这三个电流。电动机110可以包括用于保护电动机的(多个)励磁绕组114的保护电路112，其包含晶闸管、齐纳二极管、电阻器和/或其他器件。电动机110还可以包括整流器116，其电连接到DC无刷励磁机120的输出侧。基于晶闸管的功率调节器140可从功率源150将DC功率供应给励磁机120的输入侧。调节器140可接收来自VFD 100控制器的控制命令。
图2以框图的形式示出了一种用于控制起动具有无刷DC励磁机的同步电动机的方法。图3以时序图的形式示出了该方法，下面的讨论可以参考图2和图3。该方法可以用于起动具有无刷DC励磁机的同步电动机。下面描述该起动方法的实施例的VFD驱动运行的时序图。
参见图3，当发出利用VFD起动电动机的命令时，同步电动机可能处于静止或空转状态310。可以不考虑速度需求来执行随后的一些或所有步骤。在初始磁化状态320期间，VFD施加特定的初始磁化电流(Ids)351来建立经由定子的磁通350，而输出频率保持在零。在这个时间段，通过VFD将励磁电流(Ifield)352施加给DC励磁机，并且在磁化状态320期间，Ifield352保持为恒定值，其不大于或等于最大允许励磁机定子电流。
在磁化状态之后(例如，当磁通参考停止增长的时刻)，开始运行状态330。运行状态330可被分为包含高起动转矩状态331和用于到同步电动机控制332的状态改变的过渡时间的特定时间段。在高起动转矩状态331中，驱动使输出频率倾斜(ramp)，使得电动机速度353达到额定滑差速度(rated slipspeed)，同时将电流的转矩分量(Iqs)353增加至在高起动转矩模式菜单中的允许电动机产生足够的起动转矩以克服任何静摩擦的设置。随着初始磁化电流(Ids)施加到电动机定子，这使得电动机看起来像感应电动机。
在高起动转矩状态331中，对于等于磁通滞留时间(flux dwell time)321的持续时间，驱动维持该转矩电流353和频率353。在该时段期间，电动机应产生足够的转矩，其将迫使转子运动(或在负载状态下振动)。在磁通滞留时间321之后，控制使电动机速度354从额定滑差速度增加至最小速度，同时维持定子电流。
然后，驱动通过启动锁相环路(PLL)和等待一段时间来结束高起动转矩状态331，这可由PLL获取时间(Acq.time)323参数来确定。在这个时段期间PLL获得电动机磁通和频率。
在PLL获取时间323过去之后，驱动控制移到用于到同步电动机控制的状态改变的过渡时期333。在这个时段期间，驱动稍微地降低转矩353电流(例如，到菜单设置的90％)并且闭合速度环路。速度环路现在可以接收电动机速度354反馈并可以力图调节电动机电流的转矩分量(Iqs)。
在一时间段(例如一秒)之后，可以启动磁通环路。磁通环路现在将接收对磁通350的反馈并将试图调节磁化电流(Ids)351和励磁电流(Ifield)352。
当磁化电流(Ids)降低到零时，会有空载主励磁电流(Ifield)352并且控制将被同步。从这点看，驱动可以运行在正常的同步电动机控制模式334。驱动将准备升至由定货明细表或所施加的负载确定的期望的速度需求。
在上面所列的任一时间段(例如，磁化状态320、磁通倾斜时间(fluxramp time)321、PLL获取时间323和上述的其它时间段)之间到下一个的移动可由设定为从一个状态移动另一个状态的计时器控制。对于每一个状态，时间可以具有预定的时间段，或时间段可以在状态间变化。可替代地，可以根据实际电动机状况实时测量来控制从一个时段到下一个时段的转移。
图2是控制系统的示例性元件的框图。图2示出在磁化状态期间控制系统210组件可在开环运行下被运行，使得在磁化状态(图3中的320)期间仅启动磁化电流调节器240和转矩电流调节器245。在高起动转矩状态(图3中的331)下启动PLL 250。在PLL获取时间(PLL acquisition time)(图3中的323)中，PLL 250从电动机获取电流和电压信息来计算电动机磁通角。电动机模型255处理电动机磁通角信息来产生针对电动机速度和电动机磁通的经更新的值。在状态改变的过渡时间(图3中的353)期间，控制系统210通过启动速度调节器220和磁通调节器225来切换到闭环运行。速度调节器220当在起动期间不被启动时不考虑来自主控制器的期望速度或者实际电动机速度，而是可提供转矩电流(图3中的353)的预定值。一旦被启动，速度调节器可比较期望速度和实际电动机速度，并且因此可以调节转矩电流(Iqs)参考。
类似地，在起动期间，磁通调节器225不考虑来自主控制器的期望 磁通或者实际电动机磁通，而是可以提供预定值来产生初始磁化电流(图3中的351)和初始励磁电流(图3中的352)。一旦被启动，磁通调节器225可比较期望的磁通需求和实际电动机磁通，并且因此可以调节电动机定子磁化电流(Ids)参考和励磁机定子电流(Ifield)参考。
经更新的电流参考值与电动机反馈电流一起被处理以产生用于d、q参考电压的经更新的值并且被转发至D-Q变换模块260。D-Q变换模块260使用(由PLL 250提供的)电动机磁通角来将电压d、q参考转换成可被引到电动机定子侧的AC信号。这些AC信号可利用脉宽调制器(PWM)270被转换成逆变器开关命令。
在磁通环路被启动之前和之后，不同的值可以被分配给磁化电流(Ids)参考值和励磁电流(Ifield)参考值。采用下面的策略可以得到参考值中的平滑过渡，并借助图4进行解释。在高起动转矩状态(图3中的331)期间并且直到磁通环路(图3中的360)被启动为止，磁化电流(Ids)451和励磁电流(Ifield)452的参考值分别由初始磁化电流351和最大允许励磁机定子电流401指示。
一旦驱动脱离高起动转矩状态(图3中的331)并且磁通环路(图3中的360)被启动，则磁化电流(Ids)451和励磁电流(Ifield)452的参考值可如下所示地被确定：Ids*＝InitialMagnetizingCurrent(t)+IdsReg，PIsynch＝SynchmotorFF(t)+Ids*+I。
根据时间的初始磁化电流和同步电动机前馈(FF)电流的示例性走向如图5中所示。
图6示出了在此所述的实施例中可采用的可变频率驱动的示例性实施例。在图6中，变压器或其他多绕组装置610通过单相逆变器的阵列(也被称为功率单元(power cell))向诸如三相感应电动机的负载630输送三相、中压功率。在阵列中不需要三相逆变器。多绕组装置610包括初级绕组612，其激励多个次级绕组614-625。尽管初级绕组612被示为具有星形结构，但是网状结构也是可以的。此外，尽管次级绕组614-625被示为具有延长的三角形结构。此外，图6中所示的次级绕组的数量仅仅是示例性的，而其他数量的次级绕组也是可以的。电路可用于中压应用(例如在大约690伏和大约69千伏之间)或在一些实施例中用于其他应用。关于这样的电路的附加细节在对Hammond的美国专利 No.5,625,545中被公开，其公开在此通过引用全部结合于此。
任意多列功率单元被连接在变压器610和同步电动机负载630之间。“列(rank)”被认为是三相集或跨功率输送系统的三相中的每一相建立的功率单元组。参见图6，列650包括功率单元651-653，列660包括功率单元661-663，列670包括功率单元671-673，以及列680包括功率单元681-683。小于四列或多于4列也是可以的。中央控制系统695通过光纤或别的有线或无线通信媒介690发送命令信号给每个单元中的本地控制。应注意的是图6中所示的每相单元数量是示例性的，在不同的实施例中多于或少于4列也是可以的。例如，两列、四列、八列或其他数量的列是可以的。
在一些实施例中，这些单元中的一些仅在一个方向(例如输入到输出)上处理功率。这些有时被称为二象限(2Q)或非再生(non-regenerative)功率单元。只要存在能吸收该功率的可用能量源，其他的可能能够在任一方向(例如输出到输入和输入到输出)上处理功率。这些有时被称为四象限(4Q)或再生(regenerative)功率单元。
上面所公开的和其他特征和功能或替代方案可期望地被组合为许多其他不同的系统或应用。随后本领域技术人员可能做出其中各种目前无法预料的或不曾预料的替代方案、修改、变化或改进。这些替代方案也由所公开的实施例所包含。
Claims (15)
1.一种用于控制具有无刷直流励磁机的同步电动机的起动的方法，包括：
采用可变频率驱动控制器来向电动机定子施加磁化电流和向励磁机施加预定的励磁电流，使得电动机在第一时间段期间作为感应电动机运行；
采用可变频率驱动控制器向电动机定子施加转矩电流来旋转转子；和
在确定的过渡速度之后，减小施加给电动机定子的磁化电流并调节施加给励磁机的励磁电流，使得电动机在第二时间段期间作为同步电动机运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率驱动控制器同时施加所述磁化电流和所述励磁电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述转矩电流被升至预定水平并被保持一预定的时间段。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预定水平和所述预定的时间段基于施加给所述电动机的负载来确定。
5.一种用于控制具有无刷直流励磁机的同步电动机的起动的系统，包括：
可变频率驱动控制器，其被配置用以向电动机定子施加磁化电流和向励磁机施加预定的励磁电流，使得电动机在第一时间段期间作为感应电动机运行，以及还被配置用以向电动机定子施加转矩电流来旋转转子；和
电动机控制组件，其被配置用以将电动机的运行切换为闭环，以便来自所述可变频率驱动控制器的磁化电流被减小，使得电动机在第二时间段期间作为同步电动机运行。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电动机控制组件还包括锁相环路控制器和电动机模型控制器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述锁相环路控制器监控来自所述电动机的电流反馈和电压反馈，并将所述电流反馈和电压反馈提供给所述电动机模型控制器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电动机模型控制器在所述同步电动机运行期间将电动机速度和电动机磁通值提供给所述电动机控制组件。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述频率驱动控制器被配置用以同时施加所述磁化电流和所述励磁电流。
10.一种用于控制具有无刷直流励磁机的同步电动机的起动的方法，包括：
采用可变频率驱动控制器来向电动机的定子输送初始磁化电流和向励磁机输送励磁电流；
将励磁电流保持在最大允许励磁机定子电流水平一时间段；
在磁化状态时段之后，施加转矩电流，使得电动机的转子开始旋转；
将转矩电流和电动机速度增加到预定水平；
当转矩电流达到预定水平时，针对磁通滞留时间段，将转矩电流和电动机速度保持在该水平上；
在由锁相环路设定的时间段之后，闭合速度环路以调节转矩电流，由此开始过渡到同步地运行电动机；
闭合磁通环路以将磁化电流减小到零，并调节励磁电流；和
作为同步电动机运行所述电动机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述可变频率驱动控制器输送所述转矩电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述最大允许励磁机定子电流水平基于施加给所述电动机的负载而被调节。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述转矩电流的所述预定水平基于施加给所述电动机的负载而被调节。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述电动机的速度在所述磁通滞留时间之后增加，所述速度增加到同步运行所需要的最小速度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述最小速度基于所述电动机上的负载而被确定。
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