CN101772883A - 用于控制异步电动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制具有至少两个绕组的异步电动机的方法，第一绕组和至少一个第二绕组借助于至少两个电子开关连接以便改变转速。为了避免电流峰值，在切换时以一个或多个时间间隔打开两个开关。

Description

用于控制异步电动机的方法
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所给出的特征的、用于控制异步电动机的方法以及一种根据权利要求12所述的异步电动机。
背景技术
由于异步电动机制造成本低廉、耐磨损，并且通常在运行中不会出现问题，因此异步电动机特别是功率较小的异步电动机被广泛使用。异步电动机通常用于例如最大200瓦的小功率的应用，比如这种异步电动机用于驱动离心泵(例如加热循环泵等)。在此这种异步电动机为单相电网供电的单相异步电动机或双相异步电动机。其中所述电动机的转速与电网频率有关。
为了控制转速，公知的是将主绕组与部分辅助绕组串联。在现有技术中为了近似无级地改变转速而串联变频器，然而这使得成本很高且费用较大。但是也可通过相应地控制电子开关来实现转速的改变，其中电子开关通常是可实现相位角控制的三端双向可控硅开关。这种相位角控制的问题在于，滞后角只能在狭小的范围内变动，所述滞后角是指这样一种角度，即开关在供电电压经过零点之后、在此角度之后再次接通，以便向电动机供电。较小的滞后角对于电压的有效值(RMS值)影响较小；反之，较大的滞后角则以不利的方式影响电机的功率因数。这个问题会随着电机功率的增加而变得更加严重。此外电机的输出功率也会随着滞后角的变大而减小。
此外，借助脉冲级联控制(Pulskaskadensteuerung)来实现转速控制也是一种可选的现有技术。此处利用三端双向可控硅开关切去主绕组供电电压的半波，其中，相应地控制与主绕组串联的开关的打开。当然供电电压的许多分波(Teilwellen)不能被任意地过滤掉，因为这样的话电机的供电就不再充足并且电机的运行速度不再恒定。特别在湿式离心泵机组中这会导致产生不期望的噪声，这种噪声由于液体接合(Flussigkeitskopplung)会在电力网络中扩散，即例如会在加热装置中扩散，这是不期望的。这种效应也会随着电机功率的增加而增强。
就此而言切换方法(toggling)更有利，其中，主绕组根据要控制的转速与部分辅助绕组串联。根据辅助绕组的部分的数目以及辅助绕组部分所配备的开关数目可以由此实现近似无级的转速控制。然而根据待调整的转速，有时候这需要在与主绕组串联的多个绕组部分之间不断切换。特别是考虑到发出噪声和功率因数影响，这种方法比上述的相位角控制或脉冲级联控制本质上更有利，然而在大功率电机处于其临界状态时并非有利，因为每次切换时会在绕组中出现电流峰值(Stromspitz)，而电流峰值会加重电网和电机的负荷。
发明内容
在此背景下本发明的目的是提出一种用于控制异步电动机的方法，所述方法尽可能地避免了上述缺点，特别地也可用于功率较大的电动机。
根据本发明，通过在权利要求1中所给出的特征实现上述目的。在从属权利要求以及以下的说明和附图中可得出所述方法的有利设计。在权利要求12中给出了根据本发明的方法工作的异步电动机，在随后的从属权利要求以及说明和附图中可得出所述异步电动机的有利的改进方案。
根据本发明的用于控制异步电动机、尤其是用于控制异步电动机的转速的方法以具有至少两个绕组的异步电动机为前提，在所述异步电动机中为了改变转速，第一绕组和至少一个第二绕组借助至少两个电子开关连接(verschalten)，其中，在切换时在一个或多个时间间隔(Zeitspannen)中打开两个开关或保持两个开关打开。根据本发明的方法由此造成，在切换过程中并非如现有的技术那样几乎特别(adhoc)在供电电压的零点进行切换，其中例如第一绕组与第二绕组为了降低转速而串联连接，或者为了提高转速而以相反的方式连接；而是在切换时在一个或多个时间间隔中控制的两个开关打开，尤其是控制连接第一绕组与供电电压的开关的打开。因此能够避免通常在电机中所设置(einstellend)的高电流峰值，这实现了与切换后施加在第一绕组上的电压电平(Spannungsniveau)一定程度的匹配。
在此，在本发明的意义下，时间间隔典型地被理解为处于供电电压的波长(360°)的5°和180°之间。如果有利地在多个时间间隔上打开所述两个开关，则其可以有利地以2到20个、优选在10个步骤内完成。这样，时间间隔典型地在相对于供电电压的波长(360°)的9°与108°之间变化。
根据本发明的方法不仅能够用于单相供电的异步电动机，也能用于多相供电的异步电动机；不仅适用于小功率电动机，也特别地适用于大功率电动机。根据本发明的方法特别实现了在使用简单的电子开关(特别是三端双向可控硅开关)而无需成本昂贵地串联变频器的情况下，对功率超过500W的异步电动机的与功率因数一致(leistungfaktorkonform)的转速控制。
根据本发明，在切换时在一个或多个时间间隔打开所述两个开关或保持所述两个开关打开；这两个开关中，通常在切换之前将第一绕组与其它绕组连通的开关被完全地，即持续地打开；通常在一个或多个时间间隔将第一绕组与供电电压连接的另一个开关打开，随后此开关在切换过程之后持续地闭合。
根据本发明的有利的扩展方案，在切换时在一个或多个时间间隔打开一个开关构成了相位角控制的一部分，所述相位角控制的滞后角逐渐变化。因此在切换时应用相位角控制的原理，从而逐渐地(即在尽可能避免现有技术中所公知的电流峰值的情况下)与第一绕组上的电压水平匹配，所述电压水平是完成切换后施加在第一绕组上的电压水平。应当指出的是，如在现有技术中往复接通(切换，toggling)绕组时所公知的，为了控制电动机的一定的转速可能或多或少需要不断地切换。因此，在各个切换过程中与所述切换过程是否将处于较高电压水平或较低电压水平的第一绕组连通无关地实现根据本发明的这种匹配。
能够以简单的方法通过现有的电子开关尤其是三端双向可控硅开关来实现根据本发明的相位角控制，其中为此有利地对与第一绕组串联的三端双向可控硅开关进行相应的控制或为第一绕组提供较高的电压水平。
特别有利的是，根据本发明的方法可用于单相电网供电的(netzgespeist)异步电动机，因为通过这种方法可以在利用简单的三端双向可控硅开关的情况下对所述异步电动机进行转速控制，而不会出现特别在大功率电动机中由于切换过程而在电机绕组内部出现的高电流峰值。在上述电动机中，第一绕组根据本发明有利地构成主绕组，而第二绕组和可能的其它的绕组构成辅助绕组的部分或全部辅助绕组。此外，为了降低转速，以公知的方法通过开关将第二绕组或者其它的绕组与第一绕组串联连接，或相反。
根据本发明，可以设置多个其它绕组，这些其它绕组可与第一绕组串联连接用以改变转速，其中为每个所述其它的绕组配备电子开关，特别是三端双向可控硅开关，利用这些电子开关，将所述其它绕组与第一绕组连接，特别是可串联连接。
根据本发明的扩展方案，在切换时，即在将绕组与第一绕组串联连接时或在相反的连接过程时，始终利用开关进行相位角控制，所述开关用于对第一绕组加载较高的电压。
应该理解的是，例如如果在两个辅助绕组部分之间进行切换，在设有多个辅助绕组部分时，例如设有三个辅助绕组部分(具有配备给所述三个辅助绕组部分的三个电子开关和第一绕组的一个电子开关)时，配备给多个辅助绕组的部分的一个开关也可以用于相位角控制。
为了尽可能均衡地，尤其是在避免在绕组内部形成较大的电流峰值的情况下完成切换过程，根据本发明的扩展方案设计为，在切换到位于第一绕组上的较高电压时，通过可减小至0的滞后角进行相位角控制。也可将时间间隔也逐渐减小至0直到第一绕组完全具有该较高电压，在此时间间隔内为第一绕组供给电压的开关保持打开。
在相反的情况下，如果在切换到施加在第一绕组上的较低电压时通过可增加到预定值的滞后角进行相位角控制。所选的滞后角的预定值能够产生有效电压，所述有效电压基本上对应于切换后始终位于第一绕组上的电压。
如果在切换到施加在第一绕组的低电压时连通，根据本发明的扩展方案，代替相位角控制，有利地根据第一绕组中的感应电压选择时间间隔，在该时间间隔之后两个打开的开关中的一个被再次闭合。开关过程也有利地与时间无关，而是根据第一绕组中产生的感应电压被触发。通过根据本发明的方法，能够有效地避免在控制变为较低转速时电机绕组中不利的高电流峰值。
在切换到施加在第一绕组上的较低电压时，第一绕组有利地与电源断开，直到第一绕组中的感应电压下降至开关过程(Schaltvorgang)之后的较低电压的水平。这种方法的优点在于：一方面避免了绕组中不利的高电流峰值，另一方面第一绕组只需如实际所需地与电源断开。
根据本发明的方法的有利之处在于，其并非只用于对在单独的绕组部分相互连通时所实现的电机转速进行切换，还针对性地用于对位于其间的转速进行控制。此外，例如如果应该对在两个绕组部分连通时所实现的转速之间的转速进行控制，则需要几乎连续的切换。根据本发明的方法恰好对于这种持续不断的切换具有特别的优势，因为电机的功率因数明显改善并且特别地由于开关过程明显降低了在绕组中产生的热量。
根据本发明的这种方法尤其对于功率超过500W的单相电网供电的异步电动机实现了简单、低成本的转速控制，而无需使用昂贵的变频器。然而利用根据本发明的这种方法还能有利地控制三相电流供电的异步电动机的转速。根据本发明的方法本质上不限于用于异步电动机，特别有利的是该方法可以用于循环泵的湿式电动机，因为基于温柔的(weicher)切换过程能够明显减小噪声。
假设根据本发明的方法用于异步电动机，在所述异步电动机中为了改变转速，至少两个绕组可借助于两个电子开关(特别是三端双向可控硅开关)连接。为了按照所期望的转速对三端双向可控硅开关进行控制，所述异步电动机具有用于执行根据本发明的方法的电子控制器。所述控制器通常为数字控制器，其中在控制器中以软件的形式执行根据本发明的方法。尤其有利的是所述异步电动机是一种带有循环泵机组的单相供电的电动机，所述电动机的主绕组由第一绕组构成并且其辅助绕组由第二绕组或其它的绕组构成，如在现有技术的异步电动机中所公知的那样。通过在异步电动机的控制器中实施根据本发明的方法，输入电功率超过500瓦、优选甚至超过1kW的异步电动机能够在使用简单的电子开关，特别是三端双向可控硅开关的情况下控制转速，且噪声排放相对较小并且没有对功率因数不利的影响，因此所述异步电动机注定能够与湿式电动机相结合地使用，例如其通常用于驱动循环泵。
附图说明
下面根据附图中示出的实施例对本发明做进一步的说明。其中：
图1示出了具有主绕组和辅助绕组的单相电网供电的异步电动机的简化电路图，
图2示出了三相供电的异步电动机的简化电路图，
图3示出了在切换之前、切换期间和切换之后主绕组上的有效电压，下面是相位角控制的相应的滞后角，
图4示出了供电电压的电压波形，下面是在切换之前、切换期间和切换之后主绕组的电压波形，
图5示出了供电电压的电压波形和主绕组在切换到较低电压水平时的电压波形，
图6示出了主绕组在切换到较高电压水平时的图5的电压波形，
图7示出了在使用不同的连通方法中进行切换时主绕组上的有效电压，下部是相应的滞后角，以及
图8示出了位于主绕组上的电压以及在主绕组中的感应电压，下部是切换时在主绕组中流动的电流。
具体实施方式
图1示出的异步电动机具有：第一绕组1，其构成主绕组；以及辅助绕组，其由三个部分绕组Aux1，Aux2和Aux3组成，该三个部分绕组与电容器2串联并与三端双向可控硅开关形式的电子开关T0连接，并且如根据图1示出的电路图所示地与并联至主绕组1的电网供电电压Vinput连接。三端双向可控硅开关形式的电子开关T1，T2和T3被分别配备给辅助绕组Aux1，Aux2和Aux3，辅助绕组可通过该电子开关全部地或部分地与主绕组1串联连接。
此外还设有开关T4，其与主绕组串联并使主绕组1与电源断开或连接。除了开关T0(其在电机运行时始终闭合且对于电动机的停机是必需的)之外，在开关T1到T4的操作中其中之一闭合，而另外三个打开。通过切换能够控制电动机的转速。
当主绕组1上加载供电电压Vinput时，在开关T4闭合时电动机以最大转速运行。通过闭合开关T3或T2以及最后的T1来控制电动机从而降低转速。在最后的情况下，主绕组1的所有的辅助绕组被串联，因此在主绕组上的电压最小。通过在开关T1，T2，T3，T4之间切换，电动机能够以几乎任意的转速运行，所述转速位于当闭合开关T1到T4时分别在结束位置(Endstellung)实现的转速之间，这属于现有的技术。
当切换转速时，即例如当在供电电压的零点打开开关T3并同时闭合开关T4时，在主绕组1上，尤其是在大功率电动机的主绕组上会出现相对较高的电流峰值。为了避免这个问题，在根据本发明的方法中并非如现有技术在供电电压Vinput的过零点处几乎同时连通，而是如图3到图6中所详细示出地近似逐级地连通。
在图3中时间轴的左侧所示出的第一开关过程中，闭合开关T2时所产生的位于主绕组1上的电压VAux2逐渐地升高到在所述开关过程之后、当开关T3闭合且开关T1、T2和T4打开时所产生的位于主绕组1上的较高的电压VAux1。
为了进行切换，在供电电压Vinput的过零点时开关T2打开，并且开关T1和T4仍然打开，当然开关T3通过开关的相位角控制首先保持打开。相位角控制这样实现：使电压有效值(RMS值)逐渐与切换后位于主绕组1上的电压(如其在开关T3闭合时所给出的)匹配。因此，如图3所示，在向高压切换(Hochschalten)时，通过在其滞后角减小到0的三个步骤3中的相位角控制来触发开关T3。通过这种方式，主绕组并非如现有技术那样特别地(adhoc)被加载较高的电压VAux1，而是以几乎逐级的方式被加载电压VAux1。阶段3在时间上由通常为50Hz的供电电压的频率确定，使得每个阶段3持续10ms的时间间隔。在图3所示的实施例中，通过两个中间阶段完成向高压切换，即在20ms之后结束切换过程并对主绕组1供给较高的电压VAux1。在图3中仅示例性示出了相位角控制的两个阶段，在切换时所选的阶段3或步骤3越多，切换过程越温柔，即在电动机绕组1中出现的电流峰值越少。
在图3所示的开关顺序中，经过一定的时间后从VAux1切换到VAux2，其中以相反的方式打开开关T3并闭合开关T2。这通过多个阶段3实现，此处例如为两个阶段3。在切换到较低的电压时(此处为VAux2)，开关T2首先保持打开，但是另外还打开开关T3，确切地说首先只是短时间的，也就是在一个较短的时间间隔内，该时间间隔选择为，使得在绕组1上可以得到一个低于电压VAux1但明显高于电压VAux2的有效电压。其以同样的方式通过如上所述的相位角控制实现。但是利用相位角控制的操作在向下切换到较低电压时与在向上切换时不同，其中选择从0上升到预定值的滞后角。在此，这样选择预定值，使得能够产生有效电压，该有效电压大约相当于应该向下切换到的电压(此处即VAux2)。如其中以相对较短的时间间隔示出了全部四个开关过程的图3所示，应该说明的是，通过在开关T2和开关T3之间的这种往复连通(切换，toggling)在主绕组1上可得到短暂地平均位于VAux1和VAux2之间的电压水平，并因此控制介于其间的转速。
在如图3中所示出的这些开关过程中，由图4示出了与供电电压Vinput相比的位于主绕组1上的电压Vmain，其中，切换过程5从VAux1向下切换到VAux2，而切换过程6则示出了随后的向高压切换。如图5所示的在向下切换时的电压波形，图6示出了在向高压切换时相应的电压波形，图5和图6的上部均示出了用于比较的供电电压Vinput，下部示出了在主绕组1上得到的电压Vmain。
如图5示例性所示，此处通过三个阶段3利用相位角控制进行向下切换。在第一开关过程5a中，开关T3(此时开关T2打开)以非常短的时间间隔，即相对于供电电压Vinput的波长(360°)大约18°被延迟接通，从而得到电压有效值，所述有效值开始仅略低于VAux1。在随后的开关时刻5b，时间的延迟通过相位角控制(即滞后角)被放大，在此处约放大到36°。随后在第三个阶段中，对于定时开关点(Zeitschaltpunkt)5c再次进行进一步的约至72°的接通延迟，因此在此处通过三个阶段将电压水平从VAux1向下导引到VAux2。然后最终在开关时刻5d同时打开开关T3并闭合开关T2，因此此后位于主绕组1上的电压为VAux2。
在向高压切换时基本上以相反的方向执行这一过程。在图6中用6a至6d表示相应的开关时刻。在向高压切换到较高的电压水平时，直至此时为主绕组1提供供给电压的开关T2当然目前是打开的。其上具有随后的更高电压水平的开关T3在时间点6a上保持打开，并且当然已经通过相位角控制被触发，更确切地说目前具有相对较大的滞后角(此处为76°)以便产生仅超过当前电压VAux2少许的有效电压。由此滞后角Z在此处以相反的方式减小至0，直到开关T3在时间点6d持续闭合，且其余的开关T1、T2和T4打开。
如图7和图8所示出的开关过程，除了通过相位角控制以外，也可以用其它的方法实现向下切换到较低的电压水平，即通过确定主绕组1中的感应电压并与切换过程后位于主绕组1上的电压VAux1比较。在图7中用3a表示的延迟时间不是预定的，而是由第一绕组1上的感应电压的波形确定。图8上部的图表示出了位于主绕组1上的电压Vmain以及在主绕组1中的落后于电压Vmain的感应电压VBEMF。如在图8下部的图表所示，清楚示出了在打开开关T1、T2和T4时开关T3同样也被打开的连通时间点t1，此时间点t1后在绕组中没有电流流过。现在测量主绕组中产生的感应电压VBEMF并等待，直到所述电压下降到值Vaux2。一旦处于这种情况，用t2表示这个时间点，则开关T2被触发闭合并且此后主绕组1被供给电压Vaux2，直到随后再次向高压切换。如图7所示，在此实施例中位于t1和t2之间的时间间隔3a近似为180°，近似为供电电压Vmain的半个波长。
在根据如图1所示的电路图的上述实施例中，虽然描述了通过操作开关T2和开关T3所进行的向高压切换和向下切换，但应该理解的是，可以以类似的方式实现在T1和T2之间以及在T3和T4之间的切换。始终通过向第一绕组输送较高电压的开关来实现相位角控制。
此外，还可以通过在根据图1的辅助绕组线路中连接有与电容器2和开关T0并联的其它的电容器来对电动机进行改进，所述其它的电容器具有与其串联的开关。以此方式，位于主绕组1上的电压相应地与电容量相匹配，使得不同的电容量提供不同的转速。利用两个并联的电容器能够实现三种电容量变化，这些电容量变化可以通过控制器分别相应地接通所实现的电压。
尽管参照根据图1的单相电网供电的异步电动机描述了根据本发明的方法，如在图2中示例性示出的，所述方法也可以用于三相电网供电的异步电动机以及三相异步电动机中。可以通过接入另一绕组Aux0来扩展第一绕组。为此又设置了两个开关，即开关TA和TB。为清楚起见仅示出了以星形连接方式连接的三相异步电动机的一组线路。可以以与上述类似的方式通过与绕组Aux0接入或与绕组Aux0断开来实现切换，可以在所有的三个线路中相应地实施本方法。本方法不限于星形连接的三相异步电动机，而是还能够相应地用于三角连接的三相异步电动机中，在这种情况下绕组1和Aux0分别位于三角形的一侧，其中开关TA和TB中的一个将三角形的顶端和电网电源的一相连接，而另一个开关与位于绕组1和绕组Aux0之间的点连接(三角连接未示出)。根据本发明的方法也可以以简化的方式通过星形连接的三相交流电动机实现，其中三个绕组中的两个绕组均分别都通过开关与主供给电压的相应的相连接，从而可以用类似的方式与绕组接通或断开。
附图标记列表
1第一绕组(图1中的主绕组)
2辅助绕组的电容器
3阶段，步骤
5切换过程，接通到低电压
6切换过程，接通到高电压
TA，TB三端双向可控硅开关
T0至T4三端双向可控硅开关
Aux1，Aux2辅助绕组的部分
Aux3辅助绕组的部分
Aux0图2中的其它绕组
Vinput电动机的输入电压
Vmain第一绕组上的电压
Vaux1绕组1与绕组aux1串联时绕组1上的电压
Vaux2绕组1与绕组aux1和aux2串联时绕组1上的电压
t1时间点
t2时间点
Z滞后角

Claims (14)

1.一种用于控制具有至少两个绕组的异步电动机的方法，在所述异步电动机中，为了改变转速，将第一绕组和至少一个第二绕组借助于至少两个电子开关连接，其特征在于，在切换时在一个或多个时间间隔内控制该两个开关的打开。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在切换时打开所述一个开关是相位角控制的一部分，所述相位角控制的滞后角逐渐地变化。
3.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过与所述第一绕组串联的电子开关，尤其是三端双向可控硅开关实现所述相位角控制。
4.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一绕组构成单相电网供电的异步电动机的主绕组，所述第二绕组和可能的其它的绕组构成一个或多个辅助绕组的一部分。
5.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，设有其它绕组，所述其它绕组与所述第一绕组能串联连接以改变转速，其中每个绕组均配备有电子开关，特别是三端双向可控硅开关。
6.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述相位角控制通过所述开关实现，所述开关为所述第一绕组加载较高的电压。
7.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在切换到施加在所述第一绕组上的较高电压时，利用能减小至0的滞后角来进行所述相位角控制。
8.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在切换到施加在所述第一绕组上的较低电压时，利用增加到预定值的滞后角来进行所述相位角控制。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在切换到施加在所述第一绕组上的较低电压时，根据在所述第一绕组中产生的感应电压来触发开关过程。
10.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在切换到施加在所述第一绕组上的较低电压时，使所述第一绕组与供电电源断开，直到在所述第一绕组中的感应电压下降至该较低电压的水平。
11.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法用于产生在所述电动机绕组固定连接时实现的转速之间的电动机转速。
12.一种具有至少两个绕组(1，Aux)的异步电动机，在该异步电动机中第一绕组(1)能借助至少两个电子开关(T0至T4)与第二绕组(Aux)连接以改变转速，并具有用于执行如前面任一权利要求所述的方法的电子控制器。
13.如权利要求12所述的异步电动机，其特征在于，所述异步电动机是循环泵机组的单相供电电动机，所述异步电动机的主绕组由所述第一绕组(1)构成，所述异步电动机的辅助绕组由所述第二绕组或其它的绕组(Aux)构成。
14.如权利要求11或12所述的异步电动机，其特征在于，所述异步电动机的电输入功率超过500W，优选超过1kW。
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