CN101981802A - 以星形连接方式运行的多相电动机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于启动以星形连接运行的多相电动机的方法。其中，将电动机至少一相中的一个绕组部分导电地桥接，并将被桥接的绕组部分电分离，以用这种方式向电有效的其余绕组提供更高的电压，由此提高电流并进而提高转矩。

Description

以星形连接方式运行的多相电动机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种以星形连接运行的多相电动机的控制方法，用以启动电动机。

背景技术

目前，现代化的电动机可以通过电子控制装置实施控制，而在很大程度上与电网频率无关。然而，在采用高度集成的电子电路的情况下，变频电子装置本身受到了成本的制约，这种成本通常与电动机的数量级相同。因此，专业人员试图提出一种控制器，特别用于例如至7500W的中小功率电动机，这种控制器制造成本低廉，并可使电动机以高功效，也就是以高效率运行。由于它的高效率，因此特别适用于配备了由作为功率开关的三端双向可控硅元件(Triacs)构成的控制电子装置(Ansteuerelektronik)的永磁电动机。这样的可控硅元件作为开关与各个电动机绕组相对应，尽管其优点在于造价低廉；但缺点是：其在传统的控制器当中被认为是自保持开关，即在接通后只有当流经开关的电流为0(零)或者电流方向发生改变时，才再次截止。

在现有技术中采用直接变频器(循环换流器)来控制三相无刷电动机，变频器对供电网络的交流电进行变频，从而得到更高或更低频率的波形。此外，可以通过相位截止控制使转速降低到同步转速以下。

已知的还有所谓的软起动器，其中，通过可控硅启动三相无刷电动机。这些软起动器与三相电动机结合使用，可以通过相位截止控制降低的电网电压加载于电动机的绕组上。

因此，利用可控硅控制交流电动机，使交流电动机不仅可以被同步地驱动，而且还可以被超同步或次同步地驱动属于现有技术。

然而，为了以较高的转矩实现启动，或是在短时间内以提高的电动机转矩来实现启动，这样的相位截止控制是不够的。专利文献EP 1443635A1提出一种用于控制单相交流电动机的点火角的方法，该方法确保了在电动机启动时增加的转矩以及在高速运转的电动机中的平稳运行，并利用三端双向可控硅元件工作，可控硅用于相应地给主绕组和辅助绕组供电。这种方法在工作中使用成本较低的电子控制器和价格低廉的可控硅元件，并且还可以在较宽的范围内控制电动机的转速，并具有较高的效率。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于提出一种以星形连接运行的多相电动机、以启动电动机的控制方法，利用该方法可以获得较高的启动力矩，这种方法所需费用不高，并可有效地实施。

本发明的目的通过在权利要求1中所给出的特征得以实现。在从属权利要求以及下面的描述中给出了本发明的优选的设计方案。

根据本发明的用于控制以星形连接运行的多相电动机的方法，为了启动电动机，至少将电动机一相中的一个绕组部分导电桥接，并将经桥接的绕组部分与电动机的其余部分电分离。根据本发明的方法特别适用于交流无刷永磁电动机，即通常不仅用于电子换向多相直流电动机，而且优选用于异步电动机。

根据本发明的方法的基本思想在于，通过对电动机的至少一相的一个绕组部分或一个绕组进行导电桥接，为电动机的其它相或其余相供给更高的电压，并因此也供给更高的电流和更多的电功率，电动机将这些电功率转换为增加了的转矩。在此，在以星形连接运行的两相电动机中，可以只对电动机的一相中的一个绕组部分进行导电桥接，并与电动机的其余部分电分离，而在以星形连接运行的三相和多相电动机中，还可以对一相的整个绕组进行桥接并使其断开。断开绕组部分是必须的，以确保在所桥接的绕组部分或绕组中不会由于自感而产生制动作用。

根据本发明的方法用于启动电动机，因为该方法能够以增加了的力矩启动电动机，并因此更快地达到其运行转速。需要说明的是，在三相电动机绕组的导电桥接中，对其的控制与两相电动机是一样的，而且通过断开位于导电桥接的绕组的上游或下游的电子开关、尤其是可控硅，可以非主动地接通该导电桥接的绕组。如果将电动机作为两相电动机来控制，则优选使用例如由专利文献EP 1443635A1中所已知的那样的控制器。

在此，还可以将利用根据本发明的方法获得的增加了的转矩用于需要增加的转矩的、在负载状态下或在其他运行条件下的启动。特别是在与电子换向多相直流电动机相关的使用中，根据本发明的方法不仅可用于启动，而且优选用于在位于同步转速80-100％的转速范围内的高速运行。这种电动机在用于驱动离心泵时特别需要提高的力矩，以便例如在启动时从等于同步转速80％的转速达到同步转速。为了确保在这个速度范围内具有足够的转矩，电动机绕组的尺寸通常是相当大的，但是这常常导致，在以同步转速运行时电动机的尺寸过大，并且通过相位截止控制使电动机扼流，原则上这并不可取。相反，在使用根据本发明的方法时，通常可以这样确定电动机的尺寸，使得电动机一方面能够较快地达到其同步转速，另一方面在以同步转速运行时，不需要或仅需要最低限度的扼流。

根据本发明方法的一种优选扩展方案，在电动机启动后将桥接和分离解除，在无刷直流电动机中，也就是通常在达到同步转速时，或者必要时也可以是在达到次同步或超同步转速时，当该电动机以控制技术这样设置时。

根据本发明同样还提出，只对绕组的一部分进行导电桥接并将该部分与其余绕组部分电分离，有如在两相电动机中为了执行根据本发明的方法，这是必须要做到的，因为不允许断开整个绕组。

根据本发明，可以将单相、多相但不是所有相的绕组部分进行导电桥接。对于超过两相的以星形连接运行的电动机，优选对整个绕组进行导电桥接。需要说明的是，要分别将一个或多个被桥接的绕组部分电分离。根据本发明特别优选的是，仅对一相中的绕组部分进行桥接和电分离。

优选利用三端双向可控硅元件形式的电子开关来实施根据本发明的方法，因为这种电子开关费用低廉，而且适用于中小功率的电动机。

根据本发明的方法的一种扩展方案，优选可以利用电子开关，特别是三端双向可控硅元件，接通和断开每个绕组和至少一个电子导电桥接，其中，在断开桥接后，控制对应于绕组的电子开关以进行电动机的转速控制或能量优化。为了实施根据本发明的方法，如上所述，需要至少一个用于激活该导电桥接的电子开关。由于桥接的绕组部分或绕组被断开，还与与该绕组串联连接一个另外的电子开关。因此，就实施根据本发明的方法而言，这些开关是必不可少的。

如果要对所有相的绕组部分进行导电桥接，那么也必须在所有绕组之前连接电子开关，这些电子开关优选在运行中，也就是在电动机投入运行之后被使用，以便就能量优化来控制电动机，或者有针对性地控制电动机的转速，如已公知的。这样的转速控制例如在异步电动机中是可能的，而能量优化则特别是在同步电动机中是可能的。此外，对于交流电网供电的无刷直流电动机来说，在每个绕组前本身已连接有电子开关，以便能够启动电动机。在异步电动机中，也优选在每个绕组前连接这样的开关，以进行相位截止控制或能量优化。

特别优选在用于驱动离心泵或用于类似的驱动无刷三相直流电动机中使用根据本发明的方法。与此相关的增加了的起动力矩不仅有利于提前达到同步转速或额定转速，而且还有如下优点：即当泵没有完全停止时，使固定静止的叶轮、如可能由于污染所发生的，可以更好地、再次自由地运转，因为有增加了的转矩可供利用。

附图说明

下面借助附图中所示实施例对本发明做进一步的说明。

图1示出了第一种实施方式中以星形连接运行的三相电动机的简化电路图，

图2示出了第二种实施方式中根据图1的电动机的简化电路图，

图3示出了第三种实施方式中根据图1的电动机的简化电路图，

图4示出了第四种实施方式中根据图1的电动机的简化电路图，

图5示出了两相电动机的第一种实施方式中相应于图1的简化电路图，

图6示出了第二种实施方式中根据图5的两相电动机的电路图。

具体实施方式

如图1中简化示出的电动机具有以星形连接、即相互导电地在一端连接的三个绕组W₁、W₂、W₃。这些绕组通过三端双向可控硅元件形式的电子开关T₁、T₂、T₃与相应的三相交流电网的接线端L₁、L₂、L₃连接。

绕组W₃分割地设置并具有连接在开关T₃上的绕组部分W_3a和连接在星形结点S上的绕组部分W_3b。在这两个绕组部分W_3a和W_3b之间，绕组通过导线L接触，导线L通过可控硅元件T₄连接供电网络的接线端L₃。

为了利用增加了的转矩控制电动机，关闭开关T₄，从而将绕组W₃的绕组部分W_3a导电桥接，即使其关于电动机的电流供给失效。为了防止在电动机运行时在绕组部分W_3a中产生感应电流并出现对运行不利的、有害的电磁效应，在关闭开关T₄时同时打开开关T₃。由此加载在接线端L₃上的电压也加载在部分绕组W_3b上，由此使W_3b上的有效绕组W₃的电阻变小，并因此可以有更高的电流流经绕组W₁和W₂，该电流使得能够通过绕组W₁、W₂、W₃获得相对运行而言增加了的力矩。

在根据图2的实施方式中，不仅对绕组W₃，而且还对绕组W₂进行分割。在此，绕组部分W_3a可以通过开关T₄桥接，绕组部分W_2a可以通过开关T₅桥接。同时通过开关T₂、T₃将每个已桥接的绕组部分W_2a、W_3a与供电电网L₂、L₃电分离。在这种连接下由于剩余的电有效绕组部分W_2b和W_3b的电阻更低，也将流过更大的电流，并由此产生更高的转矩。

在根据图3的实施方式变形中，三相电动机的每个绕组W₁、W₂和W₃都被分割，其中，每个绕组部分W_1a、W_2a和W_3a都分别通过开关T₆、T₅和T₄桥接，并通过连接在绕组之前的开关T₁、T₂和T₃将桥接的绕组部分W_1a、W_2a和W_3a电分离。为了启动电动机，可以将一个或两个，但不是所有的绕组部分W_1a、W_2a和W_3a桥接。将所有绕组部分W_1a、W_2a和W_3a进行桥接可以用于在运行期间的转速控制。

在根据图4的实施例中，同样示出了星形连接的三相无刷电动机，其中，绕组W₁、W₂、W₃不是分割地构成的，但是绕组W₃可以通过导线L被完全桥接。为此在导线L中设置可控硅元件T₄，当该开关闭合时，可控硅元件T₄与绕组W₃并联。这样，当绕组W₃通过导线L被桥接时，连接在绕组W₃之前的开关T₃就用于将绕组W₃与电网接头L₃分离。在根据图4的实施例中，如果导线L在开关T₄闭合时桥接绕组W₃，则对电动机必须如同两相电动机一样进行控制，因为此时绕组W₃是无效连接的。在这种连接的情况下，电动机也以相对于正常运行提高了的力矩启动，其中，开关T₄打开，而绕组W₁、W₂和W₃则分别根据电动机的结构构造和运行模式与电网接头L₁、L₂、L₃。

如图5所示，根据本发明的方法被用于两相电动机中。该电动机具有绕组W₁和W₂，绕组W₁和W₂的一端连接在点S上，另一端则通过开关T₁和T₂可分离地连接在具有相线L₁和L₂的供电网络上。绕组W₂分割为两个绕组部分W_2a和W_2b，其中，从分隔的区域内引出导线L，用以通过开关T₄导电地桥接绕组部分W_2a，从而使接线端L₂的供给电压直接加载在绕组部分W_2b上。连接在绕组W₂之前的开关T₂如上所述地被断开，以确保在启动电机时，在剩余的无效连接的绕组部分W_2a中不会产生感应电流。

图6示出了另一种两相电动机的线路图，其中，可分割地设置了两个绕组W₁和W₂，利用导线L，通过关闭开关T₅或T₄可以对每个部分绕组W_1a和W_2a进行导电桥接。然后断开连接在绕组W₁或W₂之前的开关T₁或T₂。这种连接可以除了与根据图5的用于启动电机的连接一致外，还尤其用于电动机投入运行之后的运行，类似于根据图3的连接。

以上所述的电路变形可用于无刷电子换向直流电动机，或者也可用于异步电动机。在无刷电动机中，开关T₁、T₂和T₃用于启动，并优选用于能量优化，但它们也可用于转速控制。在异步电动机中，开关T₁到T₃优选用于转速控制和/或能量优化。为了执行根据本发明的方法，分别仅需要两个开关：一个用于导电地桥接绕组部分，另一个用于将被桥接的绕组部分与供电网电分离，即在根据图1的实施方式中为开关T₃和T₄；在根据图2的实施方式中为开关T₂到T₅；在根据图3的实施方式中为T₁到T₆中的四个开关，而在根据图4的实施方式中为开关T₃和T₄。

附图标记列表

L₁，L₂，L₃               -供电网络的相

T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆   -可控硅形式的电子开关

W₁，W₂，W₃               -电动机绕组

W_1a，W_2a，W_3a            -可导电桥接的部分绕组

W_1b，W_2b，W_3b            -部分绕组

S                        -星形结点

L                        -导线

Claims (8)

1.一种用于控制以星形连接运行的多相电动机以启动该电动机的方法，其中，至少将所述电动机的一相的一个绕组部分导电桥接，并将被桥接的绕组部分电分离。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述电动机启动后解除所述桥接和分离。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对所述电动机的多个相、但不是所有相的绕组部分进行导电桥接。

4.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，仅对一相的绕组部分进行导电桥接。

5.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，仅对一相的整个绕组进行导电桥接。

6.如前面任一项权利要求所述的方法，利用电子开关，优选利用三端双向可控硅元件来实施该方法。

7.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，利用电子开关，特别是三端双向可控硅元件来接通和断开每个绕组和至少一个电桥接；以及其中，在断开所述桥接后，控制对应于所述绕组的电子开关以进行电动机的转速控制或能量优化。

8.如前面任一项权利要求所述的方法，该方法用于无刷三相直流电动机中，该电动机用于驱动离心泵或用于类似的驱动。

Images