CN102217187B - 操作同步电动机的方法和相应的设备 - Google Patents

Abstract

用三相交流控制器控制同步电动机。根据本发明，为第一相定义一具有要求频率的基波，再进一步在其他相上定义多个相应的基波，这些基波与所述第一相上的基波频率相同，但彼此间存在一定程度的相移。为每相测定并使用多个触发时间点，在这些触发时间点上，其中两相上同时产生的电流脉冲的极性与相关基波的极性相同。以一半电网频率为要求频率时，使所述三个基波中的两个基波相互间存在180°相移。

Description

操作同步电动机的方法和相应的设备

技术领域

本发明涉及一种操作同步电动机的方法和一种相应的设备，该同步电动机包括多个三相交流控制器（Drehstromsteller），这些交流控制器连接在一三相电网（优选不连接所述同步电动机的定子绕组的中性点和所述三相电网的中性点）上且包括至少三对半导体开关元件，例如反向并联晶闸管，这些半导体开关元件在特定的时间点上被触发。

背景技术

不带启动笼的三相同步电动机原则上受到供电三相电网频率的制约。所以无法直接在电网上启动（即加速）这类电动机。确切而言，需要在三相电网和同步电机之间设置一个可以产生变频电压的设备。这种情况一般采用变频器。该变频器由整流器、中间电路（电容器）和逆变器构成。

发明内容

本发明的目的是提供一种只需借助少量功率电子器件就可在三相电网上操作同步电机的方法及设备。这种操作特定而言还包括同步电机的启动。

本发明用以达成上述目的的解决方案是一种操作方法以及各改进方案。本发明还涉及一种按本发明方法控制同步电动机的相应设备。

本发明用以操作同步电动机的方法采用一三相交流控制器。该交流控制器连接在一三相电网上。其中，优选不连接所述同步电动机的定子绕组的中性点和所述三相电网的中性点。所述交流控制器包括至少三个半导体开关元件，相应地每相各一个。举例而言，所述半导体开关元件可以是交流功率控制器（Wechselstromsteller），例如实施为三对反向并联的晶闸管。这些交流功率控制器在特定的时间点上被启动或触发，即被导通。如果采用晶闸管，那么有利的做法是使其在电流过零时自动断开。但也可采用IGBT或其他类型的半导体开关。

本发明的方法需要实施多个步骤。其中需要定义某一频率的正弦形第一基波，该频率在考虑到极对数目的情况下与所述电动机的要求转速相对应。进一步还需定义该同一频率的两个其他基波。这些其他基波与第一基波之间存在相移。对于所述频率而言存在两种可能性，这两种可能性可以单独出现或按一定时序出现：

a）所述频率等于电网电压频率，所述其他基波与所述基波之间存在120°或240°相移。亦即，这些基波从其相位看形成一“标准”的三相系统。

b）所述频率等于一半的电网电压频率。此外，所述基波之间的相移不同于三相相移变化的120°或240°。例如，其中两个基波之间的相移为180°，第三基波与第一基波之间的相移则为240°。

进一步需要选择多个触发时间点并将其应用于对所述晶闸管的触发操作，该触发操作将同时为其中两相引发一电流，该电流的极性与分配给相应相的基波的极性相同，其中，所述触发时间点在电网电压的过零点后面与该过零点相距一特定的触发角。也就是说，触发角在此是指与前一个过零点之间的间隔。

举例而言，本发明可以先测定所有潜在的可能的触发时间点，线电压过零时减去一个触发角就可以得到一个这样的触发时间点。以触发相线A中的晶闸管对为例，当供电网络的相位在线电压U_AB或线电压U_CA的过零点前面与该过零点相距所述触发角时，就会产生潜在的触发时间点。所述触发角的绝对值优选介于120°与150°之间。随后可从这些潜在的触发时间点中选出其中两相上同时存在的两个潜在的触发时间点。换言之，就是每次都触发所述三个交流功率控制器（即晶闸管对）中的两个。就晶闸管对而言，可以只触发两个晶闸管中的一个。作为替代方案，每次都可将一对晶闸管中的两个晶闸管都予以触发。在此情况下，每次都会产生从其中一个相流向另一个相的电流。亦即，同一个时间点上所使用的两个相的基波在该时间点上总是极性相反。

上述方法特定而言用软件实现。因此，这种方法可以很方便地在现有的交流控制器中得到实施，而无需增设其他器件。

本发明的方法还可以扩展，为所述基波采用其他频率，这些频率等于电网频率除以k后的所得结果，k≥1。也就是说，除电网频率和一半电网频率外，还可产生三分之一、四分之一的电网频率等等。其中，所述第一基波的相位优选如此设计，使得所述第一基波的过零点与电网电压的过零点重合。通过实际电网电压的相对位置以及需要为相应相产生的基波的相对位置来测定可能的触发时间点，在将其中一个基波与电网电压同步时，会有利地产生许多可能的触发时间点。

利用本发明的方法来将所述同步电动机加速至其额定转速时特别有利。优选采用一个由至少两个上升频率组成的序列。举例而言，加速同步电机时所采用的一系列频率可以分别是电网频率除以除数k后所得的结果，其中，k连续采用以下各值：15、13、11、9、7、5、4、3、2、1。其中，优选不是对最大值和1之间的所有整数值都加以采用。但是由于除数k较小时频率之间的绝对间隔较大，因而至少包括三分之一的电网频率、一半的电网频率和全电网频率是有利的。作为替代方案，也可以将所用的最大除数与除数k=1之间的全部整数除数都予以采用。作为另一替代方案，也可以使用不是整数的除数。

在两个频率（即所述同步电机的两个同步转速）之间转换时，该同步电机必须在短时间内达到经提高的转速。这种情况通常是随着强度或大或小的摆动（即转子转速围绕同步转速发生的变化）以及由此引起的转子绕其规定位置（该规定位置当然自身即与时间有关）的振动而出现。

为了限制这种摆动，有利的做法是为在基波的两个频率之间的转换操作测定一个时间点，在这个时间点上实施该转换操作时摆动转矩最小，并在这个时间点执行转换操作。举例而言，可以使用转子角位置与其规定位置相一致的时间点来实施到较高频率的转换操作。针对这一条件存在两种可能性。一种可能性是转子正在超过它的规定位置，亦即，转子的转速略大于同步转速。另一种可能性是转子的转速略小于同步转速，亦即，转子正在复位。如果专门且优选采用第一种情况，即在转子正在超过其规定角位置时实施转换操作，转子的当前转速与预期转速之差就会小于其他时间点。如果在这个时间点上实施转换操作，就能减小摆动幅度。

如果所述同步电机以远低于其额定转速的转速启动，就能通过转子的转动在定子中产生一个小于标准工作状态的反电压。在此情况下，如果供电电压不减小，定子内的电流就会相对有大幅上升。出于这个原因，在变换器上启动时，电压一般与频率成比例。在所述交流控制器上操作时，优选通过改变相角来同样减小电机端子上的电压均方根值。为此，优选在除数k>2时，对所述晶闸管相对于电网电压过零点的触发角进行调节，使得所产生的电流大于所述同步电机的额定电流的部分尽可能小。举例而言，可以在k>4时采用较大的触发角，例如仅165°，当除数k=1…4时，采用较小的触发角，例如150°。

另一种可以改善同步电机加速的方法是，为所述基波实施过到较高频率的转换操作后，对所述触发角进行调节，使得转子受到的制动转矩最小化。为此可对转子相对于电流空间矢量的位置进行分析以测定该转矩。其中，转换过基波频率后，旋转场的旋转速度大于转子。这一效应在除数k较小时特别明显，在从一半电网频率转换至全电网频率（亦即，从除数k=2变换至除数k=1）时最明显，因为这时会出现绝对值最大的频率跃变，即一半的电网频率。实施这种转换操作时，转子最初仅以其规定转速的一半进行旋转。因此相对于转子位置而言，产生旋转场的定子电流的空间矢量最初迅速地连续经历了所有可能的角度，从而除了加速转子外，还产生了许多转子受到制动的时间点。

为了解决这个问题，可同时测定所述电流空间矢量和所述转子位置。可以使用设置在所述同步电机内的位置传感器来测定转子位置。如果相对位置表明需要一个正向转矩，即需要加速转子，就要相应调节触发角来产生较强转矩。这一点可以通过选择较大的触发角（例如40°）而实现。获得正向转矩的方法是让电流空间矢量从旋转方向看位于转子前方且与转子相隔距离不是太大，亦即，让电流空间矢量从转子位置看处于例如30°的角度范围内。反之，当转子角和电流空间矢量处于不利的相对位置，即当电流空间矢量跟在转子位置后面，亦即电流空间矢量从转子位置看处于例如-60°的角度范围时，就需选择较小的控制角（例如15°），此时会相应选择所产生的较小的电压及转矩。

一种用于实施上述方法的设备，具有一个由三个交流功率控制器（即反向并联晶闸管对）构成的交流控制器。此外还设有一个可实施上述方法的控制装置。为了获得必要的输入值，可在三个与所述设备连接的相中的两个相之间设置一测压装置。有利做法是让所述同步电机中所配置的目前相应实施为微控制器的控制单元承担控制所述交流控制器这一任务。这样可以让整合在同步电机内的位置传感器自动提供数据。此外，所述同步电机也可以已经包括了所述交流控制器，亦即，实施为一个可以直接连接到三相电网上的整体单元。

附图说明

下文将借助附图对本发明优选的非限制性实施例进行详细说明。附图以示意图形式示出了本发明各项特征，相同特征用同样的参考符号表示，其中：

图1为一采用本发明的方法来控制同步电动机的设备；

图2为触发时间图；以及

图3为一半电网频率时的触发时间图。

具体实施方式

如图1所示，三相同步电机1通过三相交流控制器4连接在一个三相电网的相A、B、C上。每相各分配有一个由两反向并联晶闸管6构成的晶闸管对2。晶闸管6的触发电极连接在控制装置3上，该控制装置以预定时序提供触发晶闸管6所需要的触发信号。控制装置3还对导通角（Phasenanschnittwinkel）进行控制。控制装置3优选通过微控制器而实现。所述电网的两个相线（例如所述电网如图1所示的端子A和B）之间接有一测压装置5，该测压装置5在其输出端提供形成于这两个端子A和B之间的电网电压U_AB。

在第一实施例中，控制装置3和交流控制器4是独立于三相同步电机1的单元，即实施为单独的电动机控制装置。在第二实施例中，控制装置3和交流控制器4是三相同步电机1的组成部分。在此情况下，控制装置3的功能可有利地相应整合在三相同步电机1内已存在的微控制器中。

在本实施例中，控制装置3用于执行一合适程序，借助于该程序控制装置3可以实现基于软件的运行。在此过程中，统一采用某种可以使三相同步电机1达到其额定转速的任意一个百分比的标准方法。

图2为以额定转速的1/6实施本发明时的情形。最上方的分图为第一和第二相A、B之间电压U_AB的正弦曲线形式。这条曲线表示的自然是电网频率。

第二、第三和第四分图分别示出三条表示相A、B、C上的三个电流的曲线。从顶部起的第二分图示出在任何一个可能的触发时间点上实施触发操作能达到的电流，其中的电流强度仅作了示意性表示处理且一直保持同等大小。根据各相上的输入电压，可以交替实现多对正向及负向电流脉冲8，其中，各相之间的偏移为常规的120°。

接下来如从顶部起第三分图所示，在每相上各施加一个（假想）基波7，这个基波7的频率与三相同步电机1的要求转速相对应。在本实施例中，该要求转速为电网额定转速的1/6。在基波7之间为各相施加一个在三相系统中比较典型的120°相移，这个相移与基波7的频率有关。除基波7外，该分图仅示出了这样一些触发时间点，在这些触发时间点上所产生的电流的极性与相关相上的基波7在相应时间点上的极性相同。这样会大约减少一半可能的触发时间点，因为电流方向出错后就无法再对基波7进行合成处理。

最下方的分图示意的仍然是所有三个相A、B、C上的基波7。除此之外，该分图仅示出了这样一些触发时间点上的电流脉冲8，在这些触发时间点上，三相中有两个相可同时产生极性正确的电流脉冲8。这样会再度减少一部分触发时间点。实际使用的是余下的、该分图中所示出的触发脉冲，从而最终根据基波7实现电流合成。

在频率等于一半电网频率的情况下，如果对于一个相，在基波7之间采用标准的120°和240°相移，则在这个相上就不会产生相对于某一电流方向的潜在的触发时间点。但是，如果按这种方式操作所述同步电机，就会取得类似于直流制动的制动效果。

因此在一半电网频率的情况下，如果在其中两个相（例如相A和B）之间选用180°相移（这个相移仍然与一半的电网频率有关），就会产生另一种三相系统。图3示出了这种情况以及在此情况下所产生的触发时间点。图3还对未得到使用的触发脉冲进行了示意，为清楚起见，这部分触发脉冲用虚线表示。

如果以电网频率作为基波7的频率，就可直接在电网上操作同步电机而不会受到晶闸管的影响。但是为了调节电流和电压，即使在标准工作状态下也需要使用触发控制装置。就基波7的相位而言，仍然可以采用标准的三相系统，例如120°和240°的相对相位角。

为了将所述同步电机加速至额定转速，本实施例为基波7使用了一个频率序列。下表为这种频率序列的一个示例，其中，同步电机以转/分钟为单位的转速各对应电网频率的一个除数，因此，基波7的频率就等于电网频率除以该除数后的所得结果：

除数	15	13	11	9	7	5	4	3	2	1
											转速	50	58	68	83	107	150	188	250	375	750

从中可以看出，当除数较小时，转速跃变程度较大。试验表明，如果基波7的频率在一半电网频率和电网频率之间转换，所述同步电机的加速就不够快，最终会失去同步并停止运行。

为了解决这个问题，本实施例使用了附加调节装置，以便将反作用于转子加速的转矩最小化，亦即在实施过频率转换操作后，尽量只让加速转矩发挥作用。

为了达到这个目的，在本实施例中需要观测定子电流空间矢量在转子矢量图中的位置。为了在一同步电机上测定这个位置，既需要了解转子的位置，还需要了解各相上的电流情况。这就需要进行相应的电流测量。此外需要在三相同步电机1上设置位置传感器。如果电流矢量相对于转子位置的位置表明转子加速需要一个正向转矩，在本实施例中就将触发角设置为值α_min，例如α_min=150°。换言之，就是在电压过零点后面的150°处触发所述晶闸管。α_min也可采用其他的值，例如130°或110°。但是，如果从电流矢量相对于转子位置的位置出发需要一个负向（即制动）转矩，就选用较大的触发角，例如α_max=167°。在触发角较大的情况下，所产生的电流较小直至可以断开所述晶闸管，所产生的用于转子的转矩会大幅减小。

用以优化转矩的附加调节装置主要在从一半电网频率转换至全电网频率时使用，但在任何一种转换操作时都能产生有利作用。所述同步电机的转子转速达到额定转速后，相应切断用于转矩的附加调节装置。

为了总体提高电动机转矩，可以先实施触发操作，以便为每次触发操作赢得更长的导通时间。举例而言，可以为触发操作或者为α_min选用140°、130°、120°或更小的值。

此外当除数k>5时，触发角同样会受到影响。控制装置3在相应频率（即低转速）下会采用较小的触发角。举例而言，当除数k>7时，可采用α_min=165°这个值，当除数k介于4与7之间时，可采用α_min=155°这个值，当k<4时，可采用α_min=145°这个值。也就是说，无论除数为多少，控制装置3都会对触发角的值进行相应调节，一方面根据当前同步转速（即基波7的频率），另一方面根据瞬时产生的转矩。

Claims (14)

1.一种借助一三相交流控制器(4)操作一同步电机(1)的方法，其特征在于，所述交流控制器连接在一三相(A，B，C)电网上且具有至少三个半导体开关元件，所述半导体开关元件在多个特定的时间点上被导通，所述方法包括下列处理步骤：

定义一频率的一正弦形的第一基波(7)，所述频率与所述同步电机(1)的要求转速相对应，

定义同一频率的两个正弦形的其他基波(7)，所述其他基波与所述第一基波(7)之间存在相移，其中，

a)一种可能性是：当所述频率等于电网电压的频率时，所述其他基波(7)与所述第一基波(7)之间存在120°或240°相移，或者

b)另一种可能性是：当所述频率等于一半的电网电压频率时，所述其他基波(7)与所述第一基波(7)之间的相移不同于三相相移的120°或240°，

其中，对于所述频率而言，上述两种可能性单独出现或按一定时序出现，

选择并使用多个触发时间点来实施触发操作，在所述触发时间点上，所述触发操作将同时为所述相(A，B，C)中的其中两相引发一电流，所述电流的极性与分配给相应相(A，B，C)的上述正弦形基波(7)的极性相同，其中，所述触发时间点在所述电网电压的过零点后面与所述过零点相距一特定的触发角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当涉及所述电网电压的一半频率时，上述正弦形基波(7)中的一对基波相互间存在180°相移。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述电网电压的频率除以k后所得的结果用作上述正弦形基波(7)的频率，其中，k≥1。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将上述正弦形基波(7)的过零点与所述电网电压同步。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用一个由至少两个频率组成的序列来将所述同步电机(1)加速至其额定转速。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述序列中包含有三分之一的所述电网电压的频率、一半的所述电网电压的频率以及所述电网电压的频率本身。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为在上述正弦形基波(7)的两个频率之间的一转换操作测定一时间点，在所述时间点上实施所述转换操作时摆动转矩最小。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用转子的角位置与其规定位置相一致的时间点来实施到一较高频率的转换操作。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，当k>2时，对晶闸管(6)相对于所述电网电压的过零点的触发角进行调节，使得所产生的电流大于所述同步电机(1)的额定电流的部分尽可能小。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，为上述正弦形基波(7)实施过一到一较高频率的转换操作后，对所述触发角进行调节，使得所述转子受到的制动转矩最小化。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，分析所述转子相对于电流空间矢量的位置，以测定所述转矩的绝对值。

12.一种用于操作一同步电机(1)的设备，包括：

一三相交流控制器(4)，所述交流控制器可连接到一三相电网(A，B，C)且包括至少三对(2)反向并联的晶闸管(6)，

一用于控制所述晶闸管(6)的控制单元(3)，所述控制单元可用于实施如上述权利要求中任一项权利要求所述的方法。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制单元(3)是所述同步电机(1)所配置的一微控制器。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其中，所述同步电机(1)具有一位置传感器。