CN102612801A - 用于在电机中产生电磁转矩的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在N相电机中产生电磁转矩的设备，其中N是正整数，包括N条线，N条线中的每一条都包括输入端子(A，B，C)、输出端子(a，b，c)，和一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者一对的一个晶闸管和一个二极管，所述一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者一对的一个晶闸管和一个二极管连接在输入端子和输出端子之间，使得晶闸管对或二极管-晶闸管对中的其中一个部件的负极连接到晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的正极并且晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的负极连接到晶闸管对或二极管-晶闸管对中的一个部件的正极。N条线连接在电源和电机之间。提供用于重复地或连续地确定至少所述N条线中的至少一条中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压(Vthyr_bB)的符号的设备，提供用于重复地或连续地确定至少一个与电机中的电磁场相关的参数的装置，和提供用于响应于至少所确定的电压的符号和所确定的与电机中的电磁场相关的参数而控制所述N条线中的所述至少一条的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作的控制装置。

Description

用于在电机中产生电磁转矩的设备和方法
技术领域
本发明总体上涉及能在与电源交换能量的电机中产生所期望符号的瞬时转矩的控制算法。
背景技术
使用在矩阵的一条对角线上的多对反并联的晶闸管，优选为硅控整流器(SCR)的3×3矩阵式转换器通常被称作软启动器，因为它们广泛地用在改进三相鼠笼式感应电机的启动、加速以及减速和停止中，否则如果所述三相鼠笼式感应电机被直接连接到电源，在它们的启动和停止阶段期间，其将遭受有害的瞬变现象。
因为由其本构方程所反应的晶闸管的特性，以及这种转换电路的拓扑结构，它的电量的演变能以非常复杂的方式适时演变，也由于SCR以及可能的二极管的使用，极大地限制了控制这种电路的可能性。
尽管它们的固有的限制，当不需要精密质量的运动时基于晶闸管的软启动器广泛地用来加速和减速感应电机。直到今天，它们的耐久性以及低成本促进了它们的广泛使用，即使通过基于电压源、两级、三相AC/DC/AC转换器的最简单的和最重负载的电机驱动件，其仍然大量地不匹配。
此外，低成本，但是重要地运行的数控体系结构目前的可用性现在允许为软启动器使用更复杂的控制技术，因为所需要的模拟/数字电路的复杂性使得它们在那时在工业上大规模生产是不可接受的，所以在过去数十年来其在经济上是不可能的。
发明内容
使用基于晶闸管的软启动器加速或减速电机的主要问题由电机产生的瞬时电磁转矩的符号的不期望的逆转以及这种转矩的困难的调节组成。
这个现实导致对电机并且主要是附连到它的载荷的有害的机械应力。
进一步地，减速是更低效的因此导致更长的制动时间。
更进一步地，在加速和减速期间，由于晶闸管的特性，基于晶闸管的软启动器的控制受到限制。
通过将部件添加在软启动器的内部和外部，包括使用外部接触器，在原理上能解决这些问题和缺点中的至少一些。然而，这使得包括软启动器的整个机器控制设备更复杂、更大和更昂贵。
因此，本发明的目的是为了启动、加速以及减速并且甚至制动电机，而提供分别用于在电机中产生电磁转矩的基于晶闸管的设备和方法，其解决了上面的问题。
本发明的进一步的目的是提供这种设备和方法，即，其是简单的、健壮的、可靠的和低成本的。
除了别的之外，根据本发明，通过附属的专利的权利要求中所主张的设备和方法能达到这些目的。
根据本发明的一个方面，提供一种用于在N相电机中产生电磁转矩的设备，其中N是正整数。所述设备包括N条线，所述N条线中的每一条线都包括输入端子、输出端子、和至少一对晶闸管或至少一对的一个晶闸管和一个二极管，所述至少一对晶闸管或至少一对的一个晶闸管和一个二极管连接在，优选为并联地，输入端子和输出端子之间，使得晶闸管对或二极管-晶闸管对中的第一个部件的负极连接到晶闸管对或二极管-晶闸管对中的第二个部件的正极并且晶闸管对或二极管-晶闸管对中的第二个部件的负极连接到晶闸管对或二极管-晶闸管对中的第一个部件的正极。这种连接被称作反并联连接。所述N条线连接在电源和电机之间。提供用于重复地或连续地确定所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压的至少一个符号的设备，提供用于重复地或连续地确定至少一个与电机中的电磁场相关的参数的装置，和提供用于响应于至少所述所确定的电压的符号和所述所确定的与电机中的电磁场相关的参数而控制所述N条线中的所述至少一条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作的控制装置。
优选地，所述至少一个与所述电磁场相关的参数是所述电机中的磁通量和/或电流的函数。能通过由适于测量穿过每个晶闸管对或二极管-晶闸管对的电流和/或电压的设备测量的线电流以及由适于测量电压的设备测量的电机和/或电源的，优选为N条线的输入端子处的线间电压估计这种函数。
有利地，所述控制装置被设置成每次都在仅仅满足下面的条件时重复地激发所述N条线中的所述至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对中的至少一个晶闸管：所述晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的末级电压给所述晶闸管一特定大小的正向压降，所述晶闸管被导通，使得电流穿过晶闸管，在考虑了至少所述电机中的磁通量和/或电流的函数的符号的情况下，将产生所期望的电磁转矩。
仍优选地，提供用于确定电机中的磁通量和/或电流的函数的时间导数，例如总时间导数或部分时间导数的装置，其中所述控制装置被设置成仅仅如果至少所述电机中的磁通量和/或电流的函数的符号与至少所述电机中的磁通量和/或电流的函数的时间导数的符号具有特定相互关系，才重复地或连续地激发所述线中的所述至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对的至少一个晶闸管。
现有技术的基于晶闸管的软启动器的额外的问题是在制动电机的某些时候，可能发生这种情况，即，电机开始在相反的方向上旋转。在一些应用中，这种速度反转是不可接受的。
因此，本发明的特定目的是提供这种设备和方法，其能被设计成防止电机的速度反转，同时不需要在软启动器中有额外的部件或外部接触器。此外，用于减速并且，如果需要的话，甚至停止电机的相同晶闸管应当能也用于启动和加速电机。
用于减速电机直到它被带到停止(制动)目的的本发明的使用是基于这样的设计，即，当电机的转子处于静止时其产生零电磁转矩，因此显著地减少不期望的速度反转的风险。
根据本发明的特定方面，提供本发明的第一方面的设备，其中N等于3并且三条线的输入端子连接到三相电源的输出端子。当期望通过减速电机直到它停止而制动电机时，控制装置连接电机，使得电流能经由至少所述三条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对在所述三相电源的不多于两相中流动，并且响应于所测量的电压和所确定的与电机中的电磁场相关的参数而控制所述三条线中的第一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作。
通过具有连接到所述电源的仅仅两相的电机，在电机的定子中形成恒定方向的电磁场。当电机的转子静止时由这种磁场形成的转矩是零；因此这种与电源的连接减小了在处于零速度时转子的不期望的转动的可能性。
实际上，每个晶闸管对或二极管-晶闸管对中具有并联连接的旁通开关，在正常操作期间所述旁通开关是闭合的(为了防止电流在操作期间流过晶闸管对或二极管-晶闸管对，因此减少能量损失)。在电机的制动期间，第一条线的开关是打开的，第二条线的开关是闭合的，并且第三条线的开关是打开的。每次都在仅仅满足下面的条件时重复地激发第一条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的各晶闸管：所述晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的测量电压给所述晶闸管一在特定值之上的正向电压，所述晶闸管被导通，使得电流穿过晶闸管，在考虑了至少所述电机中的磁通量和/或电流的函数的符号的情况下，将产生制动电机的电磁转矩。可替换地，第二条线的开关保留为打开的并且它的晶闸管对或二极管-晶闸管对被系统地激发以模仿连续的连接。当第一条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的各晶闸管被激发时，取决于电机被如何配置以及如何连接到线，电流在电源的两相中，在线的其中两条线中，和在电机的一相、两相或三相中流动。
应当认识到，可以用二极管互换各晶闸管对中的其中一个晶闸管，或者系统地激发各晶闸管对中的其中一个晶闸管以模仿二极管的操作。在这种例子中，当满足上面所描述的条件时，仅仅重复地激发所述晶闸管对的另一个晶闸管或所述二极管-晶闸管对的晶闸管。
依靠本发明能提供具有连接到电机的机械载荷的改进的启动、加速、减速和制动能力的软启动器。此外，使在已经达到零速度之后的电机制动中的速度反转的风险最小化。免去了对超过严格最小必须部件的额外部件或开关。
用最少的电机知识，举例来说，仅限于一些铭牌数据，就能实现所述操作。
通过以下给出的本发明的优选实施方式的下面的详细描述以及附图1-6，本发明的进一步的特征以及它的好处将是显然的。所述以下给出的本发明的优选实施方式的下面的详细描述以及附图1-6仅仅以说明的方式给出，并且因此不是对本发明的限制。
附图说明
图1在示意性的电路图中示出了根据本发明的一个实施方式的、连接在电动机和三相电源之间用以在电动机中产生电磁转矩的基于晶闸管的软启动器。在这种电路的应用结构中，这种电路构造通常被称作“成一条线软启动器”或“串联软启动器”。
图2在示意性的电路图中示出了根据本发明的另一实施方式的、以电动机的各定子相与一个晶闸管对相串联的方式连接到电源和电动机用以在电动机中产生电磁转矩的软启动器。在这种电路的应用结构中，这种电路构造通常被称作“内三角形软启动器”。
图3a-b在示意性的电路图中示出了根据本发明的不同实施方式的、在制动期间感应电机连接在Y配置中并且成一条线连接软启动器的连接。
图4a在示意性的电路图中示出了根据本发明的另一实施方式的、在制动期间感应电机连接在三角形配置中和成一条线连接软启动器的连接。
图4b在示意性的电路图中示出了根据本发明的再另一实施方式的、在制动期间感应电机和软启动器都连接在内三角形中的连接。
图5在示意性的电路图中示出了用于模拟鼠笼式感应电机的等效电路。
图6是根据本发明的实施方式的、用于产生电磁转矩的方法的流程图。
具体实施方式
软启动器电路
图1示出了根据本发明的实施方式的、连接在电动机，诸如感应电机和三相电源之间用以在电动机中产生电磁转矩的软启动器的示意性的电路图。三相电源可以例如是电网、孤立的柴油机驱动的电站或者能递送和/或吸收电力的任何其它形式的三相电源。电动机能连接在Y配置或三角形配置中。软启动器包括矩阵转换器，该矩阵转换器包括三条线，每条线都包括输入端子A、B、C，输出端子a、b、c和互连在输入端子和输出端子之间的一对反并联晶闸管Tam、Tap；Tbm、Tbp；Tcm、Tcp，优选为SCR。矩阵转换器成一条线地连接在三相电源和电机之间，例如依靠电缆。各晶闸管对中的其中一个晶闸管可以被调换为二极管。
提供适于测量电压的设备V来重复地或连续地测量穿过晶闸管对中的各晶闸管的电压Vthyr_aA、Vthyr_bB、Vthyr_cC和输入端子A、B、C处的线间电压V_AB，V_CB。
提供适于测量电流，这里被示为电流计A的设备，用于重复地或连续地测量三条线中的每条线中的电流iTransf_a，iTransf_b，iTransf_c。优选的，该设备是电流变换器、霍尔效应传感器或合适的旁通电阻。
进一步地，提供用于重复地或连续地确定至少一个与电机中的电磁场相关的参数的装置。这可以通过下面进一步讨论的多种方式实现。
图2示出了根据本发明的进一步的实施方式的、连接在电动机和三相电源之间用以在电机中产生电磁转矩的软启动器的示意性的电路图。这个实施方式的拓扑与图1的实施方式的拓扑的不同在于电机和软启动器被连接在通常被称作内三角形的配置中。进一步地，软启动器的操作不同，下面将进一步讨论这种不同。
通常，为每个软启动器提供控制装置，用于响应于至少所述电压或电流的符号和所确定的与电动机中的电磁场相关的参数而控制晶闸管对的操作。优选地，与电机中的电磁场相关的参数是与电机的定子相和/或转子相绕组相关联的磁通量的函数，通过由上面所披露的设备测量的电压和电流可以计算该函数。在一可选方式中，使用定子和/或转子电流或者使用磁通量和定子和/或转子电流的组合确定磁通量，这对本领域技术人员来说是可行的。
每次在仅仅满足下述条件时，控制装置被设置成重复地激发一条、两条或全部线中的晶闸管对的至少一个晶闸管：晶闸管对之上的所测量的电压给予所述晶闸管一在特定值之上的正向偏压电压和正向导通晶闸管的电流被如此引导，使得，在考虑了至少磁通量的函数(其具有符号和大小)的符号的情况下，将产生所期望的符号的电磁转矩。
进一步地，用于确定磁通量的函数的时间导数的装置，其中控制装置被设置成仅仅如果至少磁通量的函数的符号和至少磁通量的函数的时间导数的符号具有特定的相互关系，重复地激发N条线中的所述至少一条中的晶闸管对的至少一个晶闸管。时间导数可以是总时间导数或者部分时间导数。
尽管软启动器能用于启动、加速、减速、和停止电机，在减速和停止电机时也能获得一些特殊益处，其将在下面进一步讨论。
用于感应电机的制动构造
实际上，各晶闸管对可以具有并联的旁通开关，在正常操作期间该旁通开关是闭合的。各条线因此能与闭合的开关相连接、通过激发那条线的晶闸管对的晶闸管与打开的开关相连接，或者断开与打开的开关的连接并且没有晶闸管激发。
在感应电机的制动期间，感应电机被如此连接，使得电流能经由软启动器在三相电源的不多于两相中流动。根据本发明，下面的连接构造用于制动感应电机。也参考Sauer，H G，D Koenig和K DGoeke，Bremsen von Drehstrommotoren mit Gleichstrom，Antriebstechnik，31(6)，1992，其内容以引用的方式在此被合并。
当感应电机被连接在Y配置中并且软启动器被成一条线连接时，软启动器的其中一条线，在所示的情形中是上部的线被断开并且感应电机的相Ph_a和电源的对应的相端子A被保留为断开，如同在图3a中所示的那样。相Ph_b和Ph_c保持串联连接在三相电源的两个相端子B和C之间。
可选地，如同在图3b中能看到的那样，软启动器的其中一条线被断开并且两个相(在所示的情形中是相Ph_b和Ph_c)彼此并联连接并且与最后一个相(在所示的情形中是相Ph_a)串联连接。然而，这个实施方式需要用于连接并联的两个相的额外的接触器并且因此它是不优选的解决方案。
当感应电机被连接在三角形配置中并且软启动器连接在一条线中时，软启动器的其中一条线，在所示的情形中是上部线被断开并且电源的对应的相端子A被保留断开。感应电机的相如同图4a中所示的那样地连接。感应电机再次连接到三相电源的仅仅两个相。
当感应电机和软启动器被连接在通常被称作内三角形的配置中时，软启动器的两条线，在所示的情形中是两条下面的线被断开并且感应电机的两个相(在所示的情形中是相Ph_a和Ph_c)被保留断开，如同在图4b中所示的那样。感应电机再次连接到三相电源的仅仅两个相。
可替换地，如果外部开关是可用的，那么感应电机的所有三个相都能彼此串联地连接在三相电源的两个相之间，并且它们中的一个应当具有与其它的相反的端子次序，以产生正确强度的电磁场。软启动器的至少一条线必须与感应电机的相串联连接，以在电机的制动期间产生可控的电磁转矩。
用于产生电磁转矩的算法
在所有三个相都被使用时，通常能以下面的方式表达三相电动机的电磁转矩：
Tem＝CM[(Phi_c-Phi_b)iPh_a+(Phi_a-Phi_c)iPh_b+(Phi_b-Phi_a)iPh_c]
其中Phi_a、Phi_b、Phi_c是与电动机的定子相的绕组相联结的磁通量，iPh_a、iPh_b、iPh_c是电动机的定子相中的电流，并且CM是也包括电极对的数量的常数。参考Peter Vas，Parameter Estimation，Condition Monitoring，and Diagnosis of Electric Machines，Monographs in Electrical and Electronic Engineering，Vol.27，pages 80-87，March 18，1993，其内容以引用的方式在此被合并。
在制动并且仅仅使用两个电源相的特定情形中，公式减少到更简单的一个。示出了在图3a、4a和4b中披露的并且使用图5的模型的连接，图5在qd0固定参考系中示出了用于鼠笼式异步电机的等效电路的示意性的电路图，感应电机的电磁转矩Tem能被分别描写为：
Tem＝CM1·λqs·iTransf_b
对于感应电机被连接在Y配置中并且软启动器被成一条线连接(图3a)，
Tem＝CM2·λds·iTransf_b
对于感应电机被连接在三角形配置中并且软启动器被成一条线连接(图4a)，并且
Tem＝CM3·λds·iTransf_b
对于感应电机被连接在三角形配置中并且软启动器连接成内三角形。
这里，CM1、CM2和CM3是也包括电动机的电极对的数量的常数，电动机的电极对的数量是电机的特征，λqs和λds是感应电机的定子磁通量在qd0固定参考系中的函数，并且iTransf_b是，如同已经披露的那样，通过软启动器的其晶闸管被控制以产生电磁转矩的线的电流。
在所有情形中，电磁转矩Tem的表达式已经被减少到三个乘积的总和。在由所披露的用于感应电机的制动装置代表的特定情形中，所述乘积的总和退化到仅仅一个通量函数和一个电源电流的一个乘积。在组成所述总和的三个乘积的每一个中，仅仅两个数量是随时间变化的。通过软启动器直接测量它们中的一个(在制动的描述中，其相电流是iTransf_b)，然而，其它的是与电机的定子相绕组相联结的磁通量(和/或电流)的函数并且能使用电机端子电压和/或电流估计，所述电机端子电压和/或电流反过来是可通过由软启动器测量的电压和/或电流获得的。可替换地，可以使用用于直接测量感应电机的电磁场的装置和用于基于所测量的电磁场计算感应电机的定子通量的函数的装置。
这里给出用于感应电机连接在Y中并且软启动器成一条线连接的构造的所开发的实时执行负电磁转矩的合成的算法的描述。通过审视仅披露的它们的转矩表达式，其它两种情形的扩展是能直接了解的。
正电磁转矩的合成也简单明了地涉及。为了改变实际转矩的符号，检查定子通量的函数的符号与在随后的描述中所披露的那些相反就足够了。
进一步地，通过观察这个子部分的开头处的公式并且通过将算法应用到组成它的三个乘积中的每一个，连接到电源的所有三个相的通常情形的扩展就是简单明了的。
图6是算法的执行的流程图，该算法的执行通过在步骤COND_01中检查脉冲是否被激活而开始，也就是，是否转矩产生仍然被期望发生并且没有来自可能的上层控制器的响应于系统中的其它状况的命令已经停止晶闸管的激发。如果脉冲未被激活，那么转矩产生在步骤STATE＝0中被认为终止，计时器被重置并且结束算法的执行。
如果脉冲被激活了，在步骤COND_02中，检查支配出现于乘积中的电流的晶闸管对之上的模电压是否在阈值以下。这是该对晶闸管中的任一晶闸管是否导通的测试。可替换地，可以直接测量电流。如果晶闸管对上的电压在阈值以下并且因此该对晶闸管中的其中一个晶闸管是导通的，那么在步骤COND_03中检查电流是否是正的。正电流意味着晶闸管Tbp是导通的并且如果是这种情形，那么晶闸管Tbp能在步骤STATE＝1中被再次激发并且结束算法的执行。如果电流不是正的，其意味着晶闸管Tbm是导通的，那么晶闸管Tbm能在步骤STATE＝-1中被再次激发，计时器被重置，并且结束算法的执行。可以根据晶闸管的特性省略掉步骤COND_03、STATE＝1和STATE＝-1，但是良好的技术实践通常建议执行它们。
如果晶闸管对上的模电压不在阈值以下，也就是，如果该对晶闸管中没有晶闸管是导通的，那么在步骤COND_04中检查几个条件。
检查晶闸管对上的电压是否具有正符号，检查包含在乘积中的定子通量(和/或电流)的函数是否具有正符号，和检查定子通量的函数的时间导数(总时间导数或部分时间导数)是否具有与定子通量的函数相同的符号。如果所有三个条件都满足了，晶闸管Tbm可以被激发。第一个条件确保晶闸管Tbm上有正向压降，第二个条件确保根据乘积的结构所产生的转矩将是负的，并且最后一个条件确保在减少晶闸管Tbm的导通时间期间定子通量的函数改变符号的可能性；否则在晶闸管Tbm的导通时间的后面部分期间电动机的电磁转矩将改变符号，这是通常不期望的状况其能弱化该操作的性能。定子通量的函数的时间导数能被直接确定为电机电压和/或电流的线性组合。最后一个条件是可选的。
如果不满足所述条件，那么在步骤COND_05中检查晶闸管对上的电压是否具有负符号，检查定子通量的函数是否具有负符号，并且检查定子通量的函数的导数是否具有与定子通量的函数相同的符号。如果所有三个条件都满足了那么可以激发晶闸管Tbp。第一个条件确保晶闸管Tbp上有正向压降，第二个条件确保根据乘积的结构所产生的转矩将是负的，并且最后一个条件确保在减少晶闸管Tbp的导通时间期间定子通量的函数改变符号的可能性。最后一个条件也是可选的。
如果没有满足所有的这些条件，那么在这个时间点处不能产生负的转矩。没有晶闸管被激发。计时器在步骤STATE＝-5中被重置，并且结束算法的执行。
然而，如果满足了步骤COND_05中的条件，那么在步骤COND_06中检查计时器是否超过了Tbp的期望的激发延迟。所期望的激发延迟是为了将制动转矩的强度调节到所期望的强度而引入的延迟。典型地，在激发晶闸管之前等待的时间越长，电流峰值就越小并且电磁转矩的峰值就越小。因为在电流的流动期间能估计或者甚至测量转矩，所以可以在反馈循环中执行强度调节，也就是，能响应于在晶闸管的一个或几个先前的激发中所产生的转矩的判断或测量而动态地控制所期望的激发延迟。
如果计时器没有超过Tbp的所期望的激发延迟，那么在步骤STATE＝2中结束算法的执行。晶闸管不被激发并且计时器不被重置。
如果计时器超过了Tbp的所期望的激发延迟，那么在步骤STATE＝3中激发晶闸管tbp，重置计时器并且结束算法的执行。
现在返回到步骤COND_04并且在满足步骤COND_04中的条件时跟随算法的路径，在步骤COND_07中检查计时器是否超过Tbm的所期望的激发延迟。Tbm的所期望的激发延迟通常不同于Tbp的激发延迟，但是它们经常是相等的。如果计时器没有超过Tbp的所期望的激发延迟，那么在步骤STATE＝-2中结束算法的执行。晶闸管不被激发并且计时器不被重置。如果计时器超过了Tbp的所期望的激发延迟，那么晶闸管tbp在步骤STATE＝-3中被激发，计时器被重置，并且结束算法的执行。
在电动机的制动过程期间自然地重复地或连续地执行算法。
应当认识到，如果所产生的转矩的强度不应当，或者不需要受到控制，那么可以省略掉计时器和与计时器以及所期望的激发延迟相关的步骤。
进一步地，为了将载荷均匀地分布在电网的相之中和感应电机的相之中，那么可以转换电动机，使得在维持它们的特性次序时它的三个相周期地且循环地改变。
即使模拟电路能执行它，优选为通过实时数字控制器或微型计算机实现该控制算法。
本发明也涉及可装载到微型计算机的内部存储器中的计算机程序产品并且所述计算机程序产品包括当在计算机上运行所述产品时用于控制上面所披露的方法的软件代码部分。
尽管电动机已经被描述为感应电机，并且尤其适用于鼠笼式或绕线转子式电机，本发明可应用到其它类型的电动机，因为转矩的一般表达式应用到几种类型的电机，包括电动机和发电机。参考上面所披露的Peter Vas，Parameter Estimation，ConditionMonitoring，and Diagnosis of Electric Machines，Monographs inElectrical and Electronic Engineering，Vol.27，pages 80-87，March 18，1993。
一般化到N相
应当认识到，本发明的用于产生所期望的符号和可选的可控的强度的电磁转矩的设备不仅仅被限定到三相电机，无论它们是电机还是发电机，而是它可应用到N相电机，其中N是任何正数。任何数字N相的电机的电磁转矩能被表达为仅仅与定子绕组相关联的个数的N个乘积的总和。这里参考P.Vas，J.E.Brown，Real-timemonitoring of the electromagnetic torque of multi-phase A.C.Machines，1985 IEEE Industry Applications Conference(IAS)pp.169-178，其内容以引用的方式被合并到这里。每个乘积是与一个相相关的并且是定子和/或转子通量函数和电流的乘积。更通常地，但是非排它地，乘积包括特定相的电流以及与其它相相关联的通量的线性组合。上面所披露的在制动情形中的算法允许获得一个相电流的普通乘积的所期望的符号和可选地调节后的强度，或者相电流的线性组合-受到一个晶闸管对的控制-和电机中的定子和/或转子通量的一个函数。算法被扩展以在添加在一起以形成总的电磁转矩的各乘积中获得所期望的符号和调节后的强度。在每个时间情形中(连续的或离散的)，对于与一个特定相电流或相电流的线性组合相关、可由一个晶闸管对控制的、总和中的各个乘积独立地执行参考图6所披露的算法。根据上面所披露的算法，做出激发晶闸管或不激发晶闸管的决定，并且可选地决定何时激发晶闸管。
应当认识到，晶闸管对可以通过旁通开关而被旁通并且不被用在产生电磁转矩中。如果晶闸管对失效，可能发生这种情形。此外，一些线可以根本不具有任何晶闸管对，而是仅仅直接连接。然而，使用越少的晶闸管对并且用在产生用于启动、加速、减速和/或停止电机的电磁转矩中，则通常电磁转矩就变得越不可控。
N相电动机可以是，举例来说，由基本的单独的并且独立的共享共同节点或电流隔绝的Y连接的子网络组成的星型连接的多相电机，多边形连接的多相电机，或者连接在通常被称作内三角形的广义版本的配置中的多相电机。
本发明适于任何额定电压的多相电机。进一步地，本发明能用来产生对于在其中使用软启动器的不同应用来说特殊的和所期望的电机启动、加速、制动和停止转矩曲线。

Claims (20)

1.一种用于在N相电机中产生电磁转矩的设备，其中N是正整数，所述设备包括：
-N条线，所述N条线中的每一条都包括输入端子(A，B，C)、输出端子(a，b，c)，和至少一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者至少一对的一个晶闸管和一个二极管，所述一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者一对的一个晶闸管和一个二极管连接在输入端子和输出端子之间，使得晶闸管对或二极管-晶闸管对中的其中一个部件的负极连接到输出端子和晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的正极并且晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的负极连接到输入端子和晶闸管对或二极管-晶闸管对中的所述一个部件的正极，其中所述N条线连接在电源和电机之间；和
-用于重复地或连续地确定至少所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压(Vthyr_bB)的符号的设备；
-用于重复地或连续地确定至少一个与所述电机中的电磁场相关的参数的装置；和
-用于响应于至少所述所确定的电压的符号和所述所确定的与所述电机中的电磁场相关的参数而控制所述N条线中的至少一条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作的控制装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述与所述电机中的电磁场相关的参数是与所述电机的定子和/或转子相绕组相关联的磁通量和/或电流的函数。
3.如权利要求2所述的设备，包括被用于重复地或连续地测量所述N条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压以及所述N条线的输入端子处、所述N条线的输出端子处或所述电机的端子处的线间电压的适于测量电压的设备；和/或适于测量线电流的设备，其中所述用于确定的装置用于每次都基于重复地或连续地测量的电压、线间电压和/或线电流而估计与所述电机的定子和/或转子相绕组相关联的磁通量和/或电流的函数。
4.如权利要求2或3所述的设备，其中所述控制装置被设置成每次都在仅仅满足下面的条件时重复地激发所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对中的至少一个晶闸管：
-所述晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的所确定的电压的符号给晶闸管一正向偏压；和
-正向导通的晶闸管的电流被如此引导，使得在考虑了至少所述磁通量和/或电流的函数的符号的情况下，将产生所期望符号的电磁转矩。
5.如权利要求2-4中任一项所述的设备，包括用于确定磁通量和/或电流的函数的时间导数的装置，其中所述控制装置被设置成仅仅如果至少所述磁通量和/或电流的函数的符号与至少所述磁通量和/或电流的函数的时间导数的符号具有特定相互关系，才重复地激发所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对的各晶闸管。
6.如权利要求2-5中任一项所述的设备，其中所述控制装置被设置成每次在所选择的时间延迟期满之后才重复地激发所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对的至少一个晶闸管，因此产生所期望强度的电磁转矩。
7.如权利要求1-6中任一项所述的设备，包括
-用于重复地或连续地测量至少所述N条线中的所选择的多条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压的符号的设备；和
-用于重复地或连续地确定与所述电机中的电磁场相关的参数的装置；其中
-所述控制装置用于响应于至少所述N条线中的所选择的多条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的所述所确定的电压的符号和所述所确定的与所述电机中的电磁场相关的参数而控制N条线中的所述所选择的多条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作。
8.如权利要求1-6中任一项所述的设备，包括：
-用于重复地或连续地确定至少所述N条线中的每条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压的符号的设备；和
-用于重复地或连续地确定与所述电机中的电磁场相关的参数的装置；其中
-所述控制装置用于响应于所述N条线中的每条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的所述所确定的电压的符号和所述所确定的与所述电机中的电磁场相关的参数而控制所述N条线中的每条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作。
9.如权利要求1-8中任一项所述的设备，包括：对于所述N条线中的每一条线来说，与那条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对并联连接的开关，所述开关能关闭，因此旁通那条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对，或者打开。
10.如权利要求1-9中任一项所述的设备，其中N等于3并且三条线的输入端子连接到三相电源的输出端子。
11.如权利要求10所述的设备，用于制动所述电机，其中所述设备包括用于连接/断开所述电机使得电流能经由所述三条线中的至少一条线在所述三相电源的不多于两相中流动的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其中：
-所述电机被连接在Y配置中；并且
-所述用于连接/断开的装置被设置成使所述三条线中的第二条线与所述三相电源断开，允许电流仅仅在所述三相电源的三相中的两相中流动。
13.如权利要求11所述的设备，其中
-所述电机被连接在三角形配置中；并且
-所述用于连接/断开的装置被设置成使所述三条线中的第二条线与所述三相电源断开，因此使所述电机的两个相串联连接并且使所述电机的最后一个相与所述电机的串联连接在一起的两个相并联连接，允许电流仅仅在所述三相电源的三相中的两相中流动，但是在所述电机的所有三个相中流动。
14.如权利要求11所述的设备，其中
-所述电机和所述三条线被连接在通常被称作内三角形的配置中；并且
-所述用于连接/断开的装置被设置成使所述三条线中的第二条线和第三条线与所述三相电源断开，允许电流在所述三相电源的三相中的两相中流动但是仅仅在所述电机的三相中的一相中流动。
15.如权利要求10-14中任一项所述的设备，其中所述控制装置被设置为连接所述电机，使得它的三相周期性地且循环地改变维持它们的次序。
16.如权利要求1-15中任一项所述的设备，其中所述电机是电动机，优选为感应电机，例如鼠笼式或绕线转子式电机。
17.一种通过N条线在N相电机中产生电磁转矩的方法，N是正整数，所述N条线中的每一条线都包括输入端子(A，B，C)、输出端子(a，b，c)，和至少一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者至少一对的一个晶闸管和一个二极管，所述至少一对晶闸管(Tam，Tbm，Tcm)或者至少一对的一个晶闸管和一个二极管连接在输入端子和输出端子之间，使得晶闸管对或二极管-晶闸管对中的一个部件的负极连接到输出端子和晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的正极并且晶闸管对或二极管-晶闸管对中的另一个部件的负极连接到输入端子和晶闸管对或二极管-晶闸管对中的所述一个部件的正极，其中所述N条线连接在电源和电机之间，所述方法包括以下步骤：
-重复地或连续地确定所述N条线中的至少一条线中的晶闸管对或二极管-晶闸管对之上的电压(Vthyr_bB)的符号；
-重复地或连续地确定至少一个与所述电机中的电磁场相关的参数；和
-响应于至少所述所确定的电压的符号和所述所确定的与所述电机中的电磁场相关的参数而控制所述N条线中的所述至少一条线的晶闸管对或二极管-晶闸管对的操作。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述与所述电机中的电磁场相关的参数是与所述电机的定子和/或转子相绕组相关联的磁通量和/或电流的函数。
19.如权利要求17或18所述的方法，用于制动所述电机，其中
-N等于3并且所述三条线的输入端子连接到三相电源的输出端子；并且
-所述电机被如此连接，使得在制动期间电流能经由所述三条线中的所述至少一条线在所述三相电源的不多于两相中流动。
20.一种可装载到计算机的内部存储器中的计算机程序产品，并且所述计算机程序产品包括用于当在计算机上运行所述产品时控制如权利要求17-19中的任一项所述的方法的软件代码部分。
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