CN102771045A - 用于运行同步电机的装置和所属的方法 - Google Patents

Abstract

利用三相交流控制器驱动同步电机。根据本发明，确定用于交流电控制器的点火时间点。为此从转子角位置中确定三个相中的一对两个相，针对所述一对两个相存在用于相应的交流电控制器的点火时间点。由所述一对两个相的电源电压相位确定实际的点火时间点，从而使得只产生正转矩。

Description

用于运行同步电机的装置和所属的方法

本发明涉及一种用于运行同步电机的装置和一种运行具有三相交流控制器的同步电机的方法，这些三相交流控制器连接在三相交流电网上并且包括至少两个半导体控制器，例如反向并联连接或者说反并联（antiparallel）的晶闸管，它们在特定的时间点接通或者说点火。

因为原理的原因，不具有起动笼形绕组（Anlaufkaefg）的三相交流电同步电机与馈电的三相交流电网的频率相关联。因此，这种电机不可能直接连着电网进行起动，即加速起动（Hochfahren）。而是在三相交流电网和同步电机之间需要一个装置，它才能让加速起动成为可能。为此通常使用一个变频器。该变频器由整流器、中间回路（电容器）和逆变器构成。它被用于产生频率可调节的三相交流电。

本发明的任务是提供一种方法和一种装置，利用这个方法或者这个装置能够在功率电子元件的耗费很低的情况下在三相交流电网上运行同步电机。其中，特别是也能够让同步电机起动。

该任务是通过根据权利要求1所述的装置得以解决的。另一种解决方案是根据权利要求12所述的方法。从属权利要求中给出了本发明的改进方案。

在根据本发明的用于运行同步电机的方法中使用三相交流控制器。该三相交流控制器包括至少两个半导体控制器，根据发明目的包括三个半导体控制器，每相一个半导体控制器。这些半导体开关元件例如可以是交流电控制器。该交流电控制器例如能够实现为成对的反向并联的晶闸管或者实现为三端双向可控硅元件Triac。但是也可以使用IGBT或者其它类型的半导体开关。三相交流控制器连接在三相交流电网上。其中，同步电机的定子绕组优选地接入到没有零线的星形连接中。该交流电控制器在特定的时间点被激活或者说点火，也就是说导电连接或者准备导电接通。

在根据本发明的方法中，要确定出转子的角位。有利的是，机械的角位提供的是转子相对于可确定的、空间固定的位置的位置。有利的是，角位从0°延伸至360°。作为代替，也能够确定出电位角；例如通过评估电机的电变量或者说电参数。此外还确定出在定子绕组的至少一个相中的电源电压相位。由角位和电源电压相位能够确定出点火时间点，在这个时间点将半导体控制器接入或者点火。

有利的是，为了进一步处理要确定出电位角或者从机械角位中计算出电位角。反之也能够这样转换其它的变量，使得能够利用机械角位直接处理。

根据本发明的用于运行同步电机的装置包括三相交流控制器，该三相交流控制器能够连接在三相交流电网上并且包括用于三相交流电网的相的至少两个半导体控制器。此外，提供位置传感器用于确定出同步电机的转子的角位。此外，该装置包括确定三相交流电网的至少一个相的电源电压相位的装置。最后，存在借助转子的角位确定其中两个成对的半导体控制器或者说一对两个半导体控制器的装置（Mitteln）和借助电源电压相位确定这对半导体控制器的开关时间点的装置（Mitteln）。

其中，在实施该方法时或者说运行该装置时，能够在某个特定的时间点为未来确定点火时间点。但是也能够连续不断地实施该方法，或者说该装置连续不断地工作。换句话说，在短的时间间隔内重复单个的步骤。于是也能够总是只为眼下确定点火时间点，也就是说，只决定现在点火还是不点火。

根据本发明的方法的优点在于利用转子位置确定点火时间点。这样一来就能够在同步电机的转速低时也只产生正转矩，或者几乎只产生正转矩（positives Drehmoment）。其中，正转矩表示的是为了加速起动仅指向两个可能的方向中的其中一个方向的转矩。换句话说，只产生加速转矩，同时避免制动转矩。

在公知的方法中，为了加速起动同步电机，要对频率低于电网频率的电压变化曲线进行合成（synthetisiert）。其中，确定用于一段特定的时间段的产生的频率。在这段时间段结束时，切换至更高的频率。在这个过程中确定频率。

与此相反，根据本发明要首先考虑转子位置。在第二步骤中才注意电源电压相位。因此，在根据本发明的方式中得出电压变化曲线，它也具有频率低于电网频率的电压变化曲线的特征。然而，所产生的电压变化曲线看起来不同于在公知方法中。一方面由于转子继续旋转在电压变化曲线中出现间断（Brueche）。另一方面，产生的有效电压的频率直接随着转子速度升高，而不是分阶段提升。本发明中有利的是，根本不必控制或者完全不必注意所产生的有效电压的频率；而是它会自动地并且有力地适应转子的当前速度。

其中有利的是由角位确定出用于这对半导体控制器的适合的电源电压相位，必须得知该电源电压相位，才能得知点火时间点。这是从以下内容得出的，即，只有在电压的极性正确时才能达到正转矩。然后，连同确定出的电源电压相位就有利地确定出实际的点火时间点。其中，优选地确定出至少三个半导体开关元件中两个成对的或者说一对两个半导体开关元件的相中的电源电压相位。

优选地，确定用于两个成对的半导体控制器或者说一对两个半导体开关装置适合的电源电压相位的装置（Mitteln）被构造成根据角位的整个转角范围0°至360°的子范围进行确定，其中，为子范围的至少一部分分别分配一个对于两个成对的或者说所述一对两个的半导体控制器适合的电源电压相位，并且用于确定适合的电源电压相位的装置确定出分配给该角位所处的子范围的电源电压相位。

同样优选地，用于确定这两个成对的或者说所述一对两个的半导体控制器的装置（Mitteln）被构造成根据角位的整个转角范围0°至360°的子范围进行确定，其中，为子范围的至少一部分分别分配两个成对或者说所述一对两个的半导体控制器，并且用于确定一对两个半导体控制器的装置（Mitteln）确定出分配给该角位所处的子范围的那一对。

有可能的是，为了确定出那一对并且确定出适合的电源电压相位，要使用不同的子范围。然而，有利的是，为了确定那一对并且确定适合的电源电压相位而使用相同的子范围。特别有利的是，使用六个大小相同的子范围作为这些子范围。其中，每个子范围占可能的角位的60°。这样一来就能够以理想的方式产生一个持续的正转矩。有利的是，让这些子范围的位置相对于确定出的角位适应同步电机的实际构造，使得当前确定出的控制器对和当前确定出的适合的电源电压相位在电效应方面通过定子绕组也适应转子位置。换句话说，这些子范围的取向或者角位0°的定义必须适应定子绕组的取向。

其中，优选事先确定所使用的子范围，并且例如将所使用的子范围存储到一个表格中。作为代替可以将这个装置构造成用程序确定控制器对并且确定适合的电源电压相位，也就是说，利用确定出的角位与为该角位预先给定的子范围的固定编码的比较。

优选地，用于确定开关时间点的装置被构造用于当电源电压相位在确定的半导体控制器对的两个相中符合（entsprechen）确定的、适合的电源电压相位时，使得接通确定的半导体控制器对。根据所使用的半导体控制器，在此能够直接接通单个的半导体开关元件或者例如在使用晶闸管的情况下点火。

在本发明的一种优选构造方案和改进方案中，该装置具有用于为至少一个相确定出过零点的装置。此外，优选地设置用于确定开关角的装置。如果已知至少一个相的过零点，并且还确定了开关角，那么这个相应的相的点火时间点能够相对于过零点延迟这个开关角。由于起动时大大低于其额定转速运行同步电机，所以在定子中通过转子的自转产生比在额定运行时更小的反电动势（Gegenspannung）。于是，在馈电压不降低的情况下，定子中的电流明显升高。在接在三相交流控制器上运行时，优选地通过一个改变的相位截止（Phasenanschnitt）同样地在电机的接线端子上达到更小的电压有效值。为此，优选地这样设置晶闸管相对于电源电压的过零点的点火角，使得流经的电流尽可能少量地超过同步电机的额定电流。为此例如能够在转子速度低时使用大的点火角，例如只有150°，而在转子速度够高时使用例如90°的较小点火角（点火延迟）。

所述方法特别是根据软件得以实现的。关于所描述的装置，它特别是具有被构造用于实施所描述的行为方法的控制单元。因此，它能够在不耗费额外的构造元件的情况下简单地应用在现有的三相交流控制器中。其中，需要获知转子位置。有利的是，当预设在同步电机中的控制单元负责对三相交流控制器进行控制，这种控制单元如今优选地被实现为微处理器。在这种情况下，数据已经自动地存在例如一个集成到同步电机中的位置传感器中。此外，这种同步电机能够已经包括三相交流控制器，即作为整体单元实现，于是它能够直接连接在三相交流电网上。

现在借助附图更详尽地阐述本发明的一种优选的、却绝对不具有限制性的实施例。其中，示意性地示出了许多特征，并且用相同的附图标记标识相一致的特征。其中，附图分别示出：

图1具有连接其上的同步电机的三相交流控制器的等效电路图，以及

图2用于说明点火时间点的图表。

在图1中，三相交流同步电机1通过三相交流控制器4连接在三相交流电网的相A、B、C上。为每个相A、B、C分配了一个由两个反向并联的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2构成的半导体控制器6、7、8。这些晶闸管A1、A2、B 1、B2、C1、C2的点火电极连接在控制装置3上，利用该控制装置提供为晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2点火所必须的点火信号。该控制装置3也控制着相位截止。该控制装置3优选地由一个微控制器实现。在电网的两个相A、B、C之间，例如图1中的电网的接线端子A和B之间，连接有电压测量装置5，在其输出端上已经存在这两个接线端子A和B之间出现的电源电压U_AB。同样地，也能够存在更多的、未示出的电压测量装置用于其它两对相位。

在第一实施例中，控制装置3和三相交流控制器4实现为独立于三相交流同步电机1的单元，即作为独立的电机控制装置。在第二实施例中，控制装置3和三相交流控制器4是三相交流同步电机1的一部分。在这种情况下，优选地，该控制装置3的功能被集成到三相交流同步电机1中的一个已存在的微处理器中。在所示情况下，控制装置3用于处理一个适合的程序，利用它能够用软件实现该装置的运行。

本发明的基础认识是，在隐极同步电机1（Vollpolsynchronmaschine）中，由该电机输出的转矩m与定子电流i_S ^R在旋转坐标系中的空间矢量分量i_Sq成比例：

等式1：m～i_Sq，其中 $\stackrel{\→}{i_S^R}=i_{\mathrm{Sd}}^R+j\·i_{\mathrm{Sq}}^R$

借助于电角位θ和这三个定子电流的测量，能够计算旋转坐标系中的定子电流空间矢量，其中，电位角θ符合于测得的机械角位乘以电机的电极对数：

等式2： $i_{\mathrm{Sq}}^R=i_{1A}\·(-\sin {\mathrm{\θ}}_R)+(i_{1B}-i_{1C})\·\cos {\mathrm{\θ}}_R\·3^{-\mathrm{0,5}}$

由等式2中能够依据转子位置表达点火条件。在将同步电机1的定子绕组接入不具有零线的星形连接中，并且获得各正好两个相A、B、C中的电流的前提下，能够提供以上等式的三个不同的关系式：

等式3a： $i_{\mathrm{Sq}}^R{|}_{i_{1A}=-i_{1B}}=i_{1A}\·(-\sin {\mathrm{\θ}}_R-\cos {\mathrm{\θ}}_R\·3^{-\mathrm{0,5}})$

等式3b： $i_{\mathrm{Sq}}^R{|}_{i_{1A}=-i_{1C}}=i_{1A}\·(-\sin {\mathrm{\θ}}_R+\cos {\mathrm{\θ}}_R\·3^{-\mathrm{0,5}})$

等式3c： $i_{\mathrm{Sq}}^R{|}_{i_{1B}=-i_{1C}}=i_{1B}\·(\cos {\mathrm{\θ}}_R\·2\·3^{-\mathrm{0,5}})$

图2示出电位角θ的两个周期的符合等式3中括号内容的关联的三角函数，即转子的角定位0°/p至720°/p（p=极对数）。其中，在横坐标上示出电机的电位角度，而不是时间变化过程。因此，所有从2∏至4∏的变化过程都是从0至2∏的变化过程的精确复制。额外地，图2示出用于相对AB、AC和BC的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2的可能得到的导通区域。其中，特定的区域21共同排除，因为它们同时要求一个半导体控制器6、7、8的分别两个晶闸管A1、A2、B 1、B2、C1、C2导通。如果排除这些情况下，就能够提供符合下面图2的点火顺序，其中，每次为两个半导体控制器6、7、8点火。于是，目前仅以转子位置为准来确定点火时间点，并且不考虑电源电压的相位。

于是，在排除了在5/6π和7/6π之间的角位θ的范围中存在相互矛盾的导通的情况下，得出相对BC。作为成对的要点火的半导体控制器，得出针对相B和C的相应的半导体控制器7、8。其中，相B和C之间的适合的电源电压相位是负的，相应于从相C到相B的电流。在角位θ的紧接着的子范围7/6π和9/6π之间，要确定的半导体控制器对6、7是相对A和B。其中，相A和B之间的适合的电源电压相位是正的，相应于从相A到相B的电流。其它的子范围以类似于图2的方式运行。

除了点火顺序以转子位置为准，点火有利地与电源电压同步。于是能够达到只有在相应电源电压的电源电压相位在相应的相A、B、C中是正确的时，也就是实际上产生理想的转矩时，才能让晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2导通。其中，还延迟向准备点火的状态过渡，即具有点火角。例如，可以从电压U_AB的正过零点出发相对于电网频率例如延迟90°实现点火。

如果同步电机1的转子在一个实施例内在起动前在例如1/3π的角位中的一个休止位置（Ruhelage）中，那么控制装置使得只能为相A和B的半导体控制器6、7确定点火时间点。附加地，该控制装置持续不断地检查，由三相交流电网引起的电压的极性是否与适合的电源电压相位一致，在这种情况下，从相A相对于相B的视角来看，适合的电源电压相位是负的。只有当情况如此，由相A和B的半导体控制器的可能的点火时间点中变成实际的点火时间点，即在此时也能够电流导通。

在所给实施例中，这导致大体上是脉冲的直流电压从三相交流控制器4传递给同步电机1的定子绕组。其中，通过三相交流电网的电网频率得到脉冲。脉冲一直保持，直到转子由于它开始进行的旋转超过3/6π角位的界限，这样一来它的角位进入位于3/6π和5/6π之间的下一个子范围21。在这个子范围21中，现在根据图2切换到相A和C的半导体控制器6、8。于是，转子继续旋转使得在这些子范围21之间再一次切换，并且因此在使用的半导体控制器6、7、8之间再一次进行切换。这样一来，只要转子不停止，就得到从半导体控制器6、7、8传输的交流电压。因为传输的电压的极性取决于转子位置，所以该交流电压的频率取决于转子的旋转速度。

由于是从三个现有的半导体控制器6、7、8中选择两个半导体控制器6、7、8，所以导致，在转子的角位θ每次从一个子范围21过渡到下一个子范围21时，更换其中一个使用的半导体控制器6、7、8，而另一个使用的半导体控制器6、7、8保持不变。其中，图2示出，在从子范围21过渡到下一个子范围21时，在保持不变的半导体控制器6、7、8中负责电流导电的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2保持不变。只有从其中该半导体控制器6、7、8不活动的子范围21中进行一次更换后才为其中一个半导体控制器6、7、8更换电源电压相位。

在电网频率为50Hz时，该电压的周期持续时间是20ms。因此，每20ms为一个交流电控制器得出可能的点火时间点。由此自动地隐没掉该电压的负半波。尤其是，当转子以高速旋转时，就能够计算，角位从其中一个子范围过渡到另一个子范围是以类似于电源电压的过零的速率实现的。于是，在之前有效的交流电控制器对还在点火期间，要驱动的交流电控制器对就可以已经改变。因此，在不过慢的转子中，每20ms/3得到几个可能的点火时间点，即大约每6ms一个。

这还有以下效果，即，使得电流可能还流过一个交流电控制器的其中一个半导体开关，尽管它在理想情况下完全不应再工作，因为转子移动到下一个子范围中，在这个子范围中，另外两个交流电控制器应该是工作的。在使用晶闸管时，不能直接防止这种情况。在所述情况下就会产生不理想的、负的转矩，直到“错误的”交流电控制器中的电流衰灭。

因此，在此特别有利的是影响点火角（Zuendwinkel）。如果借助转子位置会过渡到角位的下一个子范围内，而此时电流仍在当时的错误交流电控制器中流动，那么能够借助已改变的点火角让总体电流减小。为此，例如较晚为晶闸管点火。电流减小也会让直到电流再次衰灭并且断开晶闸管的时间段缩短。

Claims (12)

1.用于运行同步电机（1）的装置，具有：

-三相交流控制器（4），所述三相交流控制器能够连接到三相交流电网上，并且包括用于所述三相交流电网的相（A、B、C）的至少两个半导体控制器（6、7、8），

-位置传感器，用于确定出同步电机（1）的转子的角位（θ），

-用于确定所述三相电流电网的至少一个相（A、B、C）的电源电压相位的装置，

-根据所述转子的角位（θ）确定一对两个半导体控制器（6、7、8）的装置，

-根据所述电源电压相位确定用于相应的半导体控制器对（6、7、8）的开关时间点的装置。

2.根据权利要求1所述的装置，具有确定用于所述一对两个的半导体控制器（6、7、8）的适合的电源电压相位的装置，以根据所述转子的角位（θ）产生正转矩。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，确定用于所述一对两个的半导体控制器（6、7、8）的适合的电源电压相位的装置被构造成根据角位（θ）的整个转角范围0°至360°的子范围（21）进行确定，其中，为子范围（21）的至少一部分分别分配用于所述一对两个的半导体控制器（6、7、8）的适合的电源电压相位，并且用于确定适合的电源电压相位的装置确定配属于该角位（θ）所处的子范围（21）的电源电压相位。

4.根据权利要求3所述的装置，包括存储的表格，在所述表格中存储着这些子范围（21）和所配属的适合的电源电压相位。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，用于确定一对两个的半导体控制器（6、7、8）的装置被构造成根据角位（θ）的整个转角范围0°至360°的子范围（21）进行确定，其中，为子范围（21）的至少一部分分别分配一对两个半导体控制器（6、7、8），并且用于确定一对两个半导体控制器的装置确定配属于该角位（θ）所处子范围（21）的那一对。

6.根据权利要求5所述的装置，包括存储的表格，在所述表格中存储着所述子范围（21）和所配属的控制器对。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其中所述装置构成为使得使用六个子范围（21）。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其中所述装置构成为使得每个子范围（21）包括的电角位的角范围是60°。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，用于确定开关时间点的装置被构造用于当电源电压相位在确定的半导体控制器对的两个相（A、B、C）中符合确定的、适合的电源电压相位时，使得接通所述确定的半导体控制器对。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，具有用于为至少一个相（A、B、C）确定出过零点的装置，并且具有用于确定开关角的装置，从而确定出相对于电压过零点延迟的开关时间点。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，具有分别由两个反向并联的晶闸管（A1、A2、B 1、B2、C1、C2）构成的三个半导体控制器（6、7、8）。

12.用于运行具有三相交流控制器（4）的同步电机（1）的方法，该三相交流控制器连接在三相交流电网上并且具有至少两个半导体控制器（6、7、8）,它们在特定的点火时间点导电接通或者被点火，所述方法包括以下步骤：

确定出转子的角位，

确定出三相交流电网的至少一个相（A、B、C）的电网电压相位，

根据所述角位（θ）和所述电源电压相位确定点火时间点，使得产生正转矩。

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