CN103107753A - 压缩机启动方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于启动由频率转换器（FC）控制的永磁同步电动机（M）所驱动的活塞型压缩机（C）的方法和装置，所述方法至少包括以下步骤：a)指示活塞最大压力点的位置，并通过以下操作在实际压缩操作之前将电动机（M）的转子对齐在最佳启动角度：提供预脉冲，以使电动机（M）的转子以特定频率（f₂）旋转至少一整圈，在转动期间，利用频率转换器测量负荷扭矩，并指示最大负荷扭矩点，以及，之后将电动机（M）的转子对齐在距离最大压力角度大约180°的最佳启动角度处，以及b)在实际压缩操作开始时：通过将直流电流供给至定子绕组，将转子的位置设定为与最大扭矩角度相反，以及，通过将最大电动机电流供应至电动机以提供最大扭矩和加速度，来启动电动机。

Description

压缩机启动方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制压缩机的方法和装置。本发明具体地涉及一种用于启动活塞型压缩机的方法和装置，所述活塞型压缩机由频率转换器控制的永磁同步电动机驱动。

背景技术

由于活塞型压缩机简单、可靠并且成本有效，使其成为工业和商业应用中普遍使用的重负荷机器，例如用于产生压缩空气。当需要调整压缩后的空气体积时，通常会使用速度控制（由于其较低的能量损耗），而不是使用例如节流阀控制。速度控制通常由频率转换器控制的交流电动机实现，所述交流电动机可以是例如笼形异步电动机或永磁同步电动机。

在这种应用中，电动机负载基于活塞位置显著地变化，即当活塞到达顶部位置时，轴扭矩大，而当活塞在底部时，轴扭矩小。在全速运转时，即使电动机和转换器已经根据经济的尺寸设计原则的要求按照平均负载来设计尺寸，轴（通常由重型调速轮促动）上的旋转质量的机械惯性也会帮助该轴经过最大扭矩点。

该尺寸设计原则可能会引起低速启动的问题，这是由于旋转质量的惯性仅提供了最小帮助。这是今天电动机和转换器通常基于最大扭矩进行尺寸设计的一个原因。

除了尺寸设计问题，还存在下列问题，当压缩机停止时，活塞停留在最大压力点的位置。在紧密密封的汽缸中，高压能够保持在内部很长一段时间，在下一个启动阶段，在第一转动期间可能导致“反冲”。这可能导致在缺少传感器的驱动系统中关于轴角度的信息损失，以及启动失败。

这些问题可能促使电动机和频率转换器的功率被尺寸设计为高于平均功率所需要的和/或轴角度传感器可能需要的数值。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于活塞压缩机的新型启动方法，其中活塞压缩机由频率转换器控制的永磁同步电动机所驱动。通过该方法，即使当该机械装置已经被根据平均负载经济地设计尺寸并且未使用活塞传感器，也能够克服上述缺点并且能够确保活塞压缩机的可靠启动。该目标由本发明提供的方法和装置实现，其特征在独立权利要求中声明。本发明的其它优选实施例在从属权利要求中公开。

在本发明的方法和装置中，活塞压缩机由频率转换器供应的永磁电子电动机驱动。能够感测到有关最大压力点的电动机轴角度的必要信息，而不需任意额外的传感器。

根据本发明的第一实施例，活塞压缩机的启动包括三个连续的阶段。

在第一阶段，电动机将在短期内旋转，优选地，电动机将旋转一个完整的电动转动周期。该阶段的目的是释放汽缸内可能的压力，所述压力是上次停止之后存留在那里的。在这个阶段，旋转速度是低的且电动机电流是高的，以产生足够高以克服例如可能的启动摩擦力的轴扭矩。

第二阶段的目的是确定用于指示活塞最高压力位置的最高扭矩的电动角度。在第二阶段的初始，通过将直流电流供给至定子绕组而将转子的位置预设为特定电动角度。之后，电动机将从该角度以恒定速度和高电流旋转至少一个完整的电动转动周期，以产生足够高以克服最大压缩压力点的轴扭矩。在第二转动周期期间，通过使用测得的频率转换器的信号，例如通过测量输出电流和电压并计算输出功率（已知正比于轴扭矩），计算轴扭矩。通过该运算，推导出最大负荷扭矩点的位置，其中用距离已知启动角度的电动角度来表示该最大负荷扭矩点的位置。

根据本发明的第二实施例，该第二实施例适用于转子电动角度和机械角度之间的关系是已知的情况，能够省去第一阶段。在这种情况下，以已知最佳启动角度启动及停止第二阶段。通过该转动，能够确保转子的角度最终是最佳的，而不受摩擦力和气体压力作用的影响。

在两个实施例中，第三阶段是实际操作的启动。在该阶段的起始，通过将直流电流供给至定子绕组，将转子的位置设定为特定电动角度。这时，由相电流确定的转子位置被设定为与最大扭矩角度相反，即据此与最大扭矩角度呈大约180°。该设定给定了用于第一加速度的最大时间和距离，因此产生启动时用于第一转动周期的最大动能。在启动期间，提供最大可能扭矩的最大电动机电流用于产生最大加速度。在顺利经过第一活塞压缩点之后，电动机继续加速，直至达到设定的速度参考值，并且继续正常运转。

通常所需的启动阶段仅占用几秒，这意味着需要在预脉冲和实际启动之间划分允许的频率转换器超负荷时期。由于超负荷电流（尤其是在预脉冲期间以低的输出频率的电流），使得引起针对转换器的功率半导体的不寻常的高压力，因此使所有顺序的启动电流脉冲之间的停顿尽可能短是有利的。

本发明使得能够经济地将驱动电动机和频率转换器的尺寸设计为小于活塞压缩机的最大负荷。本发明还使得轴角度传感器不是必需的。

附图说明

下面将参照附图通过实施例对本发明进行更详细的解释，其中

图1示出活塞压缩机的主体结构，

图2示出驱动电动机的活塞压缩机的轴扭矩曲线，

图3示出控制活塞压缩机的速度的变速电动机驱动，

图4示出电动机轴扭矩和电动机电流之间的关系，

图5示出频率转换器的超负荷曲线，

图6示出本发明的活塞压缩机的启动序列，以及

图7示出本发明的活塞压缩机的启动序列。

具体实施方式

图1示出活塞压缩机的已知结构，其中活塞1在压缩汽缸2内部往复运动。在该实施例中，所述活塞经由连接杆3由曲轴或类似结构通过旋转轮4进行驱动。当输入阀门6在抽吸阶段打开期间，即在活塞远离阀门运动在汽缸内部产生真空期间，输入气体从抽吸管5进入汽缸。在压缩阶段，即在活塞朝向阀门运动期间，气体被压缩并且最终排放至压力管7（此时排放阀门8打开）。围绕轮4的角度数值（0°．．．270°）指示连接杆固定点至该轮的位置标记，并且指示一个操作转动周期期间的活塞机械位置。

图2示出驱动轮4（图1）的轴或对应的曲轴中的扭矩T_S的已知特征曲线。在角度0°，当汽缸内部的压力最低时，轴扭矩也最低，并且在排放阀门在180°点附近打开之前，压力最高，相应地扭矩也最大（T_SMAX）。T_SN表示一个完整转动周期期间的平均扭矩。

图3示出已知的典型的变速电动机驱动，其能够用于控制活塞压缩机C的速度。电动机驱动由频率转换器FC和电动机M组成。频率转换器FC在该实施例中包括二极管桥式整流器REC（其将三相施加电压L₁、L₂、L₃整流为恒定直流链电压U_DC，U_DC由电容器C_DC进行平滑）、三相逆变桥INU（由IGBT开关V₁．．．V₆以_及续流二极管D₁．．．D₆组成并产生用于电动机M的三相输出电压U、V、W）、以及控制单元CU。

图4示出轴扭矩T和恒定速度的电动机的定子电流I之间关系的已知特征曲线。在公称扭矩T_N和最大扭矩T_MAX（分别对应于I_N、I_MAX）之间的正常运转区域，该关系曲线完全是线性的。

图5示出频率转换器的负载能力与时间t之间的已知特征曲线。负载能力通常表示为输出电流的值，并且通常转换器能够在特定负荷循环t₀．．．t₁（例如30秒）期间供应持续短时段t_OL（例如2秒）的超负荷电流I_OL（例如连续的额定负荷电流I_N的两倍）。还可以将允许的超负荷时间t_OL划分为多个较短的时段，如图5中的t_OL1，t_OL2以及t_OL3。

永磁电动机的已知特征为，其转子位置随定子电流产生的电场变化。这使得当电场的电动角度是已知的并且负荷扭矩并不高于最大电动机轴扭矩时，能够调整转子位置而不需任何位置传感器。本发明的方法和设置是基于该事实的。

图6示出本发明的启动序列期间的一个电动机相电流i和频率f的特征行为曲线。该序列由一个或两个电流预脉冲组成，接着是实际启动电流。

本发明的第一实施例可以使用第一预脉冲，其中转子电动角度和机械角度之间的关系是未知的。该脉冲（从t₅₁持续至t₅₂）的目的是释放可能的汽缸压力，在之前的停止之后，如果活塞保持在最大压缩点（图1中的机械角度180°），就可能存在该压力。该压力可能产生相反于所需旋转方向的机械反冲，其使得转子离开定子电场转动并因此使得控制系统失去实际轴位置的信息。根据本发明，在第一预脉冲期间，利用频率转换器的超负荷能力，转子以频率f₁旋转一周，以具有超出由汽缸存留压力及启动摩擦力产生的负荷扭矩的高的轴扭矩。在图5中，电动机电流值接近超负荷水平（I_OL），但是如果满足扭矩要求，该值也可以更低。

根据本发明的第一实施例，第二预脉冲（从t₅₃持续至t₅₆）的目的是找出最大汽缸压力的机械角度，并且在脉冲的末端使转子对齐在最佳启动角度，其中该最佳启动角度距离最大压力角度大约180°。通过在至少一个完整的电动转动周期内旋转电动机轴，指示在运转期间的轴扭矩值，并且当已经达到最佳启动角度时停止旋转，能够实现该目的。

根据第二实施例，第一预脉冲可以被省略，并且只使用第二电流脉冲（在图5中从t₅₃持续至t₅₆）。当转子的电动角度和机械角度之间的关系是已知时，这种情况是可行的。在这种情况下，在已知最佳启动角度处启动和停止脉冲。通过旋转，能够确保转子角度最终被优化，而不受摩擦力和气体压力作用的影响。

在第二预脉冲的起始，通过将DC电流供给至定子（时间段t₅₃．．．t₅₄，I_DC1指示一个阶段的电流值），转子可被设定为已知的启动电动角度，即将转换器输出电压矢量设定到特定位置。那么，通过将AC电流供应至定子，转子至少在一个转动周期内以频率f₂从该位置开始旋转，即使输出电压矢量旋转（时间段t₅₄．．．t₅₅）。例如通过保持转换器输出频率和电流恒定并且测量输出电压，指示该时期内的负荷扭矩是可行的，由此能够计算输出功率，输出功率正比于恒定速度的轴扭矩。满足能够旋转整个转动周期的条件是轴扭矩超出最大压缩扭矩。通过将电动机电流保持在足够高的水平，能够满足该条件。在图5中，电动机电流值接近超负荷水平（I_OL），但是如果能够满足扭矩需要，该值也可以更低。在第二预脉冲的末端，通过将DC电流供给至定子（时间段t₅₅．．．t₅₆）来确保转子停留在所需的最佳启动角度是有利的。

下一个阶段是实际启动。根据本发明，利用频率转换器的超负荷能力，电动机从已知的最佳转子位置以最大加速度启动，以获得用于超过第一最大压缩扭矩点的最大动能。通过将DC电流供给至定子来将转子设置为启动电动角度（时间段t₅₇．．．t₅₈，I_DC2指示一个阶段的电流值），即将转换器输出电压矢量设置到距离最大压力点大约半转（180°）的特定位置。在时刻t₅₈，以由频率转换器超负荷电流极限I_OL限定的最大加速度从该位置开始实际启动。在某个时刻t₅₉，在加速期间，频率转换器所允许的超负荷时期终止，这意味着电流极限降到较低水平I_N，而且减小轴扭矩并减小该时刻之后的加速度。

图7示出实际启动开始时（即从图5中的时刻t₅₇开始）的电动机电流I、轴扭矩T_S、压缩机负荷扭矩T_C和电动机轴速度ω的特征行为曲线。因为电流和扭矩彼此接近于正比，因此它们在图中由一条公共线表示。

在时刻t₆₁之前，电动机电流处于超负荷极限并且加速度是最大。在时刻t₆₁，频率转换器的超负荷阶段终止，这意味着最大轴扭矩降到最大负荷扭矩水平以下。在时刻t₆₂，负荷扭矩增大至轴扭矩水平以上，这意味着轴速度开始降低。该第一最大负荷扭矩阶段的顺利度过的条件是，在时刻t₆₂之前的加速阶段期间收集的转动质量的动能有助于将轴速度保持在高于时刻t₆₃之前的启动水平，其中从时刻t₆₃起速度再次开始增大。相似的扭矩水平稍后发生交叉（在t₆₄．．．t₆₅,t₆₆．．．t₆₇期间等），但是由于较高速度以及由此较高的支持动能，所述交叉并不是那么严格。

尽管参照前面的实施例描述本发明，应该认识到，本发明并不限于所述实施例，并且很多调整和变体对于本领域技术人员来说并不背离权利要求所限定的本发明的范围和精神。

Claims (14)

1.一种用于启动由频率转换器（FC）控制的永磁同步电动机（M）所驱动的活塞型压缩机（C）的方法，所述方法至少包括以下步骤：

a)指示活塞最大压力点的位置，并通过以下操作在实际压缩操作之前将电动机（M）的转子对齐在最佳启动角度：

提供预脉冲，以使电动机（M）的转子以特定频率（f₂）旋转至少一整圈，

在转动期间，利用所述频率转换器测量负荷扭矩，并指示最大负荷扭矩点，以及

之后将所述电动机（M）的转子对齐在距离最大压力角度大约180°的最佳启动角度处，以及

b)在所述实际压缩操作开始时：

通过将直流电流供给至定子绕组，将转子的位置设定为与最大扭矩角度相反，以及

通过将最大电动机电流供给至所述电动机以提供最大扭矩和加速度，来启动所述电动机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

在步骤a)之前，提供另一个预脉冲以在短期内以第二频率（f₁）使所述电动机（M）旋转，以释放汽缸内可能的压力，优选地使所述电动机（M）旋转一整圈。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电动机以低旋转速度和高电动机电流进行转动，以产生足够高以克服汽缸存留压力和启动摩擦力中的至少一个的轴扭矩。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

在步骤a)之前，限定转子电动角度和机械角度之间的关系，并以已知的最佳启动角度使步骤a)启动和停止。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)的起始，通过将直流电流供给至定子绕组，将所述转子的位置设定为特定电动角度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)电动机以恒定速度和高电流进行旋转，以产生足够高以克服最大压缩压力点的轴扭矩。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)通过向所述电动机供给由频率转换器超负荷电流极限限定的电流，来启动所述电动机。

8.一种用于启动由频率转换器（FC）控制的永磁同步电动机（M）所驱动的活塞型压缩机（C）的装置，所述装置适于实施至少以下步骤：

a)指示活塞最大压力点的位置，通过以下操作在实际压缩操作之前将电动机（M）的转子对齐在最佳启动角度：

提供预脉冲以使电动机（M）的转子以特定频率（f₂）旋转至少一整圈，

在转动期间，利用所述频率转换器测量负荷扭矩，并指示最大负荷扭矩点，以及

之后将所述电动机（M）的转子对齐在距离最大压力角度大约180°的最佳启动角度处，以及

b)在所述实际压缩操作开始时：

通过将直流电流供给至定子绕组，将转子的位置设定为与最大扭矩角度相反，以及

通过将最大电动机电流供给至所述电动机以提供最大扭矩和加速度，来启动所述电动机。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置进一步适于实施以下步骤：

在步骤a)之前，提供另一个预脉冲在短期内以第二频率（f₁）使所述电动机（M）旋转，以释放汽缸内可能的压力，优选地使所述电动机（M）旋转一整圈。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置适于以低旋转速度和高电动机电流使所述电动机旋转，以产生足够高以克服汽缸存留压力和启动摩擦力中的至少一个的轴扭矩。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置进一步适于实施以下步骤：

在步骤a)之前，限定转子电动角度和机械角度之间的关系，并以已知的最佳启动角度使步骤a)启动和停止。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置进一步适于在步骤a)的起始，通过将直流电流供给至定子绕组，将所述转子的位置设定为特定电动角度。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置进一步适于在步骤a)以恒定速度和高电流使电动机转动，以产生足够高以克服最大压缩压力点的轴扭矩。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置进一步适于在步骤b)通过向所述电动机供给由频率转换器超负荷电流极限限定的电流，来启动所述电动机。

Images