CN103814516B - 用于控制操作电动机的电源的受控开关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于控制受控开关（10）的方法，受控开关操作来自AC电压源（2）的电动机的电力供给。该方法包括驱动所述受控开关闭合的步骤，驱动时刻取决于所述受控开关的端子之间的电压值的特征值。本发明还提供了用于这种受控开关的控制装置（11），包括用于实现所述方法的硬件元件（111，112，113）和软件元件。

Description

用于控制操作电动机的电源的受控开关的方法

技术领域

本发明涉及用于控制操作来自AC电压源的电动机的电力供给的受控开关的方法。本发明还涉及可由计算机读取的数据记录介质，其中，将包括用于实现这种方法的步骤的软件元件的程序记录在该数据记录介质上。本发明进一步涉及操作来自AC电压源的电动机的电力供给的受控开关的控制装置。本发明最终涉及包括一个这种控制装置的系统。

背景技术

电动机的启动会产生某些问题。实际上，当启动电动机时，电动机会从为其供电的电力系统吸收很大的浪涌电流。这会导致电力系统上的压降，从而可能导致某些敏感负载的故障。这可能还会导致电力系统的负载脱落。

为了避免这种问题，众所周知，当启动电动机时，不将电动机直接连接至电力系统。为此，电动机经由启动系统连接至电力系统，以能够避免上述缺陷。

例如，电动机经由能够控制电动机的转速的设备而连接至电力系统。例如，这种设备包括频率变换器。该装置成本高昂，尤其是如果仅在启动阶段使用该装置。

因此，为了避免高成本，电动机还可以经由受控开关的渐进启动系统而连接至电力系统，该受控开关能够使施加给电动机的电压的rms值逐渐增大。具体地，通过文献WO01/89074已知这种系统。在这种系统中，受控开关通过半导体部件，具体地通过晶闸管来实现。因此，当换向发生时，受控开关对会影响它们的暂态电压和电流脆弱并且敏感。通常使用相同的渐进启动系统来以顺序的方式启动几个电动机。因此，可以理解，启动系统的故障会导致在某些应用中的大幅度的生产损失。因此，很明显，至关重要的是，基于在以下这些情况下影响受控开关的暂态电压和电流的值，确保这些启动系统的操作可靠性，具体地，确保额定电压大于500V、甚至大于1000V，或者甚至等于或大于5.5kV的启动系统的操作可靠性。

发明内容

本发明的一个目的是为了提供一种用于控制受控开关的方法，所述受控开关能够解决前文中所指出的问题并且改善已知的现有技术的控制方法。具体地，本发明提出了能够提高受控开关的寿命的简单有效的控制方法，从而使集成这种受控开关的系统更可靠。

通过控制操作来自AC电压源的电动机的电力供给的受控开关的方法来实现该目的，该方法包括驱动所述受控开关闭合的步骤，驱动时刻取决于所述受控开关的端子之间的电压值的特征值。

优选地，所述控制方法包括以下步骤：

确定所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化的至少一个特征值的步骤，

通过所述特征值来确定第一时间范围的步骤，以及

驱动在所述第一时间范围期间所执行的所述受控开关的闭合的步骤。

有利地，在所述方法的配置阶段，具体地，在所述方法的测试阶段或者实现阶段，通过测量和/或计算来实现确定所述变化的至少一个特征值的步骤。

有利地，所述变化的特征值包括：在所述受控开关断开以后，表示所述受控开关的端子之间电压值的变化的时间周期的值。

优选地，根据权利要求2至4中任一项所述的控制方法，其特征在于，将所述第一时间范围限定为包括验证以下公式的时间t的集合：

其中，

t_I0：所述受控开关断开发生的时刻，

TK：所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化的周期，

n：自然整数，例如，n=10。

有利地，x包括在0和0.3之间，优选地，包括在0和0.25之间，优选地，包括在0和0.2之间和/或y包括在0和0.3之间，优选地，包括在0和0.25之间，优选地，包括在0和0.2之间。

优选地，所述方法包括限定第二时间范围的触发时间值的使用，一旦所述第一时间范围和所述第二时间范围共有的时间出现，就进行驱动所述受控开关的闭合步骤。

优选地，所述第二时间范围被限定为包括验证以下公式的时间t的集合：

其中，

T_V0：所述电源的AC电压为0的时间，

TK：所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化周期，

α：短于所述电源的AC电压的半周期的时间。

一种可通过计算机读取的根据本发明的数据记录介质，其中，在其上记录包括用于实现如前文中所限定的方法步骤的软件元件的程序。

一种受控开关的控制设备，所述受控开关操作来自AC电压源的电动机的电力供给，所述控制设备包括用于实现如前文中所限定的方法的硬件元件和/或软件元件。

优选地，所述受控开关包括晶闸管。

一种系统，具体地，根据本发明的电动机启动系统，包括如前文中所限定的控制设备。

本发明还涉及包括计算机程序代码装置的计算机程序，该计算机程序代码装置适用于当程序在计算机上运行时，执行如前文中所限定的方法的步骤。

附图说明

为了举例说明的目的，附图表示根据本发明控制受控开关的方法的执行模式以及根据本发明控制受控开关的设备的实施例。

图1是包括根据本发明控制受控开关的设备的实施例的装置的电气图。

图2是在半周期时间段内流经受控开关的电流、和来自受控开关的上游和下游电压的变化的时间曲线图。

图3是当晶闸管中电流降至0并且自然中断时，以及然后当受控开关结束换向发生时，流经受控开关的电流和来自受控开关的上游和下游电压的变化的时间曲线图。

图4是当受控开关的结束换向发生时，流经受控开关的电流和来自受控开关的上游和下游电压的变化的时间曲线图。

图5是如图1中所示的电装置的等效接线图。

图6是当受控开关闭合发生时，电装置的等效接线图。

图7是当受控开关断开发生时，电装置的等效接线图。

图8是表示电动机的等效电感与其旋转速度的变化的曲线图。

图9是根据本发明控制受控开关的方法的执行模式的流程图。

图10是在较后的开始进行换向以后，用于确定受控开关的端子之间的电压的变化周期的过程的示例的流程图。

图11是在较后的开始进行换向以后，受控开关的端子之间的电压变化的时间曲线图。

具体实施方式

下文中参照图1描述根据本发明的装置1的实施例。该装置主要包括通过电压源2供电的电动机9。例如，电压源由变压器形成，该电压源经由第一电缆3连接至断路器4。该断路器经由第二电缆5连接至电动机启动系统6。该启动系统经由第三电缆8连接至电动机9。接触器设备被配置为与启动系统并联。一旦电动机达到足够的转速，启动系统就被短路。

电动机是AC型的，尤其是异步的。电动机是三相电动机。电动机的额定电压大于500V，或者甚至大于1000V，或者甚至大于或等于5.5kV。

因此，电动机经由电动机启动系统6连接至电力系统，具体地，电压源2。

电动机启动系统主要包括电动机的每条电源线上的受控开关10，例如，三相电动机的三相电源的每相上的受控开关。受控开关可以是功率晶体管。有利地，受控开关包括晶闸管12a、12b，具体地，首尾并联连接的两个晶闸管12a、12b。

电动机启动系统还包括受控开关的控制设备11。在所表示的情况下，控制设备包括均连接（attack）晶闸管12a、12b的触发端的两个输出端。控制设备因此能够生成脉冲，以命令每个晶闸管从其截止状态至其导通状态的换向触发。

为此，控制设备11包括根据要进一步详细描述的逻辑而确定第一时间范围的第一模块111，该第一时间范围用于电压源的AC电压的每个半波。控制设备进一步包括从专用于获得适用于启动电动机的rms电压值的、触发受控开关本身的换向的角度α的值来确定针对电压源的AC电压的每个半波的第二时间范围的第二模块112。例如，当电压源为0时，限定关于最后时刻的角度α。π角度表示全波。清楚的是，在整个电动机启动阶段，该角度α的值改变，使得应用于电动机的rms电压逐渐增大。将继续进一步地对确定第二时间范围的逻辑进行详细说明。

控制设备11进一步包括使用先前限定的第一时间范围和第二时间范围的第三模块113。该第三模块比较第一时间范围和第二时间范围，并且第一时间范围和第二时间范围共有的时间一出现，该第三模块就发出受控开关的控制脉冲，具体地，命令两个晶闸管中的一个结束换向的脉冲。自然地，当流入该晶闸管的电流为0时，晶闸管就开始进行换向。

为了确定第一时间范围和第二时间范围，控制设备，具体地，第一模块和第二模块，使用通过参考标号114所表示的信息，并且例如，该信息包括电动机的旋转速度和/或电动机的额度电压和/或电动机的功率和/或电动机的供电电流强度和/或电力系统、连接电缆和电动机的电特征的任何数据。可以测量、估计、计算或输入该信息。

一旦电动机到达其标称速度或者一旦电动机达到阈值速度，就通过接触器7使启动系统短路。

如图2至图4和图11所示，在如以前所限定的应用中，在晶闸管在时间t_I0处开始换向以后，晶闸管的端子之间产生电压。晶闸管的上游电压（upstream voltage）通过电压源固定并且由曲线V_upstream来表示。晶闸管的下游电压通过用于其部分的来自晶闸管的下游的曲线V_downstream来表示，该晶体管的下游电压包括在中断周期期间的基本DC分量和暂态分量和震荡分量。这导致通过曲线V_upstream和V_downstream之间的偏差所表示的存在于晶闸管端子之间的电压。以相同的方式，通过曲线I_thyristor来表示流经晶闸管的电流强度。通过该电流强度为0而引起晶闸管的开始进行换向。另一方面，一旦晶闸管转换返回其导通状态，流经晶闸管的电流就大幅增大，并且在结束命令之后的第一时刻，可以紧密与衰减的高频正弦波比较。具体地，可以注意到，在稍后结束换向时，出现流经晶闸管的暂态和震荡电流。还可以注意到，在稍后结束换向以后，流经受控开关的电流的暂态分量与刚好在该换向之前受控开关的端子之间的所存在的电压成比例。因此，受控开关的端子之间的电压越高，在其结束换向之后，受控开关上的应力越大。此外，受控开关上的应力越大，对其使用寿命的限制就越多。因此，电动机启动设备的受控开关的应力越大，其可靠性降低就越多。通过使用能够抵挡大应力的鲁棒或可靠的受控开关来解决该问题。然而，这种部件非常昂贵。电路中还可以使用能够避免高暂态电流强度的保护设备。这种保护设备也是昂贵的。此外，这种设备必须适合于该装置。

前文所述的控制设备包括用于实现本发明的目的的控制方法所必须的所有的硬件和/或软件元件。具体地，控制设备包括根据受控开关的端子之间的电压值的特征值而驱动或命令受控开关闭合的元件。优选地，控制设备包括用于确定受控开关的端子之间的电压值的变化的至少一个特征值的元件、用于通过特征值确定第一时间范围的元件以及用于在第一时间范围内驱动开关闭合的元件。优选地，控制设备包括用于通过特征值确定第二时间范围的元件以及用于在第二时间范围内驱动开关闭合的元件。所有这些元件都可以包括软件元件。

为了避免这些缺点，控制根据本发明的受控开关。下文中，将参照图9描述根据本发明控制受控开关的方法的第一执行模式。

在第一步骤110中，命令启动电动机9。

在第二步骤120中，计算受控开关10必须切换至闭合的时间。该时间通常通过角度α和换向时间来限定，角度α平移（translate）分隔当AC电源的电压变成0时的时间t_V0的周期；角度π表示AC电源的电压的全波。该角度α根据不同参数进行限定，具体地，通过在其端子处要达到的rms电压启动、平移所需要的机械转矩。在启动阶段过程中，转速提高越多，受控开关的断开时间减少的越多。这导致应用于电动机的电压的rms值逐渐增大。

在第三步骤130中，测量来自受控开关的上游电压并且检测电压源的电压降至0的时间t_V0。一旦检测到该时刻，方法就进入第四步骤140。

在第四步骤140中，执行以下参数之间的偏差的绝对值的计算：

-分隔当前时间和时间t_V0的周期，和

-通过角度α所限定的时间周期。

在该受控开关开始换向以后，进一步检查绝对值是否低于受控开关的端子之间的电压的震荡半周期TK/2。如果确实是这种情况，则方法转到步骤170。换句话说，在步骤140中，限定通过角度α所确定的时刻前后的时间范围，具体地，以通过角度α所确定的时刻为中心的时间范围。为了获得施加给电动机的足够的rms电压值，该时间范围限定不得不触发受控开关的结束换向的时刻。图11表示在指定“第二时间范围”的条件下的该时间范围。

在第五步骤150中，测量来自受控开关的下游电压，分析该电压并且通过该电压推理在该受控开关开始换向之后，受控开关的端子之间的电压震荡的周期TK的值。在步骤140和170中使用该值。

在第六步骤160中，测量流经受控开关的电流强度并且检测该电流变为0的时间t_I0。一旦检测到该时间，方法就转到步骤170。在步骤150中也发送该0电流的检测信息，以开始分析来自受控开关的下游电压。

在步骤170中，计算分隔当前时间和时间t_I0的周期，并且检查：

该周期是否大于TK(k+x)以及

该周期是否小于TK(k+1-y)，

其中，

k：自然整数型的变量，使得k∈[0..n]

n：自然整数，例如，n=10或15或12。n还可以采用包括1和9之间的任何整数（包括1和9）。

有利地，x包括在0和0.3之间，优选地，包括在0和0.25之间，以及优选地，包括在0和0.2之间。

有利地，y包括在0和0.3之间，优选地，包括在0和0.25之间，以及优选地，包括在0和0.2之间。

甚至更优选地，x=y。

如果确实是这种情况，则对该步骤170执行循环，并且如果不是这种情况，则方法前进至步骤180，其中，命令受控开关闭合，然后，该方法循环返回步骤120。

换句话说，在步骤170中，在受控开关的端子之间的电压值最小，即，基本上低于给定阈值期间，来限定时间范围。具体地，在值x=0.25并且值y=0.25的情况下，获取与受控开关的端子之间的电压的AC分量的负半波发生的时间相对应的时间范围。可以注意到，在该步骤中所限定的时间范围是不连续的。在值x=0.25并且值y=0.25的情况下，该时间范围的每个周期都具有约TK/2的持续时间段。自然地，在周期TK(n+1-y)之后，时间范围不再中断，直到电压源的电压的电流半波结束。在图11中，在指定“第一时间范围”的情况下部分地表示该时间范围。该时间范围能够确保当命令受控开关闭合时，受控开关的端子之间的电压不太高。

最后，可以注意到，如图11中所示，一旦对于第一时间范围和第二时间范围共同的第一时间t_F出现，受控开关就转换为闭合。因此，相对于在步骤120中所计算的值α，会产生微小的时间滞后，但是该时间滞后由于电压的震荡频率TK而很小，因此，其对施加给电动机的电压的rms值的影响完全可忽略或者不会导致影响渐进启动器的全局操作的任何缺点。

对电压源的AC电压的每个半波重复该方法。因此，两个时间范围限定电源的AC电压的每个半波。显然，当使用包括第一晶闸管和第二晶闸管的受控开关时，在正半波时使用第一晶闸管并且在负半波时使用第二晶闸管。

根据本发明的控制方法的第二执行模式（未示出）于前文所述的第一执行模式不同在于其不包括步骤150。在该实施例中，在该受控开关开始换向之后，以另一方式确定受控开关的端子之间的电压震荡的周期TK。在这种情况下，例如，使用确定震荡的周期TK的先前过程。因此，在步骤210中，采集关于电力系统的电缆的参数和关于位于启动系统级的保护电路的参数并且计算系统的等效电容。以并行的方式，在步骤220中，采集关于电动机的参数，具体地，其功率、电压、和电流强度，并且计算系统的等效电感。在步骤230中，先前计算的等效电容和等效电感用于计算震荡的周期TK。

事实上，可以注意到，可以如图5中所示，对装置1进行建模。

具体地，如图6中所示，当受控开关的结束换向发生时，可以进一步简化装置的建模。因此，使用以下公式：

可以确定通过流经受控开关的电流的震荡的周期T。震荡频率为约几十kHz。

以相同的方式，如图7中所示，当受控开关开始进行换向发生时，可以进一步简化装置的建模。因此，使用以下公式：

C_eq=C_snubber+C2

可以确定在受控开关的断开以后，受控开关的端子之间的电压震荡频率。震荡频率约为几千赫兹。

根据本发明的控制方法的第三执行模式（未示出）与前文所述的第一执行模式不同在于其不包括步骤150中的。在该实施例中，在该受控开关开始进行换向之后，在测试或学习阶段或者在整个电动机的启动过程中，确定受控开关的端子之间的电压震荡的周期TK（或频率）。

在实践中，电动机的等效电感可以示出比图10所示的更多变化，因为以下几个原因。

由于加速度，

由于定子的或转子的和/或电动机磁化的电感速率的变化。

因此，应该理解，在电动机启动的整个过程中，使用估计电动机的等效电感的复杂方法来获取其非常精确的值。

在与上文不同的处理执行模式中，实现驱动受控开关闭合的步骤，该驱动步骤取决于受控开关的端子之间的电压的特征值。具体地，优选地，选择受控开关的端子之间的电压值的最小的时间范围，以命令受控开关闭合。

具体地，确定受控开关的端子之间的电压值的变化的至少一个特征值TK，通过特征值确定第一时间范围并且驱动受控开关闭合，在第一时间范围内执行闭合。

根据本发明的设备和方法具有以下几个优点：

它们能够减小受控开关结束换向时暂态电流的强度，

它们能够减小装配有电动机启动系统发生故障的风险，

它们避免使用保护设备，

它们能够延长受控开关的使用寿命。

此外，可以通过现有控制设备的简单软件升级来实现根据本发明的方法。

Claims (9)

1.一种用于控制受控开关(10)的方法，所述受控开关操作来自AC电压源(2)的电动机的电力供给，该方法包括驱动所述受控开关闭合的步骤，驱动时刻取决于所述受控开关的端子之间的电压值的特征值，

所述方法还包括以下步骤：

确定所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化的至少一个特征值(TK)的步骤，

通过所述特征值来确定第一时间范围的步骤，以及

驱动在所述第一时间范围内所执行的所述受控开关的闭合的步骤，

其中将所述第一时间范围限定为包括验证以下公式的时间t的集合：

$\left\{\begin{array}{c}t-t_{I0}<TK(k+x)\\ t-t_{I0}>TK(k+1-y)\\ k\&Element;\&lsqb;\mathrm{0..}n\&rsqb;\end{array}\right.$

其中，

t_I0：所述受控开关断开的时刻，

TK：所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化的周期，

n：自然整数，

x：包括在0和0.3之间，

y：包括在0和0.3之间。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过测量和/或计算来实现确定所述变化的至少一个特征值的步骤。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述变化的特征值包括：在所述受控开关断开以后，表示所述受控开关的端子之间电压值的变化的时间周期的值。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，x包括在0和0.25之间和/或y包括在0和0.25之间。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，x包括在0和0.2之间和/或y包括在0和0.2之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述方法包括限定第二时间范围的触发时间值的使用，一旦所述第一时间范围和所述第二时间范围共有的时间出现，就进行驱动所述受控开关的闭合步骤，其中所述第二时间范围被限定为包括验证以下公式的时间t的集合：

$|t-t_{V0}-\mathrm{\&alpha;}|<\frac{TK}{2}$

其中，

t_V0：所述AC电压源的AC电压为0的时间，

TK：所述受控开关的端子之间的所述电压值的变化周期，

α：短于所述AC电压源的AC电压的半波长的时间。

7.一种受控开关(10)的控制设备(11)，所述受控开关操作来自AC电压源(2)的电动机的电力供给，其特征在于，所述控制设备包括用于实现根据权利要求1至6中的一项所述的方法的硬件元件(111，112，113)和/或软件元件。

8.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，所述受控开关包括晶闸管(12a，12b)。

9.一种电动机启动系统，包括根据权利要求7或8所述的控制设备(11)。