CN103875174B - 针对软启动器电流测量的依赖操作的滤波 - Google Patents

针对软启动器电流测量的依赖操作的滤波 Download PDF

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Abstract

公开了用于优化电机软启动器中的电流滤波的系统和方法。电机软启动器包括具有可连接至AC电源的输入端和可连接至AC电机的输入端子的输出端的电路,电路能够在斜坡模式和旁路模式下工作以控制AC电机中的电流流动和端子电压。软启动器包括连接至电路以控制其工作的控制器,控制器包括可配置的电流滤波器。控制器确定从软启动器提供至AC电机的输入端子的AC电力的电流,识别软启动器的当前工作模式为斜坡模式和旁路模式之一,并基于软启动器的当前工作模式来对所确定的电流进行滤波。

Description

针对软启动器电流测量的依赖操作的滤波
技术领域
本发明总地涉及交流(AC)电机,以及尤其涉及用于优化电机软启动器中的电流滤波的系统和方法。
背景技术
电机软启动器是控制电压和电流从AC电源至感应电机的传输的装置。软启动器被配置为在启动期间限制至感应电机40的瞬态电压和电流,引起“软的”电机启动。在操作中,来自AC电源的电力被传递通过软启动器中的开关装置,诸如可控硅整流器(SCR)形式的一对反并联的固态开关,以控制感应电机的电流以及因而控制其终端电压。
可以理解,电流测量是软启动器控制和操作的关键,是许多控制和保护算法的基础。还可以理解,对电流测量进行滤波,作为衰减噪声以及更准确地表示真实的系统电流特性的方式。然而,所进行的滤波的水平必须与软启动器的动力需求及其快速并适当地响应的能力平衡。
在软启动器电流测量上存在的噪声的频率通常高于实际电流信号本身的频率。这样,进行低通滤波以衰减高频成分。然而,高频成分降低得越多,电流测量反映实际变化越慢。由此,软启动器工作根据电流被期望多久变化一次和这些变化需要通过内部控制多快看到来表征。软启动器电流特性根据软启动器所处的工作模式来改变。针对上升/启动情形,电流随着系统响应于电机启动动力而快速变化,并且软启动器使用SCR作为开关装置而在启动模式下工作。在电机启动之后,电流的变化不太频繁,并且软启动器在旁路模式下工作以使得AC电力经由绕过SCR的接触器传送至感应电机。
现有的技术没有在用于电流滤波的软启动器工作模式之间区分,也没有对滤波器参数使用相关联的调整。由此,电流滤波在每个工作模式中是不变的。
因此,期望设计用于软启动器的电流滤波,其可以考虑这些不同的期望条件,并相应地优化电流滤波。还可以期望针对这种电流滤波来优化噪声去除并更快速地将电流测量关联于实际变化。
发明内容
本发明提供一种用于优化电机软启动器中的电流滤波的系统和方法。
根据本发明的一个方面,电机软启动器包括具有可连接至AC电源的输入端和可连接至AC电机的输入端子的输出端的电路,电路包括至少一个接触器和至少一个开关,它们提供用于软启动器在斜坡(ramping)模式和旁路模式之一下的工作,以控制AC电机中的电流流动和端子电压。软启动器还包括连接至该电路以控制其工作的控制器,控制器包括可配置的电流滤波器。控制器被配置为确定从软启动器提供至AC电机的输入端子的AC电力的电流,识别软启动器的当前工作模式,并基于软启动器的当前工作模式来对所确定的电流进行滤波,当前工作模式是斜坡模式和旁路模式之一。
根据本发明的另一方面,提供用于对电机软启动器电流测量进行依赖操作的滤波的方法。该方法包括提供串联在AC电源和多相AC电机之间的软启动器的步骤,软启动器包括多个开关装置和多个接触器以调节至多相AC电机的电压和电流。该方法还包括以下步骤:确定从软启动器提供至多相AC电机的电流,基于软启动器的工作模式来对所确定的电流进行依赖操作的滤波以生成滤波后的输出电流值,以及至少部分基于滤波后的输出电流值来控制软启动器的工作。进行依赖操作的滤波还包括确定软启动器的工作模式为至少第一工作模式和第二工作模式之一,如果软启动器处于第一工作模式则根据第一滤波器设置来对所测量的电流进行滤波,或者相反,如果软启动器处于第二工作模式则根据第二滤波器设置来对所测量的电流进行滤波。
根据本发明的又一方面,控制从AC电源至AC电机的电压和电流的传输的软启动器包括:对应于感应电机中的相的多个电源线,以及至少一个固态开关和接触器,至少一个固态开关和接触器位于多个电源线中的每一个上以调节至AC电机的电机线电压和相电流。软启动器还包括控制器,其被编程为测量从软启动器提供至感应电机的输入端子的AC电力的电流,确定软启动器当前在斜坡模式还是旁路模式下工作,如果软启动器在斜坡模式下工作,则使得以第一滤波器设置对所测量的电流进行滤波,以及如果软启动器在旁路模式下工作,则使得以第二滤波器设置对所测量的电流进行滤波,其中与第一滤波器设置相比,第二滤波器设置被配置为提供增加的高频滤波。
根据以下详细描述和附图,本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
附图示出目前为了实施本发明而设计的优选实施例。
在图中:
图1是用于与本发明的实施例一起使用的软启动器的立体图。
图2是根据本发明实施例的包括软启动器的AC电机系统的示意图。
图3是示出根据本发明实施例的用于优化软启动器中的电流滤波的技术的流程图。
图4是示出根据本发明实施例的用于在软启动器工作模式之间转变的期间改进电流滤波的技术的流程图。
具体实施方式
此处提出的本发明的实施例涉及用于优化电机软启动器中的电流滤波的系统和方法。
参考图1,软启动器10被示出为可以用于实施以下阐述的本发明的实施例。软启动器10包括盖组件12,其在电机连接端或负载端16具有空气入口14。类似的空气出口18位于软启动器10的电源端或线路端20。盖组件12还容纳有电子控制器22。软启动器10还包括基座组件24以容纳开关组件26、28、30中的每一个。对于给定的软启动器10,开关组件26-30中的每一个在结构上相同并且对应于至多相AC电机的多相输入的相。
可以理解,软启动器10仅是可以用于实施本发明的实施例的软启动器架构/结构的一个例子,并且满足特定应用需求所使用或需要的其他各种软启动器架构/结构也被理解为包括在本发明的范围内。例如,可以在实施本发明的实施例时使用多种开放式底座型软启动器(open chassis soft starter)配置,而不是图1所示的容纳式软启动器。
参考图2,根据本发明的实施例示意性示出三相AC电机,其总地由附图标记40表示。按照惯例,AC电机40被表示为三个绕组42、44、46。在该情况下,AC电机被示出以Y形配置连接。可以理解,AC电机可以在不偏离本发明的范围的情况下可替换地并根据本发明的等价方式以三角形配置连接。AC电机40的定子绕组42-46在电机端子56、58、60处经由相应的多相电源线50、52、54操作地连接至AC电源48。
如图2所示,软启动器62连接在AC电源48和AC电机40之间。软启动器被配置为在启动期间限制至AC电机40的瞬态电压和电流,引起“软的”电机启动。图2示出了软启动器62的基本结构(即,软启动器的电路),包括对应于电源的电源线50-54中的每个或每个相的接触器64、66、68。软启动器62还包括各电源线50-54上的开关装置70、72、74。在示例性实施例中,开关装置70-74中的每个由一对反并联的开关诸如以可控硅整流器(SCR)或晶闸管形式的固态开关形成,以控制电机40的电流以及因而控制其终端电压。即,SCR对70包括SCR76、78,它们极性相反并且对于电源线50并联连接。同样,SCR对72包括SCR80、82,它们极性相反并且对于电源线52并联连接。最后,SCR对74包括SCR84、86,它们极性相反并且对于电源线54并联连接。在优选实施例中,SCR76、80、84正向导通,以及SCR78、82、86反向导通。可以理解,对于指定电源线,考虑到装置的最终用途,SCR可以与二极管并联布置,而不是与另一SCR并联布置。
软启动器62中还包括控制器或处理器88,其被配置为经由栅极驱动信号的传输来控制SCR76-86的工作,以及控制接触器64-68的断开和闭合。在AC电机40的启动/上升期间(以及类似地在下降期间),软启动器62在“启动”或“SCR”模式下工作,在此期间,控制器88使得与电源线50-54相对应的接触器64-68中的一个或多个断开,以使得来自AC电源48的电力传递通过SCR对70-74,由此控制施加至AC电机40的电流流动(以及因此控制电压)。在AC电机40的启动之后,软启动器62进入“旁路”模式,其中,控制器88使得各电源线50-54上的接触器64-68闭合,以绕过开关装置70、72、74并且最小化功耗。旁路模式由此被认为是软启动器62和AC电机40的“正常”工作模式。
在软启动器62工作期间,在软启动器内继续进行处理,其中,每隔大约输入线频率的半周期进行由AC电机40牵引的电流的测量和/或计算。这种电流计算伴随着电流测量的滤波,滤波用作衰减噪声并更精确地表示真实系统电流特性的方式。根据本发明的一个实施例,这种电流计算和滤波操作可以通过例如合并至软启动器62的控制器88中的电流滤波器90来进行。可替换地,电流滤波器90可以设置为单独的、独立运行的计算装置的一部分。所测量/计算出的电流由此在随后的由控制器88读取和处理电流数据(诸如利用控制器88的数字信号处理器(未示出)中的模拟数字转换器来读取)之前,由电流滤波器90进行滤波。
为了优化软启动器62的工作,所进行的滤波的水平应该与软启动器的动力需求及其快速并适当地响应的能力平衡。在软启动器电流测量上存在的噪声的频率通常高于实际的电流信号本身的频率,因而进行低通滤波以衰减高频成分。然而,高频成分降低得越多,电流测量反映电流的实际变化越慢。这样,电流滤波将理想地根据电流被期望多久变化一次以及这些变化需要通过控制器多快看到来表征。
因此,电流滤波器90是可配置滤波器的形式,其中最佳滤波器配置基于软启动器62的当前工作模式来确定。即,电流滤波器90的配置基于软启动器62是在SCR/斜坡模式还是旁路模式下工作来确定。在配置电流滤波器90时,控制器88基于所确定的软启动器工作模式来分配滤波器90中的系数。针对SCR/斜坡模式,在电流流动由SCR控制的情况下,电流随着软启动器62响应于电机启动动力而快速变化。然而,在AC电机40启动并以旁路连接至AC电源48之后,电流变化不太频繁。因而,用于软启动器62的电流滤波可以考虑这些不同的期望条件并相应地优化。具体地,当处于SCR模式时,电流滤波器90被操作/配置为SCR滤波器,其是用于以较少的高频衰减进行电流滤波的“较快的”滤波器,允许软启动器62快速看到系统中的变化,这是成功的SCR/斜坡控制所需要的。当处于旁路模式时,电流滤波器90被操作/配置为旁路滤波器,其是高频滤波增加的较强的滤波器,提供增加的噪声去除并以较少的最低有效位的切换来产生对用户的较平滑的电流的计量显示。
图3示出了根据本发明的实施例的用于进行电流计算和滤波操作的技术100。技术100开始于在步骤102对由AC电机牵引的/由软启动器输出的电流的测量和计算。在示例性实施例中,例如对所测量的三相电流进行均方根(RMS)计算,但可以理解,也可以使用计算电流的其他方式。如图3中所示,之后基于软启动器在SCR模式还是旁路模式下工作来确定滤波模式。在步骤104,确定软启动器当前是否在旁路模式下工作。如果软启动器被确定为不在旁路模式下工作106(即,软启动器处于SCR模式),则技术继续至步骤108,其中,使用“SCR滤波器”设置或配置来进行滤波。SCR滤波以进行较少高频滤波的“较快的”滤波器来表征,其允许软启动器快速看到系统中的电流变化,这是成功的启动/斜坡控制所需要的。
如果软启动器被确定为在旁路模式下工作110,则技术继续至步骤112,其中使用“旁路滤波器”设置或配置来进行滤波。旁路滤波以高频滤波增加的较强的滤波器来表征,产生增加的噪声去除,以较少的最低有效位的切换来产生对用户的较平滑的电流的计量显示。
可以理解,在SCR滤波设置/模式下提供的滤波是“较弱的”滤波(即,减少的高频滤波),其比旁路滤波模式去除的噪声少,导致对电流的较粗略的计量显示。然而,在SCR工作期间,这种噪声去除不太重要,因为其被电流的快速变化所掩盖。类似地,可以理解,在旁路滤波设置/模式下提供的滤波是“较慢的”滤波器,其输出反映系统中的电流变化比基于进行的增加的高频滤波的SCR滤波模式慢。然而,在旁路工作期间,对系统中的电流变化的这种响应不太重要,因为在旁路模式下工作时很少需要动力控制。由此,选择性地在SCR和旁路设置/模式下进行电流滤波提供了软启动器中优化的电流滤波。
一旦电流被滤波,使用适用的依赖操作的参数,在步骤114输出滤波后的电流。之后,如步骤116所示,滤波后的电流输出被提供用于软启动器的控制、计量和保护功能。例如,在步骤116进行的控制功能可以包括软启动器的控制操作及其在斜坡模式和旁路模式之一下的工作。由此,用于使软启动器在斜坡模式或旁路模式下工作的接触器64-68和开关装置70-74(如图2所示)的控制可以至少部分取决于/基于步骤114的滤波后的电流输出。
现在参考图4,示出了技术120,其提供了图3所示的依赖操作的滤波方法所需的转变逻辑。具体地,图4的技术120示出在上升期间何时从SCR模式转变至旁路模式,或者相反地在下降期间何时从旁路模式转变至SCR模式,在前一模式中使用的滤波器状态(即,输入历史)被转换至进入的滤波器模式。如图4所示,在步骤122确定软启动器是否进入旁路模式。如果软启动器被确定为未进入旁路模式124,而是从旁路模式转变为SCR模式,则技术继续至步骤126,其中,在旁路模式下使用的滤波器状态被转换至SCR滤波器配置。相反,如果软启动器在步骤122被确定为进入旁路模式128,则技术继续至步骤130,其中,在SCR模式中使用的滤波器状态被转换至旁路滤波器。
通过在转变为下一工作模式期间复制来自前一工作模式的滤波器状态,新的滤波器状态反映最近的系统状况,从而允许滤波和所产生输出的无缝转变。值得注意的是,提供转变逻辑的技术/处理仅影响了滤波器状态(即,输入历史),而不影响用于产生期望滤波效果的滤波器系数。
仍参考图4,在将SCR转变至旁路或从旁路转变至SCR的情况下将SCR或旁路状态复制到电流滤波器时,技术120实施步骤132所示的继续步骤,其中,一旦完成模式之间的转变并且进入当前模式,则运行图3的技术100。
有益地,本发明的实施例由此提供了软启动器及其控制方法,其平衡了软启动器的动力需求及其快速并适当地响应的能力与由电流滤波器90提供的电流滤波的水平。控制器88实施了依赖操作的电流滤波,其中,基于所识别的软启动器10的工作模式来操作/配置电流滤波器90。即,电流滤波器90在斜坡工作模式期间被操作/配置为SCR滤波器,以使得其用作用于以较少的高频衰减进行电流滤波的较快的滤波器,并且电流滤波器90在旁路工作模式期间被操作/配置为旁路滤波器,以使得其用作高频滤波增加的较强的滤波器。
所公开方法和设备的技术贡献是,其提供了用于优化软启动器中的电流滤波的控制器实施的技术。该技术基于软启动器的工作模式来控制对所测量/确定的电流所进行的滤波的量和类型,以平衡软启动器的动力需求及其快速并适当地响应的能力与所提供的电流滤波的水平。
因此,根据本发明的一个实施例,电机软启动器包括具有可连接至AC电源的输入端和可连接至AC电机的输入端子的输出端的电路,该电路包括至少一个接触器和至少一个开关,它们提供用于软启动器在斜坡模式和旁路模式之一下的工作,以控制AC电机中的电流和端子电压。软启动器还包括连接至该电路以控制其工作的控制器,控制器包括可配置的电流滤波器。控制器被配置为确定从软启动器提供至AC电机的输入端子的AC电力的电流,识别软启动器的当前工作模式,并基于软启动器的当前工作模式来对所确定的电流进行滤波,当前工作模式是斜坡模式和旁路模式之一。
根据本发明的另一实施例,提供用于对电机软启动器电流测量进行依赖操作的滤波的方法。该方法包括提供串联在AC电源和多相AC电机之间的软启动器的步骤,软启动器包括多个开关装置和多个接触器以调节至多相AC电机的电压和电流。该方法还包括以下步骤:确定从软启动器提供至多相AC电机的电流,基于软启动器的工作模式来对所确定的电流进行依赖操作的滤波以生成滤波后的输出电流值,并至少部分基于滤波后的输出电流值来控制软启动器的工作。进行依赖操作的滤波还包括确定软启动器的工作模式为至少第一工作模式和第二工作模式之一,如果软启动器处于第一工作模式则根据第一滤波器设置来对所测量的电流进行滤波,或者相反,如果软启动器处于第二工作模式则根据第二滤波器设置来对所测量的电流进行滤波。
根据本发明的又一实施例,控制从AC电源至AC电机的电压和电流的传输的软启动器包括对应于感应电机中的相的多个电源线,以及至少一个固态开关和接触器,至少一个固态开关和接触器位于多个电源线中的每一个上以调节至AC电机的电机线电压和相电流。软启动器还包括控制器,其被编程以测量从软启动器提供至感应电机的输入端子的AC电力的电流,确定软启动器当前在斜坡模式还是旁路模式下工作,如果软启动器在斜坡模式下工作,则使得以第一滤波器设置对所测量的电流进行滤波,以及如果软启动器在旁路模式下工作,则使得以第二滤波器设置对所测量的电流进行滤波,其中与第一滤波器设置相比,第二滤波器设置被配置为提供增加的高频滤波。
根据优选实施例描述了本发明,并且可以理解,除了那些明确声明的以外,等价布局、替换和修改是可行的并且在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种电机软启动器,包括:
电路,其具有能连接至AC电源的输入端和能连接至AC电机的输入端子的输出端,所述电路包括至少一个接触器和至少一个开关,其提供用于所述软启动器在斜坡模式和旁路模式之一下的工作,以控制所述AC电机中的电流流动和端子电压;以及
控制器,其连接至所述电路以控制所述电路的工作并且包括能配置的电流滤波器,所述控制器被配置为:
确定从所述软启动器提供至所述AC电机的输入端子的AC电力的电流;
识别所述软启动器的当前工作模式,所述当前工作模式是所述斜坡模式和所述旁路模式之一;以及
基于所述软启动器的当前工作模式来对所确定的电流进行滤波。
2.根据权利要求1所述的电机软启动器,其中所述输出端包括多个电源线,以及所述AC电机包括多相AC电机,每个电源线对应于所述AC电机中的相;以及
其中所述至少一个接触器和所述至少一个开关包括与每个电源线相对应的一对固态开关和接触器。
3.根据权利要求2所述的电机软启动器,其中每对固态开关包括反并联布置的一对可控硅整流器(SCR)。
4.根据权利要求2所述的电机软启动器,其中所述控制器被配置为:
测量所述多个电源线中每一个上的电流;以及
计算在所述多个电源线上测量到的电流的均方根(RMS)值。
5.根据权利要求1所述的电机软启动器,其中所述控制器被配置为:
当所述软启动器在斜坡模式下工作时,以第一滤波器设置对所确定的电流进行滤波;以及
当软启动器在旁路模式下工作时,以第二滤波器设置对所确定的电流进行滤波。
6.根据权利要求5所述的电机软启动器,其中所述第一滤波器设置比所述第二滤波器设置进行较少的高频滤波。
7.根据权利要求5所述的电机软启动器,其中与所述第二滤波器设置相比,所述控制器以所述第一滤波器设置能够更快地响应电流水平的变化。
8.根据权利要求5所述的电机软启动器,其中所述能配置的电流滤波器包括基于所述软启动器的当前工作模式而设置的多个滤波器系数,所述滤波器系数在所述第一滤波器设置和所述第二滤波器设置之间变化。
9.根据权利要求5所述的电机软启动器,其中所述控制器被配置为当所述软启动器从所述斜坡模式转变至所述旁路模式时,将来自所述第一滤波器设置的滤波器状态复制到所述第二滤波器设置,以及当所述软启动器从所述旁路模式转变至所述斜坡模式时,将来自所述第二滤波器设置的滤波器状态复制到所述第一滤波器设置。
10.根据权利要求1所述的电机软启动器,其中当处于所述斜坡模式时,来自所述AC电源的电力被传送通过所述至少一个开关装置,以及当处于所述旁路模式时,该电力被传送通过所述至少一个接触器。
11.一种用于对电机软启动器电流测量进行依赖操作的滤波的方法,该方法包括:
提供串联在AC电源和多相AC电机之间的软启动器,所述软启动器包括多个开关装置和多个接触器以调节至所述多相AC电机的电压和电流;
确定从所述软启动器提供至所述多相AC电机的电流;
基于所述软启动器的工作模式来对所确定的电流进行依赖操作的滤波以生成滤波后的输出电流值;以及
至少部分基于所述滤波后的输出电流值来控制所述软启动器的工作;
其中进行所述依赖操作的滤波包括:
确定所述软启动器的工作模式,所述工作模式包括至少第一工作模式和第二工作模式之一;
如果所述软启动器处于所述第一工作模式,则根据第一滤波器设置来对所测量的电流进行滤波;
相反,如果所述软启动器处于所述第二工作模式,则根据第二滤波器设置来对所测量的电流进行滤波。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述第一工作模式包括斜坡模式,其中来自所述AC电源的电力被传送通过所述多个开关装置;所述第二工作模式包括旁路模式,其中来自所述AC电源的电力被传送通过所述多个接触器。
13.根据权利要求11所述的方法,其中所述第二滤波器设置被配置为提供与所述第一滤波器设置相比增加的高频滤波,以使得所述第二滤波器设置比所述第一滤波器设置从所确定的电流去除更多的噪声,并且使得所述第一滤波器设置比所述第二滤波器设置提供对电流变化的更有力的响应。
14.根据权利要求11所述的方法,其中进行所述依赖操作的滤波还包括当所述软启动器从所述第一工作模式转变至所述第二工作模式时,将来自所述第一滤波器设置的滤波器状态复制到所述第二滤波器设置,以及当所述软启动器从所述第二工作模式转变至所述第一工作模式时,将来自所述第二滤波器设置的滤波器状态复制到所述第一滤波器设置。
15.根据权利要求11所述的方法,其中确定所述电流包括:
测量所述多相AC电机的每个相上的电流;以及
计算在所述多相AC电机的各个相上测量到的电流的均方根(RMS)值。
16.一种控制从AC电源至AC电机的电压和电流的传输的软启动器,所述软启动器包括:
多个电源线,每个电源线对应于感应电机中的相;
至少一个固态开关和接触器,位于所述多个电源线中的每一个上以调节至所述AC电机的电机线电压和相电流;以及
控制器,其被编程为:
测量从所述软启动器提供至所述感应电机的输入端子的AC电力的电流;
确定所述软启动器当前在斜坡模式还是旁路模式下工作;
如果所述软启动器在所述斜坡模式下工作,则使得以第一滤波器设置对所测量的电流进行滤波;以及
如果所述软启动器在所述旁路模式下工作,则使得以第二滤波器设置对所测量的电流进行滤波;
其中与所述第一滤波器设置相比,所述第二滤波器设置被配置为提供增加的高频滤波。
17.根据权利要求16所述的软启动器,其中所述控制器进一步被编程为当所述软启动器从所述斜坡模式转变至所述旁路模式时,将来自所述第一滤波器设置的电流输入历史复制到所述第二滤波器设置,以及当所述软启动器从所述旁路模式转变至所述斜坡模式时,将来自所述第二滤波器设置的电流输入历史复制到所述第一滤波器设置。
18.根据权利要求16所述的软启动器,其中所述控制器进一步被编程为与所述第二滤波器设置相比,以所述第一滤波器设置更快地响应电流水平的变化。
19.根据权利要求16所述的软启动器,其中所述控制器进一步被编程为至少部分基于滤波后的电流来进行所述软启动器的控制、计量和保护功能。
20.根据权利要求16所述的软启动器,其中当处于所述斜坡模式时,来自所述AC电源的电力被传送通过开关装置,以及当处于所述旁路模式时,该电力被传送通过所述接触器。
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