CN103918175A - 用于运行同步电机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行同步电机的方法和装置。用于借助连接到三相电网上的三相功率控制器来运行同步电机的方法具有下述步骤：-确定同步电机的磁极轮电压和三相电网的电网电压之间的相位差，-确定同步电机的转子的转速，-确定三相电网的相位，-根据存储的和预先计算的数据表来确定判定特征数，由相位差、相位和转速构成的值三元组对应于判定特征数，-根据判定特征数来确定至少一个通断时间。

Description

用于运行同步电机的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行同步电机的装置以及一种用于借助三相功率控制器运行同步电机的相应的方法，该三相功率控制器连接到三相电网上并且包括至少两个半导体调节器、例如反并联的晶闸管。在此特别是涉及同步电机的起动。

背景技术

无起动转子的三相同步电机由原理条件决定地与供电的三相电网的频率有关。因此起动，也就是这种电动机的起动直接在电网中是不可能的。更确切地说在三相电网和同步电机之间需要一个装置，该装置才能实现这种起动。为此通常使用变频器。变频器由整流器、中间电路(中间电容器)和变流器构成。这用于产生具有能调节的频率的三相电流。

发明内容

本发明的目的在于，给出一种方法和一种装置，利用其在工业电子元件的极小的损耗下实现同步电机在三相电网上的运行。在此特别是也要实现同步电机的起动。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。另一个解决方案在于根据权利要求8所述的装置。本发明的改进方案在从属权利要求中给出。

在根据本发明的用于借助连接到三相电网上的三相功率控制器来运行同步电机的方法中进行下述步骤。这实现了对以同步电机的磁极轮电压和三相电网的电网电压之间的相位差的形式的第一参数的确定。这可以例如通过对三相电网电压和磁极轮电压的测量以及相应的比较来实现。此外实现对于作为第二参数的同步电机的转子的转速的确定。三相电网的相位被确定作为第三参数。换句话说可以测定，此时的时间点距上次电压过零时多长时间。

从三个参数出发，根据存储的和预先计算的数据表来确定判定特征数。在此数据表使由相位差、相位和转速构成的值三元组对应于判定特征数。根据判定特征数来确定至少一个接通时间点，其中在该接通时间点上接通半导体调节器。

在此有利地达到了，即只在这个接通时间点上对半导体调节器进行接通，在此正转矩是被期望的。在此正转矩指的是，对于起动过程的仅仅指向两个可能的方向中的一个的转矩。换句话说，仅仅产生加速的转矩，而避免制动的转矩。然而在此就不需要使用变频器，而是仅仅使用功率控制器。

在此根据本发明的有利的设计方案根据判定特征数来测定，此时的时间点是否用作接通时间点。换句话说，根据测定的参数持续不断地对此时的时间点、即此时做出判定，是否接通半导体调节器。则这种方法有效地规律地在尽可能短的时间间隔内进行。

在本发明的另一个实施方案中测定，三相功率控制器的开关是否是断开的，并且只有在这种情况下，此时的时间点可能用作接通时间点。换句话说，当半导体调节器此时断开时，则仅仅考虑接通半导体调节器。这种预先设定是有效的，因为数据表在没有电流流过的前提下建立。如果接通半导体调节器，那么就有电流流过并且数据表为此时的时间点提供错误的判定特征数。

在本发明的一个有利的实施方案和改进方案中，将判定特征数与能确定的阈值进行比较，以便测定接通时间点。判定特征数可替换地也能够以真值的形式存储，这省下了与数值的比较。

数据表的判定特征数优选地由得出的、同步电机转矩变化曲线来计算，在接通三相功率控制器时由相位差、相位和转速构成的值三元组得出转矩变化曲线。如果晶闸管使用在三相电流控制器中，那么在晶闸管点燃之后出现自动的再断开和进而总是出现最终的接通时间，为此计算转矩变化曲线。

在此数据表的判定特征数能够考虑例如产生的最大电流，在接通三相功率控制器时由相位差、相位和转速构成的值三元组得出最大电流。可替换地或附加地可能的是，不仅考虑在能确定的接通时间内的平均转矩，而且考虑在接通时间内的有效转矩。

根据本发明的用于运行同步电机的装置设计用于进行所述的方法。该装置包括能连接到三相电网上的三相功率控制器和用于该三相电网的相位的至少两个半导体调节器。此外，该装置包括：

-用于确定同步电机的磁极轮电压和三相电网的电网电压之间的相位差的装置，

-用于确定同步电机的转子的转速的装置，

-用于确定三相电网的相位的装置，

-存储装置和用于在存储装置中存储的数据表，相位差、相位和转速的数值属于判定特征数，以及

-控制装置，设计用于由相位差、相位和转速的测定的数值测定判定特征数和由判定特征数测定至少一个接通时间点，在该接通时间点上接通半导体调节器。

三相功率控制器包括至少两个半导体调节器、有效地包括三个半导体调节器，每个相位对应一个半导体调节器。两个半导体开关元件可以是交流调节器。交流调节器可以例如实现为一对反并联的晶闸管或者实现为双向晶闸管。然而也可以使用IGBT或其他的类型的半导体开关。三相功率控制器连接到三相电网上。在此，同步电机的定子绕组优选地在无零线的情况下连接到星形电路上。交流调节器在确定的时间点上被激活或被触发、也就是说被电导通或者被准备用于导电。

优选地该装置包括用于测定所有的半导体开关元件是否断开、或者说在晶体管的情况下是否熄灭的装置。例如为此可以使用用于测量电流的装置。

用于确定同步电机的转子的转速的装置可以例如是用于确定转子的机械位置角度。机械位置角度相对于能确定的空间固定的位置有效地给出转子的位置。在此，位置角度适当地包括0°至360°。由位置角度的时间改变推断出转速。转速的其他测量方式也是可能的。

此外在定子绕组的相位中的至少一个上测定三相电网的相位置。在此也可以使用不同的测量方法。对于所述的方法和装置重要的是，测定距一个相位的电压的上一次过零的时间上的间隔。这个间隔可以作为角度或时间或者以其他的方式来描述、测定和使用。

所述的方法特别是以软件的方式来实现。关于所述的装置，该装置尤其具有构造用于转换所述方法的控制单元。因此可以在没有部件的附加耗费的情况下简单地在存在的三相功率控制器中执行。在此需要检测转子转速。有利的是，设置在同步电机中的、目前有效地实现为微处理器的控制单元与三相电流调节器的控制相符。在这种情况下，例如集成在同步电机中的位置传感器的数据已经自动地存在。此外这种同步电机已经包括三相电流调节器，也就是说实现为整体单元，因此该整体单元能够直接连接到三相电网上。

附图说明

现在根据附图详细地说明一个优选的、然而在任何情况下都不仅限于此的用于本发明的实施例。在此，示意性地说明这些特征并且相应的特征以相同标号来标出。在此附图详细地示出：

图1是与同步电机连接的三相电流调节器的等效电路图，以及

图2和图3是用于说明触发时间点的示意图，

图4是对于控制同步电机而言的流程图。

具体实施方式

在图1中，三相电流同步电机1通过三相功率控制器4连接到三相电网的相位A，B，C上。每个相位A，B，C相应于由两个反并联的晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2构成的一个半导体调节器6，7，8。晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2的触发电极连接到控制装置3上，利用该控制装置提供对于触发晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2所需的触发信号。控制装置3也控制相位截止角。控制装置3通过微控制器实现。在电网的两个相位A，B，C之间、例如在图1中的电网的端子A和B之间，接通电压测量装置5，在该电压测量装置5的输出端提供在这两个端子A和B之间产生的电源电压UAB。对于其他两个相位对而言同样存在其他的、未示出的电压测量装置。

在一个实施例变型中，控制装置3和三相功率控制器4实现了与三相电流同步电机1相分离的单元，也就是实现为单独的电机控制装置。在第二个实施例变型中，控制装置3和三相功率控制器4是三相电流同步电机1的一部分。在这种情况下，控制装置3的功能适当地集成在三相电流同步电机1中的已存在的微处理器中。在本实施例中控制装置3用于处理适用的程序，利用该程序能够以软件的方式实现装置的运行。

为了使同步电机从静止状态加速，需要使转速加速。为此必要的是，这样流过定子绕组，即产生正转矩(内转矩)，该正转矩不但导致电机的加速，而且对负载的反作用力矩进行补偿。根据等式1，这个内转矩除了取决于电流以外还取决于转子位置。

$m_i=\frac{3}{2}p\·{\mathrm{\ψ}}_p\·(i_{1A}\·(-\sin {\mathrm{\θ}}_R)+(i_{1B}-i_{1C})\·{\cos \mathrm{\θ}}_R\·\sqrt{\frac{1}{\sqrt{3}}})$

在此m_i是内转矩，p是极对数量，in是定子电流，θ_R是电转子角以及ψ_p是耦合磁通量。

为了通过触发晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2在确定的时间点产生电流，该晶闸管提供了适用的转矩变化曲线，对同步电机1利用已知的电机参数预先计算对于确定的参数情况、即电源电压转速和相位以及由转子感应的电压下的电流和转矩。适用于转矩的测定的参数情况用作定义触发条件的基础。

始终三相地实现了触发及其预先计算。在一定时间之后熄灭一个晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2并且接着分别熄灭另两个晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2。图2和图3示出在时间点t＝0时触发晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2之后相位电流21，22，23的示例性的变化曲线。在此对于所示的变化曲线而言得出有效转矩25和转矩26的数学上的平均值。上两个数值适用于转矩24的整个的所述变化曲线，并且因此分别只有一个数值且取决于进行的时间。

在熄灭晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2之后可以实现重新的触发。在总导电持续时间期间假设系统的惯量是无穷大的情况下，数字地实现了电流和转矩的计算。因此可以直接使用电流的指定的微分方程的普遍适用的解，在该微分方程中必须分别使用电机参数以及可能的触发参数。可能的触发参数是关于电源电压过零的接通时间点和在电源电压的指针位置之间的角度差以及在当前转速下的磁极钻子电压(在无电流状态中)。根据这些参数计算电流和产生的转矩及其数学上的平均值。利用这些数据通过参数变化生成和存储转矩特征曲线。

在本实例中，附加地实现了利用估算函数来估算转矩值：

$\frac{1}{2}\·\frac{\stackrel{\‾}{m}}{{\stackrel{\‾}{m}}_{\max }}+\frac{1}{2}\·\frac{\stackrel{\‾}{m}}{m_{\mathrm{eff}}}$

在此是直到熄灭所有晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2的转矩的数学上的平均值，是在转速的整个特性曲线中测定的转矩的最大值，以及m_eff是有效转矩。

附加地测定流过的最大电流并且与确定的允许的最大电流相比较。利用转矩估算函数并且利用电流最大值的研究屏蔽参数变化的结果。因此滤出对于有效的转矩变化曲线的触发参数。转矩特征曲线及其估算存储在控制装置3的所谓的Look-Up-Table(LUT)中。

因此在计算之后对于可能的出发时间点的确定的数字提供估算的所期望的转矩变化曲线的分配，并且相应于检测的参数进行对晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2的触发。在此经过下述在图4中的循环：

在第一步骤31中，测量电源电压、磁极转子电压以及转速。在第二步骤32中，由此确定对于在Look-Up-Table中的位置的参数。这是由磁极转子电压到电源电压的相对相位、从电源电压的上一次过零起经过的时间以及自身的转速。

在第三步骤33中根据LUT进行触发可能性的检查。如果给出用于触发的适当时间点，那么继续进行到第四步骤34；否则返回到第一步骤31。在地步骤34中进行三相的触发。

此后在第五步骤35中熄灭所有的晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2。如果确定熄灭，那么对于重新的循环返回到第一步骤31中。

为了根据LUT检查触发可能性，将由Look-Up-Table得出的结果数值与阀值进行比较。如果超过阀值，那么可以触发晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2。在此，最初的三个过程步骤子在本实例中以大约1ms的周期重复。实际的周期取决于硬件的能力以及程序设计。如果触发了晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2，那么根据电流测量测定，何时再次熄灭全部的晶闸管A1，A2，B1，B2，C1，C2。然后才再次寻找新的触发时间点。

Claims (10)

1.一种用于借助三相功率控制器(4)运行同步电机(1)的方法，所述三相功率控制器连接至三相电网，所述方法具有下述步骤：

-确定所述同步电机(1)的磁极轮电压和所述三相电网的电网电压之间的相位差，

-确定所述同步电机的转子的转速，

-确定所述三相电网的相位，

-根据存储的并预先计算的数据表来确定判定特征数，由所述相位差、所述相位和所述转速构成的值三元组对应于所述判定特征数，

-根据所述判定特征数来确定至少一个接通时间点，其中在所述接通时间点上接通半导体调节器(6…8)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述判定特征数来测定，是否此时的时间点用作接通时间点。

3.根据权利要求2所述的方法，其中测定，所述三相功率控制器(6…8)的开关(A1，A2，B1，B2，C1，C2)是否是断开的，并且只有在这种情况下，此时的所述时间点用作接通时间点。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述判定特征数与能确定的阈值比较，以便测定接通时间点。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述数据表的所述判定特征数由得出的、所述同步电机(1)的转矩变化曲线来计算，所述转矩变化曲线在接通所述三相功率控制器(6…8)时由所述相位差、所述相位和所述转速构成的值三元组得出。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述数据表的所述判定特征数考虑出现的最大电流，所述最大电流在接通所述三相功率控制器(6…8)时由所述相位差、所述相位和所述转速构成的值三元组得出。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述数据表的所述判定特征数不仅考虑在能确定的时间间隔上的平均转矩，而且考虑在所述时间间隔上的有效转矩，所述平均转矩和所述有效转矩在接通所述三相功率控制器(6…8)时由所述相位差、所述相位和所述转速构成的值三元组得出。

8.一种用于运行同步电机(1)的装置，所述装置设计用于进行根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述装置具有

-三相功率控制器(6…8)，所述三相功率控制器能够连接到三相电网上并且包括用于所述三相电网的相位(A，B，C)的至少两个半导体调节器(A1，A2，B1，B2，C1，C2)，

-用于确定所述同步电机的磁极轮电压和所述三相电网的电网电压之间的相位差的装置，

-用于确定所述同步电机的转子的转速的装置，

-用于确定所述三相电网的相位的装置，

-存储装置，

-用于在所述存储装置中存储的数据表，所述相位差、所述相位和所述转速的数值对应于判定特征数，

-控制装置，设计用于由所述相位差、所述相位和所述转速的测定的所述数值测定所述判定特征数和由所述判定特征数测定至少一个接通时间点，在所述接通时间点上接通所述半导体调节器。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体调节器包括晶闸管(A1，A2，B1，B2，C1，C2)。

10.根据权利要求9所述的装置，所述装置具有用于测定所有的所述晶闸管(A1，A2，B1，B2，C1，C2)是否熄灭的装置。