CN105006997A - 用于启动交流电机的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种启动由交流电源电压供电的电机(10)的方法，所述方法包括在每个电压供给周期中以延时t_ret向电机(10)提供电流。启动方法包括第一序列，其中在电源电压的每个第n周期执行如下步骤，其中n是大于0的整数：a)确定电源电压的前n个周期中电机电阻的变量，b)将确定的电机电阻的所述变量值与第一阈值电阻值进行比较，c)如果电机电阻的变量值小于第一阈值，则减小t_ret。本发明还涉及一种启动装置和一种计算机程序。

Description

用于启动交流电机的装置和方法

技术领域

本发明涉及由交流电压供电的电机领域，并且更具体地涉及启动这种电机的方法。

背景技术

众所周知，交流电机被启动时的电流需求可通过使用如电子启动器的启动装置来限制。

这样的启动装置设置在交流电源电路和电机之间，并且可以通过逐渐增加电源来减小供应到电机的电源电流。为了实现该目的，该装置包括至少一个用于电源电路每一相的受控开关，其连接和断开电机与电源电路的所述相。在电源电路每一相的操作期间，电机由具有延时的电源电路重新连接，从而限制了电机供电时间，并因此限制了电源电压每个周期中电流的升高。因此避免了电流需求。

通常，这种启动装置的开关包括用于电源电路每一相的反向并联连接的第一和第二晶闸管，并将它们设计成在分别该相的正负电压交替中将电机连接到所述相。对于通过晶闸管的电流的每次交替，相对于相应的电压交替，对相应晶闸管的触发器延时供电，以便由晶闸管产生可变持续时间的电流中断，并将电机连接到具有延时的电源电压，从而给电机提供减小了电流的电源。

供电到触发器的这种延时调节可以是阿尔法(α)类型，换言之，在相应相中的电压过零后，以对应于角度α的延时对触发器供电，或者是伽马(γ)类型，换言之，在相应相中的电流过零后，以对应于角度γ的延时对触发器供电。对于角度α，以及对于角度γ，这两个延时分别对应于时间αT/2π和γT/2π，其中T是电源电压的周期，这两个延时对应于电机电流源中的延时t_ret。

然而，无论选择哪种类型的调节，电源延时的调节是至关重要的，特别是在电机启动的第一时刻。如果延时t_ret太长，则电机不能启动，而如果延时t_ret太短，当电机启动时，则不可能获得电流需求的显著减小。

因此，为了优化供给电机的电源电流的延时t_ret的调节，在第一启动时刻或在启动的剩余时段，文献EP 2403132 A2公开了一种用于调节延时t_ret作为电机旋转频率的函数的方法。为了实现这一点，该文献公开了两种连续的电机启动序列，专用于低速度的第一序列，其中使用伏特每赫兹算法(称为开环算法)来确定电机速度，和专用于高速度的第二序列，其中通过比较电机速度控制和实际或估算速度来确定电机旋转频率。

然而，尽管EP 2403132 A2中公开的方法能够满足电机启动，但很难实现。所述方法利用了两个不同的功能序列，并且还需要建立一个相对复杂的转换序列。此外，为了执行这两个序列，电源电路和电机的电压和电流都必须被控制，这使得启动装置明显地更复杂。

发明内容

本发明的目的是克服这种缺点，因此它的目的是提供一种用于启动电机的方法，特别能够定义最优化的电源延时t_ret，这使得至少在第一启动时刻不需要如同按照现有技术的方法那样增加启动装置的复杂性。

为了实现该目的，本发明涉及一种启动由交流电源电压供电的电机的方法，所述方法包括在每个电压供给周期中以延时t_ret向电机提供电流，所述启动方法包括第一序列，其中在电源电压的每个第n周期执行如下步骤，其中n是大于0的整数：

a)确定电源电压的前n个周期期间的电机的电阻变量值，

b)将确定的电机电阻变化的所述值和第一阈值电阻比较，

c)如果电机电阻变量值小于第一阈值电阻，则减小t_ret。

利用这种方法，所有应控制的是电机电阻的变化，其需要监控启动装置的输入侧的电源电流和电压，或者启动装置的输出侧的电机输入电流和电压。电机的电阻值与电机转速直接相关，因此很容易根据转速来控制延时。

此外，不同于根据现有技术的方法，该方法由于仅仅基于电阻变化进行计算，因此在面对电源电路的变化或漂移时具有稳定性。

步骤a)是确定电机电阻随时间相对变量值的步骤，所述相对时间变量值优选使用下列等式计算：

其中R(t)是与在时刻t确定的电机电阻相关的值，而且T是交流电源电压周期的持续时间。

可以在初始持续时间t_int1之后执行步骤a)至c)。

在这样的初始化时间中没有重新调节延时t_ret，该初始化时间意味着不需要考虑与电机电源的启动相关的瞬态条件。

在延时t_ret减小之后，在优选等于t_int1的等待时间t_int2之后可以重复第一序列。

利用这种第二初始化时间，能够避免考虑可能会干扰根据本发明的方法的瞬态条件。

该第一序列可以包括下面的附加步骤：

d)如果所确定的电机电阻的变量值等于或大于第一阈值，继续至启动方法中的第二序列，

所述第二序列包括电源电压的每个第m个周期执行的下列步骤，其中m是大于0的整数：

e)确定电机电阻的变量值，

f)比较确定的电机电阻变化的所述值与第二阈值电阻，

g)如果所确定的电机电阻的变化小于第二阈值电阻，则减小t_ret。

这种第二相可以改善电机已经启动到旋转之后对电机的电流需求的调节。

在步骤e)期间，可以从电机电阻的变化确定电机的加速度或速度。

确定显然意味着估计。由于电机电阻随着它的速度变化，因此可以根据电机电阻估计电机是否在加速或减速，以及甚至电机的转速。

在步骤e)中，所确定的电阻值的变化可以是根据电源电压的至少两个周期校正的值。

步骤f)可以是确定电机电阻实时的相对变量值的步骤，优选使用以下等式计算：

其中R(t)是在时刻t确定的电机电阻值，而且T是交流电源电压周期的持续时间。

在第二序列中还可以包括以下附加的步骤：

h)比较时刻t时电机电源电流与时刻t-mT时电机电源电流的值，其中T是交流电源电压的周期的持续时间，

i)如果时刻t时的电机电源电流小于时刻t-mT时的电机电源电流，则将电机直接连接到电源电路，然后启动电机。

这些步骤能够很好的检测电机启动，并由此优化根据本发明的电机启动电源和电机正常电源之间的转换。

如果在步骤g)中减少了延时t_ret，而且增加第二阈值电阻值，那么可以在重复第二序列之前定义等待时间t_int3。

本发明还涉及一种装置，用于启动由交流电源电压供电的电机，所述装置包括：

-延迟电机电源的装置，其适于将电机电源延迟延时t_ret，

-测量延迟装置的输出或输入侧供应到电机的电源电流的装置，

-确定延迟装置的输入或输出侧的电机电源电压的装置，

-适于控制延时的处理和控制单元，以及电流确定和电压确定装置，

所述处理和控制单元适于使用根据本发明的方法，从电机电源电流和电压确定装置开始，确定电机电阻的变化，改变作为电机电阻变量函数的延时t_ret。

这种启动装置能够优化电机的启动。

本发明还涉及一种计算机程序，包括程序代码指令，用于运行步骤来确定电机电阻的变量，以比较所述变量与阈值电阻值，并且如果变量小于根据本发明的阈值，则减小延时t_ret。

附图说明

在参照附图阅读单纯信息提供的、不以任何方式限制的示范性实施例的描述之后，将更好地理解本发明，其中：

图1示出供应到包括根据本发明的启动装置的电机的电源电路的示例。

图2示出异步类型的电机的等效图。

图3示出使用图1所示的启动装置的电流调节的原理。

图4是描述根据本发明的方法的主要步骤的链的流程图。

图中所示的不同部分不必是相同比例，以使图更容易阅读。

不同的可能性(变型和实施例)应该被理解为不是互相排斥，并且它们可以结合在一起。

具体实施方式

图1示出了装置1，包括：交流电机10、供应到电机10的电源电路20、以及设置在电机10和电源电路20之间的以便于限制电机10启动时的电流需求的启动装置30。

在图1中，电源电路为三相电源电路20，其通过它的三个相21a、b、c和变压器22向电机提供电流。

这种启动装置30包括下述电源电路的每一相：

-受控开关31a、b、c，用于将电机10与电源电路20的所述相连接和断开，

-电源电流测量系统32a、b、c，

-电源电压测量系统33a、b、c。

启动装置还包括处理和控制单元35，其适于处理由系统获得的用于测量电源电流32a、b、c和电压33a、b、c的电压和电流值，并且基于这些值控制受控开关31a、b、c。

如图1所示每个受控开关31a、b、c包括反并联安装的两个晶闸管311a、312a。这样，在电源电路的一个相中的晶闸管311a、312a能够分别在该相中的电流正半周期和负半周期时将电机连接到电源电路20的所述相21a、b、c。配置处理和控制单元35以单独地驱动晶闸管311a、312a的未参考的每一个触发器，并当给他们供给相应相的适当电压交替时由此控制这些晶闸管的闭合。

每个开关31a、b、c因此提供了一种延迟供电到电机10的装置，其适于将延迟电机的电流电源延时t_ret。

设置电源电压测量系统33a、b、c以使得对受控开关31a、b、c的输入侧上的电源电路的每一相进行电压测量。

电流测量系统32a、b、c的每一个都形成确定相应开关31a、b、c的输入侧上的电机电源电流的装置。

配置处理和控制单元35，使得可以通过不同电源电流和电压测量系统32a、b、c和33a、b、c测量的值确定称为开关/电机电阻的开关/电机组合的电阻。优选通过计算作为对称分量值的正分量来确定开关/电机电阻。这种值具有的优点是，它提供了反映考虑到三相的电机状态的值。可以使用下述步骤获得这样的计算：

-利用电流和电压测量系统32a、b、c和33a、b、c，确定网络频率下的受控开关31a、b、c的输入和输出侧上的电流和输入侧上的电压的基础值，

-使用这些基础值来计算电流和电压的正分量，

-将电压的正分量除以电流的正分量，以便获得正相序电阻。

由于开关31a、b、c的电阻不随着电机转速10变化，并且由于晶闸管的电阻低且因此可以在导通状态下忽略，开关/电机电阻的任何变化在很大程度上是起因于电机电阻的变化。因此，图2示出了可应用在本发明特别适用的异步型电机10的定子上的等效图。可以看出，这种电机10的电阻分量具有两个部分，恒定电阻Rs(定子电阻)和与电机转差率s成反比的可变电阻Rr/s(转子电阻)。

当电机启动时，电机转差率s从电机停止的值1变化至通常小于1％的值，其对应于以标称速度旋转的电机。因此结果是，当电机启动时，将转子电阻Rr/s的值乘以几乎100倍，并可以根据电机电阻的变化确定电机10是否已经启动，电机10当前是否正在加速，或电机10是否以低于标称速度的速度旋转。

因此，配置所述处理和控制单元35以应用这样的电机电阻变量的测量来确定电机启动过程中电机电源的延时t_ret。

图3示出了当供应到电机10的电流电源延时t_ret的调节是阿尔法(α)类型时启动电机10的这种方法的原理，该调节是对于该相的正电压交替期间的电源电路20的给定相21a、b、c。

处理和控制单元35检测相电压在上升沿何时变为零，其起始于相应的电压测量系统。这一变化为零的检测，在图3中为t₀，是将确定电流电源的角偏移α应用到对应于正半周期的晶闸管32a的触发器的参考。因此，只有当处理和控制单元35通过在角偏移α后供电到它的触发器来控制其闭合时，对应于正交替的晶闸管32a才变为导通。在这些条件下，通过正电流延时t_ret对电机供电，该延时限制了电流增加，并由此限制了启动时电流需求的幅值。

配置处理单元以改变角偏移α，由此当电机启动时使用包括以下的第一和第二序列的启动方法的电流延时t_ret，在图4的流程图中描述启动方法的步骤链。

在初始化时间t_int1和电源电压的每个第n周期之后，其中n是大于0的整数，启动方法的第一操作序列包括以下步骤，

a)确定电机电阻的变量值，其起始于开关/电机电阻的变量，

b)比较所确定的电机电阻变量值与第一阈值电阻值，

c)如果电机电阻变量值小于第一阈值，则减小t_ret；接着等待时间t_int2发生，然后返回步骤a)。

d)如果所确定的电机电阻变量值等于或大于第一阈值，则转到启动方法中的第二序列。

该第二序列包括在电源电压的每个第m周期重复的以下步骤，其中m是大于0的整数：

e)确定电机电阻的变量值，

f)比较所确定的电机电阻的所述变量值与第二阈值电阻值，

g)如果所确定的电机电阻变量值小于第二阈值电阻值，则减小t_ret。

每次执行步骤g)时，配置处理和控制单元35等待时间t_int3，然后返回步骤e)。

在第二序列中执行下面的步骤，以检测电机何时达到其标称转速：

h)比较时刻t的电机电源电流与时刻t-mT的电机电源电流，其中T是交流电源电压的一个周期的持续时间，

i)如果时刻t的电机电源电流小于时刻t-mT的电机电源电流，则将电机直接连接到电源电路，然后启动电机。

在第一序列中，在步骤a)中的电阻变化的计算是相对时间变化的计算，使得：

$\frac{\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{R\left(t\right)-R(t-\mathrm{nT})}{R(t-\mathrm{nT})}}{\mathrm{nT}},$

其中R是开关/电机电阻，T是电源电压周期的持续时间，n是第一序列的两次重复之间的电源电压的周期数量，R(t)和R(t-nT)因此分别对应于所计算的开关/电机电阻和在第一序列之前重复时计算的开关/电机电阻的值。

类似地，在第二序列中，在步骤e)中的电阻变量的计算是相对时间变量的计算，使得：

$\frac{\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{R\left(t\right)-R(t-\mathrm{mT})}{R(t-\mathrm{mT})}}{\mathrm{mT}},$

其中R是开关/电机电阻，T是电源电压周期的持续时间，m是第二序列的两次重复之间的电源电压的周期数量，R(t)和R(t-mT)因此分别对应于所计算的开关/电机电阻和在第二序列之前重复时计算的开关/电机电阻的值。

可以改善在步骤e)中的电阻变量测量期间的开关/电机电阻的测量质量，并且如果电阻值是数字处理的值，例如平均值、过滤的值或者通过处理获得的任何其他值，可以限制电机10旋转时电机10的电阻振荡的影响，以限制电机电阻计算中的振荡影响。

在类似于图1所示的传统配置中，因而用于工作在50Hz的三相供电电路，换句话说，具有20ms的周期，上述公开的方法例如可以应用下列值：

-角偏移α可以是大约120°，换句话说6.7ms，因此对应于以6.7ms向电机提供电流的延时t_ret，

-n可以等于2，换句话说，每40ms重复第一序列，

-在c)中，如在步骤g)中，角偏移α可以每次减小1.8°，换句话说100μs，因此对应于延时t_ret的减小等于100μs，

-m可以等于1，其对应于第二序列每20毫秒频率为50Hz的重复；这些值的平均值取自最后50个值。

处理和控制单元35，其被配置为当使用上述启动方法启动电机时改变角偏移α并因此改变电流延时t_ret，适于控制延时、电流确定和电压确定装置，以及使用电机电源电流和电压确定装置来确定电机电阻的变量，并改变延时t_ret作为电机电阻变量的函数。

控制单元可以配置为使用包括程序代码指令的计算机程序运行确定电机电阻的变化，比较所述变量与阈值电阻值，并且当变量小于阈值时使用上述启动方法减小延时t_ret的步骤。

还应该注意的是，在传统的结构中，初始化时间t_int1、t_int2、t_int3是独立的。

还应注意的是，如果该实施例中的启动装置20包括用于测量电源电路电流和电压的系统，因此在开关的输入侧，对于启动装置20还可在开关的输出侧上包括电压和电流测量系统，使得能够直接确定电机10的电阻变化，而不超出本发明的范围。

Claims (12)

1.由交流电源电压供电的电机(10)的启动方法，所述方法包括在每个电压供给周期中以延时t_ret向电机(10)提供电流，所述启动方法包括第一序列，其中在电源电压的每个第n周期执行如下步骤，其中n是大于0的整数：

a)确定在电源电压的前n个周期中电机的电阻变量值；

b)将确定的电机电阻的所述变量值与第一阈值电阻值进行比较；

c)如果电机电阻的变量值小于第一阈值，则减小延时t_ret。

2.根据权利要求1的启动方法，其中步骤a)是确定电机电阻的时间相对变量的步骤，所述相对时间变量优选使用下列等式计算：

$\frac{\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{R\left(t\right)-R(t-\mathrm{nT})}{R(t-\mathrm{nT})}}{\mathrm{nT}},$

其中R(t)是在时刻t确定的与电机电阻相关的值，以及T是交流电源电压周期的持续时间。

3.根据权利要求1的启动方法，其中在初始持续时间t_int1之后执行步骤a)至c)。

4.根据权利要求1的启动方法，其中在延时t_ret减小之后，在等待时间t_int2之后重复第一序列。

5.根据权利要求1的启动方法，其第一序列包括下面的附加步骤：

d)如果所确定的电机电阻的变量值等于或大于第一阈值，继续所述启动方法中的第二序列，

所述第二序列包括电源电压的每个第m个周期执行的下列步骤，其中m是大于0的整数：

e)确定电机电阻的变量值；

f)将确定的电机电阻的所述变量值与第二阈值电阻值进行比较；

g)如果所确定的电机电阻的变量小于第二阈值电阻值，则减小t_ret。

6.根据权利要求5的启动方法，其中在步骤e)中，电机(10)的加速度或速度也由电机电阻的变量确定。

7.根据权利要求4的启动方法，其中在步骤e)中，所确定的电阻值的变量是在电源电压的至少两个周期上校正过的值。

8.根据权利要求5的启动方法，其中步骤f)是确定电机电阻在时间上的相对变量值的步骤，优选使用以下等式计算：

其中R(t)是在时刻t确定的电机电阻值，而且T是交流电源电压周期的持续时间。

9.根据权利要求5的启动方法，其中还可以在第二序列中包括以下附加的步骤：

h)将时刻t时的电机(10)的电源电流与时刻t-mT时的电机(10)的电源电流进行比较，其中T是交流电源电压的周期的持续时间；

i)如果时刻t时的电机(10)的电源电流小于时刻t-mT时的电机(10)的电源电流，则将电机直接连接到电源电路，然后启动电机(10)。

10.根据权利要求5的启动方法，其中如果在步骤g)中减小了延时t_ret并且增加了第二阈值电阻值，则在重复第二序列之前定义等待时间t_int3。

11.用于启动由交流电源电压供电的电机(10)的装置，所述装置包括：

-延迟给电机(10)供电的部件，其适于将电机电源延迟延时t_ret；

-测量延迟装置的输出或输入端供给电机(10)的电源电流的部件；

-确定延迟装置的输入或输出端供给电机(10)的电源电压的部件；

-适于控制所述延时的处理和控制单元(35)，以及；电流确定和电压确定部件，

该装置的特征在于，所述处理和控制单元适于确定电机电阻的变量和改变，并使用根据权利要求1至10之一的方法，从电机电源电流和电压确定部件启动开始改变延时t_ret作为电机电阻变量的函数。

12.计算机程序，包括程序代码指令，用于运行步骤来确定电机电阻的变量，将所述变量与阈值电阻值进行比较，并且如果变量小于根据权利要求1至10之一的阈值，减小延时t_ret。