CN105144564B

CN105144564B - 用于同步化同步的磁阻电动机械的方法

Info

Publication number: CN105144564B
Application number: CN201380072575.8A
Authority: CN
Inventors: 费代里科·迪桑托; 恩里科·马罗丁
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: TR201908952T4; BR112015013566B1; US20150340971A1; DK2929625T3; RU2015127659A; JP6401181B2; RU2658288C2; US9871474B2; EP2929625B1; EP2929625A1; ES2730925T3; JP2015537504A; BR112015013566A2; CN105144564A; WO2014091405A1; ITVI20120331A1

Abstract

一种同步化同步的磁阻电动机械的方法，其中所述机械不具有速度和/或剩余磁化电压传感器并且包括电力端子和旋转物体，旋转物体的机械旋转频率(f_M)受到由电力切断条件所引起的速度瞬变的影响。所述方法包括以下至少一个步骤：a)在瞬变之后，将具有预定振幅(v_C)和持续时间(T_C)的控制电压(V_C)施加到端子，以及一个步骤b)检测通过控制电压(V_C)所生成的电流(I_i)，用于恢复机械(E)的电力以及同步的旋转控制，通过电压(V_C)所生成的电流(I_i)具有根据在控制电压的频率(f_C)与旋转物体的机械旋转频率(f_M)之间的频率差分而变化的谐波光谱(S)。

Description

用于同步化同步的磁阻电动机械的方法

技术领域

本发明通常涉及在电动机械控制设备的领域中的应用，并且尤其涉及控制其旋转物体受到速度瞬变影响的同步的磁阻电动机械的方法。

本发明还涉及用于实现以上所提及的方法的计算机程序产品，以及在其上加载该计算机产品的逆变器。

背景技术

已知用于控制电动旋转机械的操作、被采用作为电动发电机和/或电动马达的设备。

具体地，当电力信号被持续地供应到电动机械时，通常被称作逆变器的这些控制设备能够通过调整电力信号的电参数来控制电动机械的操作。

然而，当其旋转物体受到速度瞬变影响时，在控制电动机械的操作的领域中尤其感受到该需求。

这些瞬变发生在配电网络中的物理中断之后、或者临时的电压下降之后或者可能当不希望的或不期望的切断向逆变器供应电力时。

由于这些瞬变，在逆变器与旋转物体之间的同步性尤其难以恢复。

具体地，在瞬变期间，机械中的速度变化可以由于内摩擦或负载电阻而减少、或者由于存在能够将驱动转矩传输到电动机械的轴的外部设备而维持或进一步增加。

通过外部设备稳定化和/或关机动作典型地恢复机械的控制，其需要相当长的时间。

因此，在用于使用瞬变影响的电动机械的设施或设备的恢复成本上，这些方法具有特别不利的影响。

在避免这一缺陷的尝试中，已经提出了用于由逆变器所控制的旋转电动机械的具体类型的优化的控制方法。

如果电动机械是异步类型，则通过注入具有适合于电动机械的操作范围的频率的适当电压并且通过随后检测结果生成电流的信号，可以确定旋转物体的旋转速度。

然而，如果电动机械是同步类型，则通过生成处于低频率的高噪声的非常高的叠加的电压和电流，可以确定旋转物体的旋转速度。如果在相同环境中安装很多电动机械，则这是尤其严重的缺陷，并且可以受到速度瞬变的影响，引起高噪声的排放。

此外，在无传感器的电动机械中，旋转物体的同步需要非常长的时间，通常为几秒。

替选地，当电动机械是永磁体或同步磁阻类型时，使用安装于机械的驱动轴或集成到逆变器中的适合的外部传感器，检测旋转物体的旋转速度或角位置。

这个解决方案的首要的缺陷是，外部传感器的供应减少了同步的磁阻电动机械的可靠性。

这些传感器具有引起频繁故障或者需要周期更换的磨损机械部件。

这个解决方案的进一步的缺陷是，传感器的使用增加了电动机械的整体维护成本。

此外，更换传感器需要电动机械的暂时关机，从而显著地减少其整体效率。

而且，传感器的使用可以增大逆变器的结构的复杂性并且增加电动机械的整体尺寸。

发明内容

本发明的目的是通过提供在电源切断瞬变之后控制同步的磁阻电动机械的方法来避免上述缺陷，该方法是高效率的并且相当有成本效率的。

本发明的具体目的是提供在瞬变之后控制同步的磁阻电动机械的方法，同时减少可听范围中的噪声的排放。

本发明的进一步的目的是提供在瞬变之后控制同步的磁阻电动机械的方法，其能够减少用于电动机械的制造和维护成本。

本发明的进一步的目的是提供在瞬变之后控制同步的磁阻电动机械的方法，其能够改善电动机械的整体效率。

本发明的另一个重要的目的是提供在瞬变之后控制同步的磁阻电动机械的方法，其能够改善相对紧凑的机械并且降低逆变器的复杂性。

通过控制如权利要求1所限定的同步的磁阻电动机械的方法，来实现如下文所较佳说明的这些和其他目的。

该具体的方法将提供在正常供电条件期间和瞬变期间同步的磁阻电动机械的无传感器控制(即不使用传感器)。

根据从属权利要求限定本发明的优选实施例。

附图说明

当阅读本发明的方法的优选的、非排他性的实施例的详细描述时，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见，本发明的方法的实施例被描述作为有助于所附的附图的非限定性示例，其中：

图1是控制受到速度瞬变影响的同步的磁阻电动机械的方法的方框图；

图2示出图1的方法的流程图；

图3示出由逆变器所控制的同步的磁阻机械的布线图。

具体实施方式

所附的图1示出了控制如图3所示出的同步的磁阻电动机械的方框图，并且该同步的磁阻电动机械通常被称作E，包括连接到在图中未示出的负载或外部致动器的旋转物体M和电力端子T。

具体地，同步的磁阻电动机械可以是用于生成要被馈送到远程和/或局域配电网络的电源的发电机，或者可以是适用于向使用的外部点和/或驱动轴提供转矩的电动马达。

典型地，同步的磁阻电动机械的旋转物体M可以受到由暂时的电源电压故障所引起的速度瞬变的影响，并且例如通过切断在配电网络中的电力被生成。

另外，当电动机械关闭时，旋转物体M还可以受到由连接于驱动轴的负载上的外部动态压力所引起的速度瞬变的影响。

例如，由通过风力涡轮机的刀片上的阵风或者通过通风管道的风扇上的气流所生成的转矩，可以引起这些瞬变。

此外，连接到此的电动机械E和/或逆变器C(如果有)是无传感器类型，该无传感器类型被典型地用于检测旋转物体的瞬态旋转速度或者用于测量在机械线圈中的剩余磁化电压。

根据本发明的独特的特征，该方法基本地包括步骤a)在瞬变之后，将具有预定振幅(v_C)和持续时间(T_C)的控制电压V_C施加到端子，该电压生成在机械E中的电流I_i，这样的电流具有根据在控制电压V_C的频率f_C与旋转物体M的机械旋转频率f_M之间的频率差分而改变的谐波光谱S。

通过步骤b)检测用于恢复电力和机械E的同步旋转控制的生成电流I_i跟随该步骤。

当(由于速度瞬变)旋转物体M的瞬时旋转参数未知时，该方法将能够恢复控制电动机械E的操作。

方便的是，控制电压V_C可以具有特别短的持续时间T_C。优选地，控制电压V_C的持续时间T_C可以包括在少于2秒的范围之中，并且还可以是小于1秒。

控制电压V_C可以是具有预定频率f_C的直流(DC)或者交流(AC)类型。

此外，控制电压V_C的振幅v_C和频率f_C在其的应用期间可以是固定的或可变的。

有利的是，控制电压V_C的频率f_C和振幅v_C二者在贯穿应用的持续时间T_C都是可变的。

通过电动机械E的逆变器可以自动调整控制电压V_C的振幅v_C和/或频率f_C。

替选地，可以通过操作员手动调整控制电压V_C。

具体地，电动机械E的等效阻抗X_eq将根据控制电压V_C的频率f_C而改变。

根据本发明的优选的非限制性实施例，控制电压V_C可以是具有振幅v_C的正弦电压，该正弦电压根据电动机械E的等效阻抗X_eq和期望的生成电流I_i的值而变化。

方便的是，控制电压V_C可以在旋转物体M上生成预定的附加转矩以维持旋转物体M的惯性旋转速度实质上不改变。

具体地，控制电压V_C可以具有这样的振幅以至于产生小于电动机械E的额定转矩的5％的附加转矩。

此外，附加转矩可以是根据由于控制电压V_C的应用的电动机械E中所生成的通量的瞬时特征的制动或加速转矩。

有利的是，控制电压可以适用于生成生成电流I_i，该生成电流I_i的谐波光谱具有在人类可听范围中实质上为零的谐波分量。

具体地，生成电流可以具有谐波光谱S，该谐波光谱S具有处于可听范围的高敏感区域的、实质上为零或者非常低的平均值。

例如，谐波光谱S可以具有在从400Hz到2KHz的频率范围中的实质上为空或者非常低的平均值，并且将取决于差分值(f_C–f_M)。

因此，在控制电压V_C的应用的期间，电动机械E将不发出噪声或发出非常小的噪声。

这将允许控制安装在相同环境中并且受到速度瞬变影响的多个同步磁阻电动机械，而不发出高噪声。

方便的是，如图2中所最佳示出的，该方法可以包括步骤c)将生成电流I_i分解到以实质上90°偏移形成的一对矢量电流I_d，I_q中。

具体地，可以从与提供到电动机械E的端子的控制电压V_C相关联的角φ_VC开始生成电流I_i的这种分解。

此外，针对分解生成电流I_i到一对矢量电流I_d，I_q中，可以移除基本电流的(由于应用到端子的控制电压V_C所产生的)谐波分量。

方便的是，该方法可以包括步骤d)使用高通滤波器(HPF)来对矢量电流I_d，I_q进行滤波，以消除直流并且获取具有根据旋转物体M的瞬时旋转速度而改变的电参数P的已滤波的矢量电流I’_d，I’_q。

高通滤波器(HPF)可以具有预定的数学重量，其适用于允许在矢量电流I_d，I_q中移除任何剩余直流。

在滤波步骤d)中所获得的已滤波的矢量电流可以是以90°偏移的、具有相等振幅的实质上的正弦电流。

方便的是，如图2中所最佳示出的，该方法可以包括步骤e)将电动机械的旋转物体的瞬时旋转角度设置为处于初始值θ_in。

此外，通过步骤f)调整瞬时旋转角度θ_ist以确定同步的旋转角度θ_sinc，可以跟随角度设置步骤e)，该旋转角度θ_sinc实质上于旋转物体M的机械旋转角度θ_M同相。

该方法可以进一步包括步骤g)向电动机械E提供矢量电流I_al，该矢量电流I_al具有被计算作为同步角度θ_sinc的函数的旋转角度θ_al和在预定的时间间隔中从零增加到额定值的转矩分量I_{al_torque}。

电源电压I_al的转矩分量I_{al_torque}的从零到额定值的逐步增加将允许控制电动机械E被恢复而不引起其的旋转物体M经受突然的速度改变。

在本发明的一个具体的优点的方面中，在调整步骤f)中所获取的同步旋转角度θ_sinc可以具有与旋转物体M的机械旋转角度θ_M相关的、不超过预定阈值ε’_θ的角度误差ε_θ。

具体地，用于角度误差ε_θ的阈值可以为零。

方便的是，如图2中所最佳示出的，调整瞬时旋转角度θ_ist的步骤f)可以包括附加步骤g)迭代地最小化来自最初设置的旋转角度θ_in的角度误差ε_θ。

具体地，迭代步骤可以被配置为这样：在第一周期期间仅使用旋转角度等于零的θ_in。

通过在每个周期将在先前周期中所生成的瞬时旋转角度θ_ist与在该周期中所计算的瞬时旋转角度θ’_ist进行比较，可以影响角度误差ε_θ的迭代最小化。

根据该对已滤波的一对矢量电流I’_d，I’_q的瞬时偏移，从在先前周期所生成的瞬时旋转角度θ_ist，可以确定瞬时旋转角度θ’_ist。

当在两个角度之间的差分(θ’_ist-θ_ist)导致角度误差等于或小于阈值ε’_θ时，结束迭代。

该条件的实现允许同步的旋转角度θ_sinc被设置为在最近的迭代周期中所计算的瞬时旋转角度θ’_ist的值。

方便的是，可以通过第一锁相环算法(phase-lock loop algorithm)PLL₁，获取迭代最小化步骤h)用于随着其输出生成同步旋转角度θ_sinc。

算法PLL₁可以被设计为接收从滤波步骤d)所获取的已滤波的一对矢量电流I’_d，I’_q作为输入。

此外，向电动机械E供电的步骤g)可以包括步骤i)调节由第一锁相环算法PLL₁所生成的同步旋转角度θ_sinc，以作为电动机械E的电极的数量的函数。

例如，如果同步电动机械E分别具有四个或六个电极，则条件化步骤i)将把同步旋转角度θ_sinc划分为二或三。

方便的是，供电步骤g)可以包括附加步骤k)通过使用第二锁相环算法PLL₂所获取的旋转物体M的旋转角度来微调同步旋转角度θ_sinc。

该算法PLL₂生成微调同步旋转角度作为其输出，通过以下公式来表达其初始值：PLL_main.integ＝PLL_main.output＝(Δθ_sinc/n)-Δθv_c

其中Δθ_sinc是随着第一算法PLL₁的输出所获取的同步旋转角度θ_sinc的增量，n是电动机械E的电极对的数量并且Δθv_c是时间单元中的控制电压Vc的角度的增量。

具体地，调整步骤k)包括初始瞬时，在其中矢量供应电流I_al具有实质上为零的转矩分量I_{al_torque}和具有预定值的通量分量I_{al_flux}，用于生成低于电动机械E中的额定通量的通量。

因此，可以用在减少的通量情况下操作电动机械来执行微调同步角度θ_sinc以同步旋转物体M的机械旋转角度θ_M的步骤k)。

在那些情况下，通量值将被方便地调整以便于在使用同步磁阻电动机械E中其从不超过由特定控制技术所施加的范围的端值(end of scale)的限制，其将负担起与旋转物体M的机械旋转角度θ_M同步的同步角度θ_sinc的显著地精确调整。

还将提示的是，在应用控制电压Vc的持续时间T_C的期间，可以执行步骤c)到k)。

因此，在应用控制电压Vc的时间的末端，电动机械E可以被提供有矢量供应电流I_al用于将其旋转物体恢复到额定速度。

因此，连接到机械E的逆变器V可以使用已知的控制技术来控制旋转物体的操作。

方便的是，可以将以上描述的方法转变为计算机程序产品，包括经由以上方法步骤控制电动机械E的操作指令。

该计算机程序产品可以被存储在与用于控制一个或多个电子数字处理设备(未示出)的电动机械E相关联的逆变器V的可编程控制单元U的存储介质上，其适用于执行程序并且控制电动装置以生成并处理电信号。

因此，可以在正常速度下，以及在易于引起机械的旋转物体M的速度瞬变的不期望的事件发生之后，通过逆变器V来控制同步磁阻电动机械E。

以上的描述清楚地示出了实现所希望的目的的本发明的方法，并且尤其符合当旋转物体受到速度瞬变的影响时允许控制同步磁阻电动机械的需要，而不具有安装于机械或其逆变器上的传感器。

本发明的方法易于在所附的权利要求中公开的发明构思范围中的多个改变和变型。在不脱离本发明的范围的情况下，可以通过其他技术上的等同部件来替换其所有细节，并且取决于不同的需求可以变化材料。

当伴随对于所附附图的特定参考已经描述了该方法时，在本公开和权利要求中所涉及的标记仅用于更好地理解本发明的目的而并不意欲将以任何方式限制所要保护的范围。

Claims

1.一种同步化同步磁阻电动机械的方法，其中所述机械(E)没有剩余磁化电压和/或速度的传感器并且包括电力端子(T)和旋转物体(M)，旋转物体(M)的机械旋转频率(fM)受到由电力切断条件所引起的速度瞬变的影响，所述方法包括以下步骤：

a)在瞬变之后，将具有预定振幅(v_C)和持续时间(T_C)的控制电压(V_C)施加到端子，用于生成电流(I_i)，所述电流具有谐波光谱(S)，该谐波光谱(S)是在所述控制电压(V_C)的频率(f_C)与旋转物体的机械旋转频率(f_M)之间的频率差分的函数；

b)响应于对于端子(T)应用所述控制电压(V_C)，检测所生成的电流(I_i)以恢复机械(E)的电力以及同步旋转控制，其中所生成的电流(I_i)的所述谐波光谱(S)具有在可听范围中实质上为空的或者可忽略的谐波分量；

c)将所生成的电流(I_i)分解为以实质上90°偏移的一对矢量电流(I_d，I_q)；

d)：使用高通滤波器(HPF)以对直流分量进行滤波并且根据旋转物体(M)的瞬时旋转速度来获取各自的已过滤的矢量分量(I’_d，I’_q)；

e)：为电动机械(E)的旋转物体(M)的瞬时旋转角度设置初始值；

f)：通过调整瞬时旋转角度(θ_ist)以确定同步旋转角度(θ_sinc)，该同步旋转角度(θ_sinc)实质上与旋转物体(M)的机械旋转角度(θ_M)同相，所述同步旋转角度(θ_sinc)相对于所述机械旋转角度(θ_M)具有小于或等于预定阈值(ε’_θ)的角度误差(ε_θ)；

g)：向电动机械(E)提供矢量电流(I_al)，该矢量电流(I_al)具有作为所述同步旋转角度(θ_sinc)的函数的电动旋转角度(θ_al)和在预定的时间间隔中从零增加到额定值的转矩分量(I_{al_torque})；

调整所述瞬时旋转角度(θ_ist)的所述步骤f)包括步骤h)：根据所述初始选择角度值(θ_in)迭代地最小化所述角度误差(ε_θ)；

通过第一锁相环算法(PLL₁)来获取所述迭代最小化步骤h)，用于生成所述同步旋转角度(θ_sinc)作为其输出；

其中所述电力供应步骤g)包括步骤i)：调节由第一锁相环算法(PLL₁)所生成的所述同步旋转角度(θ_sinc)，以作为电动机械(E)的电极的数量的函数；以及

步骤k)：微调使用第二锁相环算法(PLL₂)所获取的所述同步旋转角度(θ_sinc)，并且具有初始瞬时，在该初始瞬时中所述矢量供应电流(I_al)包括实质上为零的转矩分量(I_{al_torque})和具有预定值的通量分量(I_{al_flux})，以用于在电动机械(E)中生成低于额定通量的通量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制电压(Vc)是DC或者AC类型，并且在所述持续时间(Tc)期间具有固定或可变的振幅(v_c)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，校准所述控制电压(Vc)以在所述旋转物体(M)上生成用于维持所述旋转物体(M)的瞬时旋转速度实质上不变的最小转矩。