CN106416049B - 用于使用软启动器系统的感应电动机速度估计的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于估计感应电动机的操作特性的系统和方法。该系统包括可电连接在电动机和电源之间的电动机控制装置。电动机控制装置包括多个切换装置，其包括与电动机的相应相对应的至少一个晶闸管。电动机控制装置同样包括控制器，其被编程为在电源的电源相电压的第一多个周期之后将电源从电动机断开预定时间段。控制器进一步被编程为在预定时间段期间测量反电动势电压，从测量的反电动势电压估计电动机的操作特性，并且触发多个切换装置以在操作特性的估计之后将电源重新连接到电动机。

Description

用于使用软启动器系统的感应电动机速度估计的系统和方法

技术领域

本发明的实施例一般涉及交流(AC)电动机，并且更具体地涉及用于估计AC电动机的速度而无需编码器的系统和方法。

背景技术

电动机软启动器是控制从AC电源到感应电动机的电压或电流的施加的装置。软启动器被配置为在启动期间限制涌入感应电动机的瞬态电流，导致“软”电动机启动而不影响电网的电力质量。在操作中，来自AC电源的电力通过软启动器中的切换装置(诸如以晶闸管或可控硅整流器(SCR)的形式的反并联或背对背的固态开关对)，以控制电流流动并且转而控制感应电动机的端子电压。

通常，软启动器经由晶闸管的选择性控制来暂时减少在启动期间电动机中的电流，而没有这种控制，电动机电流可达到6到8倍的额定电流。这种减小允许减小在电动机和电网上的应力(stress)，这增加了系统的寿命。晶闸管在如当电压变为正时测量的给定角度γ处“触发(trigger)”或“击发(fire)”(控制为导通)。所得的电流流过给定的相，直到它们达到零，在该点处晶闸管关断。该模式创建在电压中的“缺口(notch)”。缺口宽度越大，则施加到电动机的有效(rms)电压越小。由于扭矩是有效电压的平方的函数，所以缺口宽度越大，扭矩越小。如果缺口宽度为零，则向电动机施加全电压。通常，软启动过程持续几秒钟，在该过程结束时，系统达到其最终速度，并且接触器闭合以旁通SCR。

AC电动机的旋转速度的知识对于在电动机启动过程期间和之后优化AC电动机的电动机启动控制和操作是有用的。用于AC电动机的现有电动机速度估计方法经常取决于高频电流注入，这对于由基于晶闸管的软启动器驱动的AC电动机是不可行的。其它已知的方法依赖于复杂的观测器、电动机等效模型或两者，这在基于晶闸管的软启动器系统，特别是仅在短时间段内操作的软启动器中是非常不切实际的。例如，估计电动机速度的一种已知技术依赖于电流波形的快速傅里叶变换(FFT)分析，以及由于电机转子绕组不对称引起的电流波形中的轻微偏差是计算密集的并且缺乏一般性，因为电动机不对称性对于不同的电机是不同的。估计速度的另一种已知方法使用模型参考自适应系统，该模型参考自适应系统对于从开始到标称速度的范围的第一部分是基于扭矩的，并且对于速度范围的剩余部分是基于通量的。这种基于模型的技术是计算密集的，并且取决于许多电机参数、电阻和电感的知识。另一种已知技术在一个相中跳过触发事件以在电流和相位滞后中引入瞬变。然而，所得信号的小幅度难以监视。

虽然上述技术中的一些技术跳过了SCR触发或击发事件，以便估计电动机速度，但是这些技术没有在对正在旋转的电机的某个中断之后恢复SCR击发时可能引起的危险电流瞬变做出任何规定(provision)。在断开之后，电动机的速度降低，并且生成的反电动势不再处于与电源电压相同的频率或相位。如果电源电压和反电动势在试图进行带电重新闭合(live reclosing)时不同相，则高达电源电压两倍的电压将施加到AC电机，导致高的和潜在的破坏性瞬态电流。

因此，期望具有能够估计晶闸管驱动的AC电动机的旋转速度的无传感器系统，其不依赖于对特定AC电动机的操作电机参数的知识或使用计算密集技术来操作。同样期望这种软启动器系统获取旋转速度估计，而不在系统中引起潜在的破坏性瞬变。

发明内容

本发明提供了一种估计由电动机软启动器控制的感应电动机的操作特性的系统和方法。

根据本发明的一个方面，一种电动机控制装置可电连接在AC电动机和AC电源之间，电动机控制装置包括多个切换装置，该多个切换装置包括与AC电动机的相应相对应的至少一个晶闸管。电动机控制装置同样包括控制器，该控制器被编程为在AC电源的电源相电压的第一多个周期(cycle)之后将AC电源从AC电动机断开预定时间段(time period)。控制器进一步被编程为在预定时间段期间测量反电动势电压，从测量的反电动势电压估计AC电动机的操作特性，以及触发多个切换装置以将AC电源重新连接到AC电动机。

根据本发明的另一方面，一种估计具有软启动器的AC电动机的速度的方法包括：控制软启动器以将AC电动机从AC电源断开一个断开时段(period)，并且在该断开时段期间测量AC电动机的反电动势电压。该方法同样包括从测量的反电动势电压估计AC电动机的速度，以及通过根据多步骤击发序列触发软启动器的晶闸管，控制软启动器将AC电动机重新连接到AC电源。晶闸管的一次击发被定时为跟随AC电源的电源相电压的过零，并且晶闸管的随后击发被定时为跟随晶闸管的电压的过零。

根据本发明的另一方面，一种电动机软启动器包括具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的输出的电路，该电路包括至少一个晶闸管。电动机软启动器同样包括连接到电路的控制器。该控制器被编程为操作电动机软启动器以将AC电动机连接到AC电源，操作电动机软启动器以将AC电动机从AC电源断开一个断开时段，并且在断开时段期间测量AC电动机的反电动势电压。控制器进一步被编程为从测量的反电动势电压估计AC电动机的旋转速度，以及在断开时段之后，操作电动机软启动器以将AC电动机重新连接到AC电源。

从下面的详细描述和附图中，本发明的各种其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前预期用于实施本发明的优选实施例。

在附图中：

图1是用于本发明的实施例的软启动器的透视图。

图2是根据本发明的实施例的结合软启动器的AC电动机系统的示意图。

图3是示出根据本发明的实施例的用于估计由软启动器驱动的AC电动机的速度的技术的流程图。

图4示出可使用图3的技术的示例性反电动势电压对速度轮廓。

图5示出在启动和正常操作模式期间根据图3的技术操作的AC电动机的示例性电流、反电动势和线电压轨迹。

图6是来自图5的图在给定的测量窗口上的示例性线电压和反电动势轨迹的详细视图。

图7示出在图3的技术的重新连接阶段期间的示例性电流、SCR电压和线电压轨迹，其中切换装置被击发以将AC电动机重新连接到电源。

具体实施方式

在此阐述的本发明的实施例涉及用于在电动机启动期间、当电动机全速运行时以及在电动机关机期间(如电动机正斜坡下降到停止点)估计交流(AC)电动机的旋转速度的系统和自动化方法。尽管在此将本发明的实施例描述为结合多相AC电源和多相AC电动机使用，但本领域技术人员应认识到，本发明的实施例适用于单相AC电源和单相感应电动机。

参考图1，示出了可用于实施下面阐述的本发明的实施例的电动机控制装置10。在本发明的示例性实施例中，电动机控制装置10包括被配置成在电动机启动期间限制到多相AC电动机的瞬态电压和电流的软启动器，并且在此将被如此涉及。软启动器10包括遮盖物组件12，其具有在电动机连接端或负载端16上的空气入口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上。遮盖物组件12同样容纳电子控制器22。软启动器10同样包括容纳开关组件26、28、30中的每一个开关组件的底座组件24。开关组件26-30中的每一个开关组件对于给定的软启动器10在构造上是相同的，并且对应于到多相AC电动机的多相输入的给定相。

应当认识到，在图1中所示的软启动器10仅是可用于实施本发明的实施例的软启动器架构/结构的示例，而用于或需要满足特定应用需求的其它各种软启动器架构/结构同样应被理解为包含在本发明的范围之内。例如，众多的打开底盘的软启动器配置可用于实施本发明的实施例，而不是在图1中示出的封装的软启动器。

参考图2，根据本发明的实施例示意性示出结合三相感应电动机或AC电动机40的AC电动机系统39。如传统上所示，AC电动机40表示为三个定子绕组42、44、46。在该情况下，将AC电动机40示为以三角形(delta)布置来连接。应理解，AC电动机40可以替代地并根据本发明的等价以Y型布置来连接，而不背离本发明的范围。AC电动机40的定子绕组42-46在电动机端子56、58、60处通过相应的多相电源线50、52、54操作性地连接到AC电源48。

在图2中所示的实施例中，软启动器10包括具有连接到AC电源48的输入和连接到AC电动机40的输出的电路，并位于AC电动机40的外部(即，三角形外部)。可替代地，软启动器10可位于AC电动机40的内部(即，三角形内部)。如本领域的技术人员将认识的，在此所述的实施例可适于这种配置。

将软启动器10配置成在启动期间限制到AC电动机40的瞬态电压和电流，产生“软”电动机启动。软启动器10的基本结构(即，软启动器电路)在图2中示为包括与电源的每一个电源线50、52、54或每一相对应的旁路接触器62、64、66。软启动器10同样包括在每一个电源线50、52、54上的切换装置68、70、72。在示例性实施例中，每一个切换装置68、70、72由诸如以可控硅整流器(SCR)形式的固态开关或晶闸管的反并联开关对形成，以控制电流并且转而控制电动机40的端子电压。虽然切换装置68、70、72在此描述为SCR，但是替代实施例可包括其它晶闸管型装置，诸如例如栅极可关断晶闸管(GTO)。

如图所示，开关对68包括两个SCR 74、76，该SCR 74、76极性相反并且并联连接，用于电源线50。同样地，开关对70包括两个SCR 78、80，该两个SCR 78、80极性相反并且并联连接，用于电源线52。最后，开关对72包括两个SCR 82、84，该两个SCR 82、84极性相反并且并联连接，用于电源线54。在一个实施例中，SCR 74、78、82向前传导并且SCR 76、80、84向后传导。

虽然每一相被示为包括SCR对74-84，但是同样设想到，软启动器10可具有在仅两个电源线(例如，仅电源线50、52)上的SCR对。在上述的任何实施例中，如下所述，可控制在单个电源线上的SCR 74-84以控制由AC电动机40接收的输入电压和电流。

同样在软启动器10中包括的是控制器或处理器86，其被编程为经由到其中的栅极驱动信号的传输来控制单独的SCR 74-84的操作，以及控制旁路接触器62-66的打开和闭合。在AC电动机40的启动/斜坡上升期间(以及同样在斜坡下降期间)，软启动器10在“启动”或“斜坡”模式中操作，在此期间控制器86使与电源线50-54对应的接触器62-66保持打开，以使得来自AC电源48的电力通过开关对68-72，从而控制施加于AC电动机40的电流(从而控制电压)。

在该“启动”或“斜坡”模式期间，控制器86在电源电压的每一个半周期期间根据预定义的时序序列来向开关对68-72发送选通信号，以独立地触发每一个相中的开关对68-72的操作。该预定义的时序序列控制SCR 74-84保持导通的持续时间。一旦SCR 74-84被触发或击发，其保持在导通状态，直到流过SCR 74-84的电流的过零。如果SCR74-84是非导通的，则每当相关联的线电流下降到零时，将具有宽度γ的缺口引入电源电压。通过在“启动”或“斜坡”模式期间改变选通信号的时序来控制缺口宽度γ的持续时间。随着缺口宽度γ的持续时间减小，SCR 74-84导电持续更长的时间段，并且提供AC电动机40的端子电压上的逐渐增加，直到AC电动机40加速到全速。在缺口γ的持续时间期间，将相应的定子绕组42-46连接到AC电源48的给定的开关对68-72操作为开路，以使得不是在相应的电动机端子56-60处观察到正弦电源电压，而是可观察到内部产生的电动机反电动势电压。

一旦AC电动机40达到全速，软启动器10进入“旁路”模式，其中控制器86使在每一个电源线50-54上的旁路接触器62-66闭合，以便旁通开关对68、70、72并且最小化功耗。旁路模式因此被视为当AC电动机40以全速操作时用于软启动器10和AC电动机40的操作的“正常”模式。

控制器86可操作地耦接到操作界面88，该操作界面88可体现在计算机工作站或操作面板中作为示例。可将操作界面88配置为显示由控制器86输出的操作信息，和/或允许操作者根据各种实施例选择性地控制控制器86的操作。

在软启动器10的操作期间，正在进行的处理在软启动器10内发生，其中执行由AC电动机40作出的电流的测量和/或计算。用于这些测量和/或计算的数据从一组电流传感器90获得。在一个实施例中，在输入线频率的大约每半个周期处执行这些测量和/或计算。然而，在替代实施例中这些测量和/或计算可更多或更少地频繁执行。在所示实施例中，该组电流传感器90包括在三相中的两相中的电流传感器。替代实施例可包括用于三相中的每一相的相应电流传感器，或仅在相中的一相中使用的单个传感器。

软启动器系统同样配备有一个或多个线路侧(line-side)电压传感器92与一个或多个负载侧电压传感器94。虽然在图2中仅示出一个线路侧电压传感器92和一个负载侧电压传感器，但是替代实施例可包括一个或多个附加的电压传感器。同样提供了包括一个或多个温度传感器的可选温度感测单元92(以虚线示出)以监视软启动器10的温度。电流传感器、电压传感器和温度感测单元(如果使用的话)一起形成向控制器86提供反馈的传感器系统98。

根据本发明的实施例，在图3中示出了用于估计由图1和2的软启动器10驱动的电动机的操作特性的自动化技术100。虽然在下面的实施例中将由技术100估计的操作特性描述为AC电动机的旋转速度，但是可设想技术100可扩展到估计其它操作特性，包括AC电动机的扭矩负载，由AC电动机生成的电力，以及系统惯性。此外，由技术100输出的操作特性可用于识别AC电动机是否处于电动机驱动模式或处于发电模式。技术100可进一步扩展为监视关于电动机健康的操作特性和用于识别故障的操作特性。

一般来说，技术100中断其中在启动模式期间击发SCR的预定义时序序列，以通过关闭SCR来将电动机从电源断开一个或多个线电力周期，测量当电动机线电流为零时在这些时间间隔期间的电动机反电动势，并且在测量反电动势之后恢复正常操作。电动机到电源的重新连接通过以下方式击发SCR来实现：提供电动机的平滑重启，并且避免在重启期间可能引起的高的和潜在的破坏性瞬态电流。

技术100在多个步骤中检测AC电动机的旋转速度，这些步骤通常可分为三个主要阶段：AC电动机从电源电压断开期间的初始阶段，其中测量电机反电动势的中间阶段，以及在将SCR的击发恢复为将AC电动机重新连接到AC电源期间的最后阶段。虽然在此将技术100的各种步骤描述为落入三个一般阶段，但在此将技术100的步骤划分成特定数量的定义阶段以促进在此公开的技术的解释。本领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明的一般范围的情况下，技术100的步骤可在替代实施例中分成多于或少于三个阶段。

当通过在预定时间段内关闭到SCR的所有选通信号而将AC电动机从电源电压断开时，技术100的初始阶段在步骤102处开始。根据替代实施例，SCR未被击发的周期数量可以小到一个周期的一半(即，单次击发)或者多达多个周期。在该断开时段期间，电动机电流为零。如在此所使用的，“周期”被定义为电源电压的一个时段的时间跨度。在50Hz系统中，例如，周期持续20ms。在操作期间，软启动器系统对于每个相在每个周期中击发两次，在周期的正部分期间击发一次，并且在周期的负部分期间击发一次。在一个实施例中，实现相对小数量的周期中断，诸如例如小于五(5)个周期，以便不干扰系统加速或操作并且促进AC电动机的重新激励(re-energizing)。在替代实施例中，可使用更大数量的周期中断，诸如例如多于五(5)个周期，以允许随时间推移的速度衰减的测量。

在电动机从电源电压断开之后，技术100进入速度估计技术的中间阶段，并且在步骤104处打开用于反电动势的测量窗口。根据各种实施例，该测量窗口可在其中SCR击发被断开的周期的开始或在诸如半个周期或一个完整周期之后的给定时间处打开。因此，在替代实施例中，测量窗口的持续时间可等于电动机从电源电压或其子部分断开期间的周期中断的总数量。

在测量窗口期间并且当到AC电动机40的输入电流为零时，技术100在步骤106处测量一个或多个相的反电动势电压，并将测量的反电动势电压存储在非易失性存储器中，其可体现在控制器86内或在替代实施例中在控制器86外部提供。在一个实施例中，反电动势电压通过使用传感器系统98测量线到线电压的峰值来确定。可通过监视单相或多相的电压来获取峰值。在获取来自多个相的电压数据的情况下，可在步骤106处确定最大反电动势电压作为来自两个或更多个相的峰值电压值的平均值。此外，在测量窗口在AC电动机40以低速操作的时段期间发生的情况下，在断开窗口期间反电动势电压的最大值或峰值可能不发生。如果技术100确定在测量窗口期间反电动势电压的实际峰值没有发生，则技术100可在多个连续断开时段上获取电压数据，并且使用在那些连续断开时段期间获取的电压幅度的平均值作为用于速度估计的最大反电动势电压。

可选地，在108处(以虚线示出)对最大反电动势电压值进行滤波或处理。在该步骤108期间，可基于给定应用对最大反电动势电压进行滤波以减少噪声或以其它方式处理。另外，以高速率对电压进行采样，并且可将数字或模拟滤波器用于测量电压。此外，可将峰值电压测量算法用于测量峰值电压。

在步骤110处，基于最大反电动势电压值的分析和AC电动机40的速度轮廓来确定AC电动机40的旋转速度的估计。使用测量的最大反电动势电压值，从反电动势对速度轮廓(诸如在图4中所示的轮廓112)来确定电动机速度估计。虽然在步骤110处确定的估计速度可能不反映AC电动机40的精确的实时速度，但是可将估计速度输出到操作界面88，作为AC电动机40对当前启动序列的响应的指示，从而允许操作者或自动控制来监视在电动机启动和后续操作期间AC电动机40没有过供电或欠供电。上面关于步骤106-110描述的动作在下文中被称为用于估计电动机速度的“峰值电压方法”。

在本发明的一个实施例中，可进一步改进(refine)速度估计以对电动机从AC电源48断开时发生的电动机速度的减小做出解释。由于断开之后的速度减小是瞬时的并且反电动势电压测量不与断开同时发生，所以AC电动机40的估计旋转速度小于断开时的实际速度。由于断开时的旋转速度是关注的量，所以可针对在给定的测量窗口期间的两个或更多个周期来测量反电动势电压，同时在这些周期期间出现峰值反电动势电压值的时间被记录。可从这些峰值中提取线或指数，并将该线或指数用于外推回来(extrapolate back)并估计在断开时的反电动势电压。可替代地，或除了该改进处理之外，来自多个相的峰值反电动势电压的平均值可用于获得速度估计。在本发明的另一个实施例中，在给定测量窗口期间的两个或更多个周期上的反电动势电压测量用于确定反电动势电压随时间推移的衰减，以便提供系统负载扭矩、系统惯性或两者的估计。

如在图4中所示，反电动势电压对速度轮廓112表示针对示例性类型或种类的感应电动机的在反电动势电压和旋转速度之间的关系。该示例性电动机具有3,000rpm的同步速度，并且采用550V的电源电压激励，以使得图4示出从静止到全速的电动机速度的反电动势轮廓。反电动势电压对速度轮廓112的斜率在拐点114处改变，以使得轮廓112包括两个基本上线性的段116、118，其中第一段对应于从开始起直到同步速度的速度增加的大约前三分之二，以及第二段118对应于速度增加的大约最后三分之一。在低于拐点114的速度下，反电动势电压对速度轮廓112的斜率相对平坦，因为感应电机等效电路在较低速度下由其磁化电感支配。在拐点114以上的速度下，反电动势电压支配电压对电流的关系，从而导致在轮廓的该部分中反电动势电压对速度轮廓112的更陡的斜率。

虽然在图4中所示的反电动势电压对速度轮廓112适用于示例性感应电动机，但是在反电动势电压和旋转速度之间的该关系的一般模式可假定为可适用于使用降低的电压启动的任何感应电动机。然而，拐点的位置和在拐点114之前和之后的线段116、118的斜率可相对于不同的电机设计而变化。在一个实施例中，由技术100使用的反电动势电压对速度轮廓可以是对于一般类型的电动机设计的一般反电动势电压对速度轮廓。可替代地，由于不同电动机之间的变化是可忽略的，所以反电动势电压对速度轮廓可在根据诸如例如滑差(slip)或额定速度的电动机铭牌信息的使用下，从实际系统获得。

在替代实施例中，使用“旋转电压矢量方法”来获得电动机速度估计。在该实施例中，当软启动器10从AC电源断开时，传感器系统98用于测量AC电动机40的相电压。所测量的3相电压转换为2相d-q静止坐标系，从而生成旋转电压矢量。旋转电压矢量的幅度和频率通过使用锁相环(PLL)来获得。使用PLL获得的反电动势电压矢量的频率可用于获得比上述峰值电压方法更精确的电动机速度估计。

使用旋转电压矢量方法可测量反电动势电压的精度，该精度基于电动机速度而变化，当电动机以高于例如额定速度一半的速度旋转时获得更精确的测量。因此，在替代实施例中，将技术100配置成使用混合电压测量方法来估计电动机速度，其中在低速下使用上面关于步骤106-110描述的峰值电压方法并且在高速下使用旋转电压矢量方法来获得速度估计。在本实施例中，当电动机在高速(例如，高于大约50％的额定速度)下操作时，技术100从使用PLL获取的反电动势电压矢量的频率来估计电动机速度。另一方面，当电动机在低速(例如，低于约50％的额定速度)下操作时，技术100使用反电动势电压对速度轮廓来估计电动机速度，其中从在一个断开时段期间测量的峰值或在几个连续断开时段上测量的平均值来确定反电动势电压的幅度。

图5示出了在一段时间段上，针对示例性AC电动机(诸如AC电动机40)的一相的反电动势电压120、线电压122和电流124，在该时间段期间，技术100以在电动机启动期间设定的时间间隔来启动速度测量中断。在AC电动机40是三相电动机的情况下，其它两个相将简单地移位120度。在所示的示例中，从启动序列开始的SCR击发的时序在启动开始之后每隔一(1)秒中断。图6是在速度测量中断中的一个速度测量中断期间的反电动势电压120的详细视图。如在图6中所示，AC电动机在时间＝2.25s处从AC电源48断开(步骤102)，并保持断开三(3)个完整周期。测量窗口126在时间＝2.267s处打开(步骤104)，之后，技术100搜索反电动势的最大值(步骤106)。

再次参考图3，在反电动势电压和速度估计的测量完成之后，技术100进入速度估计技术的最后阶段，在此期间将AC电动机重新连接到电压主线。如前所述，当重新连接时必须特别小心，以便当反电动势与电源电压异相时避免重新连接。因此，技术100以偏离在标准操作期间使用的时序序列(即，在断开之前的适当时序序列)的时序序列恢复SCR击发。

在图7中示出了在断开之前、期间和之后的示例性电流128、SCR电压130和线电压132。如下面关于图3和图7所描述的，技术100在电源相电压的过零之后触发两次SCR击发，并且在横跨SCR的电压过零之后触发第三次SCR击发，其中针对前两次和第三次击发使用不同的等待时间。对于三相电动机实施例，下面对于三个相中的一个相描述技术100的最后阶段的步骤。其它两个相将在恢复正常操作之前遵循相同的模式。

在反电动势测量完成之后，在图7中的时间＝0.16s处进入技术100的第三阶段。在该点处，技术100在步骤134处开始监视电源相电压132以识别过零。如在图7中所示，在该时段期间没有电流流过SCR，并且SCR电压130与电源相电压132相同。在图7中所示的示例中，该第一个过零发生在大约时间＝0.166s处。在过零之后，启动‘设定时间’等待。在经过‘设定时间’等待之后，在图7中的时间＝0.17s处，技术100在步骤136处触发第一次SCR击发。

在一个实施例中，通过测量在电源相线到线电压132的过零与在断开之前相应的相电流128的导通时段的开始或者过零之间的角度来确定“设定时间”等待的持续时间。可替代地，“设定时间”等待可被设定为等于电压和电流之间的相位滞后，如使用电机模型或观测器算法离线测量的。

根据另一实施例，根据作为反电动势电压的函数的预设时间表，将‘设定时间’等待定义在90度和45度之间。在示例性实施例中，如果反电动势电压小于电源相电压的百分之七十，则设定时间等待为90度，如果反电动势电压在电源相电压的百分之七十与百分之八十之间则设定时间等待为80度，如果反电动势电压在电源相电压的百分之八和百分之九十之间则设定时间等待为75度，如果反电动势电压在电源相电压的百分之九十和百分之九十五之间则设定时间等待为70度，并且如果反电动势电压大于电源相电压的百分之九十五(指示电动机以标称速度运行)则设定时间等待为45度。

在触发第一次SCR击发之后，在步骤138处针对在大约时间＝0.176s处发生的过零，技术100返回监视电源相电压132。在检测到的过零之后，再次启动“设定时间”等待。在经过“设定时间”等待之后，技术100在步骤140处触发第二次SCR击发，对应于图7中的时间＝0.18s。

在第二次SCR击发之后，技术100在步骤142处开始监视横跨SCR 130的电压以检测过零。如在图7中所示，在时间＝0.187s处，达到过零。当检测到SCR电压130的过零时，技术100启动‘缺口轮廓’等待。该‘缺口轮廓’等待的持续时间根据软启动器在断开之前使用的设计的缺口轮廓公式来确定。因此，该第三次SCR击发的缺口宽度γ与紧接断开之前的缺口宽度γ相同。在‘缺口轮廓’等待之后，技术100在步骤144处触发第三次SCR击发，对应于图7中的时间＝0.19s。在步骤146处，SCR击发根据在断开之前适当的时序序列来恢复操作。

在替代实施例中，可修改技术100以使用两步骤击发序列来将AC电动机重新连接到AC电源。在这种实施例中，在电源相电压的过零和相关联的‘设定时间’等待之后以与关于步骤134和136描述的相同的方式完成第一次SCR击发。然后在SCR电压的过零之后以与关于步骤142和144所描述的相同方式完成第二次SCR击发。

虽然技术100在上面被描述为在电动机启动期间操作，但是技术100可被扩展以提供在正常操作期间(即当电动机以全速操作时，在软启动器的旁路接触器通常处于闭合位置时)的电动机速度的估计。在正常操作期间，技术100被修改为在打开旁路接触器之前触发SCR。一旦旁路接触器打开，电动机断开短的时间段，诸如一个或两个周期，并且观察SCR缺口电压以确认SCR是关断的并且没有电流通过其传导。然后使用峰值电压方法或者上述旋转电压矢量方法在断开时段期间估计电动机速度。在测量的电压用于估计电动机速度之后，当击发SCR时，旁路接触器同时闭合，其中前两个SCR在线电压的过零处击发，并且第三次SCR击发的时序被选择为使SCR中的电流瞬变最小化。

在软启动器耦接到一种类型的电动机的情况下，在该电动机中电压可在向下滑行到停止点时下降，诸如在泵应用中，例如在要避免流体中的突然压降的情况下，技术100同样可被扩展以估计电动机正被控制为进入停止点时的电动机速度。在这种实施例中，如上所述，可应用峰值电压方法以基于用于电动机的反电动势电压对速度轮廓来确定电动机速度的估计。可替代地，当电动机保持以相对高的速度旋转时，旋转电压矢量方法可用于估计在紧随断开之后的一段时间内的电动机速度。一旦电动机已经减慢到较低速度(例如，低于大约50％的额定速度)，速度估计技术可转换到使用峰值电压方法，因为在该时段期间周期时间太大，以至于不能使用旋转电压矢量方法获得精确的速度估计。

在一个实施例中，技术100可被实现到软启动器的自动调谐算法中作为测试子例程，其中电机的估计速度用于确定电动机启动序列的质量或者电动机向下滑行序列的质量。如果估计速度不对应于期望速度，则通过自动调谐算法可使用估计速度来修改当前启动序列和/或后续启动内随后的SCR击发的时序。基于估计速度和期望速度之间的偏差量，自动调谐算法同样可被编程为中止当前的启动序列。

在另一个实施例中，技术100同样可用于通过在启动、正常操作或两者期间监视机器的速度以诊断机器或其负载的健康状况来提供诊断。在这种实施例中，估计的电动机速度可输出到操作者界面，诸如界面88。

技术100同样可用于负载识别目的，如在启动、正常操作期间或在断开之后滑行时的电机速度，以提供用于负载扭矩和惯性的测量的关键信息。在这种实施例中，技术100将被修改为包括在步骤102处断开之前计算电机扭矩并且此后在断开之后观察反电动势多个步骤的步骤。如果在电机处于标称速度时发生断开，则基于例如观察电机滑差，电机扭矩计算对应于负载扭矩。通过假设在断开期间负载扭矩是恒定的，在断开期间的速度上的衰减可用于使用已知的运动学方程来确定系统惯性。

在另一个实施例中，技术100可在发电系统或具有双重用途的电动机驱动(motoring)/发电的系统中使用。在该情况下，技术100可确定电机是以超过或低于同步速度运行，其中低于同步速度的速度对应于电动机驱动，并且超过同步的速度对应于发电。此外，如果在例如风力应用中发电，并且由于反电动势电压的频率确定输出到电网中的功率，则技术100和所得到的速度估计可用于有功功率限制。

此外，技术100可被集成在多个其它算法和函数内，或集成在其步骤内，诸如该技术100可与其协作工作，或随着信息交换等通过这种方法和步骤增强的诊断函数、保护函数、电流限制函数、能量监视函数等。同样，技术100可嵌入在较大或大得多的软启动器控制系统内或包含较大或大得多的软启动器控制系统。

所公开的方法和设备的技术贡献在于其提供了用于估计AC电动机的操作特性(诸如AC电动机的旋转速度)的控制器实现技术。

本领域的技术人员将理解，本发明的实施例可接口连接到具有存储在其上的计算机程序的计算机可读存储介质，并且受该计算机可读存储介质控制。计算机可读存储介质包括多个部件，诸如电子部件、硬件部件和/或计算机软件部件中的一个或多个。这些部件可包括一个或多个计算机可读存储介质，其一般存储诸如软件、固件和/或组件语言的指令，用于执行序列的一个或多个实施方式或实施例中的一个或多个部分。这些计算机可读存储介质一般是非暂态的和/或有形的。这种计算机可读存储介质的示例包括计算机和/或存储装置的可读数据存储介质。计算机可读存储介质可利用例如磁、电、光、生物和/或原子数据存储介质中的一个或多个。此外，这种介质可采取例如软盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、硬盘驱动器和/或电子存储器的形式。未列出的非暂态和/或有形的计算机可读存储介质的其它形式可用于本发明的实施例。

多个这种部件可在系统的实施方式中组合或分开。此外，如本领域的技术人员可理解的，这种部件可包括采用多种编程语言中的任何一种编程语言写入或实现的一组和/或一系列的计算机指令。另外，其它形式的计算机可读介质(诸如载波)可用于体现(embody)表示指令序列的计算机数据信号，该指令序列当由一个或多个计算机执行时使一个或多个计算机执行序列的一个或多个实施方式或实施例的一个或多个部分。

因此，根据本发明的一个实施例，一种电动机控制装置可电连接在AC电动机和AC电源之间，电动机控制装置包括多个切换装置，该多个切换装置包括与AC电动机的相应相对应的至少一个晶闸管。电动机控制装置同样包括控制器，该控制器被编程为在AC电源的电源相电压的第一多个周期之后将AC电源从AC电动机断开预定时间段。控制器进一步被编程为在预定时间段期间测量反电动势电压，从测量的反电动势电压估计AC电动机的操作特性，以及触发多个切换装置以将AC电源重新连接到AC电动机。

根据本发明的另一实施例，一种估计具有软启动器的AC电动机的速度的方法包括：控制软启动器以将AC电动机从AC电源断开一个断开时段，并且在该断开时段期间测量AC电动机的反电动势电压。该方法同样包括从测量的反电动势电压估计AC电动机的速度，以及通过根据多步骤击发序列触发软启动器的晶闸管，控制软启动器将AC电动机重新连接到AC电源。晶闸管的一次击发被定时为跟随AC电源的电源相电压的过零，并且晶闸管的随后击发被定时为跟随晶闸管的电压的过零。

根据本发明的另一实施例，一种电动机软启动器包括具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的输出的电路，该电路包括至少一个晶闸管。电动机软启动器同样包括连接到电路的控制器。该控制器被编程为操作电动机软启动器以将AC电动机连接到AC电源，操作电动机软启动器以将AC电动机从AC电源断开一个断开时段，并且在断开时段期间测量AC电动机的反电动势电压。控制器进一步被编程为从测量的反电动势电压估计AC电动机的旋转速度，以及在断开时段之后，操作电动机软启动器以将AC电动机重新连接到AC电源。

已经依照优选实施例描述了本发明的实施例，并且应当认识到，除了那些明确陈述之外，等价、替代和变型是可能的并且处于所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种电动机控制装置，其可电连接在AC电动机和AC电源之间，所述电动机控制装置包括：

多个切换装置，其包括与所述AC电动机的相应相对应的至少一个晶闸管；以及

控制器，其被编程为：

在所述AC电源的电源相电压的第一多个周期之后将所述AC电源从所述AC电动机断开预定时间段；

在所述预定时间段期间测量反电动势电压；

从所述测量的反电动势电压估计所述AC电动机的操作特性；以及

触发所述多个切换装置以将所述AC电源重新连接到所述AC电动机。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为：

根据将电流从所述AC电源注入到所述AC电动机中的序列来触发所述多个切换装置；以及

停止触发所述多个切换装置以将所述AC电源从所述AC电动机断开。

3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为：

从所述测量的反电动势电压估计所述AC电动机的旋转速度；

将所述估计的旋转速度与期望的旋转速度比较；以及

基于所述比较来修改将电流从所述AC电源注入到所述AC电动机中的序列。

4.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述操作特性包括所述AC电动机的旋转速度。

5.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述操作特性包括加载所述AC电动机的扭矩、所述AC电动机的电力输出、所述AC电动机的操作模式、系统惯性和系统故障中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述多个切换装置包括可控硅整流器(SCR)。

7.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为：

测量所述预定时间段期间的最大反电动势电压；以及

从所述测量的最大反电动势电压来估计所述AC电动机的旋转速度。

8.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为：

从所述测量的反电动势电压来生成旋转电压矢量；以及

从所述旋转电压矢量来估计所述AC电动机的旋转速度。

9.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为从反电动势对速度轮廓来估计所述AC电动机的旋转速度。

10.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其中所述反电动势对速度轮廓在实验上从所述AC电动机导出。

11.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其中从所述AC电动机的铭牌信息确定所述反电动势对速度轮廓。

12.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为根据以下序列来恢复触发所述多个切换装置：

(1)触发所述多个切换装置中的切换装置，以在电源相电压的一个过零之后第一次击发；

(2)触发所述切换装置，以在所述电源相电压的另一个过零之后第二次击发；以及

(3)触发所述切换装置，以在横跨所述切换装置的电压过零之后第三次击发。

13.根据权利要求12所述的电动机控制装置，其中所述控制器进一步被编程为：

触发所述切换装置以在从所述电源相电压的相应过零测量的设定时间延迟之后进行所述第一次和第二次击发；以及

触发所述切换装置以在从横跨所述切换装置的所述电压的过零测量的缺口延迟之后进行所述第三次击发，其中所述缺口延迟不同于所述设定时间延迟。

14.根据权利要求13所述的电动机控制装置，进一步包括传感器组件，其被配置为监视线电流的过零和所述电源相电压的所述过零；以及

其中所述设定时间延迟是在所述电源相电压的所述过零与所述电流的所述过零之间的角度。

15.一种用于估计具有软启动器的AC电动机的速度方法，所述方法包括：

控制所述软启动器以将所述AC电动机从AC电源断开一个断开时段；

在所述断开时段期间测量所述AC电动机的反电动势电压；

从所述测量的反电动势电压估计所述AC电动机的速度；以及

通过根据多步骤击发序列触发所述软启动器的晶闸管，控制所述软启动器将所述AC电动机重新连接到所述AC电源，其中所述晶闸管的一次击发被定时为跟随所述AC电源的电源相电压的过零，并且所述晶闸管的随后击发被定时为跟随所述晶闸管的电压的过零。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括根据三步骤击发序列触发所述晶闸管，其中所述晶闸管的第一次击发和第二次击发被定时为跟随所述电源相电压的相应过零，并且所述晶闸管的第三次击发被定时为跟随所述晶闸管的所述电压的过零。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

使用锁相环(PLL)生成旋转反电动势电压矢量；以及

从所述旋转的反电动势电压矢量估计所述AC电动机的速度。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：

当所述AC电动机在第一速度范围内操作时，从所述反电动势电压的峰值来估计所述AC电动机的速度；以及

当所述AC电动机在第二速度范围内操作时，从所述旋转反电动势电压矢量来估计所述AC电动机的速度；

其中所述第二速度范围高于所述第一速度范围。

19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括从所述反电动势电压的峰值来估计所述AC电动机的速度。

20.一种电动机软启动器，包括：

电路，其具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的输出，所述电路包括至少一个晶闸管；以及

连接到所述电路的控制器，所述控制器被编程为：

操作所述电动机软启动器以将所述AC电动机连接到所述AC电源；

操作所述电动机软启动器以将所述AC电动机从所述AC电源断开一个断开时段；

在所述断开时段期间测量所述AC电动机的反电动势电压；

从所述测量的反电动势电压估计所述AC电动机的旋转速度；以及

在所述断开时段之后，操作所述电动机软启动器以将所述AC电动机重新连接到所述AC电源。

21.根据权利要求20所述的电动机软启动器，其中所述AC电动机的所述旋转速度从反电动势电压与速度轮廓来估计。

22.根据权利要求20所述的电动机软启动器，其中所述控制器进一步被编程为向用户界面输出所述估计的旋转速度。

23.根据权利要求20所述的电动机软启动器，其中所述控制器进一步被编程为通过以下操作将所述AC电动机重新连接到所述AC电源：

在所述AC电源的电源相电压的第一个过零之后的第一设定时间处触发所述至少一个晶闸管的一次击发；以及

在横跨所述至少一个晶闸管的电压的过零之后的第二设定时间处触发所述至少一个晶闸管的另一次击发。

24.根据权利要求23所述的电动机软启动器，其中所述第一设定时间由在所述电源相电压的所述第一个过零与所述AC电源的电流的过零之间的测量角来确定；以及

其中所述第二设定时间由缺口轮廓公式确定。

25.根据权利要求20所述的电动机软启动器，其中所述控制器进一步被编程为：

将所述估计的旋转速度与所述AC电动机的同步速度比较；以及

基于所述比较来检测所述AC电动机是否在电动机驱动模式和发电模式中的一个模式中操作。

26.根据权利要求25所述的电动机软启动器，其中所述控制器进一步被编程为当所述AC电动机基于所述估计的旋转速度在所述发电模式下操作时限制所述AC电动机的电力输出。

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