CN106533266B - 用于重启感应电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的一种用于重启感应电机的方法包括：在位置和速度估计操作中估计转子的位置和所述转子的速度，在速度参考重置操作中将速度参考重置为与转子的速度相对应，在电压幅值调节操作中生成与速度参考相对应的控制电压以使用控制电压来调节电压幅值，以及在重新加速操作中在电压幅值的调节之后对感应电机重新加速直到目标速度。

Description

用于重启感应电机的方法
技术领域
本公开内容涉及一种用于重启感应电机的方法，并且更具体地涉及一种用于重启感应电机以便当在逆变器的3相交流电源处发生瞬时功率故障等等时立即重新开始感应电机的操作而不停止感应电机的操作并且之后恢复功率的方法。
背景技术
感应电机可适用于从风扇或泵到供暖通风空气调节(HVAC)设施的各种范围。具体地，使用逆变器的感应电机驱动系统具有提高能量效率的优点，使得其被越来越多地使用。
一般地，当在交流输入电源中发生功率故障时，逆变器在预定时间内阻断脉宽调制(PWM)输出。然而，当功率故障是瞬时的时或者当花费很长时间来加速负载时，可能引起工业领域的大量损失以完全停止并且之后重启机器。因此，需要的是一种用于当在感应电机处于自由运行状态中时恢复功率时简单地重启该机器的方法。
在功率故障期间，感应电机转到自由运行，并且转子的速度和通量随时间减小。如果当重启机器时不考虑变化的位置和速度信息而输入用于控制的电压，则可能存在在直流阶段的电容器处生成大浪涌电流或再生功率的可能性。即，当直流阶段的功率电压正在升高时，这可能是逆变器的故障原因，使得存在对用于在没有感应电机的相位电流及其直流阶段的功率电压的骤然升高的情况下重启感应电机的方法的需要。
另外，为了这个目的，为了确保机器的稳定的重启性能，存在对用于在重启机器时测量、计算或估计转子的位置信息及其速度信息的方法的需要。
在本公开内容中，由于可能存在其中在感应电机的一些应用中难以附接转子位置传感器的情况，将提出应用用于估计转子的位置和速度信息的估计器的技术。另外，将提出具有能够在重启感应电机时防止浪涌电流和再生电压的生成的配置的新技术。
发明内容
为了解决以上描述的问题，本公开内容的目的是要提供一种用于重启感应电机以便当在逆变器的3相交流电源处发生瞬时功率故障时重新开始感应电机的操作而不停止感应电机的操作并且之后恢复功率的方法。
本公开内容的目的不限于以上描述的，并且本公开内容的其他目的和特征将通过下面的描述认识到并且将通过本公开内容的实施例变得更容易理解。此外，将容易理解本公开内容的目的和特征能够借助于随附权利要求及其组合中公开的装置来实施。
为了达到上述目的，本公开内容提供了一种用于在恢复功率的过程中重启感应电机的方法，其包括：在驱动信号被供应到感应电机时估计转子的位置及其速度，将速度参考重置为与转子的所估计的速度相对应，生成与所重置的速度参考相对应的控制电压以使用控制电压来调节电压幅值，以及在已经调节了电压幅值之后重新加速感应电机直到目标速度。
这里，本公开内容还可以包括当转子的所估计的速度被确定为小于参考速度时阻断被供应到感应电机的驱动信号。
在这点上，电压幅值调节可以优选被配置为使用转子的反电动势的所估计的值和与控制电压相对应的所生成的电压参考逐渐地将电压幅值从转子的所估计的反电动势的幅值调节到电压参考的幅值。
在这种情况下，电压参考可以由基于模型的电压控制(MVC)或六角形电压操纵控制(HVMC)生成。
同时，位置和速度估计可以被配置为根据转子反电动势的所估计的值来估计转子的速度、同步角度以及位置。
此外，转子反电动势的所估计的值可以优选使用感应电机的定子电流、定子电压参考以及参数来估计。
如上所述，根据本发明，当在逆变器的3相交流电源处发生瞬时功率故障并且之后恢复功率时，可以重启感应电机的操作而不停止感应电机的操作，使得可以提供能够防止由于工业领域中的功率故障的成本损失的效力。
此外，在重启感应电机的过程中，诸如速度估计、电压调节等的功能被实施以便防止浪涌电流和再生电压的生成，使得可以提供能够防止对直流阶段的逆变器元件和电容器的损坏的额外优点。
附图说明
图1是用于描述根据相关技术的用于重启感应电机的方法的概念图。
图2是用于描述根据本公开内容的实施例的用于重启感应电机的方法的概念图。
图3是用于描述根据本公开内容的一个实施例的用于重启感应电机的方法的流程图。
图4是用于描述使用图3的电压调节器的电压调节方法的曲线图。
具体实施方式
将参考附图详细描述本公开内容的以上描述的优点、特征和优点，并且因此，本公开内容的技术构思能够容易地由本领域技术人员实施。此外，在本公开内容的下面的描述中，如果已知的功能和配置的详细描述被确定为使本公开内容的实施例的解释模糊不清，则将省略对其的详细描述。
在下文中，将参考附图详细描述根据本公开内容的优选实施例。在对附图的部件给予附图标记时，相同的附图标记被给予相同的或相似的部件。
图1是用于描述根据相关技术的用于重启感应电机的方法的概念图。
参考图1，为了根据相关技术重启3相感应电机140，能够证实提供V/f参考电压发生器110、脉冲发生器120、逆变器130、电压测量装置150、相位检测器160、电压补偿值计算器170等。
V/f参考电压发生器110生成V/f参考电压。
脉冲发生器120将在V/f参考电压发生器110处生成的参考电压转换成门控信号以通过门控驱动电路将开关信号传输到逆变器130。
逆变器130是电压类型逆变器并且用于将电压施加到3相感应电机140。
电压测量装置150用于测量在3相感应电机140与逆变器130之间的绕组电压。
相位检测器160用于估计所测量的电压的幅值、频率和相位。
电压补偿值计算器170计算经校正的电压参考和速度、频率参考等以生成关于V/f参考电压发生器110的电压补偿值。
即，当功率故障发生时，来自脉冲发生器120的门控信号的输出被阻断，并且3相感应电机140通过惯性自由地运行。
当3相感应电机140自由地运行时，通过电压测量装置150测量的在机器的输入端处的电压是3相感应电机140的残留电压，并且残留电压的频率与转子的速度相同。
因此，通过相位检测器160估计残留电压的幅值、频率和相位。并且之后，使用残留电压的所估计的幅值、频率和相位，在3相感应电机140的重启时间处计算经校正的电压参考，使得其被使用在重启操作中。
在重启之后，电压的幅值被增大以便与V/f参考电压发生器110的先前使用的电压参考相对应，并且其被切换到先前的V/f操作以返回到正常操作状态。
为了参考，要指出如上所述的根据相关技术的用于重启感应电机的方法是指ChoiSeung Cheol、Hong Chan Uk、Yoo An Noh的文章“Restarting strategy of medium-voltage inverter with voltage sensor”(the Korean Institute of PowerElectronics,2014Annual Fall Conference of Power Electronics'2014，2014年11月，第81～82页)。
如上所述，尽管根据相关技术的用于重启感应电机的方法具有由于V/f控制的特性而简化实施方式的优点，但是因为未精确地检测到转子的位置和速度，所以存在未有效地进行重启的问题。此外，由于瞬时响应特性是低的，所以存在如下问题：可以瞬时生成大浪涌电流。另外，由于使用了电压传感器，所以存在如下额外问题：增大整个系统的配置成本。
图2是用于描述根据本公开内容的实施例的用于重启感应电机的方法的概念图。
参考图2，为了实施根据本公开内容的实施例的用于重启3相感应电机260的方法，能够证实速度参考输出单元210、速度控制器220、电压参考发生器230、脉冲发生器240、逆变器250、转子反电动势估计器270、位置/速度估计器280、电压调节器290等。
速度参考输出单元210输出速度参考。
速度控制器220可以由采用典型比例积分形式的控制器来实施并且用于通过扭矩参考的输出来控制速度。
电压参考发生器230用于生成与被接收到的扭矩参考相对应的电压参考，并且可以优选被配置为使用3相感应电机260的基于电压模型的开环矢量控制。
脉冲发生器240用于将电压参考转换成门控信号以通过门控驱动电路将开关信号发送到逆变器250。
逆变器250可以被配置有电压类型逆变器并且用于将电压施加到3相感应电机260。
转子反电动势估计器270用于基于电压参考和所测量的电流来估计转子的反电动势。
位置/速度估计器280用于使用通过转子反电动势估计器270估计的转子的反电动势来估计转子的位置和速度信息。
电压调节器290用于逐渐地改变电压的幅值以便实现在速度估计模式(模式2)与重新加速模式(模式4)之间的平滑切换。
另外，能够证实提供了用于实施无传感器位置控制等必要的相位电流测量传感器S等。
即，根据本发明的实施例的用于重启感应电机的方法在恢复功率之后按速度估计、电压调节和重新加速的顺序前进。
这里，在图2中，模式0(Mode 0)意指正常操作状态，模式1(Mode 1)意指功率故障状态，模式2(Mode 2)意指速度估计，模式3(Mode 3)意指电压调节，并且模式4(Mode 4)意指重新加速。在与它们之中的Mode 1相对应的功率故障状态中，脉宽调制(PWM)信号被阻断以停止逆变器的切换操作。
为了遵循从速度参考单元210输入的3相感应电机260的速度参考，可以使用被配置有比例积分控制器等的速度控制器220。这里，从比例积分控制器220输出的扭矩参考被用作电压参考发生器230的输入。
电压参考发生器230的电压参考生成方法可以根据电压是否受限制而被分类成两种方法：基于模型的电压控制(在下文中，被称为MVC)和六角形电压操纵控制(在下文中，被称为HVMC)。即，当电压不受限制时，使用MVC来输出电压参考，并且否则，当电压受限制时，使用HVMC来输出电压参考。下面使用等式来描述上述每个方法。
首先，MVC是其中从与额定通量相对应的通量等式和正扭矩区中的扭矩等式获得电压参考的方法，并且电压参考满足每单位电流的最大扭矩。为了获得正区中的电压参考，使用转子通量参考控制中的感应电机的扭矩和通量等式。
扭矩和通量等式可以由如如下的等式1和等式2中的扭矩参考和通量参考表示。
[等式1]
[等式2]
这里，表示从速度控制器220输出的扭矩参考，表示感应电机的通量参考，并且和分别表示同步参考系中的d轴电流参考和q轴电流参考
此外，Lm和Lr分别意指感应电机的磁化电感和转子同步电感，τr意指转子时间常数，p意指差分算子。同时，感应电机的电压等式被简化为要被表示为以下等式的反电动势项的形式。
[等式3]
[等式4]
这里，和分别意指同步参考系中的d轴电压参考和q轴电压参考，并且ωe意指感应电机的同步角速度。此外，LS和σLS意指感应电机的转子电感和多余电感。
并且，如果等式1到等式4以瞬时等式形式来编写，同步参考系中的电压参考可以根据如下的扭矩和通量参考来计算。
[等式5]
另一方面，HVMC是一种用于根据电压限制六角形和扭矩等式来获得电压参考的方法以便使在其处电压的幅值被限制的场弱化区中的电压用量最大化。
感应电机的扭矩等式可以使用电压参考而被表示为如下等式。
[等式6]
在电压限制的情况下，扭矩参考可以被表示为在同步参考系上旋转的六角形形式，并且电压限制六角形的六个边中的每个边可以由如下的线性等式来表示。
[等式7]
这里，Mn和Bn分别意指旋转六角形的六个边中的每个边的斜率和截距，并且是随同步角度被旋转变化的常数值。并且，如果等式6和等式7以同步等式形式来编写，电压参考的解决方案可以被获得如下。
[等式8]
这里，a＝Ｍn，b＝Bn，被满足。
即，HVMC意指在感应电机的扭矩曲线与电压限制六角形之间的交叉点。
为同步参考系上的d轴电压参考和q轴电压参考的和使用为位置/速度估计器280的输出信息的所估计的同步角度而被转换到3相a-b-c参考系中，由此被输出为
转子反电动势估计器270使用3相a-b-c参考系上的定子电流iabcs和定子电压参考以及感应电机的参数来估计3相参考系上的转子反电动势
位置/速度估计器280使用来估计转子的转子速度、同步角度和位置。
关于以上描述的更多细节，参见Seok,J.、Kim,S.的“Hexagon VoltageManipulating Control(HVMC)for AC Motor Drives Operating at Voltage Limit”(Industry Applications,IEEE Transactions on XX,第PP卷，第99号，第1,1页)。
图3是用于描述根据本发明的一个实施例的用于重启感应电机的方法的流程图。
参考图3，能够证实根据本发明的一个实施例的用于重启感应电机的方法被配置为包括：在操作S310中确定是否发生功率故障，在操作S330中确定是否恢复了功率，在操作S350中确定机器的旋转速度，在操作S370中基于机器的旋转速度来重置速度参考，在操作S380中调节电压的幅值，以及在操作S390中重新加速。
当在操作S310中发生功率故障时，在操作S320中首先关闭PWM信号。即，参考图2，连接到逆变器250的输入端的开关被切换到Mode 1，并且通过在操作S320中关闭PWM信号来将所有门控信号处于关闭状态。
在下文中，当在操作S330中恢复了功率时，PWM信号被再次输出，并且转子反电动势估计器270和位置/速度估计器280估计转子的位置及其速度。此外，连接到脉冲发生器240的输入端的开关被切换到Mode 2，并且使用电压参考和所测量的电流根据转子反电动势估计器270和位置/速度估计器280获得在恢复了功率时的转子信息。
即，转到自由运行的转子反电动势使用转子反电动势估计器270来估计，并且转子的当前位置及其当前速度使用位置/速度估计器280来估计。
当执行这样的速度估计以便通过使在转子反电动势与定子的电压之间的电势差最小化来使在定子处的浪涌电流最小化，所估计的反电动势被用作电压参考。根据转子反电动势估计器270和位置/速度估计器280的控制带宽来影响速度估计性能。同时，由于可能存在在估计的初始阶段处的过渡状态，可以优选维持速度估计模式Mode 2直到进入准备状态。
并且，在操作S350中，确定所估计的速度是否小于确保无传感器控制的稳定性需要的最小速度fmin。
如果作为操作S350的确定结果所估计的速度小于最小速度，则在操作S360中PWM信号再次被关闭以停止机器。即，当所估计的速度被确定为小于最小速度时，PWM信号被关闭，与以上描述的功率故障中执行的操作相同。因此，连接到逆变器250的输入端的开关被切换到Mode 1以通过关闭PWM信号来将所有门控信号设置为维持关闭状态。
否则，如果作为操作S350的确定结果所估计的速度等于或大于最小速度，则在操作S370中将速度参考重置为当前估计的速度。换言之，在已经完成了速度估计时，速度参考输出单元210将速度参考重置为从位置/速度估计器280输出的所估计的转子速度在下文中，控制电压使用通过速度控制器220和电压参考发生器230重置的速度参考来生成。
作为这样操作的结果，从电压参考发生器230生成的电压参考和转子反电动势估计器270的转子反电动势估计值具有相同的频率。然而，转子反电动势估计器270的转子反电动势的幅值根据转子的通量变化而变化，使得其具有与电压参考发生器230的电压参考的幅值不同的幅值。
因此，在调节电压幅值的以下操作S380中，电压幅值被逐渐改变以便执行在速度估计模式Mode 2与重新加速模式Mode 4之间的平滑切换。在这点上，连接到脉冲发生器240的输入端的开关被切换到Mode 3。
换言之，在转子反电动势估计器270的转子反电动势与电压参考的电压参考之间的幅值差应当被平滑地调节。如果不是的话，当在速度估计模式Mode 2与重新加速模式Mode 4之间执行模式切换时，可能存在生成由于骤然电压幅值变化的浪涌电流等的可能性。因此，本公开内容提供了一种使用电压调节器290的配置以便逐渐地将转子反电动势估计器270的所估计的转子反电动势的幅值改变到电压参考发生器230的电压参考的幅值。
将参考图4描述电压调节器290的配置和功能。
图4是用于描述使用图3的电压调节器的电压调节方法的曲线图。
参考图4，区间(a)意指速度估计区间，即，Mode 2。在该区间中，计算转子反电动势的所估计的值的幅值。
区间(b)意指电压调节区间，即，Mode 3。在该区间中，电压从所估计的转子反电动势的幅值逐渐变化到电压参考的幅值。
区间(c)意指重新加速区间，即，Mode 4。该区间是其中完成了用于重启感应电机的准备的状态，并且因此以正常操作的速度重新加速感应电机。
区间(d)是表示转子反电动势的幅值相对于根据重置的速度参考计算的电压参考的幅值的比率的值。
换言之，当在速度估计区间(a)上使用转子反电动势的幅值|vbemf|并且根据重置的速度参考来计算重启电压参考的幅值时，转子反电动势的幅值相对于初始电压参考的幅值的比率可以如以下等式9使用k0来表示。
[等式9]
电压调节区间(b)中的比例常数k的值从k0变化到1，并且同步参考系上的定子电压参考可以通过如以下等式10将重启电压参考乘以比例常数k来以斜升的形式来变换。
[等式10]
即，参考回到图3，在完成了电压幅值调节操作S380之后，换言之，在完成了电压调节模式之后，重新加速操作S390意指用于根据加速轮廓来重新加速机器直到期望目标速度的过程。
重新加速操作S390处于其中已经完成了用于重启感应电机的准备过程的状态中。因此，速度参考输出单元210改变速度参考直到在正常操作处的速度参考值以使用通过速度控制器220和电压参考发生器230重置的速度参考来重新加速3相感应电机260。
如上所述，依照根据本发明的实施例的用于重启感应电机的方法，当在逆变器的3相交流电源处发生瞬时功率故障并且之后恢复功率的期间，重启感应电机的操作而不停止感应电机的操作，使得可以提供能够防止由于如以上所描述的工业领域中的功率故障的成本损失的效力。
此外，在重启感应电机的过程中，诸如速度估计、电压调节等的功能被实施以便防止浪涌电流和再生电压的生成，使得可以提供能够防止对在直流阶段处的逆变器元件和电容器的损坏的额外优点。
如上所述，本公开内容能够由本领域技术人员在不脱离本公开内容的技术构思和范围连同对这样的权利要求被授予的替代、修改和更改的完整范围的情况下来修订，并且本公开内容不限于本文和附图公开的实施例。

Claims (7)

1.一种用于在恢复功率的过程中重启感应电机的方法，包括：
当驱动信号被供应到感应电机时估计转子反电动势并且估计转子的位置和所述转子的速度；
将速度参考重置为与所述转子的所估计的速度相对应；
生成与所重置的速度参考相对应的控制电压；
使用所述控制电压和所述转子反电动势来调节电压幅值；以及
在已经调节了所述电压幅值之后重新加速所述感应电机直到目标速度，
其中在执行所述位置和所述转子的速度的估计时所述转子反电动势用作电压参考。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度参考重置包括：
(a)确定所述转子的所估计的速度是否等于或大于参考速度；以及
(b)当所述转子的所估计的速度被确定为等于或大于所述参考速度时将所述速度参考重置为与所述转子的所估计的速度相对应。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
当所述转子的所估计的速度被确定为小于所述参考速度时阻断被供应到所述感应电机的驱动信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压幅值调节使用所述转子的反电动势的所估计的值和与所述控制电压相对应的所生成的电压参考逐渐地将所述电压幅值从所述转子的所估计的反电动势的幅值调节到所述电压参考的幅值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述电压参考由基于模型的电压控制(MVC)或六角形电压操纵控制(HVMC)生成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述位置和速度估计被配置为根据所述转子反电动势的所估计的值来估计所述转子的速度、同步角度以及位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述转子反电动势的所估计的值使用所述感应电机的定子电流、定子电压参考以及参数来估计。
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