CN106998166B - 一种永磁同步电机的软启动方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的软启动方法及控制装置，电机变频器配置为将电源按设定的软启动模型供给到电机，方法包括步骤：通过变频器产生一定大小的电流矢量到电机的定子，旋转电流矢量以旋转电机的转子，计算得到电机定子绕组在软启动的各阶段由定子绕组自感而造成的电流矢量的变化量，与变频器同步输入补偿电流矢量至定子绕组，通过在电机启动时输入补偿电流矢量，抵消定子绕组电感的阻碍迟滞作用，加快转子的启动速度，并且减少电机的失步；通过选择性的对定子绕组特定区段进行电流矢量补偿，使得电流矢量的补偿更加精确，有利于提升电机软启动的响应速度。

Description

一种永磁同步电机的软启动方法及控制装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，它涉及一种永磁同步电机的软启动方法及控制装置。

背景技术

由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，称为永磁同步电机。永磁同步电机主要由以下部件组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。

对于永磁同步电机的启动方法大致分为两类：变频启动（软启动）与直接启动（硬启动）。其中，硬启动的启动电流是电机额定电流的3-7倍，启动时所造成的过载冲击，对同步电机的机、电的强度与容量设计要求都十分严苛，也会对电机的定子绕组等造成破坏。为了避免上述情况的发生，现有技术中多通过软启动的方式来启动永磁同步电机。软启动顾名思义，就是不直接启动，而是利用电机变频器慢慢地调节输入永磁同步电机的输入电压以及频率大小，最终使得永磁同步电机在额定功率下运行，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去不可控的过载冲击电流变成为可控的、可根据需要调解大小的启动电流。对于上述控制，就目前而言，还存在一些问题，例如，上述软启动过程虽然平稳，但是也牺牲了电机的启动响应速度，软启动耗时较长并且在启动初期永磁同步电机容易出现失步现象。上述耗时较长的原因不仅在于软启动本身的步骤过程，还在于定子绕组具有一定的自感，对于电机定子绕组的电流矢量变化频率存在迟滞作用。

发明内容

针对实际运用中永磁同步电机软启动响应速度较慢这一问题，本发明目的一在于提出一种永磁同步电机的软启动方法，目的二在于提供一种实施上述方法的控制装置，具体方案如下：

一种永磁同步电机的软启动方法，电机变频器配置为将电源按设定的软启动模型供给到所述电机，所述方法包括步骤：

通过所述变频器产生一定大小的电流矢量到电机的定子，以及

旋转所述电流矢量以旋转所述电机的转子，

从软启动模型中各阶段的电流及电压关系，计算得到电机定子绕组在软启动的各阶段由所述定子绕组自感而造成的电流矢量的大小的变化量；

与所述变频器同步，输入补偿电流矢量至所述定子绕组，

其中，输入至所述定子绕组中的所述补偿电流矢量的大小，与经所述变频器配置输入至所述定子绕组中的电流矢量的大小的和值不小于所述电机的额定电流。

当永磁同步电机启动时，定子绕组中的电流矢量不断发生旋转，旋转的频率越来越接近电机的额定转动频率，同时，上述电流矢量的旋转带动电机转子的转动。在的定子绕组上电后，定子绕组由于自身结构的原因会存在一定大小的绕组电感，上述绕组电感的存在会迟滞定子绕组中的电流矢量的变化速度，延缓电机转子的启动时间，并且容易造成电机的失步；为了驱动电机转子转动，除需要克服电机转子本身的惯性阻力之外，还要克服绕组电感的阻抗，因此需要较大的初始电压。通过上述技术方案，在电机的转子开始转动时，向定子绕组中输入补偿电流矢量，上述补偿电流矢量用于克服定子绕组的绕组电感效应，并且配合定子绕组中的电流矢量增强定子当中的磁场，利于驱动转子转动。同时，输入的补偿电流矢量与定子绕组中的电流矢量分线设置，相互分离互不干涉，因此，降低了对电机主体的机、电强度要求。

进一步的，当所述电机启动时，所述补偿电流矢量的方向与所述定子绕组中电流矢量的方向相同。

通过上述技术方案，补偿电流矢量与定子绕组中的电流矢量产生的磁场相互叠加，增大了转子的力矩，促使电机转子转动；相同方向的电流矢量也使得补偿电流矢量能够削弱定子绕组电感的阻抗迟滞作用。

进一步的，所述补偿电流矢量配置为由所述定子绕组的两端点或所述定子绕组的至少两个任意接入点输入至所述定子绕组中。

由于在电机绕组通电时，最初的感抗表现在绕组的某一段而非整个绕组，通过上述技术方案，可以在电机不同的启动阶段选择不同的区段输入补偿电流矢量。

进一步的，所述补偿电流矢量的多个接入点均配置为位于所述定子绕组沿其所含电流矢量方向的前端，且两个所述接入点之间所包含的定子绕组的匝数与所述补偿电流的大小呈正相关设置。

通过上述技术方案，可以精确地抵消定子绕组前端的电感，减少电流矢量刚输入时的阻抗，减少响应的时间。

进一步的，当所述电机的运转电流及频率超过所述电机的额定值时，停止输入所述补偿电流矢量。

进一步的，当所述电机停止运转时，输入的所述补偿电流矢量方向与所述定子绕组中原电流矢量的方向相反。

通过上述技术方案，当电机停止转动时，可以利用上述电流矢量在短时间内将电机转子停住。

一种永磁同步电机的软启动控制装置，包括电源、整流滤波器、逆变器、变频控制器以及控制单元，还包括电流矢量补偿模块，所述电流矢量补偿模块包括：

补偿电源装置，配置为与所述控制单元控制连接，输出补偿电流矢量；

补偿绕组，包括至少一根与电机的定子绕组平行设置的绕组线，所述绕组线沿其长度方向设置有多个接入点，多个所述接入点上均电连接有导电线；

选通装置，设置于所述补偿电源装置与多根导电线之间，与多根所述导电线选通连接且与控制单元控制连接，响应于控制单元的控制信号选通多根所述导电线中的其中两根与补偿电源装置，形成一电流矢量补偿回路。

通过上述技术方案，在启动或停止电机转子的转动时，可以通过补偿绕组向定子绕组输入补偿电流矢量，上述补偿电流矢量在电机启动时提供与定子绕组相同频率，相同方向的电流矢量，产生的磁场抵消定子绕组的自感，减少绕组电感对软启动的迟滞作用，降低失步的概率，通过设置选通装置，可以利用控制单元选择性的导通其中两根导电线，选择每一个特定方向下的电流矢量所流经的定子绕组的位置与匝数，使得定子绕组能够被精确的抵消降低。通过设置补偿绕组，也可以利用补偿绕组采集定子绕组中的磁场变化，实现对电机运行状态的检测。

进一步，所述补偿电源装置包括电源、整流滤波器、逆变器、变频控制器且上述各个器件的配置与所述永磁同步电机的电源、整流滤波器、逆变器、变频控制器相同；

所述永磁同步电机的变频控制器与控制单元控制连接，响应于控制单元的控制信号按照电机软启动模型输出变频控制信号。

通过上述技术方案，使得补偿电流矢量的补偿电源装置能够输出与电机变频器相同频率、相同方向的电流矢量，也可以输出不一样的补偿电流矢量，实现对电机内部磁场的精确控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）通过在电机启动时输入补偿电流矢量，抵消定子绕组电感的阻碍迟滞作用，加快转子的启动速度，并且减少电机的失步；

（2）通过选择性的对定子绕组特定区段进行电流矢量补偿，使得电流矢量的补偿更加精确，有利于提升电机软启动的响应速度。

附图说明

图1为本发明的软启动方法流程示意图；

图2为本发明的控制装置结构框架示意图;

图3为永磁同步电机的软启动控制装置的整体模块示意图。

附图标志：1、电源；2、整流滤波器；3、逆变器；4、变频控制器；5、控制单元；6、电流矢量补偿模块；61、补偿电源装置；62、补偿绕组；63、选通装置。

具体实施方式

下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，一种永磁同步电机的软启动方法，电机变频器配置为将电源1按设定的软启动模型供给到所述电机。上述电机的软启动模型包括电机启动时初始输入的电压-频率曲线，针对不同的电机，变频控制器4依照不同的电压-频率曲线向定子绕组输入电流矢量，实现转子的启动。

当永磁同步电机启动时，定子绕组中的电流矢量不断发生旋转，旋转的频率越来越接近电机的额定转动频率，同时，上述电流矢量的旋转带动电机转子的转动。在的定子绕组上电后，定子绕组由于自身结构的原因会存在一定大小的绕组电感，上述绕组电感的存在会迟滞定子绕组中的电流矢量的变化速度，延缓电机转子的启动时间，并且容易造成电机的失步；为了驱动电机转子转动，除需要克服电机转子本身的惯性阻力之外，还要克服绕组电感的阻抗，因此需要较大的初始电压。当下常见的硬启动电压为电机额定电压的6-7倍，上述类似于电脉冲的电压会对电机造成严重的冲击，不利于电机的安全稳定。相对而言，软启动则会由于绕组电感的饱和效应而容易发生失步并且在启动上有一定时间的迟滞。

基于上述问题，对于本发明，所述软启动方法包括步骤：

S1：通过所述变频器产生一定大小的电流矢量到电机的定子；

S2：旋转所述电流矢量以旋转所述电机的转子；

S3：从软启动模型中各阶段的电流及电压关系，计算得到电机定子绕组在软启动的各阶段由所述定子绕组自感而造成的电流矢量的变化量；

S4：与所述变频器同步，输入补偿电流矢量至所述定子绕组。

其中，输入至所述定子绕组中的所述补偿电流矢量的大小，与经所述变频器配置输入至所述定子绕组中的电流矢量的大小的和值不小于所述电机的额定电流。

通过上述技术方案，在电机的转子开始转动时，向定子绕组中输入补偿电流矢量，上述补偿电流矢量用于克服定子绕组的绕组电感效应，并且配合定子绕组中的电流矢量增强定子当中的磁场，利于驱动转子转动。同时，输入的补偿电流矢量与定子绕组中的电流矢量分线设置，相互分离互不干涉，不会在同一绕组线圈中产生过大的电流，因此降低了对电机主体的机、电强度要求。

当所述电机启动时，所述补偿电流矢量的方向与所述定子绕组中电流矢量的方向相同。

当所述电机停止运转时，输入的所述补偿电流矢量方向与所述定子绕组中原电流矢量的方向相反。

上述状态中，相同方向的补偿电流矢量与定子绕组中的电流矢量，补偿电流矢量与定子绕组中的电流矢量产生的磁场相互叠加，增大了转子的力矩，促使电机转子转动；相同方向的电流矢量也使得补偿电流矢量能够削弱定子绕组电感的阻抗迟滞作用。

当电机停止转动时，即电子定子绕组中的电流矢量消失时，由于绕组自感的存在，定子绕组中仍然会维持一段时间的电流存在，在一段时间内，这股电流将会维持定子绕组中的磁场不变，因此会增加电机停转所需的时间。而这时相反方向的补偿电流矢量与定子绕组中的自感产生的电流矢量能够相互抵消，从而缩短电机转子停转的时间。

当所述电机的运转电流及频率超过所述电机的额定值时，停止输入所述补偿电流矢量。

当所述电机的运转电流及频率低于设定值时（停转过程），停止输入所述补偿电流矢量。

上述两条设定可以保证电机的正常稳定，使得电机的运行功率维持在合理的水平。

由于在电机绕组通电时，最初的感抗表现在绕组的某一段而非整个绕组。详述的，所述补偿电流矢量配置为由所述定子绕组的两端点或所述定子绕组的至少两个任意接入点输入至所述定子绕组中，可以在电机不同的启动阶段选择不同的区段输入补偿电流矢量。

本发明中，优化的，所述补偿电流矢量的多个接入点均配置为位于所述定子绕组沿其所含电流矢量方向的前端，且两个所述接入点之间所包含的定子绕组的匝数与所述补偿电流的大小呈正相关设置。上述技术方案，可以精确地抵消定子绕组前端的电感，减少电流矢量刚输入时的阻抗，减少响应的时间。

为了实现上述永磁同步电机的软启动方法，本发明中还提出了一种永磁同步电机的软启动控制装置。如图2所示，包括电源1、整流滤波器2、逆变器3、变频控制器4以及控制单元5，还包括电流矢量补偿模块6。

参见图3，所述电流矢量补偿模块6包括：

补偿电源装置61，配置为与所述控制单元5控制连接，输出补偿电流矢量；

补偿绕组62，包括至少一根与电机的定子绕组平行设置的绕组线，所述绕组线沿其长度方向设置有多个接入点，多个所述接入点上均电连接有导电线；

选通装置63，设置于所述补偿电源装置61与多根导电线之间，与多根所述导电线选通连接且与控制单元5控制连接，响应于控制单元5的控制信号选通多根所述导电线中的其中两根与补偿电源装置61，形成一电流矢量补偿回路。

对于所述补偿电源装置61，包括电源1、整流滤波器2、逆变器3、变频控制器4且上述各个器件的配置与所述永磁同步电机的电源1、整流滤波器2、逆变器3、变频控制器4相同；所述永磁同步电机的变频控制器4与控制单元5控制连接，响应于控制单元5的控制信号按照电机软启动模型输出变频控制信号。上述技术方案，使得补偿电流矢量的补偿电源装置61能够输出与电机变频器相同频率、相同方向的电流矢量，也可以输出不一样的补偿电流矢量，实现对电机内部磁场的精确控制。

上述方案中，控制单元5采用单片机、DSP芯片等。上述选通装置63采用程控开关。优选的，补偿绕组62设置于定子绕组靠近定子绕组轴线一侧，以平衡定子绕组趋肤效应可能存在的影响。

本方案中，在启动或停止电机转子的转动时，可以通过补偿绕组62向定子绕组输入补偿电流矢量，上述补偿电流矢量在电机启动时提供与定子绕组相同频率，相同方向的电流矢量，产生的磁场抵消定子绕组的自感，减少绕组电感对软启动的迟滞作用，降低失步的概率，通过设置选通装置63，可以利用控制单元5选择性的导通其中两根导电线，选择每一个特定方向下的电流矢量所流经的定子绕组的位置与匝数，使得定子绕组能够被精确的抵消降低。通过设置补偿绕组62，也可以利用补偿绕组62采集定子绕组中的磁场变化，实现对电机运行状态的检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的软启动方法，电机变频器配置为将电源(1)按设定的软启动模型供给到所述电机，所述方法包括步骤：

通过所述变频器产生一定大小的电流矢量到电机的定子，以及

旋转所述电流矢量以旋转所述电机的转子，其特征在于，

从软启动模型中各阶段的电流及电压关系，计算得到电机定子绕组在软启动的各阶段由所述定子绕组自感而造成的电流矢量的变化量，

与所述变频器同步，输入补偿电流矢量至所述定子绕组，

其中，输入至所述定子绕组中的所述补偿电流矢量的大小，与经所述变频器配置输入至所述定子绕组中的电流矢量的大小的和值不小于所述电机的额定电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电机启动时，所述补偿电流矢量的方向与所述定子绕组中电流矢量的方向相同。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述补偿电流矢量配置为由所述定子绕组的两端点或所述定子绕组的至少两个任意接入点输入至所述定子绕组中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述补偿电流矢量的多个接入点均配置为位于所述定子绕组沿其所含电流矢量方向的前端，且两个所述接入点之间所包含的定子绕组的匝数与所述补偿电流的大小呈正相关设置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电机的运转电流及频率超过所述电机的额定值时，停止输入所述补偿电流矢量。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述电机停止运转时，输入的所述补偿电流矢量方向与所述定子绕组中原电流矢量的方向相反。

7.一种永磁同步电机的软启动控制装置，包括电源(1)、整流滤波器(2)、逆变器(3)、变频控制器(4)以及控制单元(5)，其特征在于，还包括电流矢量补偿模块(6)，所述电流矢量补偿模块(6)包括：

补偿电源装置(61)，配置为与所述控制单元(5)控制连接，输出补偿电流矢量；

补偿绕组(62)，包括至少一根与电机的定子绕组平行设置的绕组线，所述绕组线沿其长度方向设置有多个接入点，多个所述接入点上均电连接有导电线；

选通装置(63)，设置于所述补偿电源装置(61)与多根导电线之间，与多根所述导电线选通连接且与控制单元(5)控制连接，响应于控制单元(5)的控制信号选通多根所述导电线中的其中两根与补偿电源装置(61)，形成一电流矢量补偿回路。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述补偿电源装置(61)包括电源、整流滤波器、逆变器、变频控制器且上述各个器件的配置与所述永磁同步电机的电源(1)、整流滤波器(2)、逆变器(3)、变频控制器(4)相同；

所述永磁同步电机的变频控制器与控制单元(5)控制连接，响应于控制单元(5)的控制信号按照电机软启动模型输出变频控制信号。

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