CN107026591B - 永磁同步电机的预加热系统、方法及压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种永磁同步电机的预加热系统、方法及压缩机，属于永磁电机预加热领域。该永磁同步电机包含永磁体和绕组线圈，永磁同步电机的预加热系统包括：直流电源，用于为永磁同步电机的预加热系统供电；逆变器，连接至绕组线圈；空间矢量脉宽控制器，该空间矢量脉宽控制器的输入端连接至直流电源以及该空间矢量脉宽控制器的输出端连接至逆变器，用于输出脉冲宽度调制信号以控制逆变器，其中，逆变器用于基于脉冲宽度控制信号输出高频三相交流电压至绕组线圈，以在高频三相交流电压的作用下预加热绕组线圈和永磁体。使得在预热的过程中既产生了铜损也产生了丰富可观的杂散损耗，由此实现均匀、高效且快速地预热电机。

Description

永磁同步电机的预加热系统、方法及压缩机

技术领域

本发明涉及永磁电机预加热领域，具体地涉及一种永磁同步电机的预加热系统、方法及压缩机。

背景技术

目前，有的空调散热风机和压缩机的电机为无位置传感器的永磁同步电机，无位置传感器永磁同步电机在低温环境下长期放置后，由于机油粘度很大，可能会导致电机绕组线圈处于低温冻结状态以及绕组参数的变化。并且由于同步电机在起动前，转子位置是未知的，需要根据其绕组参数对转子位置进行估算，如果绕组参数出现变化和转子位置不确定时，开机后若强行启动电机，容易检测不到转子位置，导致出现启动失败，甚至损坏电机。

现有技术中对于永磁同步电机的预加热一般有两种解决方案，其中第一种解决方案是：在压缩机壳体绑电加热带或保温装置以维持温度在可启动温度范围；但是，这样预热的技术方案的实施既有成本增加又有可靠性下降的缺点。第二种解决方案是：向电机绕组注入直流电以进行预热，其利用的是压缩机的铜损进行加热；但是这样预热的技术方案容易导致绕组的预热不均匀且预热效率低下。

需要说明的是，以上技术问题是本申请发明人在实现本发明的过程中发现的。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种永磁同步电机的预加热系统、方法及压缩机，用以至少解决现有技术中永磁同步电机的预热可靠性差、预热效率低下的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种永磁同步电机的预加热系统，该永磁同步电机包含永磁体和绕组线圈，所述永磁同步电机的预加热系统包括：直流电源；逆变器，连接至所述绕组线圈；空间矢量脉宽控制器，该空间矢量脉宽控制器的输入端连接至所述直流电源以及该空间矢量脉宽控制器的输出端连接至所述逆变器，用于输出脉冲宽度调制信号以控制所述逆变器，其中，所述逆变器用于基于所述脉冲宽度控制信号输出高频三相交流电压至所述绕组线圈，以在所述高频三相交流电压的作用下预加热所述绕组线圈和所述永磁体。

优选地，所述永磁同步电机的预加热系统还包括：克拉克变换器，连接至所述空间矢量脉宽控制器的输入端，用于向所述空间矢量脉宽控制器输入α分量电压和β分量电压，其中所述α分量电压和所述β分量电压中的至少一者为高频电压。

优选地，所述永磁同步电机的预加热系统还包括：帕克变换器，输入端连接至所述空间矢量脉宽控制器和所述绕组线圈之间以引出三相反馈电流，用于基于所述三相反馈电流来输出第一d分量电流和第一q分量电流；以及PI调节器，其输入端连接至所述帕克变换器的输出端以接收所述第一d分量电流和所述第一q分量电流，且所述PI调节器的输入端还用于接入d轴方向和/或q轴方向上的高频参考信号电流来补偿所述第一d分量电流和/或第一q分量电流，以使得所述PI调节器输出其中至少一者为高频电压的第一d分量电压和第一q分量电压；其中，所述PI调节器的输出端连接至所述克拉克变换器的输入端，以使得所述克拉克变换器基于所述第一d分量电压和所述第一q分量电压输出所述α分量电压和所述β分量电压。

优选地，所述高频参考信号电流包括用于接入所述第一d分量电流的d分量高频参考信号电流I_dref、和/或用于接入所述第一q分量电流的q分量高频参考信号电流I_qref；以及该I_dref和I_qref满足I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C，其中f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，其中B＜A，C为恒值。

优选地，所述永磁体为铁氧体永磁体。

本发明实施例另一方面还提供一种永磁同步电机的预加热方法，该永磁同步电机包含永磁体和绕组线圈，所述绕组线圈与逆变器的输出端相连接、该逆变器的输入端与空间矢量脉宽控制器的输出端相连接、以及该空间矢量脉宽控制器的输入端与直流电源相连接；所述永磁同步电机的预加热方法包括：启动所述直流电源；控制所述空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度调制信号至所述逆变器；基于所述脉冲宽度控制信号所述逆变器输出高频三相交流电压至所述绕组线圈，以在所述高频交流电压的作用下预加热所述绕组线圈和所述永磁体。

优选地，所述控制所述空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度信号至所述逆变器包括：在所述空间矢量脉宽控制器的输入端还接入由克拉克变换器所输出的α分量电压和β分量电压，其中所述α分量电压和所述β分量电压中的至少一者为高频电压。

优选地，所述方法还包括：将从在所述空间矢量脉宽控制器和所述绕组线圈之间引出三相反馈电流并将其输入至帕克变换器；基于所述三相反馈电流的输入，所述帕克变换器输出第一d分量电流和第一q分量电流；将所述第一d分量电流和所述第一q分量电流连接至所述PI调节器，以及将d轴方向和/或q轴方向上的高频参考信号电流接入所述PI调节器以补偿所述第一d分量电流和/或第一q分量电流，使得所述PI调节器输出其中至少一者为高频电压的第一d分量电压和第一q分量电压；将所述第一d分量电压和所述第一q分量电压引出并输入至所述克拉克变换器，以使得所述克拉克变换器输出所述α分量电压和所述β分量电压。

优选地，所述高频参考信号电流包括用于接入所述第一d分量电流的d分量高频参考信号电流I_dref、和/或用于接入所述第一q分量电流的q分量高频参考信号电流I_qref；以及该I_dref和I_qref满足I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C，其中f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，其中B＜A，C为恒值。

优选地，所述永磁体为铁氧体永磁体。

本发明实施例又一方面提供一种压缩机，包括：永磁同步电机；以及上述的永磁同步电机的预加热系统。

在上述技术方案中，通过由空间矢量脉宽控制器的输入端连接直流电源和逆变器，以及将逆变器与电机线圈绕组相连；使得当需要为该永磁同步电机预加热时，由该空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度调制信号以控制所述逆变器输出高频三相交流电压，使得所述永磁体可以在高频三相交流电压的作用下而运动做功，在预热的过程中既产生了铜损也产生了丰富可观的杂散损耗，由此实现均匀、高效且快速地预热电机。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的预加热系统的结构示意图；

图2示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的预加热系统的结构示意图；

图3示出的是应用本发明一实施例的永磁同步电机的预加热系统的电机相电流的波形图；

图4示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的预加热方法的流程示意图；

图5示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的预加热方法的流程示意图；

图6示出的是本发明一实施例的压缩机的结构示意图。

附图标记说明

10 预加热系统 20 永磁同步电动机

101 直流电源 102 空间矢量脉宽控制器

103 逆变器 201 永磁体

202 绕组线圈 107 克拉克变换器

104 帕克变换器 105 高频参考信号发生器

106 PI调节器 50 压缩机

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

参见图1示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的预加热系统的结构示意图，如图1所示，该预加热系统10包含用于供电的直流电源101、空间矢量脉宽控制器102(也可以被简称为SVPWM，即Space Vector Pulse Width Modulation)以及逆变器103，该空间矢量脉宽控制器102能够输出脉冲宽度调制信号以控制逆变器103；以及该预加热系统10与永磁同步电动机20(也可以被简称为PMSM，即Permanent magnetic synchronous machine)相连接，用于为该永磁同步电动机20预加热；更具体地，永磁同步电动机20包含永磁体201和绕组线圈202，以及该逆变器103的输出端连接至绕组线圈202，可以是与电机定子端的绕组线圈相连接。在该空间矢量脉宽控制器102所输出的脉冲宽度调制信号的作用下，该逆变器103能够输出高频三相交流电压至绕组线圈202，以在该高频三相交流电压的作用下令永磁体201运动以做功，由此不仅实现了在预热电机过程中经由绕组电流而获得的铜损，还能获得因永磁体做功而获得的杂散损耗，实现了对电机高效快速的预热；并且，由于在高频三相交流电压的作用下，不仅能够实现对线圈绕组的预热，还能够实现对同步电机的永磁体的预热，使得电机的预热均匀，更保障了永磁体同步电机的启动可靠性。

参见图2示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的预加热系统的连接关系示意图，该图示实施例可以被看作是图1所示实施例的进一步的优化和公开，如图2所示，空间矢量脉宽控制器SVPWM102的输入端除了连接至直流电源V_dc之外还连接至克拉克变换器107，由此实现为SVPWM102供给其所需的两相静止坐标分量下的α、β分量电压V_α和V_β以使得SVPWM102能够符合上文所阐述的针对逆变器103的控制。可以理解的是，仅基于克拉克变换器107和SVPWM102也是可以实现本发明的部分目标的，而该图2所示实施例仅作为示例以说明本发明的优选且易于实施的一种技术方案。继续如图2所示，该逆变器103输出高频三相电压至永磁同步电动机PMSM20，可以是作用于PMSM的定子端的绕组线圈以使能电机的绕组和线圈运行，可以理解的是该高频三相电压是相对于电机正常电压频率的高频，以及该高频三相电压可以包含高次谐波信号，并且在该高频信号作用下的绕组和线圈的运行工作状态应不能被认为是电机的正常工作状态，更具体地将在下文结合具体的信号的示例表达式展开描述。

从该逆变器103的输出端引出三路三相电机反馈交流电流V_A、V_B和V_C至帕克变换器104的输入端，使得该帕克变换器将该三相交流电流作帕克变换以输出在dq轴上的第一d分量电流V_d和第一q分量电流V_q两个分量上的电流输出；如图2所示，该帕克变换器104的输出端之后与高频参考信号发生器105相互关联，该高频参考信号发生器105用于产生在d、q轴上的d分量高频参考信号电流I_dref、I_qref，具体表现为该I_dref、I_qref其中的一者或两者可被用来与该I_d和I_q交汇以作为PI调节器106的输入。经过PI调节器106对信号的维稳和校正之后，向克拉克变换器输入稳定的dq轴上的两个分量电压V_d和V_q，使得克拉克变换器107基于V_d和V_q输出上述SVPWM输入所需的分量电压V_α和V_β，进一步使得SVPWM102能够实现符合上文所阐述的针对逆变器103的控制；由此，构成了一个闭环PI控制系统，提高了对永磁同步电机的预加热的稳定性和可靠性。

关于本实施例中的I_dref、I_qref选择，作为示例和进一步的公开，可以是：

I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C，其中f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，其中B＜A，C为恒值；更具体地，该C的取值可以是为0或非0的常数。当该C的取值为非0的常数时，则该C可以指代参考信号电流中一定大小的恒值电流成分；需要说明的是，上述参数的选择和设定的基础是电机的正常工作电压频率为50Hz(因中国电网的交流频率为50Hz)，由此在高次谐波电流信号的作用下更能够提高电机线圈绕组和高杂散损耗的产热量，以提升电机的预热效率。

继续参照图3示出的是在图2所示的预加热系统在工作过程中，对电机线圈的三相绕组中的其中一相所采集的相电流波形图，如图3所示，纵坐标指代电机相电流I的大小(单位为A)，横坐标指代时间(单位为ms)，由图示可知，在上述参考信号I_dref、I_qref的选用下，电机相电流的工作频率的量级能够达到KHz以上，由此实现对电机的快速预热。

可以理解的是，本发明实施例的应用并不旨在限定磁铁的材料类型，也就是本发明实施例的技术方案可以应用于任何类型的磁铁之中，都可以获得上文所阐述的有益效果。需要说明的是，当将本发明实施例应用于在永磁铁选用铁氧体磁铁材料时，本发明的目的将会更加显著。究其原因在于，铁氧体磁铁材料是铁和锶、钡等一种或多种金属元素的复合化合物。选用铁氧体磁铁材料的永磁体的优点是烃(Hc)较大、抗去磁能力强、价格便宜、比重小，且工作性能稳定；但是该具有铁氧体磁铁材料的永磁体的缺点是溴(Br)不大，故磁体温度对磁性能影响较大，一般不适合用于温度变化大的场合；所以当永磁同步电动机采用铁氧体磁体材料时，根据铁氧体的上述特性，在低温时会导致退磁电流较低，因此需要对铁氧体进行预热；当采用现有技术中的直流电预热的方式只能够对压缩机的线圈绕组进行预热时，会忽略对于铁氧体材料所制成的铁氧体的预热，而其往往会导致电机预热的可靠性不佳甚至依然无法启动电机。有鉴于此，本实施例所提供的技术方案能够通过对此类采用铁氧体磁体材料的电机的铜损和铁损利用而实现预加热，由此保障电机的正常启动。

参见图6示出的是本发明一实施例的压缩机，该压缩机50包含有预加热系统10和永磁同步电机20。由此，该压缩机包含上文所阐述的永磁同步电机的技术方案和技术效果。关于该压缩机的应用，可以是将该压缩机安装在家用电器中，例如家用空调、中央空调等。

参见图4示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的预加热方法的流程示意图；该永磁同步电机结构包含永磁体和绕组线圈，绕组线圈与逆变器的输出端相连接、该逆变器的输入端与空间矢量脉宽控制器的输出端相连接、以及该空间矢量脉宽控制器的输入端与直流电源相连接；该永磁同步电机的预加热方法包括：

步骤301：启动直流电源；

步骤302：控制空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度调制信号至逆变器；

步骤303：基于脉冲宽度控制信号逆变器输出高频三相交流电压至绕组线圈，以在高频交流电压的作用下预加热绕组线圈和永磁体。

作为本发明实施例方法的进一步的优化和公开，参见图5示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的预加热方法的流程示意图，如图5所示，该永磁同步电机的预加热方法包括：

步骤401：注入I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C，其中f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，且B＜A，C为恒值；

步骤402：通过SVPWM控制输入至电机的三相电压的占空比，以在电机中产生相对应的高频相电流，以及在该高频相电流的作用下实现杂散损耗热效应和铜损热效应的叠加，由此提升电机内部磁铁升温的速度。

关于本发明实施例方法更具体的细节和效果，可以参照上文实施例的相关描述，相同内容在此不加以赘述。

以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (11)

1.一种永磁同步电机的预加热系统，该永磁同步电机包含永磁体和绕组线圈，其特征在于，所述永磁同步电机的预加热系统包括：

直流电源；

逆变器，连接至所述绕组线圈；

空间矢量脉宽控制器，该空间矢量脉宽控制器的输入端连接至所述直流电源以及该空间矢量脉宽控制器的输出端连接至所述逆变器，用于输出脉冲宽度调制信号以控制所述逆变器，

其中，所述逆变器用于基于所述脉冲宽度控制信号输出高频三相交流电压至所述绕组线圈以驱动所述永磁体连续运动，以在所述永磁同步电机起动前在所述高频三相交流电压的作用下预加热所述绕组线圈和所述永磁体。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的预加热系统，其特征在于，还包括：

克拉克变换器，连接至所述空间矢量脉宽控制器的输入端，用于向所述空间矢量脉宽控制器输入α分量电压和β分量电压，其中所述α分量电压和所述β分量电压中的至少一者为高频电压。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的预加热系统，其特征在于，还包括：

帕克变换器，输入端连接至所述空间矢量脉宽控制器和所述绕组线圈之间以引出三相反馈电流，用于基于所述三相反馈电流来输出第一d分量电流和第一q分量电流；以及

PI调节器，其输入端连接至所述帕克变换器的输出端以接收所述第一d分量电流和所述第一q分量电流，且所述PI调节器的输入端还用于接入d 轴方向和/或q轴方向上的高频参考信号电流来补偿所述第一d分量电流和/或第一q分量电流，以使得所述PI调节器输出其中至少一者为高频电压的第一d分量电压和第一q分量电压；

其中，所述PI调节器的输出端连接至所述克拉克变换器的输入端，以使得所述克拉克变换器基于所述第一d分量电压和所述第一q分量电压输出所述α分量电压和所述β分量电压。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的预加热系统，其特征在于，所述高频参考信号电流包括用于接入所述第一d分量电流的d分量高频参考信号电流I_dref、和/或用于接入所述第一q分量电流的q分量高频参考信号电流I_qref；以及该I_dref和I_qref满足

I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或

I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C,

其中，f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，其中B＜A，C为恒值。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的预加热系统，其特征在于，所述永磁体为铁氧体永磁体。

6.一种永磁同步电机的预加热方法，该永磁同步电机包含永磁体和绕组线圈，其特征在于，所述绕组线圈与逆变器的输出端相连接、该逆变器的输入端与空间矢量脉宽控制器的输出端相连接、以及该空间矢量脉宽控制器的输入端与直流电源相连接；所述永磁同步电机的预加热方法包括：

启动所述直流电源；

控制所述空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度调制信号至所述逆变器；

基于所述脉冲宽度控制信号所述逆变器输出高频三相交流电压至所述绕组线圈以驱动所述永磁体连续运动，以在所述永磁同步电机起动前在所述高频交流电压的作用下预加热所述绕组线圈和所述永磁体。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的预加热方法，其特征在于，所述控制所述空间矢量脉宽控制器输出脉冲宽度信号至所述逆变器包括：

在所述空间矢量脉宽控制器的输入端还接入由克拉克变换器所输出的α分量电压和β分量电压，其中所述α分量电压和所述β分量电压中的至少一者为高频电压。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机的预加热方法，其特征在于，还包括：

将从在所述空间矢量脉宽控制器和所述绕组线圈之间引出三相反馈电流并将其输入至帕克变换器；

基于所述三相反馈电流的输入，所述帕克变换器输出第一d分量电流和第一q分量电流；

将所述第一d分量电流和所述第一q分量电流连接至PI调节器，以及将d轴方向和/或q轴方向上的高频参考信号电流接入所述PI调节器以补偿所述第一d分量电流和/或第一q分量电流，使得所述PI调节器输出其中至少一者为高频电压的第一d分量电压和第一q分量电压；

将所述第一d分量电压和所述第一q分量电压引出并输入至所述克拉克变换器，以使得所述克拉克变换器输出所述α分量电压和所述β分量电压。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机的预加热方法，其特征在于，所述高频参考信号电流包括用于接入所述第一d分量电流的d分量高频参考信号电流I_dref、和/或用于接入所述第一q分量电流的q分量高频参考信号电流I_qref；以及该I_dref和I_qref满足

I_qref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C和/或

I_dref＝A×sin(ft)+B×sin(nft)+C

其中，f表示基波电流频率且f≤10Hz，n为高次谐波电流的倍频次数且n≥6，A为基波电流幅值，B为高次谐波电流幅值，其中B＜A，C为恒值。

10.根据权利要求6所述的永磁同步电机的预加热方法，其特征在于，所述永磁体为铁氧体永磁体。

11.一种压缩机，其特征在于，包括：

永磁同步电机；以及

权利要求1-5中任一项所述永磁同步电机的预加热系统。

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