CN108292903A - 用于操作电动机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作电动机(EM)的设备(1)，该设备(1)包括识别单元(2)，其用于识别多相电压供电网络(4)的所施加的相移正弦电压相位(L)的过零点和相位角；以及切换单元(3)，其用于根据施加到半导体开关的切换模式，通过半导体开关贯通切换所施加的正弦电压相位(L)的半波，所述切换模式与识别到的过零点和相位角同步，从而生成直接施加到电动机(5)的相移准正弦电压相位(L’)。

Description

用于操作电动机的方法和设备

本发明涉及用于操作电动机的方法和设备，尤其涉及用于启动电动机的电机启动装置。

电机启动装置通常在用于致动泵、风扇、传送带、搅拌单元、络筒机、分离工具或其他工具的自动控制技术中使用。更高效的电动机越来越多地被使用。因此，例如IE3电机比IE2电动机具有更高的效率。IE3制造更复杂，它具有更高的效率，但是在直流启动器运行时需要更高的启动电流。此外，IE2电机制造更简单，它可以只在将来使用转速控制时被启动。

因此，本发明的目的是提供一种在电动机启动时降低启动电流的设备和方法。

根据本发明的目的通过具有权利要求1中所述的特征的用于操作电动机的方法来实现。

因此，本发明提供一种用于操作电动机的方法，包括如下步骤：

检测多相供电网络的所施加的相移正弦电压相位的相位角和过零点，以及

根据施加到半导体开关的切换模式，通过半导体开关连通所施加的正弦电压相位的半波，所述模式与检测到的相位角和过零点同步，从而生成直接施加到电动机的相移准正弦电压相位。

由于根据本发明的方法，启动电动机时产生的启动电流减小。这样的有益之处在于和缓地启动电动机。

在根据本发明的方法的一个可能实施例中，所生成的相移准正弦电压相位彼此具有相同的频率，该频率是多相供电网络的网络频率的分数。

在根据本发明的方法的另外可能实施例中，为了启动电动机，通过改变施加到半导体电流的切换模式来递增地升高准正弦电压相位的频率，直至达到供电网络的网络频率。

在根据本发明的方法的另外可能实施例中，半导体开关由电流分离的功率半导体形成，这些功率半导体根据从数据存储器读取出的切换模式被致动。

在根据本发明的方法的另外可能实施例中，根据所施加的切换模式，通过半导体开关进行连通的正弦电压相位的第一半波和/或最后半波被截断从而生成准正弦电压相位。

在根据本发明的方法的另外可能实施例中，在达到供电网络的网络频率之后，经由与半导体开关并联的机械接触由供电网络直接向电动机供电。

在根据本发明的方法的另外可能实施例中，准正弦电压相位处于彼此大约120°的相位角。

在根据本发明的另外可能实施例中，当施加到半导体开关的切换模式发生变化时，保持用于驱动电动机的旋转场的旋转方向。

本发明还提供了一种具有权利要求9中所述的特征的用于操作电动机的设备。

因此，本发明提供一种用于操作电动机的设备，包括：

检测单元，其用于检测多相供电网络的所施加的相移正弦电压相位的过零点和相位角；以及

切换单元，其用于根据施加到半导体开关的切换模式，通过半导体开关连通所施加的正弦电压相位的半波，所述切换模式与检测到的相位角和过零点同步，从而生成直接施加到电动机的相移准正弦电压相位。

在根据本发明的设备的一个可能实施例中，提供了控制单元，该控制单元根据从数据存储器读取出的切换模式致动切换单元的半导体开关。

在根据本发明的设备的另外可能实施例中，切换单元是具有机械接触的混合切换单元，这些机械接触与切换单元的半导体开关并联。

在根据本发明的设备的另外可能实施例中，电动机启动时，当准正弦电压相位的频率达到供电网络的网络频率，机械接触以持续操作的方式将与其并联的切换单元的半导体开关进行桥接。

在根据本发明的设备的另外可能实施例中，提供了反转级，该反转级用于设置驱动电动机的旋转场的旋转方向。

在根据本发明的设备的另外可能的实施例中，提供了过载保护级。

本发明还提供了一种具有权利要求15中所述的特征的用于启动电动机的电机启动装置。

因此，本发明提供了一种用于启动电动机的电机启动装置，其包括用于操作电动机的设备，该设备包括：

检测单元，其用于检测多相供电网络的所施加的相移正弦电压相位的过零点和相位角；以及

切换单元，其用于根据施加到半导体开关的切换模式，通过半导体开关连通所施加的正弦电压相位的半波，所述切换模式与检测到的相位角和过零点同步，从而生成直接施加到电动机的相移准正弦电压相位。

此后，参考附图更详细地描述用于操作电动机的根据本发明的设备和根据本发明的方法以及用于启动电动机的根据本发明的电机启动装置的可能实施例，其中：

图1是示出根据本发明的用于操作电动机的设备的实施例的简单框图；

图2是示出根据本发明的电机启动装置的实施例的框图，该电机启动装置使用用于操作电动机的设备；

图3是示出根据本发明的电机启动装置中可使用的反转级的实施例的电路图；

图4是示出根据本发明的用于操作电动机的方法的实施例的简单流程图；

图5是示出启动电动机的曲线图，该电动机使用根据本发明的设备来进行操作；

图6A、图6B、图6C是描述根据本发明的用于操作电动机的设备和根据本发明的方法的操作模式的信号曲线图；

图7是示出三相供电网络的网络电压的信号曲线图；

图8A至图8F是示出用于操作电动机的根据本发明的设备和根据本发明的方法的操作模式的信号曲线图。

图1示意性示出根据本发明的用于操作电动机5的设备1。设备1包括检测单元和切换单元3。如图1所示，检测单元2检测多相供电网络4的施加的相移正弦电压相位L的过零点和相位角。设备1还包含切换单元3，其用于根据施加到半导体开关的切换模式，通过半导体开关来连通所施加的正弦电压相位L的半波。这些切换模式与检测单元2检测到的过零点和相位角进行同步，直接施加到电动机5的准正弦电压相位L’被生成。在一些可能的实施例中，电动机5可以是三相异步电动机。该三相异步电动机5包括静止的定子和旋转的转子。多相供电网络4优选地是如图1所示的具有三个电压相位L1、L2、L3的三相供电网络。电动机5的定子优选具有被提供三相电流的三相绕组。在电动机5内的定子和转子之间不存在电连接。三相异步电动机5的定子形成磁场，该磁场经由空气间隙在三相异步电动机的转子中感应电流。优选地，定子和转子都由高度可磁化的电工钢制成。这保证了低磁滞和低涡流损耗。多个单独的绕组形成定子的定子绕组。这些单独的绕组优选地以大约120°的角度相互偏移地进行布置。在一些可能的实施例中，异步电动机的转子可以包括带沟槽的圆柱形转子片包装。在一个可能的实施例中，转子的这些沟槽可以填充有铝棒。利用附接在端面上的环，这些棒被连接以形成闭合的笼。在三相异步电动机5中，利用磁场在转子中感应出电压。

图2是示出根据本发明的电机启动装置的示例实施例的框图，根据图1，根据本发明的用于操作电动机的设备1使用该电机启动装置。如从图2可见，在所示的设备1中设置有致动切换单元3的开关的控制单元6。在图2中所示的实施例中，切换单元3是具有机械接触的混合切换单元或者混合级，这些机械接触与切换单元3的半导体开关并联。在一个可能的实施例中，控制单元6由微控制器形成，微控制器由电源单元7供给供电电压。如图2所示，电机启动装置具有用于保护正在操作的电动机5的保护功能。为了安全地操作电动机5，需要在短路的情况下保护免受过载和关断。单元8具有用于保护免受短路电流的保险丝。还设置有过压保护级9。过压保护级9的下游是用于电压测量的单元2。单元2用于检测三相供电网络4的所施加的相移正弦电压相位L1、L2、L3的相位角和过零点。在图2所示的实施例中，检测单元2连接到用于反转操作的反转级10。如图2中所示，在输出端，该反转级10连接到切换单元3。可选地设置有反转级10。此外，在可替换的实施例中，反转级10可以位于切换级3的下游。切换单元3优选地是除了半导体开关之外还具有机械接触的混合开关单元，其中的半导体开关具体是功率半导体。这些机械接触与切换单元3的半导体开关并联。当电动机5启动时，如果准正弦电压相位L’的频率f达到供电网络4的网络频率，则机械接触以连续操作的方式将与其并联的切换单元3的半导体开关进行桥接。在一个可能的实施例中，混合切换单元3的半导体开关是TRIAC。可替换地，半导体开关还可以包括其他的功率半导体，特别是晶闸管或IGBT。在混合切换单元3的一个可能实施例中，切换机械接触各自使用继电器来实现。例如TRIAC的半导体开关与继电器接触并联并且防止在切换过程中点亮电弧。因此，极大地减少机械接触或者继电器接触上的机械磨损。由于机械继电器接触的存在，在持续操作中极大减少了功率损耗。对于高感应负载，尤其是电动机或电动机，由于电感，当分离时在接触中可能会出现大的或强烈的电弧。在切换单元3中通过混合功能来防止这种情况。

在一个可能的实施例中，如图2中所示，为了安全分离，在混合切换级3的下游存在分离级11。在一个可能的实施例中，该分离级11包括至少一个串联继电器，其例如为了安全分离相位L2而提供。此外，如图2中所示，提供用于电流测量的单元12，其测量电动机5斜坡上升或者启动时的电流，并且将电流报告给控制单元或者微控制器6。在一个可能的实施例中，利用测量到的电流，通过脱扣曲线(tripping curve)能够确定何时以及从哪个过流开始应当关断电动机5。电动机5优选地在所述电动机5可能被过大电流损坏之前关断。

图3是根据本发明的设备中可使用的反转级10的电路图。反转级10通过交换相位L1和L3来提供反转功能并且确定电动机5的旋转方向。反转级10使得可以设置电动机5的旋转方向，以及是否适合改变到正常操作。反转级10和混合级3由控制单元6经由控制线路来致动。这种情况根据由检测单元2和/或由电流测量单元12发送到控制单元6的信号来发生。

图5是示出根据本发明的用于操作电动机5的设备的操作模式和根据本发明的电机启动装置的操作模式的信号曲线图。图5示意性示出两极电动机5随时间推移而增速，电动机5的旋转速度n递增地增大。针对供电网络4的每个相位L，将例如TRIAC的功率半导体安装在混合切换单元3中。通过该半导体开关，电压传播以只有正弦电压相位的特定部分被连通的方式受到影响。为了使得电动机5均匀地旋转，三相网络的三个相位L1、L2、L3彼此具有大约120°的相位角。电压相位的顺序也是重要的，因为它们确定电动机5的旋转方向。在根据本发明的方法和根据本发明的设备中，利用处于例如50Hz的预定网络频率的所施加的正弦电压相位L的半波长，来生成与较低频率的正弦电压相位对应的准正弦电压相位L’。根据切换模式来连通正弦信号相位L的信号部分或者半波，并且形成频率为网络频率f₀的分数的准正弦电压相位L’。所生成的准正弦电压相位L’，其相对彼此发生相对相移，相互具有相同的频率f，该频率是多相供电网络的网络频率f₀的分数。如从图5的曲线图可见，在所示实施例中，最初生成频率为3.846Hz的准正弦电压相位L’，该频率与50Hz的网络频率f₀的七分之一对应。随后，生成具有7.14Hz正弦电压的准正弦电压相位L’，换言之具有与正常网络频率f₀的六分之一对应的频率。在每个切换阶段期间相互具有相同的频率的所生成的相移准正弦电压相位L’，换言之L1’、L2’，该频率对应于多相供电网络4的网络频率f₀＝50Hz的分数。因此，在根据图5的第一切换阶段，相对彼此相移的三个准正弦电压相位L1’、L2’、L3’都具有网络频率3.856Hz，换言之网络频率的十三分之一。在第二切换阶段，三个相移准正弦电压相位L1’、L2’、L3’具有相同的频率，具体为7.14Hz，换言之是网络频率的七分之一。为了启动电动机5，通过改变施加到切换单元3的半导体开关的切换模式，准正弦电压相位L1’、L2’、L3’的频率递增地升高直至达到供电网络4的网络频率f₀＝50Hz。在图5的实施例中，电动机5在七个切换阶段中启动，准正弦电压相位L1’在每个切换阶段升高，具体地从3.85Hz到7.14Hz，到10Hz，到12.5Hz，到16.67Hz，到25Hz最后到50Hz。如图5中所示，通过以这种方式递增地升高转速，能够和缓地启动电动机5。这还减小启动电流。切换单元3的开关优选由根据从数据存储器度取出的切换模式致动的电流分离的功率半导体来形成，特别是TRIAC。在一个可能的实施例中，控制单元6或微控制器有权访问该类型的数据存储器，其中存储预定切换模式。在一个可能的实施例中，可编程数据存储器位于切换单元6中并且能够经由接口编程有对应的切换模式。在达到供电网络4的网络频率f₀＝50Hz之后，优选地经由与切换单元3的半导体开关并联的机械接触直接向电动机5供给电压相位L。当施加到切换单元3的半导体开关的切换模式被切换时，保持用于驱动电动机5的旋转场的旋转方向。准正弦电压相位L’各自处于彼此120°的相位角。

图6A、图6B、图6C示出根据本发明的用于操作电动机的设备和根据本发明的方法的操作模式。图6A示出供电网络4的未受影响的50Hz网络电压。周期长度是20ms，电压相位L是均匀的正弦信号，如图6A中可见。图6B示出具有7.14Hz频率的所需正弦电压，换言之网络频率的七分之一。在此情况下，周期长度为140ms。为了从供电网络的正弦电压相位L生成频率为7.14Hz的准正弦电压相位L’，如图6C所示，使用切换模式。如图6C中所示，7.14Hz的切换模式包括四个正半波和四个负半波。这八个半波产生在7.14Hz模拟所需的正弦电压。在一个可能实施例中，为了进行优化，准正弦电压相位L的第一半波和/或最后半波被截断以生成准正弦电压相位L1’，其中的准正弦电压相位L通过例如TRIAC的功率半导体根据所施加的切换模式来连通。在图6C所示的示例中，每个半波包的第一半波和最后半波各自截断在90°相位。这使得电压传播更类似于正弦电压传播。

图7示意性地示出由三相供电网络4提供的正弦电压相位L1、L2、L3，它们各自相对彼此相移120°。

图8A至图8F示出针对上下文中使用的各种切换阶段和切换模式，使用根据本发明的方法和根据本发明的设备所生成的准正弦电压相位L’。图8A示出用于生成频率为3.846Hz的准正弦电压相位L’的第一切换模式，换言之网络频率f₀＝50Hz的十三分之一。图8B示出用于启动电动机5的第二切换阶段中频率为7.14Hz的准正弦电压相位L’，换言之网络频率的七分之一。图8C示出第三切换阶段中的准正弦电压相位，其频率为10Hz，换言之网络频率f₀的五分之一。图8D示出频率为12.5Hz的第四切换阶段中的准正弦电压相位，换言之网络频率f₀的四分之一。图8E示出频率为162/3Hz时的第五切换阶段中的准正弦电压相位，换言之网络频率f₀的三分之一。图8F示出频率为25Hz时的第六切换阶段中的准正弦电压相位，换言之网络频率f₀的一半。

使用根据本发明的方法和根据本发明的设备，从来自公共三相供电网络4的纯正弦电压相L生成准正弦电压相位L1’，并且将该准正弦电压相位L1’直接施加到电动机5。根据本发明的设备既不需要DC中间电路也不需要能量存储。

图4是示意性示出根据本发明的用于操作电动机5的方法的实施例。

在第一步骤S1中，检测多相供电网络4的所施加的相移正弦电压相位L的相位角和过零点，其中的多相供电网络4特别是三相供电网络。

在进一步的步骤S2中，根据施加到半导体开关的切换模式，利用半导体开关来连通所施加的正弦电压相位L的半波，所述切换模式与检测到的相位角和过零点同步，产生相移的准正弦电压相位L’并且将其直接施加到电动机5。使用根据本发明的方法，减小了启动电动机5时的启动电流。而且，和缓地启动电动机5。使用根据本发明的方法，例如能够使用有限的启动电流来操作IE3电机。使用根据本发明的设备也能够运行IE2电动机。通过本发明的设备，能够使用从公共三相供电网络抽取限定部分的电子电路(频率设置器电路)，并且将它们提供到负载或电动机。在频率设置器电路的初级电路中，电流相位之间不存在连接，因此在发生故障的情况下公共供电网络不受干扰。根据本发明的设备优选使用混合技术。切换处理通过半导体元件来实现，而连续电流流过机械接触。

Claims (15)

1.一种用于操作电动机(EM)的方法，包括以下步骤：

(a)检测(S1)多相供电网络(4)的所施加的相移正弦电压相位(L)的过零点和相位角；以及

(b)通过半导体开关，根据施加到所述半导体开关的切换模式，连通(S2)所施加的正弦电压相位(L)的半波，所述模式与检测到的相位角和过零点同步，从而产生直接施加到电动机(5)的相移准正弦电压相位(L’)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所生成的相移准正弦电压相位(L’)彼此具有相同的频率，该频率是所述多相供电网络的网络频率(f₀)的分数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中为了启动所述电动机(5)，通过改变施加到半导体电路的切换模式，递增地升高准正弦电压相位(L’)的频率(f)直至达到电压供电网络的网络频率(f₀)。

4.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，

其中，所述半导体开关由电流隔离的功率半导体形成，这些功率半导体根据从数据存储器读取出的切换模式被致动。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中通过所述半导体开关根据所施加的切换模式进行连通的正弦电压相位(L)的第一半波和/或最后半波被截断以生成所述准正弦电压相位(L’)。

6.根据前述权利要求3至5中的任一项所述的方法，

其中在达到供电网络的网络频率(f₀)之后，经由与所述半导体开关并联的机械接触，直接由所述供电网络向所述电动机(5)供电。

7.根据前述权利要求1至6中的任一项所述的方法，

其中所述准正弦电压相位(L’)处于彼此大约120°的相位角。

8.根据前述权利要求3至7中的任一项所述的方法，

其中当施加到所述半导体开关的切换模式发生变化时，保持用于驱动所述电动机(5)的旋转场的旋转方向。

9.一种用于操作电动机(EM)的设备(1)，包括：

检测单元(2)，其用于检测多相供电网络(4)的所施加的相移正弦电压相位(L)的相位角和过零点；以及

切换单元(3)，其用于通过半导体开关，根据施加到所述半导体开关的切换模式，连通所施加的正弦电压相位(L)的半波，所述模式与检测到的相位角和过零点同步，从而生成直接施加到所述电动机(5)的相移准正弦电压相位(L’)。

10.根据权利要求9所述的设备，

其中设置有控制单元(6)，其根据从数据存储器读取出的切换模式致动所述切换单元(3)的半导体开关。

11.根据权利要求9或10所述的设备，

其中所述切换单元(3)是具有机械接触的混合切换单元，所述机械接触与所述切换单元的半导体开关并联。

12.根据权利要求11所述的设备，

其中所述电动机(5)启动时，一旦准正弦电压相位(L’)的频率达到所述供电网络的网络频率(f₀)，所述机械接触以持续的操作将与其并联的所述切换单元(3)的半导体开关进行桥接。

13.根据前述权利要求9至12中的任一项所述的设备，

其中设置有反转级(10)，其用于设置驱动所述电动机(5)的旋转场的旋转方向。

14.根据前述权利要求9至13中的任一项所述的设备，

其中设置有过载保护级。

15.一种用于启动电动机(5)的电机启动装置，包括根据前述权利要求9至14中的任一项所述的设备(1)。