CN109314475A - 用于控制三相电动机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

描述了用于操作三相电动机的方法和控制设备，其中电机绕组根据转矩要求在星形连接与三角形连接之间切换，并且其中当需要制动转矩时，电机绕组切换至制动模式。监测电机的电磁转矩，并且在电磁转矩上升以达到或超过阈值时，给出从星形切换至三角形的命令。当电磁转矩下降以达到第二阈值时，给出从三角形切换至星形的命令。本发明公开了一种基于电压周期中在特定时刻处的相电流和相电压的测量值来确定电机的电磁转矩的瞬时值的方法。本申请还公开了下述方法，该方法测定在星形配置与三角形配置之间进行切换操作或者从星形配置或三角形配置切换至动态制动模式的时间，以通过监测EMF与电源电压之间的矢量关系并在EMF矢量与电源电压矢量对齐时在每个电机相中执行切换操作来使涌入电流最小化。本申请还公开了当由电机产生的转矩大致等于负载的转矩需求时从星形切换至三角形或从三角形切换至星形以使效率最大化。

Description

用于控制三相电动机的方法和设备

技术领域

本发明涉及对三相交流电机的控制。特别地，本发明涉及用于控制三相交流电机特别是异步电机的设备和方法，以驱动不需要精确速度控制的机械装置或机构。本发明在具有频繁的启动和制动周期并且具有可变负载的电机驱动装置的领域中是特别实用的。这种机器的示例为混合器、起重机、升降机、离心铸造机和金属制造机。本发明在不需要精确速度控制的连续运转机构的领域中也是实用的，该连续运转机构的示例为泵、风扇、压缩机、输送机、自动扶梯和通风设施。

背景技术

用于驱动工业机器或设施的三相交流(AC)电机通常在定子中具有三个电机绕组，并且基于三相电力电源运转。电机绕组对称地布置并且以三角形(Δ)配置或星形(Y)配置连接到三相电源。星形或“Y”配置也称为“Y形”配置。电机绕组中的每个绕组都具有第一端和第二端。在三角形(Δ)配置下，每个绕组的第一端连接到下一绕组的第二端，使得三个绕组以三角形连接，其中电源的三个相连接在三角形的相应顶点处。在星形(Y)配置下，所有三个绕组的第一端都连接在一起，并且各个相应的第二端连接到三相电源的一个相。

为了改善负载下的启动和能量性能，通常，三相电机通常设置有能够将其绕组从星形配置切换至三角形配置并且反之亦然的控制电路。

每个电机绕组可以包括一个或多个串联连接的线圈，线圈围绕定子分布，以便在连接到三相电源时产生旋转磁场。当电机上没有机械负载时，电机的转子以与旋转磁场相同的速度旋转。因此，市电电源的频率限定了同步电机的设计速度。当电机正在驱动负载时，转子旋转的速度略慢于旋转磁场旋转的速度，这种现象称为“滑差(slip，转差)”。

与以星形(Y)配置连接的电机相比，以三角形(Δ)配置连接的电机具有增加的通过电机绕组的电流，因此，星形配置通常用于启动直接线路连接的电机，以便避免电源过载。当电机已经被启动并且以其设计速度或接近其设计速度运行时，绕组切换至三角形配置，使得电机就可以在高功率输出下运行。星形与三角形之间任一方向上的过渡都可以在“断开过渡”中或在“闭合过渡”中进行，在该“断开过渡”中，暂时从电机移除功率并且切换绕组的连接，在“闭合过渡”中，在功率保持连接的同时切换绕组。在这种“闭合过渡”中，在过渡过程期间通常会有涌入电机中的功率。

速度控制

为了控制三相电机的速度，存在各种控制电路来将市电电源的频率转换为预定范围内的较低频率，并将该转换后的频率应用于电机端子以改变电机的设计速度。实际的旋转速度将取决于机械负载，并因此取决于“滑差”的量，因此，通过根据实际转速调节频率，可以可靠地实现在一定范围内的预定转速。可找到大量的文献描述这些变频装置(VFD)，所述变频装置可以概括地分为自然、强制或混合换向。

VFD控制器在驱动三相电机中的主要应用是它们的下述用途：提供准确的速度控制，在负载变化的情况下提供恒定的功率消耗，并通过限制电机运行中的抖动提供旋转的流畅性和连续性。

然而，VFD控制器的重大缺陷是它们成本高且尺寸大，特别是在超过100kW的高功率电机中。这是由于VFD的功率部件体积庞大并且需要多次能量转换以产生输出电压。目前大多数VFD控制器包括脉冲宽度调制(PWM)管理和控制系统，以使VFD控制器对电源线路的影响最小化，并且这些PWM系统需要高频滤波器和昂贵的栅极元件，诸如RGBT晶体管。此外，如果VFD控制器未设置使电机与供电网络同步的系统，则绕过控制器可能导致强电流涌动，这可以致使电机故障。

回旋转换器通常用于将输入AC波形转换为较低频率的输出AC波形，无需中间DC转换。回旋转换器通过由输入AC波形的段合成所需的输出AC波形来运转。回旋转换器最常见于功率非常高的输出系统，诸如呈现出几兆瓦额定值的变频驱动器。在需要从零到标称值的恒定深度电机旋转频率控制的安装设施中，目前认为频率转换器的使用没有实际的替代方案。

然而，存在许多用以驱动机械的电动机的应用，所述电动机的应用不需要通过精确的旋转频率控制来准确地控制电机速度。在这种应用中，通过提高其启动和制动模式的效率、偶尔调节其旋转频率以及在预期(标称)旋转频率下的欠载运转模式期间削减功率消耗的方式来降低功率消耗的机会是存在的，这几乎不可能通过使用标准频率转换器实现。因此，上述技术自身在许多电驱动器中被利用在经济和技术上都是无保证的，所述电器为诸如用于下述中的驱动器：混合器、起重机、升降机、离心铸造机、金属加工机、潜水泵、供水离心泵、风扇、压缩机、输送机、自动扶梯、HVAC等。

通过启动系统节能

降低电功率消耗的另一有效方式是在不需要电动机时就关闭它。但是，频繁停止和启动电机会使电机绕组及其绝缘性劣化。所谓的“软启动器”用于延长经受频繁的启动和关闭的电驱动器的机械使用寿命。一些软启动器配备有电压适配器，以在启动期间平衡在轴处变化的静态负载转矩。

这些软启动器系统降低了施加到电机的电压，以便确保电机启动电流被保持在标称状态电流的约2到4倍并且对应地减小启动转矩。这导致绕组上的电应力急剧下降，并因此降低或避免了其绝缘的机械劣化。此外，较低的启动转矩通过降低冲击载荷来降低对驱动器的机械零件的损坏。

但是，传统的软启动系统具有许多缺点，其中最主要的如下：

1.在电机启动期间电机中释放相当大的能量。软启动模式下的电机能量大约总是高于在直接驱动模式下的电机能量。此外，自通风电机的冷却条件在较低的旋转频率下急剧恶化，使得当电机的冷却系统最不能处理热时，较高的启动电流在电机中生成热。

2.缺乏有效的制动模式。当电机旋转频率低于同步时，电极只能产生驱动转矩。可以通过静态负载或通过机械制动来实现制动。因此，与借助于静态负载转矩的部分补偿的自由停止方式(stopway)相比，通过使用传统启动装置只能增加制动时间，但不能切断它。

3.不可行的功率节省。原因在于通过控制软启动器的晶闸管的开启角度来减小提供给电机的仅电压幅度(不改变其频率)由于电压形状的变形会导致电机的损耗显著增加。因此，只有当电机轴上的载荷接近空载时能实现小的节能。

通过星形到三角形切换节能

如上所述，通过确保电机绕组在启动期间以星形连接以避免电源过载以及当电机迅速运转并且被要求产生高转矩时该电机绕组切换至三角形连接，将电机绕组的连接从星形切换至三角形或从三角形切换至星形是降低能量消耗的有效方式。当载荷减小时，电机从三角形切换回星形，并且当载荷再次增加时，电机返回至三角形。

在美国专利8 207 699中，本发明人描述了一种通过基于对电机速度、穿过电机的两个绕组的电流以及电机的静态载荷转矩的测量将电机从星形连接切换至三角形连接来降低三相电机中的能耗的方法。然而，监测这些参数并且在满足参数的预定组合时切换连接可能导致在AC电压周期中出现大量涌入电流的点处进行切换操作，该涌入电流可能不利地影响电机。

发明内容

本发明通过提供将感应电机的绕组从“星形”切换至“三角形”或从“三角形”切换至“星形”的改进的装置和方法解决了特别是在不需要准确的速度控制但在不同的负载下运转的三相电动机驱动器中降低能量消耗的技术问题。本发明提供一种高效、可靠、使用简单的AC电动机的控制装置，其成本低且大小小。还提供了一种控制AC电动机中的绕组的切换的方法。

本发明通过下述来解决该技术问题：

1.根据电机参数的测量值，通过选择三相周期中的特定时刻以切换绕组，提高了将电机绕组从星形切换至三角形或从三角形切换至星形的能量效率；

2.降低或消除了切换绕组引起的涌入电流；

3.提供一种用于计算重要电机能量参数诸如电磁转矩Tem和自感EMF的简单方法作为用于测定切换电机绕组的时间的基础；以及

4.通过在动态运转模式和稳态运转模式两者下使用驱动控制的新原理，在不改变系统功率结构的情况下提供有效的电机制动模式。

本发明的控制系统以对其控制系统的较少额外成本显着提高了感应电机的可靠性和效率，并且广泛适用于不需要精确速度控制的AC电机驱动器。

本发明方法中用于AC电机控制的一个重要特征在于基于电机轴上的EMF、电磁电机转矩和静态负载转矩的测量值，在AC周期期间以准确计算的时刻切换电机绕组。

本发明的第一方面提供了控制三相电机的运转以在星形配置与三角形配置之间切换的方法，如权利要求1和13所限定的。

本发明的第二方面提供了一种用于控制三相电机的运转的控制器，如权利要求7所限定的。

本发明的第三方面提供了一种借助于由三相电动机驱动负载的方法，如权利要求11所限定的。

本发明的第四方面提供了一种确定由三相电机产生的瞬时功率的方法，如权利要求12所限定的。

本发明的第五方面提供了一种用于提供对三相电机的制动的设备和方法，如权利要求15至19所限定的。

电机控制单元布置成响应于节能驱动条件的预定组合将交流电机的绕组以星形配置或三角形配置连接。与所有已知的切换电机绕组的方法不同，在本发明中，这些条件是根据作为轴上的旋转频率(n)和静态负载的函数的电机的电磁转矩(Tem)的值确定的。通过这种方式，随着时间的推移实现了具有可变负载的电驱动器中的最大可能的经济效益。下面更详细地讨论所提出的方法。

本发明允许在短时间段内执行大量停止启动的过程并且没有供电网络同步问题。其在要求过程参数例如气体或液体的压力或质量流量保持大致恒定的过程中提供高效的过程控制。这种控制是配备有在单个供电网络上并行运转的多个电机的压缩机和泵站的典型要求。本发明的另一特征是该方法可以成功地用于多单元安装，在该多单元安装中，单元中的一个配备有昂贵的控制系统，以提供对过程参数的参数的顺利控制(例如，具有VFD控制器的单元)，而其余单元配备有控制设备，该控制装置实现所提出的用于在三角形连接与星形连接之间切换的电机控制的方法。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的实施方案，其中：

图1是示出了为联接至机械负载和控制单元的电机供电的三相市电电源的示意图；

图2是图1的控制单元的示意图；

图3是示出了控制单元的构成部分的示意图，该控制单元包括用于测量市电电源电压以及电机的相电压和相电流的瞬时值的元件；

图4a是示出了计算一个相的相电磁功率(Pem)的瞬时值的示意性流程图。

图4b是示出了计算EMF和电磁电机转矩的瞬时值的示意性流程图。

图5是示出了用于生成电机控制的信号的计算的示意流程图；

图6示出了由晶闸管(半导体)调节器控制的电机的一个相的相电流的实施例。

图7是示出了以处于“Y”配置和“Δ”配置的电机的电磁转矩和与电机转速之间的示例性关系以及两个不同负载的静态负载转矩T2和转速之间的示例性关系的图表。

图8是示出了控制单元在电机的启动和稳态模式下的运转的流程图。

图9是示出了控制单元在制动模式下的运转的流程图。

具体实施方式

现在参照附图，图1示意性地示出了由三相市电电源2供电并且机械地连接到负载3的三相电机1。电机1的转子经由传输器4连接至机械负载3。

在旋转的负载的情况下，负载3的惯性在加速阶段期间可能需要来自电机1的高转矩，但是一旦负载达到其转速，则电机的转矩要求可能会降低。当负载减速时，负载的惯性将在该减速阶段期间继续“驱动”电机。

三相电机1具有三个定子绕组和在电机本体上的六个端子5，每个端子均连接到定子绕组中的一个的相应端部。在所示的实施方案中，端子5中的三个端子连接到三相市电电源的相应相，并且所有端子5都连接到控制单元6。在控制单元6内，在端子5之间形成可切换的连接，以便以“星形”配置或“三角形”配置连接电机3的三个定子绕组。

电机通常以星形配置启动，并将负载3加速到标称工作速度。在运转电机1以驱动负载3期间，持续监测由电机产生的转矩，并且当转矩要求下降到预定的第一阈值以下时，电机绕组切换至星形配置以降低功率消耗。当转矩需求增加到可以与第一阈值相同或者高于第一阈值的第二阈值时，则电机绕组从星形配置切换至三角形配置，使得电机可以在较低的电机电流下产生增加的转矩。

本发明的一特征是，当电机在运转时，控制单元监测市电电源电压与电机的相EMF之间的相位差，并且只有在这两个矢量在相位上大致对齐时准许从星形切换至三角形或从三角形切换至星形。正是这种对齐在绕组从星形切换至三角形或从三角形切换至星形时减少了进入电机的涌入电流。

电机控制

控制单元6持续地监测三相电源的每个相中供给的电压，并且还持续地监测在电机绕组中的每一个中流动的电压和电流。在电源电压的每个周期期间在离散点处，同时对相电流ia、ib和ic以及相电压va、vb和vc进行测量，并且基于这些测量中的所选测量，计算电机的瞬时电磁功率Pem的值。基于在一个或多个周期上取平均数所计算出的Pem的值，并且考虑到电机的电气特性以及可选地还考虑到负载的机械特性，控制单元6使电机在星形配置与三角形配置之间切换，以便电机将消耗最少量的功率。

在图2中更详细地示出了控制单元6的实施方案。在该实施方案中，通过三条电源线路L1、L2和L3向三相电机1提供三相电源。电压测量装置V1、V2和V3连接到三条电源线路中的各个电源线路，以监测线路电压。三条电源线路L1、L2和L3中的每一条都在电机绕组中的一个电机绕组的一个端部连接到相应的输入端子5a。

控制单元6包括具有六个端子T1至T6的端子板7。端子T1连接到电机的第一绕组(绕组1)的输入端子5a。端子T2连接到电机的第一绕组的输出端子5b。同样地，端子T3和T4连接到电机的绕组2的相应端部，并且端子T5和T6连接到电机1的绕组3的相应端部。

端子T1、T3和T5直接连接到一排晶闸管8，而端子T2、T4和T6各自通过另外的电压测量装置V4、V5、V6和电流测量装置C1、C2、C3连接到该排晶闸管8。电压测量装置V4、V5和V6分别测量a、b和c相中的相电压va、vb和vc，而电流测量装置C1、C2和C3测量a、b和c相中的相应相电流ia、ib和ic。来自电压测量装置V1至V6以及C1至C3的输出被馈送至控制单元6的处理器9。

该排晶闸管8提供了绕组的端子5a与5b之间的连接，以使绕组能够以星形配置或三角形配置连接。晶闸管由处理器通过晶闸管驱动电路10控制，该晶闸管驱动电路发送信号以切换晶闸管来实现电机绕组之间的星形连接或三角形连接。

控制器6还包括：温度传感器11；用以冷却晶闸管的冷却布置12；以及电源13，以提供功率来驱动晶闸管、处理器和相关联电路。

控制单元包括：控制程序存储器14，该控制程序存储器存储控制算法的细节；电机数据存储器15，该电机数据存储器存储与电机的特性有关的数据；以及负载数据存储器16，该负载数据存储器存储与由电机驱动的负载的机械特性有关的数据。三个存储器14、15和16经由接口17连接到处理器，该接口还连接到输入/输出单元18。输入/输出单元可以经由天线19无线地接收和传输信息，或者可以经由连接端口20诸如USB或其他合适的连接器传输和接收数据。从输入/输出单元18接收的信息可以存储在控制程序存储器14、电机数据存储器15和/或负载数据存储器16中。同样，存储在控制程序存储器14、电机数据存储器15和/或负载数据存储器16中的信息可以经由输入/输出单元18读取和检索。

图3示出了该排晶闸管8中的晶闸管Th1至Th9的布置。晶闸管被分为两组，在图3中表示为组TD和组TY。晶闸管Th1至Th6形成组TD，该组包括三对逆平行或相对接的连接的晶闸管Th1和Th2、Th3和Th4、以及Th5和Th6。晶闸管Th7至Th9以环的形式连接以形成组TY。当组TD的晶闸管正在导通并且组TY的晶闸管被关断并因此不导通时，则电机的绕组以三角形形式连接。同样，当组TY的晶闸管正在导通并且组TD的晶闸管被关断并因此不导通时，则电机的绕组以星形形式连接。

图3还更详细地示出了处理器9的元件。线路电压监测器30从三个电压测量装置VI、V2、V3接收模拟电压信号，该模拟电压信号表示三条电源线路L1、L2和L3中的每一条的瞬时电压值。

相电压监测器31从三个电压测量装置V4、V5、V6接收模拟电压信号，该模拟电压信号提供电机绕组中的每一个处的电压的连续指示。

相电流监测器32从三个电流测量装置C1、C2和C3接收模拟电流信号，该模拟电流信号提供在电机的绕组中的每一个中流动的电流的连续指示。

每隔一段时间对相应电压和电流的模拟值同时进行采样，以产生电流和电压的一组瞬时值，并且将这些瞬时值从线路电压监测器30、相电压监测器31和相电流监测器32馈送到坐标转换器33。

现在将参照图4a和图4b描述坐标转换器33的运转。图4a示意性地示出了根据来自三相中的两相的电压和电流的瞬时值来计算电磁功率Pem。为了理解计算的简易，现在将参照图6解释在电源频率的每个周期期间对电机绕组电流的波形的理解。

图6示出了由晶闸管调节器控制的电机的电机绕组中的一个绕组(相a)中的相电流ia与时间之间的关系。当调节器的晶闸管完全断开时，电机相电流接近正弦曲线。当调节器的晶闸管周期性地断开以使电机减速时，相电流采用与图6中所示的形式类似的形式。在电源周期间隔2π内，电机绕组中的电流最初在短的时间段β内为零，在该时间段期间电流的导数也为零。然后电流以修改的正弦波形式上升，这是间歇地断开调节器的晶闸管以控制电机速度的结果。在返回到零达另一间隔β之前，该波形的下一部分具有由两个奇点分开的三个局部最大值。然后在再次返回到零之前，电压具有与正半周期的形式成镜向的负半周期(具有三个局部最小值)。

以π/3的间隔布置的编号为1至7的断连的竖直线将周期拆成六个相等的部分。线1和线4对应于当相电流ia为零并且相电流的导数dia/dt也为零时的时刻，而线2和线3对应于当相电流ia具有正值并且相电流的导数dia/dt为零时的时刻。线5和线6对应于当相电流ia具有负值并且在局部最小值之一处相电流的导数dia/dt为零时的时刻。

在电机的其他两个相绕组中相电流相对时间的波形在形式上是类似的，但每个相相对于其他相偏移2π/3。因此，当相a中的电流在虚线3处处于局部最大值(即di/dt为零)时，相b中的电流为零(对应于虚线1)。在这个相同的时刻，相c中的电流处于与虚线5对应的局部最小位置(再次di/dt为零)。

因此，在市电电源的每个周期期间，存在六个时刻，在这六个时刻，同时地，其中一相中的电流为零，该相中的电流的导数也为零，并且其他两相中的电流的导数为零。这六个时刻对应于三相电流ia、ib和ic中的每一个相电流在图6的图表中的虚线1和5的位置处的时刻。

当调节器的晶闸管完全断开以产生最大电机功率时，相电流的波形近似为正弦曲线。这意味着在电源电压的每个周期期间存在相电流为零的两个点，以及相电流的导数为零的两个点。

对电磁功率Pem的瞬时值的计算

现在将可以解释对电磁功率Pem(在电机的气隙中)的计算。电磁功率Pem可以表示为：

Pem＝Tem xωο (1)

其中，

ωο是网络的角频率；以及

Tem是电磁转矩。

也可以使用以下等式将电磁功率Pem计算为定子的矢量EMF(e)和电流(i)的标量积：

Pem＝ex·ily+ey·ilx (2)

其中，

ex和ey是定子中EMF的正交分量；

i1y和i1x是定子电流的正交分量。

使用呈以下形式的转换相电流和EMF：

ilx＝ia；

ily＝-(ib-ic)/√3；

ex＝ea；和

ey＝-(eb-ec)/√3，

其中，

ia是电机绕组a中的相电流；

ib是电机绕组b中的相电流；

ic是电机绕组c中的相电流；

ea是相a中的相EMF；

eb是相b中的相EMF；以及

ec是相c中的相EMF。

通过删除其中一个相(例如，相“c”)中的变量，等式(2)可以约简为：

Pem＝(2ea+eb)ia+(2eb+ea)ib (4)

三相中的每个相的相EMF ea、eb和ec定义如下：

ea＝va-rlia-Lldia/dt (5a)

eb＝vb-rlib-Lldib/dt (5b)

ec＝vc-rlic-L1dic/dt (5c)

其中，

va是相a中的电压的相位；

vb是相b中的电压的相位；

vc是相c中的电压的相位；

r1是定子的电阻；以及

L1是定子绕组的漏电感。

为了简化计算，可以根据在电压周期中的特定点处进行的电压和电流测量来计算电机的相电动势和电磁转矩，在该特定点处，相电流中的一个为零并且该相电流和其他相电流的导数为零或接近零。例如，如果选择相b中的相电流为零、相b中的相电流的导数为零并且相a中的相电流的导数为零即ib＝0、dib/dt＝0以及d ia/dt＝0的时刻，则等式(5a)和(5b)简化为：

ea＝va-rlia； (6a)

eb＝vb (6b)

并且等式(4)简化为：

Pem＝(2ea+eb)ia (6c)

这些时刻对应于图6的图表中的虚线编号1和4的位置。因此，在一个相中的相电流及其导数为零并且其他两相之一中的相电流的导数也为零的这些时刻，电磁功率Pem与电机转矩成比例。因此，可以基于在这些时刻获得的相电流和相电压的测量值来非常简单地计算Pem，并且根据在同一时刻获得的转速测量值和Pem的计算值也可以简单地计算电磁转矩Tem。

在图4a和图4b中示出了根据这些瞬时测量值计算电机参数的方式。在图4b中，示出了选择器117，该选择器接收来自三个电流测量装置C1、C2和C3的三个相电流ia、ib和ic中的每一个的连续测量值。选择器117还接收来自三个电压测量装置V4、V5和V6的三个相电压va、vb和vc中的每一个的连续测量值。选择器还可以包括处理器，该处理器可以通过例如计算相电流的连续采样值对之间的差异并将该相电流除以采样之间的时间间隔来提供三个相电流ia、ib和ic的导数dia/dt、dib/dt和dic/dt的连续测量值。

选择器117可以持续地监测三个相电流ia、ib和ic以及三个相电流与时间的导数，并检测相电流中的一个相电流及其导数为零并且相电流中的另一个相电流的导数为零的状况，并且关于该时刻向加法器118提供其电流为零的相的相电压的测量值以及其相电流导数为零的相的相电压和相电流的测量值。

可替代地，选择器117可以在周期中的可以与图6的线1至线6中的一条线对应的特定点处接收来自主控制器34的控制信号，并且在该时刻，选择器117可以根据相电流和相电流的导数的值来确定是否存在相电流中的一个相电流及其导数为零并且相电流中的另一个相电流的导数为零的状况，并且如果存在该状况，则选择器117可以向加法器118提供其电流为零的相的相电压的测量值以及其相电流导数为零的相的相电压和相电流的测量值。

在任一情况下，在三个相电流中的一个相电流及其导数二者都为零并且其他相电流中的一个相电流的导数为零的时刻，然后选择器将下述的瞬时值传递到加法器118：

零电流的相中的相电压；

其相电流导数为零的相中的相电压；以及

其电流导数为零的相中的相电流的瞬时值。

其电流导数为零的相中的相电流的值也被传递到乘法器119，以使用由加法器118运算的结果完成对Pem的运算。

例如，当选择器117检测到：

相a中的相电流ia为零；以及

相a中相电流的导数dia/dt为零；并且相b中的相电流的导数dib/dt为零，

该情况发生时，例如在相a处于周期中由图6中的虚线1所示的时刻并且随之相b是由图6中的虚线3指示的位置时发生，则选择器将下述的瞬时值传递到加法器118：

相a中的相电压va，

相b中的相电压vb，以及

相b中的相电流ib。

然后，加法器118可以根据哪些值被从选择器117传递到加法器118来使用三个等式5a、5b和5c中的相关的两个等式计算ea和eb的值。在前一段的实施例中，选择器传递值va、vb和ib，并且加法器使用等式5a和5b。

在等式5a中，项rlia和Ll dia/dt二者都为零，因为ia和dia/dt二者都为零，且因此等式5a变为

ea＝va。

类似地，在等式5b中，最终项为零，因为dib/dt为零，因此等式5b变为

eb＝vb-rlib

因此，通过将这些值代入等式4中，可以容易地运算出电磁功率Pem，由于相a中的相电流ia为零，所以等式4右边的第一项变为零，并且等式4简化为：

Pem＝(2eb+ea)ib

因此，替换eb和ea，等式4变为：

Pem＝(2(vb-rlib)+va)ib

并且由于rl是电机的已知特性(定子的电阻)，那么通过替换rl、vb、va和ib的值可以容易地计算Pem。通过将功率Pem的值除以在同一时刻测量的转速，获得在该时刻的电磁转矩Tem的值。rl的值例如可以存储在存储器中并被检索以执行对Pem的计算。

图4a示出了加法器118和乘法器119，它们形成处理器9的一部分。在图4a中所示的实施例中(其与上述实施例不同，因为同步测量发生在相b处于周期中与图6中的虚线1对应的点处并且相a处于与图6中的虚线5对应的点处时)，选择器117已经确定：

相b中的电流ib为零；

导数dib/dt也为零；和

相a中的相电流ia的导数dia/dt为零；并且该选择器已经向加法器18传递了下述的同步值：

相a中的相电流ia；

相a中的电压va；以及

相b中的电压vb。

再次使用等式5a和5b，并且当移除零项时，上述等式简化为：

ea＝va-r1ia

eb＝vb

通过将这些值代入等式4中，可以再次容易地运算出电磁功率Pem，由于相b中的相电流ib为零，所以等式4右边的第二项变为零，并且等式4简化为：

Pem＝(2ea+eb)ia

因此，替换eb和ea，等式4变为：

Pem＝(2(va-rlia)+vb)ia

通过替换等式6a和6b中ia、va和vb这三个值，加法器118计算ea和eb的值，然后求和“(2ea+eb)”并将其传递给乘法器119。瞬时电流值ia也被传递给乘法器119，形成乘积“(2ea+eb).ia”，该乘积如上所述为电磁功率Pem的量度。

如果在相c中的电流及其导数为零时(即当相c处于图6中的虚线1的位置处时)进行瞬时测量，则相a中的电流将位于虚线3的位置处，并且相b中的电流将位于虚线5的位置处。因此，相c中的相电流将为零，相c中的相电流的导数将为零，并且相a和相b两者中的相电流的导数将为零。然后可以以与上述方式类似的方式，基于等式5c以及等式5a和5b中的一个来执行对电磁功率Pem的计算。因此简化了计算，并且降低了用于计算在在这些时刻的电磁功率的处理要求。

在相a中电流为零以及电流的导数为零并且相c中电流的导数为零的情况下，EMF和电磁功率的等式如下：

ec＝vc-r1ic (7a)

ea＝va (7b)

以及

Pem＝(2ec+ea)ic (7c)

当选择器117检测到在相a中出现零电流以及零电流导数并且在相c中出现零电流导数时，那么选择器117将向加法器118提供相c中的相电压vc和相电流ic以及相a中的相电压va的瞬时值。然后，加法器118和乘法器119将使用这些值来计算Pem。

上面讨论了相b中的相电流及该相电流的导数为零的情况。

在相c中电流为零以及电流的导数为零并且相b中的相电流ib的导数为零的情况下，EMF和电磁功率的等式如下：

eb＝vb-r1ib (8a)

ec＝vc (8b)

那么，

Pem＝(2eb+ec)ib (8c)

当选择器117检测到相c中出现零电流以及零电流导数并且相b中出现零电流导数时，那么选择器117将向加法器118提供相b中的相电压vb和相电流ib以及相c中的相电压vc的瞬时值。

现在参照图4b，选择器117、加法器118和乘法器119运转以提供在每个市电电源周期期间间隔地获取的多个Pem值，并且这些值被提供到开关板(switchboard)120。开关板120将计算出的Pem值以及电流矢量、EMF和电压矢量的角度引导到存储器121，上述值被顺序地存储在该存储器中。存储器121可以将例如最后十个计算的Pem值和在与根据其计算每个Pem值的电流和电压相同的时刻测量的对应的转速的值一起存储。根据每对对应的Pem值和转速，可以计算在该时刻的电磁转矩Tem的值，并且通过将该Tem值除以实际转速n与设计转速n°的比值，可以得到相对电磁转矩T*em的值。

可替代地，存储器可以存储仅来自当前和/或最后电源电压周期的计算值，或者可以存储来自先前电源周期的更多值。在另一替代方案中，存储器121可以存储电磁转矩Tem或T*em的计算值而不是对应的成对的电磁功率Pem和转速的值。

然后平均器122从存储器121中检索Pem、Tem或T*em的许多最新计算值，并根据这些检索值运算由电机生成的电磁转矩的平均值T*em(av)。平均器122可以获取在当前和/或先前的电源周期期间计算的值，或者可以从多个先前的电源周期中获取值以计算平均值。该平均值T*em(av)用于确定何时将电机连接从星形切换至三角形或返回星形，如将在下面解释的。

矢量生成器

矢量控制基于对电压、EMF和电流矢量(θu、θe、θi)的角度中的变化的倾向的分析，这些值也由矢量生成器123从存储器121中检索。矢量生成器123的功能是生成每个相绕组中的电动势和市电电源电压的矢量值。这些矢量之间的角度在电机的运转期间根据电机的给定参数诸如定子和转子绕组的相电阻、定子和转子绕组的漏电抗、以及磁化电抗进行改变。

矢量生成器123的输出被发送至比较器126，并且比较的结果控制切换时间生成器127(图5)的运转。

在比较器126中将矢量与矢量进行比较，以确定矢量是否同相，并且该比较用于确定何时发起从星形到三角形或从三角形到星形的切换操作，以及何时必须进入动态制动模式。当比较器126确定矢量同相时，信号被发送至切换时间生成器127以开始在星形连接与三角形连接之间切换的过程或进入动态制动模式。通过精确测定星形与三角形之间的切换或进入动态制动模式的时间，可以避免大的涌入电流进入电机。

生成切换命令

现在参照图5，来自平均器122的电磁转矩值T*em(av)的平均值被输入到处理单元124中。处理单元124还接收指示电机和负载的转速n或相对速度n*的输入。相对速度n*是电机的实际速度n除以电机的标称速度n°。可以从测量电机轴或负载的一部分的转速n的转速计得出该速度输入，并且可以根据所测量的速度n和电机的设计速度n°计算相对速度n*。可替代地，可以从基于电机的标称速度n°和电机的滑差s的计算得出相对速度n*。

速度测量值也被输入到图5中的负载数据存储器16，以便从存储器16中检索与该相对转速对应的相对静态负载转矩T2*的值。然后将检索到的T2*的值输入到处理单元124中。

因此，处理单元124接收三个输入值，即：

i.所测量的相对平均电磁转矩T*em(av)；

ii.转速n*；以及

iii.相对转矩T2*，该相对转矩是相对速度n*的函数，并且是以该相对速度驱动负载所需的转矩的量度。

处理单元124首先确定电机当前是以星形配置还是三角形配置连接，然后，将相对平均电磁转矩T*em(av)与预先存储的阈值进行比较，以确定电机是否要被切换至另一配置。阈值可以存储在处理单元124中，或者可以存储在电机数据存储器15中并根据需要从其中进行检索。可以存储两个阈值，一个值对应于星形连接中的操作，一个值对应于三角形连接中的操作。两个阈值可以相同，或者可以不同。星形连接与三角形连接之间的比较基础也可以不同。当电机以星形配置运转时，当相对平均电磁转矩T*em(av)等于或大于用于星形运转的预先存储的阈值时，可以做出切换至三角形配置的决定。当电机以三角形配置运转时，当相对平均电磁转矩T*em(av)等于或小于用于三角形运转的预先存储的阈值时，可以做出切换至星形配置的决定。

如果确定了电机应切换至另一配置，则从负载数据存储器16中检索当前转速下用于负载的转矩要求的值T2*，并且进行比较以确定相对平均电磁转矩T*em(av)是否等于或接近负载的当前转矩要求。

如果确定了已达到或超过T*em(av)的相关阈值，并且相对平均电磁转矩T*em(av)等于或接近负载的当前转矩要求(例如，在5％或10％之内)，然后，将指示电机应该切换至另一配置的命令发送到切换时间生成器127。

当切换时间生成器127从处理单元124接收切换命令时，切换时间生成器127比较相EMF与电源电压之间的相位角，并且当这些相对齐时，向主控制器34发送信号以发起从星形到三角形或从三角形到星形的切换。

图3中的主控制器34被布置成向晶闸管控制器35发送控制信号以切换晶闸管Th1至Th9，以便响应于预定的驱动条件以星形配置或三角形配置连接电机1的绕组，从而减少由电机消耗的能量。与先前切换电机绕组的方法不同，在本实施方案中，基于电机的电磁转矩(Tem)、旋转频率(n)和电机轴上的静态负载的值来完成从星形到三角形或从三角形到星形的切换。这样，在具有可变负载的电驱动器中，将切换的节能效果最大化。

基于电机的相EMF的矢量值与市电电源相电压之间的比较来进行从星形到三角形的每个切换的精确定时，当这两个矢量同相时即它们的相位角对齐时，实现切换。

存储负载特性数据

负载的特性诸如静态负载转矩T2与负载的转速n之间的关系存储在图2和图5中所示的负载数据存储器16中。数据可以以查找表的形式存储，该表包括在零与电机的最大设计速度之间的多个转速值，其中，对于每个速度记录在该速度的负载所需的转矩T2的相应值。可替代地，查找表可以具有静态负载转矩T*2的相对值，即在特定速度下实际所需的转矩T2与在电机的标称速度下驱动负载所需的转矩T°2的比值。同样地，查找表可以包括电机的相对速度n*的值而不是实际转速n的值，该相对速度的值是所测量的速度n与电机的标称设计速度n°的比值。该特性数据可以通过任何方便的手段输入到负载数据存储器中，例如经由天线19无线地、通过将记忆棒插入插槽、通过将闪存器或盘插入适当的驱动器(未示出)、或者通过将电缆连接到输入/输出单元18的端口20来进行该输入。

在图7中可以看到以两种不同方式表示的负载的特性数据的实施例。标记为T2*＝f(n*)的直线示出了相对静态负载转矩与相对速度之间的线性关系，其可以应用于例如自动扶梯。标记为T2*＝f(n*²)的曲线示出了负载的相对静态负载转矩T*2与负载的相对转速n*的平方之间的非线性关系，其是用于负载诸如风扇的代表性曲线。两个特性都说明了负载的转速与在该速度下驱动负载所需的转矩的量之间的关系。

负载数据存储器16还可以存储负载的参数，诸如其惯性矩、负载允许的最大和最小加速度率和减速度率、或者负载特有的其他参数。例如，如果电机正在驱动自动扶梯，则可以存储最大加速度参数以避免乘客跌倒。

存储电机特性数据

电机的机械特性诸如用于星形连接和三角形连接两者的电磁转矩Tem与电机速度n之间的关系存储在图2的电机数据存储器15中。

数据可以以查找表的形式存储，该表包括在零与电机的最大设计速度之间的多个转速n的值，其中，对于每个速度记录在该速度下由处于星形连接和三角形连接的电机产生的电磁转矩Tem的相应值。可以无线地或通过将电缆连接到输入/输出单元18的端口20将该特性数据输入到负载数据存储器中。可替代地，对于不同的速度n的值，电机数据存储器可以存储相对电磁转矩T*em的值，即在星形连接和三角形连接两者中实际产生的转矩Tem与电机的电磁转矩T°em的标称值的比值。同样地，查找表可以将所存储的电磁转矩Tem的值与电机的相对速度n*的值相关，而不是与实际转速n的值相关。电机数据存储器还可以存储电机的电机速度n°和电磁转矩T°em的标称值，以及其他电机参数，诸如设计电源电压和功率输出。

图7中标记为Y和Δ的线示出了电机的相对电磁转矩T*em与电机的相对速度n*(实际速度n除以额定速度n°)之间的特性关系。标记为Y的线表示当电机以星形配置连接时的关系，而标记为Δ的线表示当电机以三角形配置连接时的关系。电机的这些机械特性的可持续值的区域即电机可稳定运行的值的组合由通常由制造商根据如下已知关系提供的电机参数确定：

T*em＝2T*cr/(s/sc+sc/s)

其中，

T*em＝异步电机的电磁转矩相对于标称值的当前值；

T*cr＝异步电机相对于标称值的临界电磁转矩；

s＝异步电机的滑差的当前值；以及

sc＝特定类型的电机的临界滑差值。

电机数据存储器还可以存储特定于特定电机的值，诸如电机的滑差的临界值sc、电机的临界电磁转矩值Tcr或电机的相对临界电磁转矩值T*cr。

电机数据存储器还可以存储电磁转矩Tem的阈值，以用于在星形配置与三角形配置之间切换电机。阈值可以使得当电磁转矩处于或高于阈值时电机以三角形模式连接，并且当电磁转矩低于阈值时电机以星形模式连接。电机数据存储器可以存储两个阈值，一个阈值对应于从星形到三角形的切换，另一个阈值对应于从三角形到星形的切换。两个阈值可以相同。用于从星形切换至三角形的阈值可以高于用于从三角形切换至星形的阈值。

存储在负载数据存储器和电机数据存储器中的特性数据可以可替代地存储为算法，使得通过输入速度n或相对速度n*的值，可以检索负载静态转矩T2或T2*或电磁转矩Tem或T*em的对应值。

启动和驱动

图8示出了在电机的启动和稳态模式下控制单元的运转的示例性实施方案的高级流程图。该图更详细地解释了异步电机的控制算法，该控制算法可以在根据本发明的方法运转的设备中的硬件、软件或硬件和软件的混合来实现。在启动电机之前，晶闸管Th1至Th9都是断开的，即不导通。

现在参照图8，在阶段1000中，给出用以启动电机的命令，例如通过来自机器操作员的手动输入给出。

接下来，在阶段1010中，当负载加速到设计速度时，询问负载数据存储器以检索负载在启动时间段内所需的转矩T2的值，并且询问电机数据存储器以检索电磁转矩T°em的标称值。

接下来，在阶段1020中，控制系统基于该检索到的数据确定是否可以以星形配置开始电机启动。如果在启动期间开始时，负载所需的转矩不超过电磁转矩T°em的标称值的第一特定分数(在该实施例中约为0.4)，并且在加速结束时不超过T°em的值的第二特定分数(在本实施例中约为0.6)，则确定可以以星形配置启动，并且过程转到阶段1030并且电机以星形配置启动。

如果负载所需的转矩的值在启动阶段的开始和结束时超过第一特定分数和第二特定分数(分别约为0.4和0.6T°em)，那么，不可以以星形配置启动，并且过程转到阶段1100，在该阶段，给出用以接通晶闸管单元TD的六个晶闸管的命令，以将电机绕组切换至三角形配置。然后过程转到阶段1100，并且根据幅度-相的控制以三角形模式执行电机启动。

需要强调的是，约0.4和0.6T°em的值仅是示例值，并且在本发明的任何特定应用中使用的用以决定是否可以以星形配置启动的T°em的值可以高于或低于这些示例值。

如果在阶段1020中确定了电机可以以星形配置启动，则在阶段1030中，将晶闸管单元“TY”的三个晶闸管Th7至Th9接通以便连接电机绕组处于星形配置。

在阶段1040中，电机以星形模式启动，并且电机和负载加速到一转速，该转速对应于如图7中的箭头A所指示的处于星形模式的电机的机械特性(T*em＝f(n*)与静态负载转矩的特性(T2*＝f(n*)的交点。

当电机在其稳态模式下运转时，在阶段1040中，监测在稳态运转模式下电磁转矩Tem根据转速的变化，并且在电磁转矩Tem达到或上升超过预定阈值(在该实施例中设定为约0.6T°em)的情况下，然后在阶段1050中确定电机绕组应从星形配置切换至三角形配置。这将通过将晶闸管单元“TY”的晶闸管Th7至Th9关断并将晶闸管单元“TD”的晶闸管Th1至Th6接通来完成。

再次强调的是，0.6T°em的值仅引用作为示例，并且控制系统确定绕组应从星形切换至三角形的阈值可以高于或低于该值。

同时，在阶段1060中，生成由电机消耗的功率的值，并且该值被存储在存储器中，其原因将在随后进行描述。

在从阶段1050接收到用于将电机绕组从星形切换至三角形的命令之后，在阶段1070中，监测电机EMF和电源电压矢量的位置，并且在阶段1080中，确定EMF和电源电压矢量是否处于用于切换所需的位置。

一旦EMF和电源电压矢量重合，在阶段1090中给出命令，以顺序地关断晶闸管组“TY”的晶闸管，然后以下面在标题为“切换操作”的部分中描述的方式顺序地接通晶闸管组“TD”的晶闸管。这提供了电机绕组从星形到三角形的重新连接。

在阶段1100中监测切换至三角形配置，并且在阶段1110中检查用于以三角形模式运转所需的条件。如果到三角形的切换是在正常模式下进行的，并且在预定的间隔之后，电机根据如图7中所示的特性T*em＝f(n*)和T2*＝f(n*)在稳态下运转，则电机的运转继续。

在阶段1120中，根据处于三角形模式的电机的机械特性，持续地监测T*em的值，并且在阶段1130中，确定T*em的值是否达到用于将绕组从三角形切换至星形的阈值。在该实施例中，当T*em约为T°em的0.7至0.8时，阈值出现)。

再次强调的是，0.7至0.8T°em的值仅引用作为示例，并且控制系统确定绕组应从三角形切换至星形的阈值可以高于或低于该值。

如果达到阈值，那么在阶段1131中，监测电机EMF和电源电压矢量的位置，如关于步骤1070所述，并且在阶段1132中，确定EMF和电源电压矢量是否处于用于切换所需的位置上。

一旦EMF和电源电压矢量重合，在阶段1140中给出命令以顺序地关断晶闸管组“TD”的晶闸管，然后以所述方式顺序地接通晶闸管组“TY”的晶闸管。这提供了电机绕组从三角形到星形的重新连接。在从阶段11140接收到此命令之后，如上所述，晶闸管组从“TD”切换至“TY”，并且过程返回到阶段1030中。

在处于三角形模式的电机运转期间，与在以星形模式的该电机的运转期间类似，利用将所监测的值传输到存储器，对由电机消耗的功率实行持续监测(阶段1060)。

如果在阶段1110中发现在指定时间内没有发生电机从星形模式到三角形模式的切换或者电机没有在正确的稳态条件下运转，则给出用于从市电紧急关断电机的命令。

切换操作

在根据节能条款(terms)确定切换电机绕组的可取性之后，控制系统将电机自感EMF与提供给电机的电压进行比较，并开始将电机绕组的连接从三角形切换到星形或从星形切换到三角形的过程。

当电机轴上的负载已经减小到预定阈值时，给出用以从三角形连接改变到星形连接的命令，并开始断开晶闸管开关的过程。晶闸管开关的实际断开顺序地发生，当一个相中的电流通过零时(此时在另外两相中的电流幅度相等但符号相反)，首先断开该相的开关。然后，顺序地在剩余两相中的电流通过零时，断开用于这两相的晶闸管开关。在晶闸管开关全部断开的死区时间期间，监测在两相之间的电机定子电路中感应的EMF，并且，当该EMF等于电源电压时，当网络的电源电压矢量和电机的EMF的矢量同相地匹配时，控制电路给出闭合三个晶闸管开关的命令，以便连接绕组处于星形配置。

以类似的方式，当负载增加超过预定阈值时，控制系统将电机绕组从星形切换至三角形。顺序地在每个相中的电流都通过零时，断开星形连接的晶闸管开关，直到断开所有三个开关。监测在两相之间的电机定子电路中感应的EMF，并且当此EMF等于电源电压时，在网络的电源电压矢量和电机的EMF矢量同相地匹配时，控制电路闭合晶闸管开关以连接绕组处于三角形配置。

电机的每次旋转期间可能只有2或3个EMF与电源电压之间的相位角适合于发起星形连接与三角形连接之间的切换操作的时刻。电机/负载组合的惯性是确定每个电源周期中可以发起切换操作的时刻的数量的因素。

由于EMF幅度小于市电电源电压的幅度，在上述任一情况下，当相EMF的值通过零时，在用于防止短路所需的最小死区时间之后立即启动将绕组重新连接到上述情况中任一种的电源的切换。

通过在每相中的电流为零时断连该相并且在感应的EMF与电源电压重合时重新连接每个相，避免了在星形连接与三角形连接之间切换时生成进入电机的涌入电流。

制动模式

与电机的启动模式和稳定模式的运转模式相反，异步电机的制动模式更加繁重。在持续的磁场下运行的过程比启动时引起更强的转矩波动。已知在这种情况下，该过程是不稳定的，并且取决于由定子绕组中的转子电流引起的EMF与电源电压之间的位移角。因此，存在既有利又不利的位移角。

本提案在电机制动模式下使用相同的EMF电机和电源电压矢量比较的原理，在稳态模式下采用该原理来降低将绕组从三角形切换至星形时的涌入电流。

在本提案中，在网络的电压矢量和电机的EMF矢量同相地匹配的时刻，执行电机从驱动运转至制动模式的切换。在这种控制下，电机制动模式产生相当大的制动转矩，该制动转矩使电机减速并防止电机“悬挂”在高频旋转区域中。

在施加下一个控制脉冲之前这些矢量之间的匹配的接近程度取决于驱动器的惯性。对于具有较高惯性的驱动器，应在制动启动之前实现矢量的更紧密匹配。

本提案的基本特征在于当控制系统接收到外部命令以启动强制制动时，控制系统将关断特定的一组晶闸管。

因此，如果电机以三角形模式运转，则晶闸管单元“TD”的三对晶闸管全部关断，并且在电压矢量和电机EMF矢量同相的时刻，接通每对中的一个晶闸管。这允许DC电流流过电机绕组，其在场中形成固定空间。

如果在电机处于星形配置时需要制动，关断来自晶闸管单元“TY”的三个晶闸管，然后在电压矢量和电机EMF矢量同相的时刻将其中一个重新接通就足够了，如下面描述的图10中所示。

图9是在制动模式下的控制器的运转的示例方法的流程图。该图更详细地解释了用于异步电机的制动模式的控制算法，该算法在根据本发明中提出的方法的设备中得以实现。

在阶段2000中，电机处于稳态运转，并且执行对电机的运转的监测，如前所述测量电流和电压参数。在阶段2010中，如果所监测的电机的参数与其要求值不同例如在过载的情况下，那么如果需要可以要求计划的制动模式。如果与标称稳态存在任何偏差并且无法执行计划的制动，则在阶段2011必须从市电切断该电机。

如果电机运转正常并且需要制动，则在阶段2020输入用于制动的命令。制动命令可以用于强制制动，或者可以简单地是用以将电机与市电电源断连并允许其到达自由停止的命令。

在阶段2030中，控制单元确定是否需要用以使电机停止的强制制动。如果需要，则在步骤2040中，控制单元确定电机是以星形模式运行还是以三角形模式运行。

如果电机以三角形模式运转，则过程流至阶段2060，并且在晶闸管单元“TD”中的所有三对晶闸管全部都被关断。

同时，在阶段2070中，监测相EMF和电源电压矢量的位置并比较它们的相位角。如果这些矢量处于在阶段2080中得到验证的预定的相对位置，则在阶段2090中，确定负载的预定惯性矩，例如通过从负载数据存储器中检索惯性矩数据或通过测量值来确定。

如果负载的惯性矩等于或大于可以从电机数据存储器中检索到的电机的惯性矩的两倍，则例如阶段2100向阶段2110发送必须重合的相EMF和电源电压矢量的数量等于或大于二(N≥2)的要求。如果负载的惯性矩小于电机的惯性矩的两倍，则在阶段2120，将所需的重合矢量的数量设定为N＝1。

在步骤2111，通过将重合矢量的数量与设定的要求N进行比较，确定所需数量的矢量是否重合。当所需数量的矢量重合时，则在阶段2112确定电机是以星形配置运行还是以三角形配置运行，并且如果电机以三角形配置运行，则过程传递到阶段2130，并且来自晶闸管单元“TD”中的每对晶闸管中的一个晶闸管例如晶闸管Th1、Th3和Th5被导通。

在阶段2140中，监测在制动模式期间的相电机电流ia、ib、ic。在阶段2150中，将所监测的相电机电流与相电机电流的标称值进行比较，并且如果相电机电流ia、ib、ic中的一个超过标称电流的约3到4倍，则电机从供电网关断并进入自由停止。

如果相电机电流ia、ib、ic都不超过标称电流的约3至4倍，则电机继续处于动态制动的模式直到完全停止。

如果在阶段2050中，控制系统确定电机以星形配置运转，则过程移至阶段2160，并且晶闸管单元“TY”中的所有三个晶闸管都被关断。如之前通过阶段2070、2080、2090和2100，监测矢量位置，并且在阶段2110和2120中，设定重合矢量的所需数量N。当所需数量的矢量重合时，则在阶段2112确定电机以星形配置运行，并且过程传递到阶段2170，以用于连接来自单元“TY”的晶闸管中的一个晶闸管，例如晶闸管Th9。然后，过程传递到阶段2140并如之前那样继续直到电机停止。

如果在阶段2030中确定制动命令输入不需要强制制动，则过程移至阶段2180，在该阶段中，从制动命令输入确定增加减速时间的需要，即当电机与市电电源断连时与自由停止相比进行较柔和停止的需要。如果不要求较柔和的停止，则电机切换至自由停止。如果需要较柔和的制动，则过程移至阶段2190，在该阶段确定电机是以星形配置运转还是以三角形配置运转。如果电机以三角形运转，则过程移至阶段2200，并且生成用以通过类似于软启动的幅度-相的控制以预定速率使电机停止的命令。如果在给出制动命令之前电机以星形配置运转，则在自由停止模式下简单地关断电机。

用于执行关于图8和图9描述的方法的计算机可读指令可以存储在控制单元的控制程序存储器14中，以用于由处理器9执行。可以经由外部端口20或控制系统6的输入/输出单元18的天线19将指令加载到控制程序存储器14中。

在安装模式下，控制程序和电机数据和负载数据可以全部输入到控制单元6的相应存储器14、15和16。在随后的情况下，例如当由电机驱动的负载被修改或者电机被用于驱动不同的负载时，则可以将修改的或新的负载的负载数据特性上载到负载数据存储器，以用于确定何时应该将电机从星形切换至三角形。同样地，在系统已经运转达一试用期之后，可以将改变电机连接的切换阈值输入到控制程序存储器中，以便将节能最大化。

在特别有利的实施方案中，当电机运转时，其中必要时电机绕组在星形与三角形之间切换以确保电机的最有效运转，由电机消耗的功率(Pc)在功率监测模块128中测量并记录在存储器(未显示)中。

可以在一段时间内收集指示电机的功率消耗的数据。可以将该功率消耗数据与由电机消耗的功率的历史值进行比较，并且可以得到通过使用根据本发明的系统节省的额外功率的量的量度。这种数据可以从控制单元传输或以其他方式输出，以用于远程监测。可以预见，在一些实施方案中，控制单元6可以是远程可控的，以借助于输入到输入/输出单元18的信号来启用、改变或禁用其运转。例如，如果不要求本发明的省电特征，则经由天线19或输入端口20到电机控制单元6的命令可能就足以使处理器9操作晶闸管驱动器10，以将晶闸管8置于下述状况下：在该状况中，电机1简单以星形配置或三角形配置连接并且在该模式下永久运转。可以向电机控制单元6发送另外的命令以重新激活控制单元，使得电机根据需要以节能模式运转，从星形切换至三角形。

Claims (25)

1.一种控制驱动负载的三相电机的运转的方法，其中，所述电机能够以星形配置和三角形配置两者进行运转，所述方法包括下述步骤：

a.监测由所述电机产生的电磁转矩(Tem)；

b.监测所述电机的转速(n)；

c.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较，以及

d.基于该比较，将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置；

其中，通过下述来监测由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)：

i.监测所述电机的所述转速(n)；

ii.监测在所述电机的三个相中的相电流(ia、ib、ic)；

iii.监测在所述电机的所述三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；

iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；

v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；

vi.测量在该时刻下述的值：

a.在所述一个相中的相电压；

b.在所述第二相中的相电压；以及

c.在所述第二相中的相电流；

vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及

viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当由所述电机产生的所述电磁转矩的值等于或大于第一阈值时，将所述电机从星形配置切换至三角形配置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当由所述电机产生的所述电磁转矩的值等于或小于第二阈值时，将所述电机从三角形配置切换至星形配置，所述第二阈值小于所述第一阈值。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过下述将所述电机从星形配置切换至三角形配置：

i.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开开关，以将定子的每个相与市电电源断连；

ii.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

iii.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接电机相处于三角形连接。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过下述将所述电机从三角形配置切换至星形配置：

i.顺序地在电动机定子的每个相中的所述相电流为零时断开开关，以将所述定子的每个相与所述市电电源断连；

ii.监测在所述开关全部断开时在所述电机定子的所述相中感应的EMF，并将所监测的值与所述电源电压矢量进行比较；以及

iii.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接电机相处于星形连接。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括下述步骤：

i.将由所述电机产生的所述电磁转矩与所述负载的转矩要求进行比较，以及

ii.当所述电机的所述电磁转矩大致等于所述负载的所述转矩要求时，将所述电机从星形切换至三角形或从三角形切换至星形。

7.一种用于控制三相电机的运转的控制器，所述控制器包括：

a.相电流监测器(32)，所述相电流监测器用于监测在所述电机的三个相中的相应相电流(ia、ib、ic)；

b.相电压监测器(31)，所述相电压监测器用于监测在所述电机的所述三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；

c.多个开关(Th1-Th9)，所述多个开关包括第一组开关(TD)和第二组开关(TY)，所述第一组开关能够在被闭合时操作以连接所述三相电机处于三角形配置，所述第二组开关能够在被闭合时操作以连接所述三相电机处于星形配置；以及

d.处理装置，所述处理装置能够操作以：

i.监测所述电机的转速(n)；

ii.监测在所述电机的所述三个相中的相电流(ia、ib、ic)；

iii.计算并监测在所述电机的所述三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；

iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；

v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；

vi.测量在该时刻下述的值：

a.在所述一个相中的相电压；

b.在所述第二相中的相电压；以及

c.在所述第二相中的相电流；

vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及

viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的电磁转矩(Tem)；

ix.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较；以及

x.基于该比较，控制多个开关以将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置。

8.根据权利要求7所述的控制器，还包括用于监测各个电源相电压矢量的线路电压监测器(30)，并且其中，所述处理器还能够操作以控制所述多个开关通过下述将所述电机从星形配置切换至三角形配置：

a.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开开关，以将定子的每个相与市电电源断连；

b.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

c.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接所述电机相处于三角形连接。

9.根据权利要求7或8所述的控制器，还包括用于监测各个电源相电压矢量的线路电压监测器(30)，并且其中，所述处理器还能够操作以控制所述多个开关通过下述将所述电机从三角形配置切换至星形配置：

a.顺序地在电动机定子的每个相中的所述相电流为零时，断开开关，以将所述定子的每个相与所述市电电源断连；

b.监测在所述开关全部断开时在所述电机定子的所述相中感应的EMF，并将所监测的值与所述电源电压矢量进行比较；以及

c.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接所述电机相处于星形连接。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的控制器，还包括：

比较器，所述比较器用于将由所述电机产生的电磁转矩与负载的转矩要求进行比较，并且

其中，所述处理器能够操作以在由所述电机产生的所述电磁转矩大致等于所述负载的所述转矩要求时，控制所述多个开关以将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置。

11.一种借助于由三相电源供电的三相电动机来驱动负载的方法，其中，所述三相电动机能够从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置，所述方法包括下述步骤：

a.监测由电机产生的电磁转矩(Tem)；

b.监测所述电机的转速(n)；

c.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较；以及

d.基于该比较，将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置；

其中，通过下述来监测由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)：

i.监测所述电机的所述转速(n)；

ii.监测在所述电机的三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)；

iii.监测在所述电机的三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；

iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；

v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；

vi.测量在该时刻下述的值：

a.在所述一个相中的相电压；

b.在所述第二相中的相电压；以及

c.在所述第二相中的相电流；

vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及

viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)。

12.一种确定三相电机的瞬时电磁功率Pem的方法，包括下述步骤：

i.监测所述电机的转速(n)；

ii.监测在所述电机的三个相中的相电流(ia、ib、ic)；

iii.监测在所述电机的所述三个相中的相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；

iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；

v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；

vi.测量在该时刻下述的值：

a.在所述一个相中的相电压；

b.在所述第二相中的相电压；以及

c.在所述第二相中的相电流；

vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的所述电磁功率(Pem)。

13.一种将由三相市电电源供电且驱动负载的三相电机从星形连接切换至三角形连接的方法，所述方法包括下述步骤：

a.确定由所述电机产生的电磁转矩的值；

b.确定电磁转矩值是否等于或大于预定阈值；

c.确定所述电磁转矩值是否大致等于所述负载的当前转矩要求；以及

d.如果所述电磁转矩值等于或大于预定阈值并且所述电磁转矩值大致等于所述负载的当前转矩要求，那么

e.通过下述将所述电机从星形连接切换至三角形连接：

f.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开开关，以将定子的每个相与所述市电电源断连；

g.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

h.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接所述电机相处于三角形连接。

14.一种将由三相市电电源供电且驱动负载的三相电机从三角形连接切换至星形连接的方法，所述方法包括下述步骤：

a.确定由所述电机产生的电磁转矩的值；

b.确定电磁转矩值是否等于或大于预定阈值；

c.确定所述电磁转矩值是否大致等于所述负载的当前转矩要求；以及

d.如果所述电磁转矩值等于或小于预定阈值并且所述电磁转矩值大致等于所述负载的当前转矩要求，那么

e.通过下述来将所述电机从三角形连接切换至星形连接：

f.顺序地在电动机定子的每个相中的相电流为零时断开开关，以将定子的每个相与所述市电电源断连；

g.监测在所述开关全部断开时在所述电机定子的所述相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接电机相处于星形连接。

15.一种用于控制三相电机的运转的控制器，包括：

a.相电压监测器(31)，所述相电压监测器用于监测在所述电机的三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；

b.多个开关(Th1-Th9)，所述多个开关包括六个晶闸管(TD，Th1-Th6)，所述六个晶闸管以相对接的对的方式连接在所述电机的相应端子之间，并且能够在闭合时操作以连接所述三相电机处于三角形配置；以及

处理器，所述处理器能够操作以提供对以“三角形”配置连接的所述三相电动机的制动，其中，所述处理器能够操作以通过下述来提供对所述电机的制动：

i.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开各对晶闸管，以将定子的每个相与市电电源断连；

ii.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

iii.当所述电源电压矢量和所述电机的相EMF矢量关于该电机相匹配时，闭合每对晶闸管中的一个晶闸管。

16.一种用于控制三相电机的运转的控制器，包括：

a.相电压监测器(31)，所述相电压监测器用于监测在所述电机的三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；

b.多个开关(Th1-Th9)，所述多个开关包括三个晶闸管(TY，Th7-Th9)，所述三个晶闸管能够在闭合时操作以连接所述三相电机处于星形配置；以及

处理器，所述处理器能够操作以提供对以“星形”配置连接的三相电动机的制动，其中，所述处理器能够操作以通过下述来提供对所述电机的制动：

i.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开全部的三个晶闸管，以将定子的每个相与市电电源断连；

ii.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

iii.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF矢量同相地匹配时，闭合所述三个晶闸管中的一个晶闸管。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的用于控制三相电机的运转的控制器，其中，所述处理器还能够操作以：

将电机负载的惯性矩与所述电机的惯性矩进行比较，并且：

a.如果所述负载的惯性矩等于或大于所述电机的惯性矩的两倍，则只有当所述相EMF和电源电压矢量在所述电机相的两个或更多个相重合时发起对所述晶闸管的闭合；以及

b.如果所述负载的惯性矩小于所述电机的惯性矩的两倍，则当所述相EMF和电源电压矢量仅关于一个电机相重合时，发起对所述晶闸管的闭合。

18.一种在以三角形配置运转的三相电机中提供制动的方法，在所述三相电机中，六个晶闸管(TD，Th1-Th6)以相对接的对的方式连接在所述电机的相应端子之间并且能够在闭合时操作以连接所述三相电机处于三角形配置，所述方法包括：

c.在相电压监测器(31)中，监测在所述电机的三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；

d.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开各对晶闸管，以将定子的每个相与市电电源断连；

e.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及

f.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF矢量关于一电机相匹配时，闭合与该相相关联的一对晶闸管中的一个晶闸管。

19.一种在以星形配置运转的三相电机中提供制动的方法，在所述三相电机中，三个晶闸管(TY，Th7-Th9)能够在闭合时操作以连接所述三相电机处于星形配置，所述方法包括：

a.在相电流监测器(32)中，监测在所述电机的三个相中的相应相电流(ia、ib、ic)；

b.在相电压监测器(31)中，监测在所述电机的所述三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；

c.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开全部的三个晶闸管，以将定子的每个相与市电电源断连；

d.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与所述电源电压矢量进行比较；以及

e.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF矢量关于所述电机相的一个相匹配时，闭合与该相相关联的所述晶闸管。

20.一种计算机可读介质，包括处理器可实施的指令，所述指令在被执行时使处理器实施本文所述的或根据权利要求1至6、权利要求11至14、权利要求18或权利要求19所述的方法中的任一种。

21.一种大致如本文所述的或参照附图的图1、图2、图3、图4a、图4b或图5所述的用于电动机的控制设备。

22.一种大致如本文所述的或参照附图的图8或图9所述的控制电动机的方法。

23.大致如本文所述的或参照附图的图1至图3所述的电动机和控制器的组合。

24.一种大致如本文所述的监测由电动机产生的功率的方法。

25.一种大致如本文所述的测定将电动机从星形连接切换至三角形连接或从三角形连接切换至星形连接的时刻的时间的方法。