CN109997306A - 用软启动使三相电机对准的方法和三相电机 - Google Patents

Abstract

为了达到IEC 60034标准中定义的IE4能效等级，必须直接在电网上运行永磁同步电机。由于这是不可能的，因此软启动设备是一种经济有效的解决方案。本发明描述了一种方法，利用该方法定义初始转子角，然后可以由无传感器启动方法使用该初始转子角。基本构思以在定义的方向上通电为基础。这通过仅点火两个控制器相位来实现。由此，机器在固定方向上加载电流空间矢量然后对准。因此，根据定子电流空间矢量的曲线，可以识别成功的对准以及锁死的电动机。

Description

用软启动使三相电机对准的方法和三相电机

背景技术

三相电机将机械能转换成三相电流或者将三相电流转换成机械能。它按原理可以作为发电机或电动机运行。用于在接通电设备，例如电动机时进行功率限制的措施被称为软启动。

根据标准IEC 60034，三相电机根据其效率分类划分成不同能效等级。恰恰在直至约20kW的低功率范围内，难以遵守电驱动器的法定效率，因此越来越多地寻求在转子中使用永磁体，例如作为永磁同步电机(PMSM)。

图1示出了这种永磁同步电机的示意图，在该实施方式中其作为具有定子St和转子L的旋转磁场式电机。转子包括磁北极N和磁南极S以及绕组相U，V，W。图示应仅被理解为示例性的，并且对要求保护的主题的保护范围没有限制作用。

虽然这种机器类型能实现高能量效率，但是在刚性电网上的启动和运行却不易实现。

为了实现前述目标，可以在机器的转子中设置阻尼笼型绕组，尽管其能实现在刚性电网上的安全启动，但是由于极高的启动电流会导致供电网络有强烈负载。

同样，在合适的电力电子致动器，例如变频器或软启动器上的运行也是可行的。特别是，软启动器的使用在此代表了在刚性电网上启动永磁同步电机的成本友好的解决方案。但是，目前还没有可销售的解决方案。

Marcel Bennecke博士(马德堡大学)的题为“具有三相交流控制器的节能型同步电机的启动(Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen mitDrehstromsteller)”的博士论文中介绍了一种以软启动器来启动永磁同步电机的解决方案。但是，在该论文中提出的方法需要机器的实际转子角，使得用于该论文的电机必须配备相应的编码器系统(Geberstystem)。编码器理解为转速和位置编码器。它们检测机械变量-转速和位置。它们的信号是必要的，以便为闭环控制器提供实际值并用于闭合现有的位置和转速控制回路。对于三相驱动器中的矢量闭环控制方法，位置和转速信号也可作为电流控制回路的重要输入变量。在这种情况下，编码器直接在电机轴上检测转速和/或位置。

然而，编码器系统对系统的成本和可用性产生不利影响，这使得高效电动机的软启动解决方案缺乏吸引力。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于启动不带编码器的永磁同步电机的方法。本发明的另一个目的是，提供一种不带编码器的永磁同步电机，它采用根据本发明的方法工作。

所需的启动方法与现有技术中已知的无编码器方法的不同之处在于，它必须可以用于晶闸管控制器而不用于变频器。因此，这些已知方法不适用。

无编码器启动问题可分为两个子问题：确定初始转子角，启动机器(发明报告正在进行中)。

附图说明

本发明还通过以下附图说明：

图1示出了示例性三相电机的剖面图，

图2示出了具有离散的电流空间矢量的电流方向的图表，

图3示出了在相U中的模拟电流曲线，

图4示出了在不同起始角度下在对准过程期间的电角度的示例性曲线。

具体实施方式

所要求保护的方法示出了，可以如何设置初始转子位置，使得无编码器的启动是可能的。

在系统的初始状态下，机器的电气位置是未知的并且必须被测定或确定。为此目的，机器在所定义的方向上加载有脉冲电流并且通过该脉冲电流对准唯一的方向。同样，分析电流曲线，从而可以测定，机器是否总体上发生移动。在下文中，将更详细地解释各个步骤。

在整个流程中，始终只有两个由两个反并联晶闸管组成的阀被点火，使得只有两个电机相有电流流过。第三个相不导通电流，因为相应的阀被锁止。因此，对于这种状态来说，有电流流过的两个相导通在绝对值上相同的电流量，但具有不同的符号。这导致电流空间矢量在定子固定坐标系中只能在三个固定轴上延伸，并且电流空间矢量长度随时间变化。

考虑到电流方向，总共可能有6个离散电流空间矢量，参见图2。

在象限I中，相V和W被点火，在象限II中，相U和W被点火，并且在象限IV中，相U和V被点火。

由于在六个可能方向之一中的电流流动，在机器中建立了同样取向的场。如果机器的通量轴不在由电流定义的该方向上，则产生扭矩并且机器开始在定子电流空间矢量的方向上旋转-因此它自己对准了电流方向。一旦机器的通量轴与电流方向重合，则不再产生扭矩。

测定最佳点火角：

为了确保利用所确定的最大电流(以及进而还利用最大扭矩)执行机器的对准，必须首先测定最佳点火角。最佳点火角被用于所有后续对准过程。

为此，两个晶闸管在极大的点火角(例如180°)时仅被点火一次，并测定相电流的幅值。由于点火角大，因而对于机器的有效电压时间面积极低进而所产生的电流的最大值极低。如果电流幅度小于所定义的最大值，则晶闸管的点火角缓慢从例如180°变小，并且电流幅值再次与最大值进行比较。

重复该过程，直到幅值足够接近最大值。

在所有后续测量时，必须连续监控电流的幅值，必要时，必须再次调整最佳点火角。下面，简单假设这不是必要的。

计算在此可以如下所示：

相U和V被点火，相U中的电流为正。因此矢量角度为-30°。

在以机器的电气角度应用Clarke/Park变换时，可以计算出形成扭矩的电流I_q：

因此，扭矩计算为(L_d＝L_q)：

当电气角度＝-30°时，扭矩变为0。

第一次对准：

在测定最佳点火角期间，机器已经会由于脉动电流而自己对准。但是，并不能由此保证机器已经完全对准。出于该原因，晶闸管以测定的最佳点火角再被多次点火(数量是可校准的)，从而最终可以认为机器不再移动并因此是对准的。最后，在点火过程期间记录电流空间矢量的曲线，并在随后的测量中将其用作为参考曲线。

第二次对准(可靠性检查)：

在第一次对准之后，必须确保机器一方面实际上可以自由移动而另一方面确实在电流方向上对齐且没有恰好错开180°。为此目的，以相同的最佳点火角、但是在不同的电流方向上重复上述方法。

因此，如果直到现在为止例如始终已经点火了相U和V，那么现在点火相V和W。在此，可以选择相序，以便电机以正向旋转方向旋转，而不会对机械装置造成可能的损坏，因为它在对准期间反向于允许的旋转方向旋转。

当前在另外的方向上为机器加载脉冲的电流空间矢量时，将测量的定子电流空间矢量的曲线与来自第一方向的参考曲线进行比较。如果这些曲线极其相似，则电机没有移动并输出相应的报告(“电机锁止”)-对准过程无法完成并且因此被中止以保护系统。

如果机器根据电流空间矢量的新角度重新对准，则电流曲线不同。当前，相同的晶闸管再次被多次点火，以最终使机器对准。在该过程结束时，再次将定子电流空间矢量的曲线与参考曲线进行比较。如果这些曲线极其相似，则机器不再移动并且机器对准。

如果这些曲线仍然如之前那样明显不同，则可以重复该方法或报告错误，以防止机器受到机械损坏。

电流曲线(模拟)：

作为示例，图3和图4示出了相U中的相电流的模拟曲线和在不同起始角度下的对准过程期间的电气角度的曲线。

在模拟中，机器被简单地施加直流电压，但是，本基础性阐述对于使用晶闸管控制器实现的激励也是适用的。

很明显，在的起始角度下，机器已经对准，并且电流曲线仅仅由机器的电阻和电感(RL路径)确定。随着机器的初始角增加，电流曲线明显偏离这种简单的RL表现。其原因是由于机器移动所感生的电压，该电压影响电流形状-因此电流的曲线可用于可靠性检查(“机器移动？”)。

例如，通过计算可以引入两个关于成功对准的指标

并与阈值ε进行比较。

电流曲线(测量的)：

在实验室的真实机器上验证了在通有DC电流时的模拟电流曲线。使用以下值粗略估计起始角度：

通道	电气起始角度，单位为°
		R1	0
R2	-45
		R3	-85
R4	-125
		CH1	-175

所描述的启动方法与已知的无编码器方法的不同之处在于，它必须可以用于晶闸管控制器而不用于变频器。这直接导致利用测试信号馈入的方法在低转速时由于硬件拓扑而不可行-已知方法不能转用于本申请。

Claims (7)

1.一种用软启动使三相电机对准的方法，具有以下步骤：

在第一步骤中，通过测定最佳点火角来执行转子的第一对准，

在第二步骤中，在使用所测定的所述最佳点火角的情况下实现第一对准，以及

在第三步骤中，通过在另一个电流方向上将先前测定的点火角施加给转子来执行转子对准的可靠性检查，

其中，在所述方法的每个步骤中，三相电机的仅两个电机相(U，V，W)有电流流过。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

有电流流过的第一电流相(U，V，W)在绝对值方面导通与有电流流过的第二电流相(U，V，W)相同的电流量，并且

有电流流过的所述第一电流相(U，V，W)在方向方面与有电流流过的所述第二电流相(U，V，W)具有不同的数学符号。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

通过利用极大的点火角度，尤其是180°，一次触发两个点火，并且测定所述相电流的幅值来测定最佳点火角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

执行至少一次另外的点火，直到测量到的幅值接近最大值为止。

5.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在点火过程中记录电流空间矢量的曲线，并在随后的测量中用作参考曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

电流空间矢量的所测量到的曲线将第二电流方向与基于第一电流方向的先前记录的参考曲线进行比较，并且在一致时发出错误报告。

7.一种三相电机，具有软启动器，其特征在于，

根据权利要求1至6中任一项所述的方法实现所述三相电机的初始对准。