CN110063015A - 启动永磁同步电机的方法和永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

为了达到标准IEC 60034中定义的IE4能效等级，必须直接在电网处运行永磁同步电机。由于这不能轻易实现，因此软启动设备被认为是一种成本高效的解决方案。无编码器启动的问题可以分解为两个子问题：确定初始转子角度和启动机器。在本申请中，描述了一种无(旋转)编码器的启动方法，利用该启动方法能够以软启动器启动电机。

Description

启动永磁同步电机的方法和永磁同步电机

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。按照原理，它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。恰恰在直至大约20kW的低功率范围内，难以遵守电驱动器的法定效率分类，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效等级，但是在刚性电网处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处的安全启动，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处的运行也是可行的。特别是，软启动器(也称为软启动设备)的使用在此代表了在刚性电网处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当前转子角，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处检测转速和/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。出于此原因，寻求一种无需编码器的启动方法

发明内容

本发明的目的是，提供一种无需编码器的启动永磁同步电机的方法。本发明的目的还在于提供一种不带编码器的永磁同步电机，其利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区别在于，它必须可用于晶闸管控制器而不是变频器。这直接导致了：在低转速下，接入有测试信号的方法由于硬件拓扑而不能实现-已知方法不能转用到本应用情况中。

根据本发明的方法的先决条件是预先得出初始转子位置、三相电机的最佳点火角。对此的可行方法已经作为另一专利申请的主题。本文所描述的方法认为：在启动时可以引用该已知的角度。

如已经描述的，所有已知的无编码器方法都以脉冲控制的逆变器为先决条件。永磁同步电机的使用软启动器的已知启动方法需要电动机的电气角度并从测量系统获得该角度。

本文所描述的方法基于以下基本构思：在晶闸管首次点火时，机器以最大的可行扭矩被加速。由此应确保，电机在首次点火后已经超过了特定的最小转速，并且因此可以足够精确地测量在晶闸管的由相关原理决定的截止时间期间感生出的电压。然后，根据已知的所谓的EMF方法，可以由感生出的电压得出电动机的电气角度，并将其传递给Benecke方法(来自上述论文)。此外，在两相点火期间，可以直接测量第三相的电压并在评估中考虑该电压。

由于使用软启动器的电机通常以线性或二次负载特征曲线驱动被动负载，因此首次点火时的扭矩几乎完全用于加速惯性质量。就此而言，可以认为首次点火时的加速是足够的并且能够足够精确地测量感生出的电压。在测量电压时，可以使用不管怎样都存在于串联软启动器中的测量传感机构。因此，该方法不需要任何额外的硬件。

附图说明

本发明还通过以下附图示出：

图1示出了示例性三相电机的截面图，

图2示出了根据本发明的结构的示意图，

图3示出了流程图，

图4示出了在渐停时的电动势EMK的所测量的变化，

图5和7分别示出了所测量的EMF的变化，并且

图6和8示出了由反正切(ATAN)计算获得的所属的结果角度。

具体实施方式

图2示出了永磁同步电机(M)的原理期望结构，该同步电机具有软启动器(SS)并且不带编码器，而在左侧示出了带编码器(G)的同步电机。

下面更详细地解释各个步骤。

步骤1：得出最佳点火角：

在用于使机器初始对准的方法完成之后，电机的当前角度是已知的。基于该已知的起始角度，根据上述方法，可以计算软启动器的如下点火角，在该点火角，对于给定的最大电流来说在电动机中产生的扭矩最大。为了在晶闸管的首次点火时产生尽可能高的扭矩，在首次点火时允许的最大电流被设定为功率半导体的最大允许电流。

在计算最佳点火角时，通常也结合在晶闸管点火期间的旋转角度和转速的变化，但是它们在计算点火角时是未知的。出于此原因，在启动方法的框架下，应预先为驱动器得出用于首次点火的最佳点火角。

图3的流程图示出了可能的方案。计算出最佳点火角，软启动器以该最佳点火角被一次性地点火，然后得出终角和平均转速。利用这些值，再次计算最佳点火角，电机根据ID19278的方法被对准并重新启动。重复该过程，直到满足终止标准(例如，几次运行之间的值变化)为止。

在步骤10中，值和ω_平均设置为0。

在步骤11中，永磁同步电机被初始对准。

在下一步骤12中，例如根据在说明书引言中引用的方法计算最佳点火角。

步骤13包括晶闸管(控制器)的点火。然后，在步骤17中得出和Δω_平均。只要和Δω_平均以及Δ点火角都低于规定的阈值，则因此计算出最佳点火角，18。否则，如果其中一个Δ值太高，必须再次运行该方法。

可以设想，不是通过计算来得出首次点火的最佳点火角，而是仅根据在启动期间计算的变量和ω_平均确定该最佳点火角。对于和/或ω_平均来说的最大角度是最佳点火角。

步骤2：切换到EMF(电动势)方法：

在通过首次点火加速永磁同步电机之后，由机器旋转感生出的电压大到足以在晶闸管的截止阶段期间能够被测量到。随后，例如通过观察者或简单的反正切计算，可以由测量到的电压得出机器的磁通角。同样可以设想，仅基于激励电压、测量到的电流和机器方程，也就是借助于算法，得出旋转角度。

与所选择的方案无关，在所提到的情况中已知有大量的无编码器控制领域的方法，并且这些方法可以被使用。

由EMF方法得出的磁通角作为实际值传递给Benecke方法，并且由其得出在机器旋转时的下一个最佳点火角。

测量：

图4至图8中示出了在实验室中对真实永磁三相电机的测量的图表。它们示出，借助简单的反正切计算，已经可以由所测量的电压得出磁通角。

图4示出了在机器渐停时所测量的电磁势EMF的变化，电压U相对于时间t绘出。

图5和7示出了多次测量和由反正切计算分别计算出的角度，其中相对于时间示出了所测量的EMF。

为了达到标准IEC 60034中定义的IE4能效等级，需要直接在电网处运行永磁同步电机(PMSM)。由于这不能轻易实现(见上文)，因此软启动器是一种成本高效的解决方案。为实现这一点，现有技术需要(昂贵的)编码器系统。对于经济上合理的解决方案，必须实现无传感器的启动。所需的启动方法与科技中已知的无编码器方法的不同在于，它必须可用于晶闸管控制器而不是变频器。因此，这些已知方法不适用。

总之，基本构思是，利用晶闸管的首次点火使电动机最大程度地加速，然后基于测量到的感生电压计算机器的磁通角。在首次点火过程之后，已经可以直接由测量到的端子电压(此时相电流为零)得出机器的磁通角。不是以计算模型为基础来得出，而是基于对感生电压的直接测量，即电动势EMF来得出。然后，对于第二次点火过程，可以使用计算出的角度。测量表明，甚至在低转速时，也可以由测量到的电压很好地得出角度。

为了在首次点火时确实最大程度地加速机器，在所描述的启动方法的框架下，可以精确地得出机器启动时的最佳点火角(起始角度已知)。所描述的启动方法仅以标准设备中已经存在的测量值为基础，并且不需要任何额外的传感机构。因此，可以仅通过用于运行IE4电动机的软件解决方案来扩展现有产品。

Claims (7)

1.一种用于运行永磁同步电机(M)的方法，所述永磁同步电机包括转子(L)、定子(St)、晶闸管和软启动器(SS)，所述方法包括以下步骤：

-得出所述转子(L)的初始位置，

-借助所述晶闸管的点火以最大扭矩将所述转子(L)转离已知的所述初始位置，

-测量由于所述转子(L)的旋转所感生出的电压，和

-得出电机的最佳点火角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述永磁同步电机包括至少三个晶闸管，并且由于两个所述晶闸管的点火使得所述转子旋转并以最大允许电流进行旋转。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述晶闸管的截止时间内测量所述电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量由所述软启动器(SS)实现。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为所述永磁同步电机一次性地计算所述最佳点火角，并且将计算出的值用于所述永磁同步电机的每个后续启动过程。

6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述最佳点火角根据变量和ω_平均来确定。

7.一种具有软启动器(SS)的永磁同步电机(M)，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项所述的方法得出所述永磁同步电机(M)的最佳点火角。