CN110995065B - 同步电机、电动机启动器和用于启动同步电机的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及用于同步电机的电动机启动器。本文中公开了电动机启动器的独特的系统、方法、技术和装置。一个示例性实施例是一种同步电机，其包括多个定子相绕组、转子、电动机启动器和控制器。电动机启动器包括多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关。控制器被构造成在转子的角速度小于同步速度时操作多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关，以便以三角形配置耦合多个定子相绕组，以及被构造成响应于转子的角速度等于同步速度而操作多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关，以便以星形配置耦合多个定子相绕组。
Description
技术领域
本公开总体涉及电动机启动器。
背景技术
同步电机经历启动操作以达到同步速度。对于直接连接到公用电网的同步电机，同步电机的同步速度是基于来自电网的电力的频率以及转子和定子的极数。在启动操作期间，浪涌电流幅度趋向于尖峰。在同步电机连接到电源而没有中间变频驱动器的情况下，通常使用电动机启动器来限制浪涌电流。
同步电机可以用于旋转具有高转动惯量的负载，诸如风扇离心机或输送器。某些同步电机不能以与可被同样额定的感应电动机旋转的高转动惯量负载同步的速度运行。这种缺陷是由于不能利用常规的电动机启动器将高转动惯量负载带到同步速度。例如，图8A描绘了曲线图800，其示出了使用用于耦合到具有16lb-ft2的惯量的风扇的同步电动机的常规直接在线启动器的启动操作。曲线图800包括表示角速度的线801。当常规直接在线电动机启动器开始操作同步电动机时，角速度增加，但在不足同步速度803处停止增加，代替以在大约1600rpm振荡。常规的电动机启动器不能产生足够的扭矩来将电动机拉到同步操作中。
现有的电动机启动操作具有许多短处和缺点。仍然存在不满足的需求，其包括降低硬件复杂度和降低机器功率损耗。例如，旋转高转动惯量负载的同步电机需要昂贵的变频驱动器，该变频驱动器在操作期间产生开关功率损耗。存在对本文所公开的独特装置、方法、系统和技术的显著需求。
发明内容
为了清晰、简洁和准确描述本公开的非限制性示例性实施例、制作和使用本公开的非限制性示例性实施例的方式和过程的目的，将引用某些示例性实施例，包括在图中示出的部分，并且将使用特定的语言来描述非限制性示例性实施例。然而需要理解的是，并未因此建立对本公开范围的限定，并且本公开包括并保护本领域技术人员在本公开的帮助下对各示例性实施例所作的改变、修改以及进一步的应用。
附图说明
示例性实施例包括用于电动机启动器的独特的系统、方法、技术和装置。本公开的更多的实施例、形式、目的、特征、优势、方面和益处将从下文的描述和附图中变得显而易见。
图1是示例性同步电机启动系统的电路图。
图2是示例性同步电机。
图3至图7是示出图1的示例性同步电机启动系统的启动操作的曲线图。
图8A至图8B是比较常规电动机启动器和示例性电动机启动器的操作的曲线图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括电动机启动器120的示例性同步电机启动系统100。系统100被构造成在耦合到高转动惯量负载的同时以同步速度操作。在某些实施例中，高转动惯量由NEMA MG-1标准中的感应电机的临界惯性值限定。在某些实施例中，高转动惯量是NEMAMG-1标准的临界惯性值的十分之一。应当理解，同步电机启动系统100(有时被称为系统100)可以在各种高转动惯量负载应用中实现，包括风扇、风扇壁、离心机或输送器，仅举几个示例。此外，所示实施例并不旨在以任何方式基于本文所示和所述的电气或机械特性将示例性电动机启动器120的应用限制到同步电机或AC电源的子集。例如，示例性电动机启动器120可以结合到同步电机系统，该同步电机系统具有来自AC电源的电力的任何线间电压、大于二的任何数目的AC电力相或定子相绕组、任何同步电机电功率额定值、以及任何同步电机马力额定值，仅举几个示例。
系统100包括耦合到同步电机110的AC电源101。AC电源101可以包括配电网络(诸如公用电网)或发电系统(仅举几个示例)。AC电源101将具有线路频率的三相AC电力从输出端子103、105和107传输到同步电机110。由AC电源101传输的AC电力的线路频率可以在45Hz到65Hz之间的范围内。系统100是直接在线系统，其意味着同步电机110从AC电源101接收未被中间变频驱动器修改的AC电力。由AC电源101传输的AC电力包括诸如跨端子103和105的线间电压Vab、跨端子105和107的线间电压Vbc以及跨端子103和107的线间电压Vac的电气特性。AC电力还包括诸如从端子103流出的相电流Ia、从端子105流出的电流Ib、以及从端子107流出的电流Ic的电气特性。在其他实施例中，系统100包括被构造成传输具有两个或更多个相的AC电力的AC电源101，以及同步电机110包括等于相的数目的多个定子相绕组。
同步电机110包括定子相绕组113、115和117。每个定子相绕组包括第一端子和第二端子。定子相绕组中的每个定子相绕组的第一端子耦合到AC电源101，并且每个定子相绕组的第二端子选择性地耦合到公共节点119。绕组113的第一端子耦合到输出端子103。绕组115的第一端子耦合到输出端子105。绕组117的第一端子耦合到输出端子107。绕组113、115和117两端的电压分别由电压V113、V115和V117表示。
电动机启动器120包括多个三角形半导体开关121和多个星形半导体开关122，多个三角形半导体开关121和多个星形半导体开关122被耦合到控制器129并且被构造成从控制器129接收控制信号以有效地选择性断开和闭合每个开关。控制器129被构造成在启动操作期间以三角形配置、以及在稳态操作期间以星形配置来布置定子相绕组113、115和117。在某些实施例中，启动操作包括第一时间段，其中定子相绕组113、115和117以星形配置布置，随后是第二时间段，其中定子相绕组113、115和117以三角形配置布置。
多个三角形半导体开关121包括半导体开关123、125和127。半导体开关123耦合在定子相绕组113的第二端子与定子相绕组115的第一端子之间。半导体开关125耦合在定子相绕组115的第二端子与定子相绕组117的第一端子之间。半导体开关127耦合在定子相绕组117的第二端子与定子相绕组113的第一端子之间。
多个星形半导体开关122包括半导体开关124、126和128。半导体开关124耦合在绕组113的第二端子与公共节点119之间。半导体开关126耦合在绕组115的第二端子与公共节点119之间。半导体开关128耦合在绕组117的第二端子与公共节点119之间。在某些实施例中，多个星形半导体开关122仅包括开关124、126和128中的两个开关。
在某些实施例中，系统100包括旁路电路，该旁路电路包括耦合在每个定子相绕组与AC电源101之间的多个旁路开关，以有效地旁路多个三角形半导体开关121和多个星形半导体开关122。当多个三角形半导体开关121和多个星形半导体开关122断开并且旁路开关闭合时，定子相绕组113、115和117以星形配置布置。
控制器129被构造为通过在断开多个三角形半导体开关121的开关的同时切换多个星形半导体开关122的开关而以星形配置来控制同步电机110的定子相绕组的布置。控制器129被构造成通过断开多个星形半导体开关122的开关并且切换多个三角形半导体开关121的开关而以三角形配置来布置同步电机110的定子相绕组。通过控制器129使用电流测量结果来确定是否以星形配置或三角形配置来布置定子相绕组113、115和117。由控制器129接收的电流测量结果对应于向控制器129指示必须以三角形配置布置定子相绕组以便在启动操作期间产生足够的牵入扭矩以达到同步速度的机器状况。控制器129对开关的切换由机器110的电特性(诸如，基于同步电机110的电流额定值的电流阈值)来确定。开关切换的定时可以对应于将电流Ia、Ib和Ic维持在电流阈值处或低于电流阈值所需的经确定的触发角。电动机启动器120的每个开关被构造为在基本零电流条件下断开和闭合，诸如小于标称电流幅度的5％。
在示出的实施例中，电动机启动器120的半导体开关中的每个半导体开关是双向三极晶闸管(TRIAC)。在其他实施例中，电动机启动器120的半导体开关中的一个或多个半导体开关可以替代地包括一个或多个晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、栅极截止晶闸管(GTO)、MOS控制晶闸管(MCT)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)、碳化硅(SiC)开关器件、氮化镓(GaN)开关器件或被构造成选择性地控制电流的流动的任何其他类型的半导体开关。电动机启动器120的半导体开关可以包括以反并联配置(诸如两个晶闸管)耦合的两个半导体开关。应当理解，系统100的前述特征中的任何特征或全部特征也可以存在于本文所公开的其他同步电机系统中。
参照图2，示出了被构造成在负载240上施加旋转力的示例性同步电机系统200。系统200包括AC电源210、电动机启动器220和同步电机230。
同步电机230包括定子231和转子233。定子231包括围绕多个定子齿缠绕的多个定子相绕组237。多个定子相绕组237被耦合到AC电源210并且被构造成从AC电源210接收AC电力，并且由电动机启动器220以三角形配置或星形配置选择性地布置。AC电源210直接耦合到定子231，其中系统200不包括对提供给定子231的AC电力的电压和基本频率或线路频率进行修改的变频驱动器。诸如断路器、继电器或滤波器的其他部件可以可操作地耦合在直接耦合的AC电源210与定子231之间。
转子233借助于轴235耦合到负载240。在某些实施例中，转子233借助于齿轮箱或皮带装置耦合到负载240。在其它实施例中，转子233直接耦合到负载240。
定子231被构造成在转子233上施加电磁力，从而引起转子233、轴235和负载240的旋转运动。在机器230的稳态操作期间，转子233以同步速度旋转。转子233在同步速度下的旋转速度等于从AC电源210接收的AC电力的频率乘以120并且除以转子233的磁极的数目。例如，接收具有60Hz的频率的AC电力的带有四极转子的同步电机具有1800转每分钟(rpm)的同步速度。在某些实施例中，转子233是笼状转子永磁体，也称为笼状永磁体转子，其包括鼠笼和多个永磁体。在某些实施例中，电机230是线启动同步磁阻电机，并且转子233是线启动同步磁阻转子。转子可以包括多个磁通屏障，并且可以包括插入转子腔中的多个永磁体。在某些实施例中，转子233包括场绕组而不是多个永磁体。
在启动操作期间，电动机启动器220操作以将转子233的角速度从较小的速度增加到同步速度，同时保持电动机电流水平处于或低于最大电流阈值。同步电机230可以从静止开始，但是机器230也可以在转子233旋转时开始启动操作，诸如在最近的电源故障或不完全的机器关闭操作之后。
负载240是风扇或具有高转动惯量的另一类型的负载。随着负载240的转动惯量增加，同步电机230达到同步速度所需的牵入扭矩的量也增加。感应电动机需要显著较少的扭矩来完成具有相同负载的电动机启动。由于电动机设计的差异，具有常规电动机启动器的同步电机可能仅能够与具有小于一半的、可用相同额定功率的感应电动机操作的负载的转动惯量的负载同步。如下面的附图所解释的，所示的电动机启动器将同步电机230的同步能力增加多达五倍。在其他实施例中，示例性电动机启动器可以将同步电机的同步能力增加超过五倍。
参考图3到图7，曲线图示出了图1中的同步电机启动系统100的操作，机器110是耦合到具有232lb-ft2的负载惯量并且具有1800rpm的同步速度的负载的50HP同步电机。重要的是要注意，232lb-ft2的负载惯量是由NEMA MG-1针对50HP感应电动机限定的临界惯性值。
在时间t0处，当电动机启动器120以星形配置布置定子相绕组113、115和117并且AC电源101开始向同步电机110提供电力时，同步电机110的启动操作开始。在时间t1处，电动机启动器120将定子相绕组113、115和117从星形配置转变为三角形配置。在时间t2处，电动机启动器120通过将定子相绕组113、115和117从三角形配置转变为星形配置而进入稳态操作。应当理解，绕组113的电特性已经被示出，因为其他绕组遵循与所示相相同的模式。在其它实施例中，同步电机110的定子相绕组仅在启动操作期间以三角形配置布置。在某些实施例中，电动机启动器120包括旁路开关，并且电动机启动器120通过在闭合旁路开关的同时断开多个三角形半导体开关121和多个星形半导体开关122来在时间t2处将定子相绕组布置成星形配置。旁路开关各自耦合在公共节点与多个定子相绕组中的相应一个定子相绕组之间。
参考图3，曲线图300示出了在启动操作期间的线电流。曲线图300包括表示线电流Ia幅度的线301。曲线图300包括最大电流阈值303。在某些实施例中，最大电流阈值303对应于由NEMA MG-1标准限定的启动锁定转子电流最大值。在某些实施例中，最大电流阈值是用户定义的值，诸如机器电流额定值的百分比。例如，用于50HP同步电机的最大锁定转子电流为725；然而，用户已经将最大电流阈值303减小到330A。
在时间tVMAX1处，绕组113两端的电压达到星形配置的最大值，并且线电流Ia开始下降。曲线图300还包括三角电流阈值305，三角电流阈值305为电流阈值303的三分之二。三角形电流阈值305对应于系统100的操作状况，其中更多的扭矩源自以三角形配置而不是星形配置布置的定子相绕组。在其他实施例中，三角形电流阈值305是电流阈值303的另一百分比。当机器110接近同步速度时，线电流开始急剧下降。在时间t1处，控制器129响应于机器电流(诸如等于或小于阈值305的线电流Ia)而以三角形配置布置机器110的定子相绕组。以接近同步速度的速度从星形配置改变为三角形配置允许同步电机施加达到同步速度所需的附加扭矩。在某些实施例中，确定阈值305以便维持恒定角加速度，其由图7中的线701的斜率示出。
在时间t2处，控制器129响应于机器电流(诸如等于或小于稳态电流阈值307的相电流Ia)而以星形配置布置同步电机110的定子相绕组。
在机器110的操作期间，控制器129不允许线电流Ia超过阈值电流303。如下面更详细地讨论的，控制器129通过在启动操作期间切换电动机启动器120的开关来将线电流维持在最大电流阈值303处或低于最大电流阈值303。
参考图4，曲线图400示出了绕组电压幅度V113。曲线图400包括表示跨绕组113的、从AC电源101接收的AC电力的最大电压的线403，而机器110的定子绕组以三角形配置耦合。曲线图400还包括表示跨绕组的、从AC电源101接收的AC电力的最大电压的线405，而机器110的定子绕组以星形配置耦合。在所示的实施例中，线405的幅度等于线403的幅度除以三的平方根。在时间t0处开始，表示绕组电压V113的线401接近线405。在时间tVMAX1处，线401达到最大值直到时间t1。在时间t1处，线401增加到线405以上直到时间tVMAX2，其中绕组电压V113达到线403与405之间的幅度。在时间tVMAX2处达到的绕组电压的幅度可以被定义为线405以上的百分比。在某些实施例中，在时间tVMAX2处达到的绕组电压V113的幅度比线405的幅值高5％。在时间t2，机器进入稳态操作，并且定子相绕组以星形配置布置，导致电压V113到最大星形配置电压。
参考图5，示出了表示电动机启动器120的半导体开关的触发角的曲线图500。曲线图500包括表示在控制器129以星形配置操作电动机启动器120的开关时传输到多个星形半导体开关122的控制信号的触发角的线501。重要的是要注意，多个三角形开关121在t0和t1之间断开，并且因此不接收有效地切换开关的控制信号。
曲线图500包括表示在控制器129以三角形配置操作启动器120的开关时传输到多个三角形半导体开关121的控制信号的触发角的线503。重要的是要注意，多个星形半导体开关122在t1和t2之间断开，并且因此不接收有效地切换开关的控制信号。
曲线图500包括表示在控制器129在稳态操作中操作电动机启动器120的开关时传输到多个星形半导体开关122的控制信号的触发角的线505。重要的是要注意，多个三角形开关121在t2之后断开，并且在稳态操作期间以零度触发角闭合多个星形半导体开关122以向电动机供应未畸变线电压。在其他实施例中，多个星形半导体开关122和多个三角形开关121都断开并且旁路电路开关闭合，从而以星形配置布置定子相绕组。
参考图6，曲线图600示出了同步电机110的输出扭矩。曲线图600包括表示由同步电机110产生的扭矩的线601。如线601所示，响应于控制器129将电动机启动器120的开关从星形配置转变为三角形配置，扭矩增加。这种提供的扭矩的增加对于某些同步电机而言是必要的，以达到具有高转动惯量负载的同步速度。
参照图7，图7示出了同步电机110的角转子速度的曲线图700。曲线图700包括表示启动操作和稳态操作期间的角速度的线701。曲线图700还包括表示同步速度的1800rpm的线。在时间t1处，重要的是要注意，在输出扭矩正在减小的情况下，机器110尚未达到同步速度。同步电机110仅能够在电动机启动器120以三角形配置布置定子相绕组并且向定子相绕组施加比在以星形配置布置时可实现的绕组电压的最大幅度更大的电压时，实现具有高惯性负载的同步速度。
参考图8A-8B，示出了常规直接在线电动机启动器和示例性直接在线电动机启动器的操作，常规直接在线电动机启动器和示例性直接在线电动机启动器耦合到20HP笼状转子永磁同步电动机，其具有带有高转动惯量的负载。两个电动机启动器接收具有460V的线间电压的AC电力。同步电动机的同步速度为1800rpm。
参考图8B，曲线图810示出了耦合到风扇的电动机的启动操作，该风扇具有71lb-ft2的转动惯量，转动惯量4.4倍于与图8A中的具有常规电动机启动器的电动机耦合的风扇的转动惯量。在启动操作期间，电动机的定子相绕组被布置成三角形配置。曲线图810包括表示角速度的线811。在时间0，电动机启动器120开始在每个定子相绕组两端施加358V的电压，比在定子相绕组以星形配置布置时的最大绕组电压幅度大35％。随着示例性电动机启动器120开始操作同步电机110，角速度增加，直到角速度在3500ms处达到同步速度813。由于示例性电动机启动器能够以三角形配置耦合定子相绕组，同时施加比在以星形配置耦合时可实现的最大电压更大的电压，因此电动机启动器被构造成为同步电机提供足够的扭矩以达到同步速度813。
现在将提供对多个示例性实施例的进一步书面描述。一个实施例是一种同步电机，其包括：多个定子相绕组；转子；电动机启动器，包括：多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关，每个星形半导体开关耦合在公共节点与多个定子相绕组中的相应一个定子相绕组之间，每个三角形半导体开关耦合在多个定子相绕组中的相应一对的两个定子相绕组之间；以及控制器，被构造成在转子的角速度小于同步速度时操作多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关以便将多个定子相绕组以三角形配置耦合，并且被构造成响应于转子的角速度等于同步速度而操作多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关以将多个定子相绕组以星形配置耦合。
在前述同步电机的某些形式中，转子包括鼠笼和多个永磁体，并且其中转子被耦合到风扇。在某些形式中，多个定子相绕组被构造成耦合到AC电源，AC电源被构造成输出具有第一线间电压幅度的三相功率，其中，当多个定子相绕组以三角形配置耦合时，多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的绕组电压幅度大于与第一线间电压幅度除以三的平方根相等的值。在某些形式中，当多个定子相绕组以三角形配置耦合时，多个三角形半导体开关中的每个开关被切换，以有效地使浪涌电流减小到低于最大电流阈值。在某些形式中，多个星形半导体开关包括三个双向三极晶闸管(TRIAC)，并且多个三角形半导体开关包括三个TRIAC，并且其中控制器被构造成通过调整多个三角形半导体开关中的三个晶闸管的触发角来切换多个三角形半导体开关。在某些形式中，控制器被构造成通过以下操作来启动同步电机：使用多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关以星形配置布置多个定子相绕组，确定电动机相电流小于三角形电流阈值，并且然后使用多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关将多个定子相绕组布置成三角形配置，直到转子的角速度等于同步速度。在某些形式中，当转子以小于同步速度旋转并且定子相绕组以星形配置耦合时，控制器被构造成切换多个星形半导体开关以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。在某些形式中，电动机启动器包括旁路电路，旁路电路包括多个旁路开关，每个旁路开关耦合在第二公共节点与多个定子相绕组中的相应一个定子相绕组之间，并且其中控制器通过断开多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关并且闭合多个旁路开关，来响应于转子的角速度等于同步速度而以星形配置耦合多个定子相绕组。
另一个示例性实施例是用于包括转子和多个定子相绕组的同步电机的电动机启动器，其包括：多个星形配置开关，每个星形配置开关耦合到公共节点并且被构造为耦合到多个定子相绕组中的定子相绕组；多个三角形配置开关，每个三角形配置开关被构造为耦合到多个定子相绕组中的两个定子相绕组；以及控制器，被构造成在启动模式和稳态模式下操作同步电机，其中启动模式包括断开多个星形配置开关中的每个开关并且切换多个三角形配置开关中的每个开关以有效地向多个定子相绕组提供经修改的AC电力，其中稳态模式包括断开多个三角形配置开关，并且其中控制器响应于确定转子以同步速度旋转而从启动模式转变到稳态模式。
在前述电动机启动器的某些形式中，电动机启动器从AC电源接收包括第一线间电压的未修改的AC电力，并且经修改的AC电力包括大于与第一线间电压除以三的平方根相等的值的、多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的电压。在某些形式中，电动机启动器被构造成切换三角形配置开关，以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。在某些形式中，启动模式包括切换多个星形配置开关并且断开多个三角形配置开关，直到电动机电流下降到低于三角形电流阈值，并且然后响应于电动机电流下降到三角形电流阈值以下，而断开多个星形配置开关中的每个开关并且切换多个三角形配置开关中的每个开关。在某些形式中，在启动模式期间切换多个星形配置开关，以有效地将电动机电流维持在最大电流阈值以下。在某些形式中，切换多个星形配置开关包括调整第一触发角，并且切换三角形配置开关包括调整第二触发角。
另一示例性实施例是一种用于启动耦合到高惯量负载的同步电机的方法，包括：操作包括多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关的电动机启动器，每个星形半导体开关耦合在公共节点与多个定子相绕组中的一个定子相绕组之间，每个三角形半导体开关耦合在多个定子相绕组中的两个定子相绕组之间；使用电动机启动器以三角形配置布置多个定子相绕组；从电源接收包括第一线间电压的未修改的AC电力；使用电动机启动器向多个定子相绕组提供经修改的AC电力，经修改的AC电力包括大于与第一线间电压除以三的平方根相等的值的、多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的绕组电压；确定同步电机的转子的角速度等于同步速度；以及响应于确定转子的角速度等于同步速度，而使用电动机启动器以星形配置布置多个定子相绕组。
在上述方法的某些形式中，高惯性负载是风扇，并且转子包括多个永磁体。在某些形式中，未修改的AC电力包括第一相和第二相，并且第一线间电压是跨第一相和第二相的电压。在某些形式中，以三角形配置布置多个定子相绕组包括断开多个星形半导体开关并且切换多个三角形半导体开关，以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。在某些形式中，该方法包括：以启动星形配置布置多个定子相绕组；确定电流低于三角形电流阈值，其中响应于确定电流低于三角形电流阈值而执行将多个定子相绕组以三角形配置布置，并且其中将多个定子相绕组以启动星形配置布置包括断开三角形半导体开关并且切换星形半导体开关。在某些形式中，切换多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关包括在零电流状况期间断开和闭合每个开关。在某些形式中，电动机启动器包括旁路电路，该旁路电路包括多个旁路开关，并且其中使用电动机启动器以星形配置布置多个定子相绕组包括断开多个星形半导体开关、断开多个三角形半导体开关以及闭合多个旁路开关。
可以设想的是，除非另有明确说明，否则各实施例中的各个方面、特征、过程以及操作可以用于其他任何实施例中。示出的某些操作可以通过计算机在非瞬态计算机可读存储介质中执行计算机程序产品来实施，其中该计算机程序产品包括使得计算机执行一个或者多个操作、或者向其他设备发出执行一个或者多个操作的命令的指令。
在已经用附图和上文描述详细示出和描述本公开的同时，该附图和描述应被认为本质上是示意性的而不是限制性的，应该理解的是仅有某些示例实施例被示出和描述，并且所有符合本公开精神的改变和调整都期望得到保护。应该理解的是，在上文描述中使用的诸如“优选的”、“优选地”或者“更优选地”这些词语表明这样描述的特性可能更为可取，然而这些词语可以不是必需的并且缺少这些词语的实施例可以认为在本公开的范围之内，该范围由下文的权利要求所限定。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或者“至少一部分”这样的词语时，并没有意图将该权利要求限定为只有一个项目，除非权利要求中另有特别地相反的说明。术语“……的……”可以表示与另一个项目的关联或者连接，也可以表示属于其他项目或者与其他项目连接，根据该术语使用处的上下文来确定。术语“耦合到”、“与……耦合”以及类似术语包括非直接的连接和耦合，并且进一步地但不是必须包括直接耦合或者连接，除非另有明确相反指示。当使用语句“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非另有明确相反说明。
Claims (20)
1.一种同步电机，包括：
多个定子相绕组；
转子；
电动机启动器，包括：
多个星形半导体开关，每个星形半导体开关耦合在公共节点与所述多个定子相绕组中的相应一个定子相绕组之间，以及
多个三角形半导体开关，每个三角形半导体开关耦合在所述多个定子相绕组中的相应一对的两个定子相绕组之间；以及
控制器，被构造成在所述转子的角速度小于同步速度时，操作所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关，以便将所述多个定子相绕组以三角形配置耦合，并且被构造成响应于所述转子的所述角速度等于所述同步速度而操作所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关，以便将所述多个定子相绕组以星形配置耦合，
其中所述多个定子相绕组被构造成耦合到AC电源，所述AC电源被构造成输出具有第一线间电压幅度的三相电力，其中当所述多个定子相绕组以三角形配置耦合时，所述多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的绕组电压幅度大于与所述第一线间电压幅度除以三的平方根相等的值。
2.根据权利要求1所述的同步电机，其中当所述多个定子相绕组以三角形配置耦合时，所述多个三角形半导体开关中的每个开关被切换，以有效地使浪涌电流减小到低于最大电流阈值。
3.根据权利要求2所述的同步电机，其中所述多个星形半导体开关包括三个双向三极晶闸管TRIAC，并且所述多个三角形半导体开关包括三个TRIAC，并且其中所述控制器被构造成通过调整所述多个三角形半导体开关中的所述三个双向三极晶闸管的触发角，来切换所述多个三角形半导体开关。
4.根据权利要求1所述的同步电机，
其中所述控制器被构造成通过以下操作来启动所述同步电机：使用所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关而以所述星形配置来布置所述多个定子相绕组，确定电动机相电流小于三角形电流阈值，并且然后使用所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关而以所述三角形配置来布置所述多个定子相绕组，直到所述转子的所述角速度等于所述同步速度。
5.根据权利要求4所述的同步电机，其中当所述转子以小于同步速度旋转、并且所述定子相绕组以所述星形配置耦合时，所述控制器被构造成切换所述多个星形半导体开关，以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。
6.根据权利要求1所述的同步电机，
其中所述电动机启动器包括旁路电路，所述旁路电路包括多个旁路开关，所述多个旁路开关中的每个旁路开关被耦合在第二公共节点与所述多个定子相绕组中的相应一个定子相绕组之间，以及其中所述控制器通过断开所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关、并且闭合所述多个旁路开关，来响应于所述转子的所述角速度等于所述同步速度而以星形配置耦合所述多个定子相绕组。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的同步电机，其中所述转子包括鼠笼和多个永磁体，并且其中所述转子被耦合到风扇。
8.一种用于同步电机的电动机启动器，所述同步电机包括转子和多个定子相绕组，所述电动机启动器包括：
多个星形配置开关，所述多个星形配置开关中的每个星形配置开关被耦合到公共节点、并且被构造为耦合到所述多个定子相绕组中的定子相绕组；
多个三角形配置开关，所述多个三角形配置开关中的每个三角形配置开关被构造成耦合到所述多个定子相绕组中的两个定子相绕组；以及
控制器，被构造成在启动模式和稳态模式下操作所述同步电机，其中所述启动模式包括断开所述多个星形配置开关中的每个开关并且切换所述多个三角形配置开关中的每个开关，以有效地向所述多个定子相绕组提供经修改的AC电力，其中所述稳态模式包括断开所述多个三角形配置开关，并且其中所述控制器响应于确定所述转子以同步速度旋转而从启动模式转变到稳态模式。
9.根据权利要求8所述的电动机启动器，其中所述电动机启动器从AC电源接收包括第一线间电压的未修改的AC电力，并且所述经修改的AC电力包括大于与所述第一线间电压除以三的平方根相等的值的、所述多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的电压。
10.根据权利要求8所述的电动机启动器，其中所述电动机启动器被构造成切换所述三角形配置开关，以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。
11.根据权利要求10所述的电动机启动器，其中所述启动模式包括切换所述多个星形配置开关并且断开所述多个三角形配置开关，直到电动机电流下降到低于三角形电流阈值，并且然后响应于所述电动机电流下降到低于所述三角形电流阈值，而断开所述多个星形配置开关中的每个开关并且切换所述多个三角形配置开关中的每个开关。
12.根据权利要求11所述的电动机启动器，其中在启动模式期间切换所述多个星形配置开关，以有效地将电动机电流维持在最大电流阈值以下。
13.根据权利要求12所述的电动机启动器，其中切换所述多个星形配置开关包括调整第一触发角，并且切换所述三角形配置开关包括调整第二触发角。
14.一种用于启动同步电机的方法，所述同步电机被耦合到高惯量负载，所述方法包括：
操作包括多个星形半导体开关和多个三角形半导体开关的电动机启动器，所述多个星形半导体开关中的每个星形半导体开关被耦合在公共节点与多个定子相绕组中的一个定子相绕组之间，所述多个三角形半导体开关中的每个三角形半导体开关被耦合在所述多个定子相绕组中的两个定子相绕组之间；
使用所述电动机启动器以三角形配置来布置所述多个定子相绕组；
从电源接收包括第一线间电压的未修改的AC电力；
使用所述电动机启动器向所述多个定子相绕组提供经修改的AC电力，所述经修改的AC电力包括大于与所述第一线间电压除以三的平方根相等的值的、所述多个定子相绕组中的每个定子相绕组两端的绕组电压；
确定所述同步电机的转子的角速度等于同步速度；以及
响应于确定所述转子的所述角速度等于所述同步速度，使用所述电动机启动器以星形配置来布置所述多个定子相绕组。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述高惯量负载是风扇，并且所述转子包括多个永磁体。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述未修改的AC电力包括第一相和第二相，并且所述第一线间电压是跨所述第一相和所述第二相的电压。
17.根据权利要求14所述的方法，其中以三角形配置来布置所述多个定子相绕组包括：断开所述多个星形半导体开关并且切换所述多个三角形半导体开关，以有效地将浪涌电流减小到低于最大电流阈值。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述电动机启动器包括旁路电路，所述旁路电路包括多个旁路开关，并且其中使用所述电动机启动器以星形配置来布置所述多个定子相绕组包括：断开所述多个星形半导体开关、断开所述多个三角形半导体开关以及闭合所述多个旁路开关。
19.根据权利要求17所述的方法，包括：以启动星形配置来布置所述多个定子相绕组；确定电流低于三角形电流阈值，其中响应于确定所述电流低于所述三角形电流阈值而执行以所述三角形配置来布置所述多个定子相绕组，并且其中以所述启动星形配置来布置所述多个定子相绕组包括断开所述三角形半导体开关并且切换所述星形半导体开关。
20.根据权利要求19所述的方法，其中切换所述多个星形半导体开关和所述多个三角形半导体开关包括：在零电流状态期间断开和闭合每个开关。
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