CN112740541A

CN112740541A - 保持具有软起动器的永磁激励的三相电机的施加有外部转矩的转子的旋转位置的方法和三相电机

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Publication number: CN112740541A
Application number: CN201880097932.9A
Authority: CN
Inventors: H.南宁; H.扎托西尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2021-04-30
Also published as: DE112018008024A5; WO2020064099A1

Abstract

为了达到IEC标准60034中定义的能效等级IE4，需要直接在电网上运行永磁激励的同步电机。由于这不能容易地实现，因此软起动器可以作为经济高效的解决方案进行考虑。本申请描述了一种方法，通过这种方法可以保持住施加有外部转矩的永磁激励的三相电机(M)的转子。在该方法中，对两个相(U，V，W)施加电流脉冲，并且确定三相电机(M)的至少一个电特性参数。对至少一个电特性参数进行评估，以便依据至少一个电特性参数的值或值的时间走向推断出转子(L)的静止状态或旋转状态。如果确定存在转子(L)的旋转状态，则采取对策。

Description

保持具有软起动器的永磁激励的三相电机的施加有外部转矩的转子的旋转位置的方法和三相电机

三相电机将机械能转化为三相电或将三相电转化为机械能。三相电机原则上可以作为发电机或电动机运行。软起动是指在接通电气设备(例如电动机)时用于限制功率的措施。

根据IEC标准60034，三相电机根据其效率被划分为不同的能效等级。特别是在直到大约20kW的低的功率范围内，难以遵守电驱动器的法定效率，这就是为什么越来越多地寻求在转子中使用永磁体的原因，例如作为永磁激励的同步电机(permanent magnetsynchronous motor，PMSM)。

图1示出了这种永磁激励的同步电机M的示意图，在该实施中是隐极式电机，其具有定子St和转子L。转子包括磁北极N和磁南极S，定子St包括绕组相U、V、W。对该图示仅进行示例性的理解并且该图示对要求保护的对象的保护范围没有限制作用。

这种类型的电机虽然可以实现高的能效等级，但在刚性电网上起动以及运行是不容易实现的。

为了实现这一点，可以在电机的转子中设置阻尼笼，其虽然可以在刚性电网上安全起动，但由于非常大的起动电流，会给馈送电网带来很大的负荷。

同样地，可以在合适的电力电子执行器、如变频器或软起动器上运行。在此，软起动器(也被称软起动装置)的应用尤其是一种用于在刚性电网上起动永磁激励的同步电机的低成本的解决方案。这种软起动器在(例如借助相位角控制)接通时减小电压，并缓慢地提高该电压直至达到完全的电网电压。然而，这种软起动通常只有在空载状态或低负载时才有可能。但是，在目前对此还没有已知的市场化的解决方案。

在Marcel Benecke博士(马格德堡大学)的标题为“Anlauf vonenergieeffizienten Synchronmaschinen mit Drehstromsteller(具有三相调节器的高能效的同步电机的起动)”的博士论文中提出了一种用于在软起动器上起动永磁激励的同步电机的解决方案。但是，在该论文中提出的方法需要电机的当前的转子角，因此该论文使用的电动机必须配备有相应的传感器系统。可以将传感器理解为转速和位置传感器。该转速和位置传感器采集机械参量：转速和位置。它们的信号需要为控制器提供实际值，并且闭合现有的位置和转速控制回路。对于三相驱动器中的向量控制方法，位置和转速信号也用作电流控制回路的重要输入参量。在这种情况下，传感器直接在电机轴上采集转速和/或位置。

传感器系统对系统的成本和可用性都有不利影响，这使得目前用于高效电动机的软起动方案没有吸引力。基于这些原因需要寻找一种用于在没有传感器的情况下进行起动的方法。

所需要的方法与现有技术中已知的无传感器的方法不同，它必须可用于晶闸管控制器而不是变频器。因此，这些已知的方法并不适用。

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在没有传感器的情况下运行永磁激励的同步电机的方法，该方法可以实现外部负载的保持。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种没有传感器的永磁激励的同步电机，其利用根据本发明的方法进行工作。

提出了一种用于保持具有软起动器的永磁激励的三相电机的、施加有外部转矩的转子的旋转位置的方法。外部转矩尤其是恒定施加在转子(也被称为转动件)上的负载的转矩，例如负载重量的力矩或者由转子带动的设备的惯性矩。

该方法包括以下步骤：S1)对三相电机的两个相施加电流脉冲；S2)确定三相电机的至少一个电特性参数；S3)评估至少一个电特性参数，以便依据至少一个电特性参数的值或值的时间走向推断出转子的静止状态或旋转状态；以及S4)如果在步骤S3中确定存在转子的旋转状态，则采取对策。

对三相电机的两个相施加电流脉冲，得到具有固定角度的电流空间矢量。如果用这种脉动的电流空间矢量为三相电机通电，则只要转子磁通的磁通角与脉动的定子电流空间矢量的角度不一致，三相电机就会施加一个转矩。对于由外部负载产生的(特别是恒定的)反作用转矩的情况，这意味着，转子(由于反作用转矩导致)移动出定子电流空间矢量的角度，直到在电网周期内平均的脉动转矩相应于反作用转矩并且三相电机或转子停止。

因此，通过借助软起动器为电动机的两个相(优选连续地)通电，每当转子从其静止位置偏转时，就会产生一个反作用转矩。

该方法可以实现，特别是短时间内保持住与转子抗扭转地连接的轴的轴位置。这例如在起重过程中，当机械制动器打开但尚未安全地完全释放时进行使用。在此，轴可以短时间地被电气停止，以便能够实现安全地打开机械制动器。同样地，该方法还可以用于，在机械制动器啮合之前，将与转子抗扭转地连接的轴停止，该轴的转速降为零。这样可以减少机械制动器的磨损，因为仅在转子或轴的静止状态下才进行机械制动器的操作。

因此，该方法可以改善机械制动器打开或闭合时的过渡。该方法可以用于垂直或水平负载的移动，例如在电梯、传送带或托盘输送机中。

为了推断出转子在保持期间是处于静止状态还是旋转状态，作为电特性参数确定电流脉冲的幅值。如果转子处于静止状态，则电流脉冲的幅值不会改变。反之，如果转子由于外部负载而旋转，则这能够在电流幅值的变化中察觉。因此，对电流脉冲的幅值的时间变化进行评估可以实现在没有另外的传感器系统的情况下推断出，转子是否由于外部负载而旋转。

替换地或附加地，作为电特性参数确定在三相电机的相中感应出的电压。如果转子处于静止状态，则在软起动器的晶闸管的由原理引起的截止时间期间，测量不到三相电机的各相中的电压。另一方面，当由于外部负载而引起转子旋转时，在三相电机的各相中会感应出电压，并确定该电压的存在和大小。因此，对感应电压的存在和时间变化的评估同样可以在没有另外的传感器系统的情况下推断出转子是否由于外部负载而旋转。

电特性参数的确定优选地在预定的时间结束后进行，在预定的时间中进行系统的“稳定化”。预定的时间例如可以在50毫秒与200毫秒之间。

所提到的两种方法可以彼此组合使用，以提高判断转子是静止还是旋转的可靠性。

在步骤S4)中、即在确定由外部负载引起转子旋转时的采取对策，包括提高电流脉冲的幅值。由此，可以抵消在外部由负载产生的转矩，从而可以在没有机械制动器的情况下实现或至少尝试保持住负载。

替换地，步骤S4)中的采取对策可以包括输出用于闭合机械制动器的控制信号。

另外的设计方案规定，作为步骤S1与S2之间的步骤S1a，输出用于释放机械制动器的控制信号。当转子要从静止状态过渡到旋转状态时，例如在起动电梯或传送带时，该设计方案是合适的。

另外的设计方案规定，当在转子旋转的情况下检测到预定的最终位置时，执行步骤S1至S4。当转子要从旋转状态过渡到静止状态时，例如在制动电梯或传送带时，该设计方案是合适的。

为了可靠地确保在实现静止状态之后保持住负载，如果在步骤S3中确定存在转子的静止状态，则可以输出用于闭合机械制动器的控制信号。

此外，还提出了一种用于具有软起动器的三相电机的控制设备，其特征在于，该控制设备被设计为，用于执行本文描述的方法。与此相关的优点与结合根据本发明的方法描述的优点相同。

此外，还提出了一种具有软起动器的三相电机。该三相电机被设计为用于执行本文描述的方法，由此可以实现三相电机的保持。

下面参照附图对本发明进行更详细的说明：

图1示出了示例性的三相电机的截面图；

图2示出了根据本发明的结构的示意图；

图3示出了具有离散的电流空间矢量的电流方向的图示；

图4示出了具有软起动器的三相电机在恒定的反作用转矩下的保持运行中的电网电压、电动机电流、机械转子角、转子转速和电产生的转矩的时间走向；

图5示出了具有软起动器的三相电机在恒定的反作用转矩下的保持运行中，当反作用转矩导致转子旋转时，其电网电压、电动机电流、机械转子角、转子转速和电产生的转矩的时间走向；以及

图6示出了根据本发明的方法的流程图。

图2示出了设计为永磁激励的同步电机M的三相电机的原理上期望的结构，该三相电机具有软起动器SS(例如Sirius软起动器)而没有传感器，左边为具有传感器G的三相电机。如开头所述，三相电机例如被设计为具有定子St和转子L的隐极式电机。转子L包括磁性北极N和磁性南极S。定子St包括绕组相U、V、W。转子L例如可以以抗扭转的方式(或通过传动机构)与未示出的轴连接，该轴由外部负载施加以特别是恒定的转矩。

借助下面描述的方法，可以通过借助软起动器SS控制三相电机M来保持住负载。该方法可以用于垂直或水平负载的移动，例如在电梯、传送带或托盘输送机中。该方法可以改善机械制动器打开或闭合时的过渡。

下面更详细描述的方法采用了申请人在WO 2018/072810 A1中描述的方法，通过该方法可以借助软起动器SS产生具有固定角度和脉动幅值的电流空间矢量，从而施加在大小上相应于外部负载并将其抵消的转矩。

为此，在定义的方向上为电机施加脉冲电流，并且电机通过该脉冲电流在明确的方向上对准。还对电流走向进行分析，从而可以确定电机是否在运动。下面将详细解释各个步骤。

在整个流程中，只有两个阀(阀由软起动器的两个反并联的晶闸管组成)始终被触发，从而只有两个电动机相有电流流过。第三电动机相不引导任何电流，因为软起动器SS的相应阀截止。因此，对于这种状态成立的是，电流流过的两个相引导的电流具有相同的大小，但是具有不同的符号。这导致，在定子固定的坐标系中，电流空间矢量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，总共可以有六(6)个离散的电流空间矢量，如图3中虚线所示。在第I象限中，相V和相W被触发，在第II象限中，相U和相W被触发，在第IV象限中，相U和相V被触发。

由于电流在六个可能的方向中的一个方向上，在电机中建立了同样对准的场。如果电机的磁通轴不在这个由电流决定的方向上，就会形成一个转矩，并且电机就会开始旋转到定子电流空间矢量的方向上，即电机就会自己对准电流方向。只要电机的磁通轴与电流方向重合，就不再产生转矩。

如果要确保最大转矩与外部转矩相反，则首先确定最佳的触发角。这在所有其他对准过程中应用。

为此，两个晶闸管仅在很大的触发角(如180°)下触发一次，并且确定相电流的幅值。由于大的触发角，电机上起作用的电压时间区域以及所形成的电流的最大值非常小。如果电流幅值低于定义的最大值，则晶闸管控制器的触发角从例如180°慢慢减小，并且电流幅值再次与最大值进行比较。重复这个过程，直到幅值足够接近最大值。对于所有进一步的测量，必须连续监测电流的幅值，并且在必要时必须再次调整最佳的触发角。简化地，下文假定不需要这样做。

在此，计算如下所示：

相U和相V被触发，并且相U中的电流为正值。由此，向量中的角度为-30°。在使用已知的克拉克/派克(Clarke/Park)变换的情况下，利用电机的电角度

可以计算出形成转矩的电流I_q：

因此，转矩被计算为(L_d＝L_q)：

当电角度＝-30°时，转矩变为0。

在确定最佳触发角期间，电机基于脉动的电流已经能够对准。然而，这并不能确保电机已经完全对准。出于这个原因，软起动器的晶闸管还以确定的最佳触发角多次(次数可以校准)触发，从而最终可以假定，电机不再运动并且因此对准。最后，记录在触发过程期间的电流空间矢量的走向并且在后续的测量中用作参考走向。

因此，通过只触发两个电动机相的晶闸管，而不触发第三相，使得以具有固定角度和脉动幅值的电流空间矢量为电动机通电。电流空间矢量的幅值可以根据控制角度进行调整。

如果用这种脉动的电流空间矢量为电机通电，则只要磁通角与脉动的定子电流空间矢量的角度不一致，电机就会施加一个转矩。在恒定的反作用转矩的情况下，这意味着，转子(由于反作用转矩而导致)移动出定子电流空间矢量的角度，直到在电网周期内平均的脉动转矩相应于反作用转矩并且电机停止。

图4示出了具有软起动器的三相电机在恒定的大小为10Nm的反作用转矩下的保持运行中的电网电压U_N、电动机电流I_M、机械转子角Φ_m、转子转速n_m和电产生的转矩M_M的时间走向，10Nm的反作用转矩在第一近似中相应于三相电机的标称转矩。在t＝0时，向三相电机施加所描述的具有脉动幅值的电流空间矢量。机械角度在t＝0.1秒＝100毫秒内变化到稳定的最终值，其中三相电机在时间上平均地施加所需的反作用转矩。

在0<t<0.1秒之间的时间段中改变的电动机电流I_M的幅值处可以看到机械转子角Φ_m的变化。从达到稳定状态开始，电动机电流I_M的幅值就保持不变。因此，可以将电动机电流I_M作为电特性参数进行评估，由此可以确定是否达到了保持状态(即转子L不旋转)或者是否没有达到静止状态(即存在旋转)。

替换地或附加地，作为电特性参数可以确定在三相电机的各相中感应出的电压，以便确定是否达到了转子L的保持状态。如果转子L处于静止状态，则在软起动器SS的晶闸管的由原理引起的截止时间期间，测量不到三相电机的各相中的电压。另一方面，在由于外部负载而引起转子旋转的情况下，在三相电机的各相中会感应出电压，并确定该电压的存在和大小。因此，对感应电压的存在和时间变化的评估同样可以在没有另外的传感器系统的情况下推断出转子是否由于外部负载而旋转。

实际上，三相电机的转子L在静止状态下会有轻微的运动，因为电动机在脉冲间歇中由于反作用转矩在一个方向上加速，并且在通电时在另一个方向上加速。在所描述的情况下，由此形成的机械角度的波纹为大约6度。

如果外部转矩在给定的控制角度的情况下过大，则电动机不再能保持住负载并且会倾斜。这种情况在图5中示出。图5示出了具有软起动器的三相电机在恒定的大小为12Nm的反作用转矩下的保持运行中的电网电压U_N、电动机电流I_M、机械转子角Φ_m、转子转速n_m和电产生的转矩M_M的时间走向。由于由过大的外部转矩引起三相电机的转子L旋转，在定子中感应出电压，该电压会显著地影响定子电流。根据电流幅值的时间走向与预期的电流走向的偏差，可以识别到转子L的旋转(所谓的倾斜离开)，并且例如利用通过调整控制角来提高相电流进行抵消。替换地，还可以激活机械制动器。

图6示出了根据本发明的方法的流程图。在步骤S1中，对三相电机M的三个相U、V、W中的两个相施加电流脉冲。在步骤S2中，确定三相电机M的至少一个电特性参数，例如电流脉冲的幅值和/或电流相中的感应电压的幅值。在步骤S3中，评估至少一个电特性参数，以便依据至少一个电特性参数的值或值的时间走向推断出转子L的静止状态或旋转状态。在步骤S4中，如果确定存在转子L的旋转状态，则采取对策，例如提高电流脉冲的幅值或闭合机械制动器。

所描述的方法仅基于系列设备中已经存在的测量值，并且不需要任何附加的传感器系统。因此，可以仅仅通过用于运行IE4电动机的软件解决方案来扩展现有产品。

Claims

1.一种用于保持具有软起动器的永磁激励的三相电机(M)的施加有外部转矩的转子的旋转位置的方法，其包括以下步骤。

S1)对三相电机(M)的两个相(U，V，W)施加电流脉冲；

S2)确定三相电机(M)的至少一个电特性参数；

S3)评估至少一个电特性参数，以便依据至少一个电特性参数的值或值的时间走向推断出转子(L)的静止状态或旋转状态；

S4)如果在步骤S3中确定存在转子(L)的旋转状态，则采取对策。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为电特性参数确定电流脉冲的幅值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为电特性参数确定在所述三相电机(M)的相(U，V，W)中感应出的电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4)中的采取对策包括提高电流脉冲的幅值。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4)中的采取对策包括输出用于闭合机械制动器的控制信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，作为步骤S1和S2之间的步骤S1a)输出用于释放机械制动器的控制信号。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，当在转子(L)旋转的情况下检测到预定的最终位置时，执行步骤S1至S4。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果在步骤S3中确定存在转子(L)的静止状态，则输出用于闭合机械制动器的控制信号。

9.一种用于具有软起动器的三相电机(M)的控制设备，其特征在于，所述控制设备被设计为，用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种具有软起动器的三相电机，其特征在于，按照根据权利要求1至8中任一项所述的方法执行三相电机的保持。