CN1275257A - 特别是用于驱动液压泵的永磁铁同步电动机的启动及稳态供电的方法 - Google Patents

Abstract

一种特别是用于驱动液压泵的永磁铁同步电动机的启动及稳态供电的方法。该方法包括三个连续的步骤:第一认知步骤、第二启动步骤和第三稳态步骤。在第一步骤,电动机的转子沿相同的方向转动两个连续的180度转角,将转子的参数储存起来,特别是确立转子的初始电流和零点。在第二步骤,利用一个供电源(逆变器)产生一个实际为正弦波形的电流,转子是借助一个比启动电流大的电流以及逐渐升高的频率来启动的,等待并检查转子在80度和100度转角以及在260度和280度转角的过渡情况。一旦达到稳态速度,所施加的电流实际上是正弦的,转子在通过零点的过渡位置等。转子的位置可以由一个直线磁性位置传感器来检查。

Description

说明书 特别是用于驱动液压泵的永磁铁同步 电动机的启动及稳态供电的方法

技术领域

本发明涉及特别是用于驱动离心式液压泵的永磁铁同步电动机的启动及稳态供电的方法。

背景技术

永磁铁同步电动机具有很高的工作效率，是非常有利的。

然而，特别是在惯性相当大的高功率电动机驱动载荷的情况下，容易在启动步骤发生问题。

在已有技术中，已经采用了一些机械装置和电子控制程序来解决这一问题。

机械方面的措施是：使被驱动之液压泵的叶轮脱开联接，令转子以小于360°的角度自由地启动，随后再联接叶轮，使其持续转动。

显然，该方案可以在转子具有较低机械惯性的情况下采用，此时，如果转子像通常那样有两个磁极，则无论在何种情况下都能让转子在一半周期内达到稳定状态。

实际上，这种方案不可能将这些机械装置用于中等的或高功率的泵，此类泵的转子的尺寸以及惯性是所述功率的函数。

还已知有电子的启动程序，其中转子被控制在其位置，利用静态开关对正弦市电电流进行“斩削”，使其处于一种不会令转子反向运动的相位。该方案采用了不会改变市电电流频率的电流，不允许达到高的静态转矩，因而不能用于供电给中等到高功率的电动机。

在其它的方法中，采用一逆变器来产生一个频率逐渐升高的波形，这种频率特性预先被储存在供电电路中。

该方案也会遇到相当大的问题，因为永磁铁电动机彼此都不相同(特别是转子的磁性)，即使制造成相同的尺寸也是如此。

此类电动机在定子组件方面也是不同的。

在定子方面，问题比较小，因为只在层叠组件以及线圈绕组方面有差别。

然而，这些差别对于磁路的影响而言并不特别重要。

发生在转子中的差别则最大，因为它们总是不相同，特别是绝不可能有相等和均匀的南北磁场方向。

总是有一个北磁场和一个南磁场，但是相对于转子(如图2中的标号12表示的圆柱形永磁铁转子)而言，磁场的形状通常如图2中的标号10和11所示。

首先，这将引起转子的不平衡运动，从而使转子运转得不平稳。

在图1中，用标号13总的表示一个带有永磁铁转子的普通电动机，由标号14表示的转子被接纳在由叠片15和16制成的两个磁极之间，叠片15和16是一定子组件17的两个端部，上面安装了两个可感生定子磁场的线圈18和19。

为了能使转子沿一个方向转动，两磁极需具有凹槽20和21，以便将转子14的对称轴线22设定在相对于磁极15和16的中轴线成某一角度的位置上。

在磁极15和16的中间区域内还有一个位置传感器23。

由于转子的中轴线相对于传感器23的位置有偏移，这种传统的结构会导致另一个问题。

所有这些问题都会阻碍对电动机磁铁结构及其真实特性的了解。

源自于所需启动方法的另一个问题是，永磁铁同步电动机和离心式液压泵的联接。

由于不了解或不能准确预料泵的机械一液压特性，所以它们还造成了启动方面的其它问题。

液压泵的启动涉及很多因素。

例如，如果泵已长期不运行，则由水携带的、可产生未知启动载荷的沉积物就可能产生问题。

当被携带的物体位于叶轮腔室中时，也可能在转动过程中发生问题，有时会堵塞在某一点上，并锁定泵的转动。

对本发明的揭示

本发明的目标在于，提供一种用于启动永磁铁同步电动机(特别是用于驱动离心式液压泵的永磁铁同步电动机)以及对其稳态供电的方法，它能够克服上述所有问题，特别是关于各单个电动机的问题。

因此，其主要目的是，提供一种可允许永磁铁同步电动机启动的方法，借助该方法，即使在中等功率和中高功率的电动机以及预定转向的情况下也能正常启动。

另一个主要目的是，提供一种可启动永磁铁同步电动机并为之供电的方法，该方法可以使启动和稳态时所需的功率最小。

另一个重要目的是，提供一种可为永磁铁同步电动机稳定地提供电力的方法，其中cosφ实际上等于1。

上述的和其它的目标、目的将通过下文的描述而变得清楚，这些目标和目的是通过一种特别是用于驱动液压泵的永磁铁同步电动机的启动及稳态供电的方法而实现的，其特殊之处是，该方法包括如下步骤：

1)一认知步骤，在此过程中，电动机的转子转过两个连续的180度转角，在转第一个180度时，对定子施加一个DC启动电流，在转子已经转过第一个180度之后，在第二个180度转角时电流逆转，借助供电电路中的存储器并结合一直线磁性位置传感器将与转子预定角度位置相对应的多个离散点的工作特性储存起来，在所述认知步骤，确定转子的启动电流和真实的零点位置；

2)一启动步骤，在此过程中，施加一个比前述第一步骤所确定的启动电流大的电流，此电流开始处于低频率，随后逐渐升高，借助直线位置传感器，等待并检查转子在80度和100度转角以及在260度和280度转角的过渡情况；

3)一稳态步骤，在此过程中，一旦达到稳态频率进而达到稳态速度，所施加的电流实际上是正弦的，在电流方向逆转之前，转子在通过零点的过渡位置等待；

如果转子在稳态步骤放慢转速，可提供控制功能，使程序返回启动步骤，在转子卡阻、转动方向逆转、直线位置传感器失效或异常情况下，使程序返回认知步骤。

附图简要说明

本发明的其它特性和优点将通过以下结合附图对一较佳实施例的描述而变得清楚，附图中：

图1是前面已经提到过的、能应用本发明方法的一个永磁铁同步电动机的结构示意图；

图2也是前面已经提到过的、示出了一永磁铁转子之磁场的不规则分布；

图3是本发明方法的三个步骤及其连接的流程图；

图4是认知步骤的流程图；

图5是启动步骤的流程图；

图6是稳态步骤的流程图；

图7描绘了在认知步骤的过程中、直到转子第一次移动的电流曲线；

图8描绘了刚开始转过两个180°转角时的电流曲线；

图9描绘了从认知步骤到启动步骤再到稳态步骤的电流曲线。

本发明的实施方式

根据本发明的方法包括如图3所示的三个步骤：

1)认知步骤；

2)启动步骤；

3)稳态步骤。

图3示出了一反馈流程图，在下文中将要详细描述，该流程图显示：如果在稳态步骤中转子的速度放慢，则程序返回至启动步骤，如果在稳态步骤中转子停转或发生其它异常情况，则程序返回认知步骤。

在认知步骤(图4)，通过对定子磁场施加一个低值的直流(DC)电流，使转子转过180度的转角。

这一步骤在图7中显示得更清楚，从该图中可以看到，对(时间)间隔24和25施加的一个交替变化的、强度渐增的DC电流不会使转子转动，而间隔26表示使转子转过180°转角的电流，这个位置相应于由磁极15和16的磁场所确定的那个位置，由于磁场逆转，在下一个间隔再转过180°。

使电流在200毫秒的周期内交变的原因在于，即使转子相对于磁场处于一个协调的位置，它也会在下一个时间间隔被强制地转过180°。

在此方式下，首先，程序确定哪一个最小电流使转子转过第一个180°，并确定哪一个电流使转子转过第二个180°。

由于转子和定子的不均匀和不对称，因而这两个电流值通常是不相同的。

将这两个电流值当作启动值，将其中较大的电流值储存到属于供电装置的一个处理器中的存储器内，把这个较大的电流值作为电动机的启动电流。

迫使电流达到这个数值，就可以确认处于这些工况的、连接于液压泵的电动机在任何情况下都能运转。

在运转过程中，直线磁性位置传感器23可将一系列数值储存到处理器中，这些数值对应于转子的角度位置，并且与先开始转动的180度转角以及接着转动的180度转角相关，这两个180度转角一起形成了完整的一圈转动。

由于将直线位置传感器23布置在定子磁极之间的中间区域内，因而它检测到的磁场数值不会是零，理论上应该是这样的，但由于要在某一给定的方向上使转子启动，所以定子的磁极15和16必须是不对称的并具有一定的形状，以便将定子布置成使其本身有一个大约5°的轴向偏移，这将在启动阶段产生一个已经预先设定的不平衡，从而使转子更方便地启动，并能确定其转动方向。

借助直线位置传感器储存起在180度和360度转角的两个磁场值，就可以确定转子的真实位置，所述数据储存在处理器中。

因此，在这个认知步骤，不但可以确立启动电流，而且可以确立转子的实际零点，通过对运转过程中采集的数值加以推算，还可以确定在90度转角和270度转角时的参数。

该自认知步骤发生在大约400毫秒的极短时间内。

该自认知步骤在电动机每次启动时都要进行，以便弥补电动机以及与其相关的泵的任何变动或新的情况。

每次启动时，各种新的情况(如在叶轮上发生异常载荷)可确立不同的启动电流。

除此以外，应注意的是，电动机应该每次都被供给与其运转相协调的最小电流，从而降低能耗并避免在定子上有不必要的定子应力。

如上所述，认知的数据可以在90度转角处获得电流值，从这些电流值中减去大约20-25％，就可以获得转子已经转过的80度转角的电流值，该电流值在大约100度转角时重复出现。

当转子先转过100度转角时，它不会再往回转，而是一直转下去直到180度的位置(图8)。

在80和100度转角处的这两个数值还可以由微处理器来采集，随后由微处理器来检查功能。

一旦储存起这些数据，就完成了认知步骤，程序进行至启动步骤(图5)。

启动步骤是在转子到达第二个半圈的零点时开始的，借助在微处理器控制下的供电电路来施加一个电流，这个电流等于在认知步骤中所确定的启动电流再加上大约25％，它正弦地施加并由微处理器控制下的供电电路重新建立。

施加并维持这个电流，直到转子到达第一个180度转角，在那里，如果相对于预定的理论时间有延迟，则程序命令进行等待。

等待通常可以超过理论时间大约1.5秒。

如果转子在此时间内不能达到80度转角，就意味着可能发生卡阻或自认知未能正确地进行，因而启动步骤自动地中断，并重新恢复认知步骤。

相反，如果达到了80度转角，则维持该电流直到100度转角，随后再跟随一个减小的正弦图案。

这一工作对第一个完整周期进行，在此方式下，由于程序总是在其预定角度的过渡位置等待转子的动作，因而操作人员通过所述等待时间一定能使转子启动，即使它惯性较大也行。

在第一个完整周期之后，当已经肯定转子没有卡阻之后，程序在其过渡的零点位置等待转子，不再于中间角度进行等待。

随后，频率升高，再次检查转子的零点过渡，在此方式下，根据在零点位置对转子等待时间的长短，一圈一圈地升高或降低设定的频率，使所述转子逐渐达到预定的稳态速度。

实际上，就像是借助一个能使转子逐渐运转至稳态速度的虚拟的启动电动机来进行。

使转子在零点进行等待是较方便的，业已发现，在零点以外的位置进行等待的不均匀或不对称的转子可能导致复杂的情况、使读数出错、以及使定子组件饱和。

如果在两个一半周期内赋予不同的数值，就可能产生使定子组件饱和的DC分量，这样就只能对它施加相对较低的感应值B。

在此情况下，实际上是一个逆变器的供电源就作为一个同步装置来运行，也就是说，是供电源适应于转子的运动，而不是转子适应供电源。

这种情况还发生在稳态步骤(图6)，其中供电源以一种受控的方式持续工作。

这意味着：如果转子出于某些原因而放慢转速，则程序就像是返回启动步骤一样，即，逆变器降低供电源的频率，这是因为，如果供电源没有完成正的半波或者说没有等转子到达零点，它就不能施加一个负的半波。

在这种降低频率的情况下，逆变器逐渐升高电流，从而使转子逐渐回到相应于预定速度的频率，即使在不同的电流条件下也行。

在稳态步骤，如果转子出于某些原因而过早到达零点，则减小供给的电流，藉以使转子回到可提供正确的零点过渡的状态；实际上这意味着：供给电流总是适当的，并且在相位上提供等于1的cosφ。

当转子卡阻或传感器失效或转动方向逆转时，作为一种安全措施，电动机的电源立刻关断。

在此情况下，认知步骤重复进行，直到电动机重新启动；如果电动机由于卡阻而不能重新启动，则设定一个电流限值，以确立启动电流。

在此情况下，可以使启动程序总地或临时地停止。

正弦曲线的逆转可以在转子到达真实零点之前在一个极短的时间内进行。

在此方式下，同步电动机在一个很短的时期内成为一个交流发电机。

借助此程序，可以确保转子在每个周期结束时同相。

这样就可以将频率升高到市电频率的额定值50Hz以上，例如达到60Hz。

在此方式下，由于泵的水头是速度平方的函数并且由于流速也随之变化，因而可以实现更高的流速而不必显著提高电流消耗。

在此情况下，cosφ仍保持为1，这对电源很有好处。

从以上的描述和附图可以清楚地看到：完全可以实现前述所有的目标和目的，特别是可以提供一种用于启动及维持稳态的方法，借助该方法，即使是中等或高功率的电动机并且由于转子和泵叶轮的关系而具有相当大的惯性的情况下，也可以确保启动。

此外，由于cosφ实际上总是等于1，因而可以实现最大的电动机效率，汲取的电流总是最小的，这对节约能耗非常有利。

当然，虽然在每个步骤内都保持相同的工作步骤和操作，但本发明的方法也可以借助不同类型的供电源以及适于所需作业的各种类型的构件来施行。

被本申请要求为优先权基础的申请，即意大利专利申请MI98A001876的内容可援引在此，以作参考。

Claims (15)

1.一种对永磁铁同步电动机，特别是用于驱动离心式液压泵的永磁铁同步电动机，进行启动和稳态供电的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)一认知步骤，在此过程中，电动机的转子转过两个连续的180度转角，在转第一个180度时，对定子施加一个DC启动电流，在转子已经转过第一个180度之后，在第二个180度转角时电流逆转，借助供电电路中的存储器以及一直线磁性位置传感器将与转子预定角度位置相对应的多个离散点的工作特性储存起来，在所述认知步骤，确定转子的启动电流和真实的零点位置；

2)一启动步骤，在此过程中，施加一个比前述第一步骤所确定的启动电流大的电流，此电流开始处于低频率，随后逐渐升高，借助直线位置传感器，等待并检查转子在80度和100度转角以及随后在260度和280度转角的过渡情况；

3)一稳态步骤，在此过程中，一旦达到稳态频率进而达到稳态速度，所施加的电流实际上是正弦的，在电流方向逆转之前，转子在通过零点的过渡位置等待；

如果转子在稳态步骤放慢转速，可提供控制功能，使程序返回启动步骤，在转子卡阻、转动方向逆转、直线位置传感器失效或异常情况下，使程序返回认知步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在认知步骤，所述定子被供给一强度逐渐升高的DC电流，使所述电流周期性地逆转，直到转子进行第一个180度转角的转动，并在电流逆转之后，进行另一个180度转角的转动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述认知步骤，将可产生第一个和第二个180度转角转动的两最小电流值储存起来，把最大的数值当作启动电流。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述认知步骤，把在所述转子的多个离散角度位置上检测到的特性储存起来并进行内插，以获得一个类似于一正弦曲线的连续曲线，所述正弦曲线可表示转子在第一和第二半周期的所有点上的真实行为，所述的多个离散位置是借助所述直线磁性位置传感器检测到的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一认知步骤，在转子转过180度和360度转角之后，借助所述直线位置传感器来确定真实的零点。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一认知步骤，在第一半周期的80度和100度转角的位置以及在第二半周期的260度和280度转角位置的电流值是用外推法来确定的。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述启动步骤，当所述转子已经完成了所述认知步骤的第二半周期之后，施加一个AC电流，其正负号相对于第二半周期的电流是反向的，其数值相对于所述启动电流是比较高的(例如高20-25％)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述转子在其转过第一个80度转角的过渡位置上进行等待，随后使电流保持稳定直到100度转角，在那里，转子再次进行等待，随后电流逐渐减小直到180度转角，在那里，转子再次进行等待，直到电流反向，随后在第二半周期中以相同的方式行进，直到达到360度转角，即初始零点。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，最大的等待时间是1.5秒。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述转子在预定的等待时间内没有达到第一角度参考位置时，所述方法中断，利用认知步骤重新启动。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述启动步骤的第二半周期结束时，施加一个大小和频率逐渐升高的正弦电流，直至达到稳态速度，只在转子通过零点时才对其进行检查，在相位逆转之前，有选择地对所述转子等待一个预定的时间。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，如果由于所施加的载荷增大而使转子延迟，所述方法就像是返回到启动步骤，降低频率并升高电流，直到可能借助一个较高的电流而重新达到稳态速度。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，如果由于所施加的载荷减小而使转子过早到达，程序就像是返回到启动步骤，降低电流，直到转子相位重新返回，所述转子在其过渡位置是利用各零点来检查的。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述稳态步骤，转子的卡阻、转动方向的逆转、直线磁性位置传感器的失效以及其它异常情况都会使供电中断，并使程序返回到所述认知步骤。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流是由一逆变器借助瞬时的频率和幅度来产生的，所述逆变器受到一带有认知和控制存储器的处理器的控制。

Images