CN1701503A - 高速电动机的电源电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有至少一个磁浮轴承的电动机的电源控制系统(12)，该系统包括DC/DC变流器(18)，该变流器从连接到主电源(14)的DC联络线母线(17)被供电，所述母线(17)为所述电动机和轴承致动器供给电源，所述变流器(18)为电动机控制器(23)、轴承控制器(24)和监控控制器(26)提供低压DC电源，该监控控制器监测所述主电源并且与所述电动机控制器(23)和轴承控制器(24)进行通信，以便在所述主电源(14)故障时使所述电动机作为发电机运行，因而向所述DC联络线母线(17)供电以维持所述磁浮轴承的运行。电路开关元件与所述电动机绕组连接，并且以这样的方式被选择性地切换：仅当所述绕组电压高于所述DC联络线母线(17)电压时，使所述电动机中产生的电流以一个方向流入所述DC联络线母线(17)中。

Description

高速电动机的电源电路
技术领域
本发明涉及一种用于高速电动机的电源，并且特别涉及一种用于利用磁浮轴承的电动机的电源。
在国际专利申请WO 98/33260中描述了一种特别适合用做冷冻压缩机电动机的高速电动机。所述电动机可以用于例如澳大利亚专利686174中所描述的压缩机类型并且利用磁浮轴承来实现旋转部分的悬浮。
背景技术
利用磁浮轴承的已知困难是在系统电源故障期间给轴承供电，在此期间电动机电源发生故障。虽然为系统使用辅助或备用电源是已知的，例如通过电池等，但是所述辅助电源相对来说比较贵，并且需要附加的开关控制以使当主电源故障时切换到该辅助电源。此外，电池具有有限的贮存期，通常必须每两年更换一次。这些都进一步增加了系统的成本。
因此希望为利用磁浮轴承的高速电动机提供一种改良的电源系统，其能够在主电源故障时维持给轴承的供电。
还希望提供一种电源系统，以在主电源故障后为高速电动机的磁浮轴承连续供电，直到旋转部分静止。
还希望提为高速电动机提供一种改良的控制器，其能够使旋转转子(spinning rotor)在控制条件下使旋转减慢。
希望为具有磁浮轴承的高速电动机提供一种电源控制器，该电源控制器相对便宜，其操作是高效的并且能为该磁浮轴承提供真正的故障-安全电源。
发明内容
根据本发明的一个方面，为具有至少一个磁浮轴承的电动机提供一种电源控制系统，所述系统包括DC/DC变流器，该变流器由与主电源相连的直流联络线母线提供，所述母线为电动机和轴承致动器(bearing actor)供电，所述变流器为电动机控制器、轴承控制器和监控控制器提供低压DC电源。所述监控控制器监测主电源并与所述电动机控制器和轴承控制器进行通信，以便在主电源故障时使所述电动机作为发电机运行，因而向DC联络线母线供电以维持磁浮轴承的运行，其特征在于，电路开关元件与电动机绕组相连接，并且选择性地以如下方式切换：仅当所述绕组电压高于所述DC联络线母线中的电压时，使所述电动机中产生的电流以一个方向流到所述DC联络线母线中。
本发明优选地适用于高速电动机，其转子由磁浮轴承单独地支持。本发明也可用在具有磁浮轴承和气体轴承的组合的电动机中。
优选地，所述DC联络线母线包含至少一个电容，其在正常使用下由主电源在充电条件下来维持。所述电容能够提供充足的电量，这与所述电动机作为发电机运行时所供给的电量一起，能够使全速运行的电动机减速并且在减速阶段期间维持所述磁浮轴承的运行。在所述减速阶段期间使所述电动机作为发电机运行提取了存储在该电动机和其它旋转部分的动能，构成了电制动来快速安全地停止转子的旋转。在所述减速阶段期间，作为发电机运行的电动机不断向所述DC联络线母线供电，这在整个减速阶段为所述DC/DC变流器、若干控制器以及所述磁浮轴承致动器提供了不间断的供电。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，该方法在主电源故障时使以磁浮轴承运行的高速DC电动机减速。所述方法包括了以下步骤：从与主电源相连接的高压DC母线供电给所述电动机和磁浮轴承，提供DC/DC变流器来为磁浮轴承控制器和电动机控制器供给低压DC电源，利用开关设备来控制电动机的运行，检测到所述主电源故障并提供信号给电动机控制器，其特征在于，所述开关设备在检测到所述故障时被选择性地控制，来将现存电动机电流开始供给所述母线，检测到所述母线电压降到预定值以下并短路所述电动机绕组，并且一旦由于短路而使所述绕组中有电流，则除掉所述短路由此所述绕组电压上升到母线电压之上，将因此产生的电流反馈到所述母线，并且如果必要重复上述选择性控制直到所述电动机减速。
根据本发明的一个实施例，所述电源控制系统包含许多开关，其可操作用于在所述DC母线的两极和所述电动机绕组的每一端之间切换电源，以使电流流经所述绕组。每一个开关都具有平行二极管。当检测到主电源故障时，例如通过测量电压低于母线时，所述开关都被切换到“关”位置，并且电动机绕组中的现存电流被供给母线。只要所述母线电压再次下降，则所述电动机绕组通过关闭适当的开关而被短路，并且然后再打开该开关使得通过短路该绕组而产生的电流能通过所述二极管重新流回所述母线。
所述控制方法使用现有的电动机控制IGBT开关来实现当母线电压下降时所述电动机的发电机功能。通过所述控制系统，没有必要跟踪所述转子的位置并根据转子的位置来控制开关。所述二极管能使所述电动机作为所有开关处于打开位置的发电机并且所述电流流回母线，以辅助所安装的电容来维持母线电压直到所述电动机减速。
附图说明
下面将参考附图，描述本发明的一个实施例，其中：
图1是根据本发明的电源控制系统的框图；
图2是说明了用于单相电动机的控制开关的示意电路图；和
图3是图1和图2中所示系统的控制算法的流程图。
具体实施方式
提到附图并且首先是图1，所述电源控制系统12通过桥式整流器16与三相AC电源14相连接。DC联络线母线17向DC/DC变流器18、磁浮轴承致动器19和电动机电源21提供DC电源。大电容器22或者电容组穿过联络线母线17被连接以为电动机减速提供存储电源的缓冲器。在所述实施例中，所述DC联络线母线电压是1000伏，并且所述电容器或者若干电容器将具有充足的容量，使得在不存在任何其它电源的情况下，电动机的减速时间大约在0.1秒到1.5秒之间。
所述DC/DC变流器18为电动机控制器23、轴承控制器24和监控控制器提供低压DC电源，该监控控制器在所述实施例中采用了计算机26的形式。所述变流器18也为关联于磁浮轴承的不同的传感器和绝缘栅双极晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)(未示出)提供低压电源，该IGBT被用于在所述磁浮轴承致动器19和电动机电源21上的控制。所述磁浮轴承致动器19及相关的IGBT和所述电动机电源21及其相关的IGBT在现有技术中是已知的，在此不作详细描述。对于不同IGBT的门驱动信号(gate drive signal)由轴承控制器24和电动机控制器23分别产生，以为所述电动机轴承提供所希望的操作参数。
AC电源监测器27在主AC电源14故障时向所述监控计算机26提供信号。可选地，所述监控计算机26可以通过DC/DC变流器18来监测所述母线电压以检测出导致所述电容22的电压下降的电源故障。当检测到电源故障时，所述电动机控制器23控制所述IGBT来将现存电动机电流供给所述DC联络线母线，然后由此开始电动机绕组电流相对电动机磁场的反向，因此所述电动机转变成发电机。
提到图2，由所述电动机23所控制的IGBT开关28，根据所述转子位置来连接所述电动机绕组29与DC母线17。在图2中示出了四个开关28，在三相电动机结构中将提供六个开关28。
每个开关28具有平行二极管31，该二极管的极性与所述电动机电流方向相反。当检测到电源故障，所有的开关都被关闭或者打开，所述电动机绕组29中的现存电流通过相关二极管31流到所述母线17，所述电源故障是通过电源监测器27，或通过检测所述电容22的电压下降来被检测的。这立即增加了所述母线电压，并且一旦该母线电压再次下降，两个开关SW1和SW3或者SW2和SW4被闭合而使电动机绕组29短路，并且紧接着使电流流经该电动机绕组。一旦由于短路电流开始流动，所述开关将再次被关闭，由此绕组电压升到母线电压以上，并且所产生的电流流回到所述电容22中。
通过所述安排，对于所述控制系统来说，不必知道所述电动机绕组29内部的电压或所述转子的相对位置。仅当所述绕组电压高于所述DC母线17中的电压时，所述电动机绕组29中所产生的电流只能从所述二极管31向DC母线一个方向流动。
可以知道，当检测到电源故障时，所述开关在所述电动机控制器23的控制下开启，以确保在电源故障期间所述电动机作为发电机运行，直到电动机减速。
由所述电动机/发电机21所产生的电量将被送到所述DC联络线母线17中以维持所述利用磁浮轴承18的电源。通过从所述电动机21得到电量，所述转子被电制动，因而使转子轴远离了潜在的危险动能。在减速期间所产生的电量连同存储在电容22中的电量一起对磁浮轴承18和控制器23和24维持充足时间的供电，以使所述电动机21和相关的旋转部分能减速到停止。
图3示出了图1和2的系统中的监控控制器26的程序的控制算法。所述程序开始于盒(box)32(“检测到电源故障”)，通过所述电源检测器27或者通过检测所述电容22的电压下降来检测电源故障。在这点，所述开关28开启并且所述电动机作为发电机(发电机模式盒33)，并且所述电动机绕组29中的现存电流通过相关二极管31而流到所述母线17。程序盒34涉及控制所述(IGBT)开关28以使电流流回到母线17并且增加母线电压。当所述电流回流发生时(盒35)，所述开关28被打开。一旦所述母线电压再次下降，则开关SW1和SW3或者SW2和SW4被闭合(盒36)而使所述电动机绕组29短路。如果所述绕组电流“高于预定值”(盒37)，则程序便会转到出口盒40。如果所述绕组电流不高于所述预定值，则程序便会转到盒38，这使得开关SW1和SW3或者SW2和SW4(不管哪对开关先前已被开启)打开。下一个决定点是盒39，其中监测到所述母线的电压升高，并且如果所述电压升高到预定值之上，则所述程序通过盒40退出。如果所述电压升高低于所述预定值，则所述程序便会返回盒36并重复上述过程。
在本发明的一个特定形式中，当所述电动机被用作驱动冷冻压缩机时，检测到电源故障的监控计算机也将运行以卸载所述压缩机。
由于所述电动机速度、关联于该电动机的旋转部分的惯性和所述电动机上任何外部加载，可以达到介于2到3秒的减速时间。通过使所述电动机21作为发电机运行并且向所述DC联络线母线供电，可以在整个减速时间维持所述电容22中的电荷。通过在减速期间向所述磁浮轴承维持供电，避免了对该轴承的损害，并且所述电动机能够安全地停止。

Claims (9)

1.一种用于具有至少一个磁浮轴承的电动机的电源控制系统，所述系统包括DC/DC变流器，该变流器被从与主电源相连的DC联络线母线供电，所述母线为所述电动机和轴承致动器供电，所述变流器为电动机控制器、轴承控制器和监控控制器提供低压DC电源，所述监控控制器监测所述主电源并且与所述电动机控制器和轴承控制器进行通信，以便在该主电源故障时使所述电动机作为发电机运行，因而向所述DC联络线母线供电以维持该磁浮轴承的运行，其特征在于，电路开关元件与所述电动机绕组连接，并且选择性地以这样的方式切换：仅当所述绕组电压高于所述DC联络线母线中的电压时，使所述电动机中产生的电流以一个方向流至所述DC联络线母线中。
2.根据权利要求2的电源控制系统，其特征在于，所述电路开关元件包含第一和第二开关、第三和第四开关以及平行二极管，所述第一和第二开关在所述电动机绕组的第一端和所述DC联络线母线的正负侧之间被分别连接，所述第三和第四开关在所述电动机绕组的第二端和所述DC联络线母线的正负侧之间被分别连接，所述平行二极管穿过每个开关被连接以使正常的电动机电流反向。
3.根据权利要求2的电源控制系统，所述第一和第三或第二和第四开关被开启以在所述电动机绕组中产生所述电流，并且所述开关紧接着所述电流产生后被关闭，由此所述绕组电压上升到所述母线电压以上，并且所述电流流入所述DC联络线母线。
4.根据权利要求3的电源控制系统，所述开关是IGBT开关，当检测到电源故障时该开关能被打开，以使现存的电动机电流通过相关的所述二极管而流入所述DC联络线母线来增加所述母线电压，并且当所述母线电压再次下降时，所述第一和第三或者所述第二和第四开关被闭合以使所述电动机绕组短路，并且紧接着使电流流经该电动机绕组，因此所述开关被打开以使所述绕组电压升高到所述母线电压之上，并且所产生的电流被反馈到所述联络线母线。
5.根据权利要求4的电源控制系统，在所述联络线母线的正负侧之间连接了电容，以存储从所述绕组反馈回的电量以使电动机减速。
6.一种方法，其在主电源故障时使利用磁浮轴承的高速DC电动机减速，所述方法包括以下步骤：从与主电源连接的高压DC母线为所述电动机和所述磁浮轴承供电，提供DC/DC变流器来给磁浮轴承控制器和电动机控制器供给低压DC电源，利用开关设备来控制所述电动机的运行，检测到所述主电源故障并且提供信号给所述电动机控制器，其特征在于，所述开关设备在检测到所述故障时被选择性地控制以开始将现存电动机电流供给所述母线，当所述母线电压降低到预定值以下时检测并且短路所述电动机绕组，并且一旦由于短路而使所述绕组中的电流开始流动就去除所述短路，由此所述绕组电压增加到所述母线电压以上，将因此而产生的电流反馈到所述母线，并且必须重复所述选择性控制直到所述电动机减速。
7.根据权利要求6中的方法，其特征在于，穿过所述母线提供了电容，以为所述电动机减速而提供所存储的电量的缓冲器。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，通过检测被反馈到所述母线的电流的反向，实现了当所述母线电压降低到预定值以下时的检测步骤。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述开关设备包括IGBT开关和二极管，所述IGBT开关在所述电动机绕组的每一端和所述母线的正负侧之间被分别连接，所述二极管与每个开关平行连接，所述二极管能使所述电动机作为发电机并且将电流供给所述母线，以辅助所述电容维持所述母线电压，直到所述电动机减速。
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