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用于运行具有转子和软起动器的永磁激励的三相电机的方法和三相电机与流程

文档序号:24893399发布日期:2021-04-30 13:21
用于运行具有转子和软起动器的永磁激励的三相电机的方法和三相电机与流程

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(permanentmagnetsynchronousmotor,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实行器、例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marcelbenecke博士(马格德堡大学)的标题为“anlaufvonenergieeffizientensynchronmaschinenmitdrehstromsteller(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,该方法可以实现定位运行。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。

提出了一种用于运行具有转子和软起动器的永磁激励的三相电机的方法。该方法包括以下步骤:s1)对三相电机的两个相施加多个电流脉冲,直到转子对准了第一位置;s2)对三相电机的另外的两个相施加多个电流脉冲,直到转子对准了另外的第二位置。

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。只要转子磁通的磁通角和脉动的定子电流空间矢量的角度一致,转子就对准了一个位置,该位置取决于三相电机的三个相中的哪两相上施加有电流以及具有哪种电流极性(即u+和v-,v+和w-,u-和w+,u-和v+,v-和w+,u+和w-,其中“+”和“-”分别表示正极性和负极性)。

该方法可以在定位应用中使用,以便逐步地接近希望的位置。由此可以在具有软起动器的三相电机中模拟步进电动机的功能。

为此,合适地规定,迭代地重复步骤s2),其中施加多个电流脉冲的两个相是不同于时间上先前施加电流的两个相的另外的两个相。由此引起三相电机的转子的连续但步进的转动。特别地,在步骤s2)中选择要通电的两个相,使得三相电机的转子在相同的旋转方向上连续旋转。换言之,转子特别是在一个方向上步进地旋转。

特别是规定,转子在分别不同的两个相的两次连续通电之间旋转了60°(电角度,elektrischegrad)。

此外合适的是,最早在转子在时间上先前的步骤s1)或s2)中达到了第一或第二位置之后实行步骤s2)。换言之,在达到通过三相电机的通电的两个相而分配/预定的位置之后,在开始为三相电机的另外的两个相通电之前,要至少短时间保持该位置,以便可以实现希望的步进运行。

确定是否或何时达到第一或第二位置,可以通过确定转子的转速在上一个步骤中是否已经达到零来进行。在此尤其可以理解为,转速周期性地在转速零附近摆动,这在原理上是由于软起动器控制三相电机产生的。替换地或附加地,确定是否或何时达到第一或第二位置,可以通过确定在三相电机的各相中感应出的电压是否为零来进行。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内,在三相电机的各相中测量不到电压。对感应电压的存在和时间变化的评估可以实现在没有另外的传感器系统的情况下推断出,转子是否旋转。

另外的设计方案规定,达到第一或第二位置与实行下一个步骤s2)之间的预定的持续时间是恒定的。由此可以实现转子以“恒定”的转速步进地旋转。

此外,还可以规定,选择多个电流脉冲的幅值,使得从对三相电机的两个相施加多个电流脉冲开始,在达到预定的持续时间之前达到第一或第二位置。电流脉冲的幅值能够影响由三相电机产生的转矩,从而影响直到达到第一或第二位置的最终转速。电流脉冲的幅值例如可以依据叠加的机械结构和/或与转子耦合的负载进行调节,以确保在预定的时间内达到第一或第二位置。

在此可以规定,步骤s1)和/或s2)内的多个电流脉冲的幅值被保持为恒定。替换地,可以规定,步骤s1)和/或s2)内的多个电流脉冲的幅值被改变。该变形方案特别是以如下方式进行,即从幅值起始值开始,电流脉冲的幅值被提高到相对较高的幅值结束值。

此外,对于三相电机作为步进电机运行,合适的是,步骤s1)和s2)中的多个电流脉冲的幅值依据预定的转子“转速”进行设置。由此可以针对三相电机作为步进电机的特定应用确定转子的旋转速度。

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,用于实行本文描述的方法。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实行本文描述的方法,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;并且

图5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希望的结构,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,三相电机m可以作为步进电机运行,其中转子l一步一步地转动了特定的角度,其中两个旋转步进之间的间歇时长基本上决定了旋转轴的旋转速度。该方法可在垂直运动或水平运动中应用,例如在机床或传送带中应用。特别地,可以借助该方法进行对象的精确定位,其中逐步地接近希望的位置。

下面更详细描述的方法采用了申请人在wo2018/072810a1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。下面将详细说明各个步骤。

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。

为了确保以确定的最大电流(并且因此也以最大转矩)实行电机的对准,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iq:

因此,转矩被计算为(ld=lq):

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,使得具有固定角度和脉动幅值的电流空间矢量为三相电机通电。电流空间矢量的幅值可以根据控制角度进行调整。

如果通过软起动器用这种脉动的电流空间矢量为三相电机m通电,则三相电机会施加一个转矩,直到磁通角与脉动的定子电流空间矢量的角度一致。然后,三相电机达到了静止状态,并且已经占据第一位置或第二位置,这取决于是根据步骤s1)的第一次通电还是根据步骤s2)的新的(后续)通电。

通过软起动器ss和上面描述的转子l对准,通电可以在如图3中所示的α/β坐标系的六个(6)不同方向上进行。根据通电情况,转子对准通电的方向。如果三相电机的两个相u、v、w分别被迭代地通电,使得转子依次对准α/β坐标系的六个方向(例如以顺时针方向或逆时针方向),则可以实现类似步进电机的运行,其中在两次对分别不同的两个相进行连续通电之间,转子l旋转了60°(机械角度,mechanischerwinkel)。

在此,分别对两个相u、v、w进行通电,使得最早在转子l在时间上先前对另外的两个相的通电已经可靠地达到了其对准之后,才实行新的(后续的)通电。间歇从可靠地达到对准开始可以是任意长短,这取决于要在步进运行中实现转子的何种旋转速度。

转子l在时间上先前的通电中是否已经达到其对准(该对准相应于第一或第二位置),可以通过确定转子的转速在前一个步骤中已经达到零来进行。这特别是理解为转速周期性地在转速零附近摆动的情况,这在原理上是由于软起动器控制三相电机产生的

替换地或附加地,确定是否或何时达到对准(该对准相应于第一或第二位置),可以通过确定在三相电机的各相中感应出的电压是否为零来进行。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内,在三相电机的各相中测量不到电压。对感应电压的存在和时间变化的评估可以实现在没有另外的传感器系统的情况下推断出,转子是否旋转。

电流脉冲的幅值依据与转子l耦合的(未示出的)叠加的机械结构,和/或与转子耦合的负载进行调整,以确保在预定的时间内实现对应于通电的相(即第一或第二位置)的对准。

在此,可以规定,对两个相的通电内的多个电流脉冲的幅值被保持为恒定。替换地,可以规定,(在时间上连续的)两次通电之间的多个电流脉冲的幅值被保持为恒定或将其改变。该变形方案特别是以如下方式进行,即从幅值起始值开始,电流脉冲的幅值被提高到相对较高的幅值结束值。替换地,可以从幅值起始值开始,电流脉冲的幅值被降低到相对较低的幅值结束值。

此外,对于三相电机作为步进电机运行,合适的是,相应的通电的多个电流脉冲的幅值依据预定的转子“转速”进行设置。由此可以针对三相电机作为步进电机的特定应用确定转子的旋转速度。

图4示出了具有软起动器的三相电机的电网电压un、电动机电流im、机械转子角φm、转子转速nm和电产生的转矩mm的时间走向,其中,例如逐块地通过六个位置。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。在t=0.1秒=100毫秒内,机械角度在所有六个位置中变化到稳定的最终值。

在t=0.1秒时达到第一位置。第一位置出现在0.1秒<t<0.5秒之间,即间歇或静止状态为0.4秒。在t=0.5秒时,向三相电机施加下一个(即旋转了60°的)具有脉动幅值的电流空间矢量。在t=0.6秒时达到第二位置。第二位置出现在0.6秒<t<1.0秒之间,即间歇或静止状态为0.4秒。在t=1.1秒时达到第三位置。第三位置出现在1.1秒<t<1.5秒之间,即间歇或静止状态为0.4秒。在t=1.5秒时,向三相电机施加下一个(即旋转了60°的)具有脉动幅值的电流空间矢量,其中继续如上面所描述的走向。

在0<t<0.1秒之间的时间段中改变的电动机电流im的幅值处可以看到机械转子角φm在第一位置中的变化。从达到稳定状态开始,电动机电流im的幅值就保持不变。因此,可以将电动机电流im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。尽管如此,转速nm却可以作为达到静止状态的标准以简单的方式进行评估。

图5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,直到转子l对准了第一位置。在步骤s2中,对三相电机m的另外的两个相u、v、w施加多个电流脉冲,直到转子l对准了另外的第二位置。

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App解决方案来扩展现有产品。

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