專利名稱：用于得出交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中公用電源信號特性的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及交流電機在來自不同的源的電力(諸如，來自公用市電電源的供電干線的電力)與來自電機驅(qū)動器(諸如變頻交流電動機驅(qū)動器)的電力之間進行的切換。更具體地，本發(fā)明涉及用于得出線路傳送參考信號來確定公用電源或其它電源的特性(諸如相位和幅度)的方法，以便同步兩種電源的相位和幅度，而不需要外部的傳感器。
在許多應(yīng)用中，希望把直接從供電干線接收電力的交流電機切換到從驅(qū)動器接收電力，反之亦然。這里使用的詞組“供電干線”是指具有由公用電源決定的頻率的、任何交流電功率的源。這里使用的術(shù)語“驅(qū)動器”是指具有由除公用電源以外的源(諸如三相交流變頻電機驅(qū)動器，智能電機啟動器等)產(chǎn)生的頻率的、任何交流電源。這里使用的術(shù)語“交流電機”是指任何交流旋轉(zhuǎn)電機，諸如感應(yīng)電機，同步電機，發(fā)電機，電動發(fā)電機等等。
例如，在燃氣輪機靜態(tài)啟動器中，變頻電機驅(qū)動器常常被使用來使得發(fā)電機馬達提升到自保持速度，此后發(fā)電機馬達可以以這個速度被切換到供電干線。在其它應(yīng)用中，諸如變頻電扇和泵浦，希望用變頻裝置達到可變的速度，以后把電機切換到供電干線，以恒定的高速度穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。另外，在電機驅(qū)動器故障的情形下，希望把電機切換到供電干線繼續(xù)運轉(zhuǎn)。同樣地，常常希望把電機從供電干線切換到電機驅(qū)動器，減慢電機運轉(zhuǎn)，或改變電機的速度或轉(zhuǎn)矩。
眾所周知，使得來自供電干線和驅(qū)動器的信號的相位和幅度達到同步，完成“無沖擊”轉(zhuǎn)移。然而，已知的用于同步的技術(shù)需要外部傳感器，用來檢測公用電源信號的零交叉點或幅度和相位。當(dāng)然，外部傳感器的使用增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。另外，外部傳感器本身提供相位差使得系統(tǒng)進一步復(fù)雜化。美國專利5,587,474揭示了一種控制系統(tǒng)，其中倒相器的輸入PLL和輸出PLL的相位差被驅(qū)動為零，以便把倒相器的輸出同步到供電干線的輸出。然而，這個系統(tǒng)極復(fù)雜。另外，在有些應(yīng)用項中，同步應(yīng)當(dāng)在電機驅(qū)動器的輸出和除供電干線以外的、給電機驅(qū)動器供電的源之間被完成。美國專利5,587,474公開的系統(tǒng)不適合于這樣的同步。電動機從電機驅(qū)動器切換到供電干線，在這里稱為“轉(zhuǎn)移”，以及電動機從供電干線切換到電機驅(qū)動器，在這里稱為“捕獲”。
發(fā)明概要本發(fā)明的第一方面是用于得出交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中來自公用電源的信號的特性的方法，包括以下步驟在驅(qū)動器是空閑時將輸入信號加到驅(qū)動器，把來自公用電源的信號加給被耦合到驅(qū)動器的輸出端的交流電機，在驅(qū)動器是空閑時檢測在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性，檢測來自公用電源的信號的特性，比較在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)，以及對來自公用電源的信號的特性實施特性調(diào)節(jié)，得出由于公用電源的、在交流電機處的信號的特性。
本發(fā)明的第二方面是能夠使得交流電機在來自驅(qū)動器的功率與來自公用電源的功率之間進行切換的驅(qū)動系統(tǒng)，包括公用電源；驅(qū)動器；交流電機；被耦合在公用電源與交流電機之間的公用電源接觸器，用來把公用電源的輸出有選擇地耦合到交流電機；被耦合在驅(qū)動器與交流電機之間的驅(qū)動接觸器，用來把驅(qū)動器的輸出有選擇地耦合到交流電機；控制器，用來當(dāng)驅(qū)動器空閑和公用電源接觸器和驅(qū)動接觸器閉合時，檢測由于來自公用電源的功率的、在驅(qū)動器的輸出端的信號的特性；控制器也用來檢測饋送到交流電機的公用電源的特性，以及比較在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的第三方面是用于得出交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中來自公用電源的信號的特性的設(shè)備，包括用于把來自公用電源的信號提供給被耦合到驅(qū)動器的輸出端的交流電機的裝置，用于檢測由于來自公用電源的功率的、在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性的裝置，用于檢測來自公用電源的信號的特性的裝置，用于比較在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)的裝置，以及用于對來自公用電源的信號的特性實施特性調(diào)節(jié)，得出由于公用電源的、在交流電機上的信號的特性的裝置。
附圖簡述這里，通過優(yōu)選實施例和附圖描述本發(fā)明，其中

圖1是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的驅(qū)動切換系統(tǒng)的示意圖；圖2是用于確定對于優(yōu)選實施例的同步的比例系數(shù)和相移的程序過程的流程圖；圖3是優(yōu)選實施例的相移確定子程序過程和比例系數(shù)確定子程序過程的流程圖。
發(fā)明詳細描述圖1顯示按照優(yōu)選實施例的驅(qū)動切換系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括供電干線12(即，公用電源)，頻率為f的三相交流電源，變頻交流電機驅(qū)動器14，驅(qū)動器輸出接觸器16(用作為切換機構(gòu))，公用電源接觸器18(也用作為切換機構(gòu))，以及作為交流電機的電動機20?？梢钥吹?，接觸器18和16的操作可被控制來把電動機20選擇地耦合到公用電源，或電機驅(qū)動器14，或二者?？刂破?1工作時被耦合到接觸器16和18，以便以想要的方式控制接觸器16和18的狀態(tài)?？刂破?1可以是以想要的方式編程的、基于微處理器的裝置，硬連線的模擬邏輯電路，或用于以下面描述的方式控制接觸器16和18的任何其它機構(gòu)。優(yōu)選實施例也包括變壓器22和24，以及發(fā)電機26，作為另一個公用電源。開關(guān)28把電動機20選擇地耦合到供電干線12或作為公用電源的發(fā)電機26?？刂破?1被顯示為與電機驅(qū)動器14分開的部件。然而，控制器21可以與電機驅(qū)動器14集成在一起，以及可被使用來完成電機驅(qū)動器14中倒相器的電橋的切換以及這里所揭示的控制。
優(yōu)選實施例利用電機驅(qū)動器14的現(xiàn)有的儀表，通過確定公用電源相對于電機驅(qū)動器的比例系數(shù)和相移，來得出在接觸器18處公用電源的特性，例如幅度和相位。這里使用的術(shù)語“公用電源”是指任何電源，諸如供電干線12，發(fā)電機26，另一個供電干線等等。這樣，電機驅(qū)動器14可被控制成具有與公用電源相同的幅度和相位的輸出。圖2是用于確定對于同步的比例系數(shù)和相移的程序過程的流程圖。
在步驟A，公用電源被選擇來完成哪種同步，是轉(zhuǎn)移還是捕獲。例如，可以在控制器21的控制下或人工地通過操作開關(guān)28選擇供電干線12或發(fā)電機26。假定選擇供電干線12，開關(guān)28將被放置在圖1所示的實線顯示的狀態(tài)。在步驟B，確定電機驅(qū)動器是否空閑，即，沒有在產(chǎn)生輸出信號，以及電機驅(qū)動器14是否有輸入，即來自供電干線12的源電壓。步驟B可以通過使用驅(qū)動器14中現(xiàn)有的常規(guī)的儀表來完成。例如，電壓檢測儀表常常被提供來監(jiān)視供電干線的電壓和頻率。當(dāng)然，驅(qū)動器必須是空閑的，以及在其輸入端必須有源電壓，以便開始程序過程。所以，如果在步驟B時的回答是“否(No)”，則程序過程返回步驟A，重新選擇公用電源和校正任何其它的異常情況。
假定在步驟B時的回答是“是(Yes)”，程序過程進到步驟C，電機驅(qū)動器14的內(nèi)部儀表被使用來檢測驅(qū)動器14的直流總線是否全部充電。如果直流總線沒有被全部充電，則接觸器16和18的閉路會損壞電機驅(qū)動器14。因此，如果直流總線沒有被全部充電，則程序過程返回到步驟A，重新選擇公用電源和校正任何其它的異常情況。假定直流總線被全部充電，程序過程進到步驟D，驅(qū)動接觸器16被閉合，如果還沒有被閉合的話。在步驟E，確定電動機是否可被在線啟動，即，用公用電源電壓啟動而不會損壞。這個決定是以已知的方式根據(jù)電動機額定值和負載來進行的。如果電動機不能在線啟動，則電動機引線被斷開，這是在步驟F被證實的。如果電動機引線由于某種原因不能被斷開，則程序過程進到步驟K，驅(qū)動接觸器16被打開，以及程序過程結(jié)束，以避免電動機損壞。如果電動機引線被斷開，則程序過程繼續(xù)進到步驟G。同樣地，如果在步驟E，確定電動機可在線啟動，則程序過程也繼續(xù)進到步驟G。
在步驟G，公用電源接觸器18被閉合。在步驟H，通過使用電機驅(qū)動器14中現(xiàn)有的輸出儀表，確定在電機驅(qū)動器14的輸出端處是否接收到反饋。反饋是來自供電干線的、在傳送通過變壓器24，接觸器18，接觸器16和電路中任何其它部件后的信號。在步驟H中進行的決定僅僅是檢測一個電壓，或可以包括參量，諸如被認為可作為正確的反饋接受的電壓的最小值和最大值。
如果可接受的反饋沒有在電機驅(qū)動器14的輸出端被接收，則程序過程進到步驟J，在此步驟，公用電源接觸器18被打開，和進到步驟K，在此步驟，驅(qū)動接觸器16被打開。這時，可以進行診斷，確定可接受的反饋為什么沒有被接收。假定可接受的反饋在步驟H被接收，則公用比例系數(shù)和相移在步驟I中被確定，以及在步驟J，斷開公用電源接觸器18和在步驟K，斷開驅(qū)動接觸器16，程序過程結(jié)束。
圖3顯示用于分別確定相移和比例系數(shù)的步驟I的子程序過程I1和I2。在子程序過程J1的步驟A，通過使用驅(qū)動器14的現(xiàn)有的儀表檢測電機驅(qū)動器14的輸入信號的相位作為一個特性。例如，源鎖相環(huán)(PLL)可被使用來以已知的方式確定源信號的相位。加到驅(qū)動器14的信號是來自公用電源(在本例中是來自供電干線12)的、傳送通過變壓器22和電路中任何其它部件后的信號。在步驟B，通過使用驅(qū)動器14的現(xiàn)有的儀表檢測在電機驅(qū)動器14的輸出端處的相位作為一個特性。例如，電動機磁通量鎖相環(huán)(PLL)可被使用來以已知的方式確定輸出端處的相位。應(yīng)當(dāng)指出，電機驅(qū)動器14是空閑的，即，不產(chǎn)生輸出信號，因此在電機驅(qū)動器14的輸出端處的信號是來自公用電源(在本例中是來自供電干線12)的、傳送通過變壓器24，接觸器18和電路中任何其它部件后的信號。在步驟C，由電機驅(qū)動器14的控制器計算在步驟A與B中確定的相位角之間的差值，以及在步驟D，結(jié)果的相移值被存儲在控制器的存儲器寄存器中。
在子程序過程J2的步驟A，通過使用驅(qū)動器14的現(xiàn)有的儀表檢測電機驅(qū)動器14的輸入信號的電壓作為一個特性。例如，輸入保護電路可被使用來以已知的方式確定輸入信號的相位。加到驅(qū)動器14的信號是來自公用電源(在本例中是來自供電干線12)的、傳送通過變壓器22和電路中任何其它部件后的信號。在步驟B，通過使用驅(qū)動器14的現(xiàn)有的儀表檢測在電機驅(qū)動器14的輸出端處的電壓作為一個特性。例如，電動機輸出電壓監(jiān)視電路可被使用來以已知的方式確定輸出端處的相位。應(yīng)當(dāng)指出，電機驅(qū)動器14是空閑的，即，不產(chǎn)生輸出信號，因此在電機驅(qū)動器14的輸出端處的信號是來自公用電源(在本例中是來自供電干線12)的、傳送通過變壓器24，接觸器18和電路中任何其它部件后的信號。在步驟C，由電機驅(qū)動器14的控制器計算在步驟A與B中確定的電壓之間的比值，以及在步驟D，結(jié)果的比例系數(shù)被存儲在控制器的存儲器寄存器中。
可以看到，比例系數(shù)是包括乘數(shù)的特性調(diào)節(jié)，可被使用來根據(jù)在電機驅(qū)動器14的輸入端處的電壓確定來自公用電源的、電動機20的輸入的電壓，只要電路中的部件不改變。同樣地，相位差是特性調(diào)節(jié)，可被使用來根據(jù)在電機驅(qū)動器14的輸入端處的相位角確定來自公用電源的、電動機20的輸入的相位角，只要電路中的部件不改變。因此，一旦對于一個特定的系統(tǒng)的比例系數(shù)和相位差被確定和被存儲在存儲器中，電機驅(qū)動器14的切換電橋就可被控制來僅僅通過使用現(xiàn)有的驅(qū)動儀表測量電機驅(qū)動器14的輸入端的電壓和相位以及調(diào)節(jié)輸入的特性得出公用電源的特性而提供與由于公用電源的、電機輸入端的電壓和相位相匹配的輸出信號。驅(qū)動源電壓可以乘以比例系數(shù)，以及驅(qū)動源相位角可被加到相移中，確定由于來自公用電源的信號的、在電動機處的電壓和相位。這允許電機驅(qū)動器14的輸出電壓和相位與公用電源12的電壓和相位匹配。對于任何特定的系統(tǒng)，相移和比例系數(shù)只需要被確定一次。然而，如果對系統(tǒng)作出改變，或在任何其它環(huán)境下，這些數(shù)值可以在任何時間被重新計算。
在要被轉(zhuǎn)移的公用電源不是提供輸入給電機驅(qū)動器的供電干線，諸如電動機26的情況下，確定的程序過程可以通過在圖1的步驟A選擇發(fā)電機26，用在由圖1的虛線表示的位置處的開關(guān)28進行?？赡鼙仨毷褂猛獠總鞲衅鱽頇z測發(fā)電機26的電壓和相位，代替測量電機驅(qū)動器14的輸入的電壓和相位。其它方面，程序過程類似于上面詳細描述的。所有的程序過程可以根據(jù)被編程到電機驅(qū)動器的控制器或外部裝置的軟件指令被完成。另外，處理過程可以根據(jù)人工激勵和動作而完成。本發(fā)明可被應(yīng)用到任何類型的驅(qū)動器，任何類型的公用電源，和任何類型的交流電機。可以使用任何類型的切換機構(gòu)。任何的同步方法或設(shè)備可以結(jié)合本發(fā)明一起被使用。
雖然以上的說明包括許多細節(jié)和特點內(nèi)容，但應(yīng)當(dāng)看到，這些內(nèi)容只是為了說明的目的，而不是用作對本發(fā)明的限制。對于上述的實施例可以作出許多修改，而不背離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由以下的權(quán)利要求及其合法的等同物來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于得出交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中來自公用電源的信號的特性的方法，所述方法包括以下步驟在驅(qū)動器是空閑時將輸入信號加到驅(qū)動器；把來自公用電源的信號加給被耦合到驅(qū)動器的輸出端的交流電機；在驅(qū)動器是空閑時檢測在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性；檢測來自公用電源的信號的特性；比較在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)；以及對來自公用電源的信號的特性實施特性調(diào)節(jié)，得出由于公用電源的、在交流電機上的信號的特性。
2.如權(quán)利要求1的方法，還包括當(dāng)驅(qū)動器不在空閑模式時，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器的輸出使得與在所述實施步驟期間得到的、在交流電機處的信號的特性相匹配，而使得驅(qū)動器的輸出與來自公用電源的信號同步的步驟。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述檢測來自公用電源的信號的特性的步驟包括檢測驅(qū)動器輸出端處的電壓和相位角，以及所述檢測輸入信號的特性的步驟包括檢測公用電源的電壓和相位角。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中所述比較的步驟包括計算在驅(qū)動器輸出端處的電壓與公用電源的電壓之間的比值，確定作為特性調(diào)節(jié)的比例系數(shù)。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中所述比較的步驟包括計算在驅(qū)動器輸出端處的相位角與公用電源的相位角之間的差值，確定作為特性調(diào)節(jié)的相位角差值。
6.如權(quán)利要求4的方法，其中所述比較的步驟包括計算在驅(qū)動器輸出端處的相位角與公用電源的相位角之間的差值，確定作為特性調(diào)節(jié)的相位角差值。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中輸入信號起源于公用電源，以及所述檢測來自公用電源的信號的特性的步驟包括用驅(qū)動器的輸入儀表檢測輸入信號的特性。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中由于在公用電源與驅(qū)動器的輸入端之間的元件，輸入信號的特性不同于公用電源的特性。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中由于在公用電源與驅(qū)動器的輸出端之間的元件，驅(qū)動器輸出端的信號的特性不同于公用電源的特性。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中交流電機是電動機。
11.一種能夠使得交流電機在來自驅(qū)動器的電力與來自公用電源的電力之間進行切換的驅(qū)動系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括公用電源；驅(qū)動器；交流電機；被耦合在所述公用電源與所述交流電機之間的公用電源接觸器，用來把所述公用電源的輸出有選擇地耦合到所述交流電機；被耦合在所述驅(qū)動器與所述交流電機之間的驅(qū)動接觸器，用來把所述驅(qū)動器的輸出有選擇地耦合到所述交流電機；控制器，用來當(dāng)所述驅(qū)動器是空閑的和所述公用電源接觸器和驅(qū)動接觸器閉合時，檢測由于來自所述公用電源的功率的、在所述驅(qū)動器的輸出端處的信號的特性，所述控制器也用來檢測饋送到所述交流電機的公用電源的特性，以及比較在所述驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自所述公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)。
12.如權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述控制器用來當(dāng)所述驅(qū)動器不在空閑模式時，通過調(diào)節(jié)所述驅(qū)動器的輸出使得與由特性調(diào)節(jié)所調(diào)節(jié)的、所述公用電源的特性相匹配，而使得所述驅(qū)動器的輸出與來自公用電源的、在交流電機上的信號同步。
13.如權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中在驅(qū)動器的輸出端處的信號的特性包括在所述驅(qū)動器的輸出端處的信號的電壓和相位角，以及公用電源的特性包括公用電源的電壓和相位角。
14.如權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中特性調(diào)節(jié)包括比例系數(shù)和相位角差值。
15.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中比例系數(shù)是在所述驅(qū)動器輸出端處的信號的電壓與所述公用電源的電壓之間的比值。
16.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中相位角差值是在所述驅(qū)動器輸出端處的信號的相位角與所述公用電源的相位角之間的差值。
17.如權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中所述公用電源被耦合到所述驅(qū)動器的輸入端，以及所述控制器被耦合到所述驅(qū)動器的輸入儀表，檢測在所述驅(qū)動器的輸入端處的、所述公用電源的特性。
18.如權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包括在所述公用電源與所述驅(qū)動器輸出端之間的功率變換元件。
19.如權(quán)利要求16的系統(tǒng)，還包括在所述公用電源與所述驅(qū)動器輸入端之間的功率變換元件。
20.一種用于得出交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中來自公用電源的信號的特性的設(shè)備，所述設(shè)備包括用于把來自公用電源的信號提供給被耦合到驅(qū)動器的輸出端的交流電機的裝置；用于檢測由于來自公用電源的功率的、在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性的裝置；用于檢測來自公用電源的信號的特性的裝置；用于比較在驅(qū)動器輸出端處的信號的特性與來自公用電源的信號的特性以便確定特性調(diào)節(jié)的裝置；以及用于對來自公用電源的信號的特性實施特性調(diào)節(jié)，得出由于公用電源的、在交流電機上的信號的特性的裝置。
21.如權(quán)利要求20的設(shè)備，還包括用于當(dāng)驅(qū)動器不在空閑模式時，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器的輸出使得與由所述用于實施的裝置得到的、交流電機處的信號的特性相匹配，而使得驅(qū)動器的輸出與來自公用電源的信號同步的裝置。
22.如權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所述用于檢測在驅(qū)動器輸出端處的特性的裝置包括用于檢測驅(qū)動器輸出端處的電壓和相位角的裝置，以及所述檢測來自公用電源的信號的特性的裝置包括用于檢測公用電源的電壓和相位角的裝置。
23.如權(quán)利要求22的設(shè)備，其中所述用于比較的裝置包括用于計算在驅(qū)動器輸出端處的電壓與公用電源的電壓之間的比值，確定比例系數(shù)的裝置。
24.如權(quán)利要求22的設(shè)備，其中所述用于比較的裝置包括用于計算在驅(qū)動器輸出端處的相位角與公用電源的相位角之間的差值，確定相位角差值的裝置。
25.如權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述用于比較的裝置包括用于計算在驅(qū)動器輸出端處的相位角與公用電源的相位角之間的差值，確定相位角差值的裝置。
26.如權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述用于提供來自公用電源的信號的裝置被耦合到驅(qū)動器的輸入端，以及所述用于檢測來自公用電源的信號的特性的裝置包括驅(qū)動器的輸入儀表。
27.如權(quán)利要求26的設(shè)備，還包括在公用電源與驅(qū)動器的輸入端之間的功率變換元件。
28.如權(quán)利要求20的設(shè)備，還包括在公用電源與驅(qū)動器的輸出端之間的功率變換元件。
全文摘要
用于得出公用電源的信號的特性的方法,以便在轉(zhuǎn)移或獲取操作時把電機驅(qū)動器的輸出與公用電源同步。當(dāng)驅(qū)動器空閑時,由驅(qū)動器的儀表檢測加到驅(qū)動器上的輸入的電壓和相位角。來自公用電源的信號的電壓和相位角由驅(qū)動器的儀表在驅(qū)動器的輸出端處被檢測。相位角差值和比例系數(shù)被確定來把加到驅(qū)動器的輸入信號與在電機驅(qū)動器的輸出端處的信號進行相關(guān)。相位角差值和比例系數(shù)被存儲,隨后被使用來在轉(zhuǎn)移或獲取處理過程時得出由于公用電源的、在電動機處的信號。
文檔編號H02P27/04GK1339196SQ00803495
公開日2002年3月6日 申請日期2000年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者P·S·比克塞爾, R·W·卡特, B·E·迪克 申請人:通用電氣公司