專利名稱：與滑環(huán)式電機相關的方法和配置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種啟動滑環(huán)式電機的方法和配置，該配置包括布置成在供電網絡和滑環(huán)式電機之間進行連接以便控制滑環(huán)式電機的變頻器和啟動滑環(huán)式電機的啟動器。
背景技術：
特別與高功率驅動器相關，滑環(huán)式電機的使用最近越來越常見。這種驅動器包括需要高轉矩的風力發(fā)電機驅動器和馬達驅動器。在頻率變化的應用中，滑環(huán)式電機通常以“雙饋”原理進行控制。在這種控制方式中，電機的定子連接到其頻率恒定的三相網絡上。當滑環(huán)式電機用作馬達時，連接到定子上的網絡作為供應網絡操作，而相應地當滑環(huán)式電機用作發(fā)電機時，該網絡作為被供應網絡。
在雙饋的應用中，電機的轉子通過滑環(huán)連接到進一步連接到供應網絡和被供應網絡上的變頻器上。變頻器使得轉子幾乎任意地進行磁化。將提供給轉子的轉動磁化使得雙饋電機的操作可以進行控制，并且其功率和功率因數可在發(fā)電機以及馬達模式中設定。控制驅動器的方法在US6448735中披露。
轉子電路的變頻器設定尺寸以便在由網絡的頻率和電機的多個極對來確定的同步速度的條件下通常在大致±30％的速度范圍內操作。在雙饋應用中，所實現的最大優(yōu)點是變頻器設備成本低，這是由于如果受控的速度范圍在同步速度條件下，其能力只有電機軸功率的四分之一。當受控速度范圍在偏離同步速度±30％的范圍內，如果忽略電機損失，在最大速度下，變頻器僅僅供應大致100％×30％/(100％+30％)＝23％的電機軸功率。
與例如泵和鼓風機的大多數應用相關，限制速度控制不成為問題。只在啟動和停止期間使用低轉動速度。
這種雙饋滑環(huán)式電機難以啟動的事實防止其廣泛應用在發(fā)電機驅動器之外的驅動器中。當電機不運行時，引入轉子線圈的電壓是連接到轉子電路上的變頻器額定電壓的大約三倍，使得變頻器不能直接連接到轉子電路上。以前通過在轉子電路中使用啟動電阻器來解決該問題。轉子線圈接著設置通過滑環(huán)的電阻電路。當電機加速到足以接近同步速度時，變頻器可連接到轉子電路上，并且可除去電阻器。圖1表示采用滑環(huán)式電機的啟動配置的現有技術。
電阻器啟動的問題在于當馬達加速時馬達轉矩減小。因此，通常通過同時短路啟動電阻一部分來減小轉子電阻器的電阻。但是，這種解決方法復雜，需要多個接觸器，該接觸器在高功率裝置中非常大并且昂貴。另外，每次短路造成馬達轉矩的瞬變，限制了轉動設備。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種啟動滑環(huán)式電機的配置和方法，它避免所述缺陷并使得滑環(huán)式電機以更簡單的方式以及成本低的設備來啟動。所述目的通過本發(fā)明的配置和方法來實現，其特征在于獨立權利要求1和5的特征部分所披露的內容。本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權利要求中得以披露。
本發(fā)明根本思想在于當啟動期間考慮到引入滑環(huán)式電機轉子的電壓值時，滑環(huán)式電機可通過變頻器的控制來啟動。通過相對于變頻器的電壓減小轉子電壓來進行考慮，其中控制變頻器的電壓使得轉子電流得到控制。
本發(fā)明解決方法的優(yōu)點在于用于啟動所需的設備變得簡單。另外，本發(fā)明的方法和設備使得滑環(huán)式電機在啟動期間得到控制，并使用變頻器及其傳感器使其電氣狀態(tài)得以確定。


現在結合優(yōu)選實施例，并參考附圖，詳細說明本發(fā)明，附圖中圖1表示用于啟動滑環(huán)式電機的配置的現有技術；圖2和3表示本發(fā)明某些實施例的設備；圖4示意表示作為結合有本發(fā)明的電阻啟動設備的電機轉動速度函數的電壓曲線；以及圖5示意表示作為結合有本發(fā)明的電阻啟動設備的電機轉動速度函數的轉矩和轉矩閾值曲線。
具體實施例方式
圖1示意表示現有技術的設備。在該解決方法中，滑環(huán)式電機1的轉子2設置通過滑環(huán)的電阻耦合器3。電阻耦合器通常包括星連接電阻器和布置成將電阻器短路的接觸器。為了改善啟動期間的操作，接觸器經常使用以便使得接觸器同時短路電阻器一部分，并最終整體短路電阻器。
在電機啟動之后，電阻耦合器3通過開關耦合器4與轉子電路2分開，隨后轉子電路連接到變頻器的逆變器5上以便正常使用。
本發(fā)明的配置(其實施例表示在圖2中)包括其定子29以正常方式連接到供應電壓27上的滑環(huán)式電機21。本發(fā)明的配置還包括布置在變頻器的逆變器23和滑環(huán)式電機的轉子之間的啟動裝置22。變頻器26以正常方式在其整流單元24處連接到供應網絡27。圖2還表示均衡并存儲逆變器的電壓的DC中間電路25以及保護設備不過壓的“保安”電路28。
在本發(fā)明的配置中，啟動裝置因此連接到變頻器和滑環(huán)式電機轉子之間，并且變頻器布置成為控制滑環(huán)式電機轉子的電流大小。結合啟動并特別是當滑環(huán)式電機作為馬達操作時，變頻器可接著用來控制轉子的電量。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，啟動裝置包括三相自動變壓器30，其初級線圈的第一端連接到變頻器的相輸出端上，其初級線圈的第二端連接到公共星點上，并且次級線圈的抽頭連接到滑環(huán)式電機的三相轉子電路上。按照該實施例，啟動裝置還包括將自動變壓器的初級線圈的第一端連接到次級線圈的第一端上的第一連接裝置32和將自動變壓器的相與公共星點31分開的第二連接裝置33。
如公知那樣，自動變壓器只包括三個分開的端子，即各一個端子在線圈兩端并且一個端子在抽頭中間。線圈一端再次構成初級線圈的第二端，并且因此對于初級和次級線圈的第二端設置公共端子。本發(fā)明實施例的三相自動變壓器的公共端子通過第二連接裝置連接到星點上，即相互連接。
本發(fā)明實施例的初級線圈的第一端連接到變頻器的輸出端的相上，即連接到變頻器的逆變器23上。次級線圈的第一端通過滑環(huán)直接連接到電機的轉子34上。按照該實施例，第一連接裝置32使得自動變壓器整體連通，這是由于這些連接裝置可以短路初級和次級線圈的第一端。在這些端已經短路時，變頻器的輸出端直接連接到滑環(huán)上，由此連接到電機轉子電路上。
按照本發(fā)明的實施例，結合所述的實施例，啟動滑環(huán)式電機，使得首先第一連接裝置32處于非導電狀態(tài)，而第二連接裝置33處于導電狀態(tài)。在這種情況下，在啟動情況下，引入電機轉子的電流通過變壓器減小。當考慮到變壓系數時，自動變壓器的變壓系數選擇成使得變頻器的輸出電壓在引入電壓的級別上。通過可以控制啟動期間轉子電路內的電流的變壓器，因此變頻器還可用來產生電壓。在馬達已經加速到正常雙饋操作的范圍時，改變連接裝置的狀態(tài)，即自動變壓器的星點打開，并且初級和次級線圈短路。通過連續(xù)控制轉子的電氣狀態(tài)，使得馬達以正常方式操作。
圖3表示本發(fā)明第二實施例的配置。在此配置中，啟動裝置40包括相特定部件41，即例如電阻器和由電阻器和扼流圈形成的串聯連接，他們連接在變頻器的輸出端和滑環(huán)式電機的轉子34之間。啟動裝置還包括短路部件41的連接裝置43，使得連接裝置能使串聯連接在滑環(huán)式電機加速到所需速度之后連通。在這種情況下，在啟動期間，在變頻器的輸出端和滑環(huán)式電機的轉子之間連接阻抗，通過開關裝置連通以便在正常雙饋應用期間直接連接變頻器和轉子電路。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，連接裝置43是三相開關，使其盡可能同時控制。圖3表示的其他標號表示圖2所示的細節(jié)。
這種配置使得轉子電路的電流在啟動期間通過變頻器的逆變器控制。變頻器通常包括可以確定變頻器的電流和電壓的傳感器。當啟動期間使用本發(fā)明的配置時，可以連續(xù)確定將要控制的滑環(huán)式電機的電氣狀態(tài)。由于以前的電氣狀態(tài)已知，變頻器在連接裝置操作之后可快速適應新狀態(tài)，使得在電機已經加速之后可靠并快速地轉換到正常使用。
根據串聯阻抗41的本發(fā)明配置的實施例使得電機的電流可以例如根據變頻器的傳感器測量的電流通過改變轉子電路內的變頻器的輸出電壓來控制。如果在啟動期間例如將電流限制在特定恒定值I，變額器將產生電壓Uout以便實現等式Uout＝ZI-Urot，其中Z是串聯阻抗的大小而Urot是引入轉子電路的電壓。選擇阻抗Z的大小適當地使得電流I可以通過變頻器的輸出電壓來控制。按照本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例，轉子電路的電流在連接連接裝置之前控制到零。當電流是零時，轉子電路可以盡可能簡單的方式直接連接到變頻器的輸出端上。
以下，參考圖3和圖4和5的實施例配置，描述啟動方法，附圖表示啟動期間曲線和某些閾值。
滑環(huán)式電機的啟動以圖3所有連接元件43、44打開來開始。當電壓連接到輸入端27時，DC中間電路25改變。接著，定子的開關元件44閉合，并且電流開始在電機內流動。變頻器的逆變器23用來控制轉子電流的大小。在啟動期間，轉子電流的大小可保持在例如恒定和額定值上，在這種情況下馬達還產生大致額定轉矩。
首先，功率從轉子供應到逆變器26，該逆變器進一步將其供應回到供應網絡27。注意到變頻器的整流部分24能夠在兩個方向上供應功率，在這種情況下，特定變頻器類型通常稱為網絡逆變器。當馬達21加速時，引入轉子的電壓減小，使得如果電流保持恒定，逆變器的輸出電壓也減小。
在某一速度下，逆變器的輸出電壓是零。當馬達進一步加速時，逆變器將電流供應到轉子內，以便提供參考電流，在這種情況下功率方向改變。功率接著經由轉子供應到串聯阻抗和馬達。
當變頻器的逆變器的電壓接近最大值，連接裝置43按照本發(fā)明進行短路。逆變器對此檢測并馬上將輸出電壓調整到新狀態(tài)，以便將轉矩和電流保持在參考值，該參考值例如是電流的額定值，并在正常雙饋模式中繼續(xù)其操作。與短路連接裝置相結合，功率方向再次改變，并且功率經由變頻器供應回到輸入端。
當馬達進一步加速時，變頻器的輸出電壓一直減小到同步速度。在同步速度下，變頻器的輸出電壓是零。在此速度之后，當進入超同步范圍時，變頻器的輸出電壓再次增加，并且變頻器將功率供應到滑環(huán)式電機的轉子。
圖4表示作為速度v的函數的電壓U。附圖表示轉子電壓Urot如何在速度增加時線性減小。在圖4中，采取啟動情況，其中轉子的電流保持恒定。這種情況下，變頻器的輸出電壓Uout相對于引入轉子的電壓減小。但是在低速時，由于轉子電路的電阻，該比例不完全是線性的。圖4表示如何在低速v1時，變頻器的輸出電壓是零，當速度增加時進一步減小到負值。負電壓指的是其方向相對于正電壓改變的電壓矢量。
變頻器的輸出電壓在速度v3下到達最大閾值。在此之后，電壓不能進一步增加，但在此時至少進行轉換到正常雙饋操作，即變頻器的輸出端直接連接到轉子。當速度處于速度v2和v3之間的轉換范圍vtrans內時，該轉換可早些完成。當在速度v2下進行到正常使用的轉換時，變頻器的輸出電壓達到其最大閾值。如果在到達速度v2之前進行到正常使用的轉換，電流將不能調整。
速度v2和v4之間的范圍構成雙饋范圍內的速度調整范圍vcont，并且在這些速度之間存在同步速度vsync，在該速度下引入轉子的電壓是零。速度0和v3之間的范圍構成電阻器啟動范圍vstart。
圖5的一組表示馬達轉矩與圖4啟動的關系的曲線，其中轉子的電流保持恒定，并且串聯阻抗41假設是電阻。圖5表示任何轉矩T也保持在額定值Tn上。圖5還包括閾值Tstart和Tcont，其中當速度隨著啟動和正常雙饋調整而改變時，可以調整轉矩。附圖還包括相同的速度符號，如圖4的情況。
本領域普通技術人員將明白本發(fā)明的基本思想可以許多不同的方式實施。因此本發(fā)明及其實施例將不局限于所述的實例，而可以在權利要求的范圍內變化。
權利要求
1.一種啟動滑環(huán)式電機(21)的配置，該配置包括布置成在供應網絡(27)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間進行連接以便控制滑環(huán)式電機的變頻器(26)；以及用于啟動滑環(huán)式電機的啟動裝置(22、40)，其特征在于，啟動裝置(22、40)布置在變頻器(26)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間，由此變頻器布置成結合啟動滑環(huán)式電機來控制滑環(huán)式電機的轉子(34)的電流大小。
2.如權利要求1所述的配置，其特征在于，啟動裝置(22)包括三相自動變壓器(30)，其初級線圈的第一端連接到變頻器(26)的相輸出端上，并且其初級線圈的第二端連接到公共星點(31)上，并且次級線圈的抽頭連接到滑環(huán)式電機的三相轉子電路(34)上；以及將自動變壓器的初級線圈的第一端連接到次級線圈的第一端的第一連接裝置(32)以及將自動變壓器的相與公共星點分開的第二連接裝置(33)。
3.如權利要求1所述的配置，其特征在于，啟動裝置(40)包括布置在變頻器(26)的輸出相和滑環(huán)式電機的轉子(34)的相之間，以及布置成短路相特定電阻感應部件(41)由此將變頻器(26)直接連接到滑環(huán)式電機轉子(34)上的連接裝置(43)。
4.如權利要求2或3所述的配置，其特征在于，啟動裝置的連接裝置(43)是三相開關。
5.一種啟動滑環(huán)式電機的方法，由此結合滑環(huán)式電機(21)來布置布置成在供應網絡(27)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間進行連接以便控制滑環(huán)式電機的變頻器(26)；以及用于啟動滑環(huán)式電機的啟動裝置(22、40)，啟動裝置布置在變頻器(26)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間，其特征在于該方法包括如下步驟將具有大致恒定頻率的電壓供應到滑環(huán)式電機的定子上；通過變頻器控制轉子電流的大??；以及當轉子到達預定轉動速度時短路連接裝置，使得滑環(huán)式電機的轉子直接連接到變頻器的輸出端上。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，在短路啟動裝置之前，滑環(huán)式電機的轉子電流控制到零。
全文摘要
一種啟動滑環(huán)式電機(21)的配置和方法，該配置包括布置成在供應網絡(27)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間進行連接以便控制滑環(huán)式電機的變頻器(26)；和用于啟動滑環(huán)式電機的啟動裝置(22、24)，其特征在于，啟動裝置(22、40)布置在變頻器(26)和滑環(huán)式電機的轉子(34)之間，由此變頻器布置成隨著啟動滑環(huán)式電機來控制滑環(huán)式電機的轉子(34)的電流大小。
文檔編號H02P1/34GK1698261SQ200480000191
公開日2005年11月16日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權日2003年3月6日
發(fā)明者J·尼拉寧 申請人:Abb有限公司