專利名稱：分階段電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和y/△轉(zhuǎn)換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)以及用于啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)的方法。
當(dāng)電磁接觸器用于使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從靜止開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，在加速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)從電源吸取等于電動(dòng)機(jī)滿載電流(FLC)的六至十倍的啟動(dòng)電流，取決于電動(dòng)機(jī)的規(guī)格和構(gòu)造。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接近全速時(shí)，電流下降到滿負(fù)荷值或者當(dāng)電動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷低于滿負(fù)荷時(shí)下降到更小值。
但是，出現(xiàn)多種不希望的附加現(xiàn)象，這些現(xiàn)象由電源到電動(dòng)機(jī)的突然連接所引起。最明顯的是，在接通之后的前幾分之一秒左右(對(duì)于大電動(dòng)機(jī)增加到多秒)中，在電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩中存在嚴(yán)重的振蕩脈動(dòng)。這可能作為一種強(qiáng)大振動(dòng)被聽(tīng)到和感覺(jué)到，這種強(qiáng)大振動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)所連接的整個(gè)傳動(dòng)系施加高機(jī)械應(yīng)力，特別是對(duì)聯(lián)軸器、變速箱、軸承以及對(duì)定子繞組通過(guò)它們遇到的反作用力施加高機(jī)械應(yīng)力。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩中的峰值可能為正以及為負(fù)，并且可能是正常運(yùn)行時(shí)遇到的最大轉(zhuǎn)矩的許多倍。轉(zhuǎn)矩的這種變化可能是引起故障、特別是受到頻繁啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)中的故障的重要因素。
不太明顯但同樣嚴(yán)重的是以下事實(shí)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的瞬變周期中，電源電流峰值可能達(dá)到預(yù)計(jì)穩(wěn)態(tài)鎖定轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電流的兩倍。這個(gè)異常高的電流稱作浪涌電流，并且可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)保護(hù)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器把接觸器與過(guò)載保護(hù)結(jié)合，以便在電動(dòng)機(jī)吸取過(guò)大電流時(shí)斷開(kāi)其連接。過(guò)載機(jī)制必須允許高啟動(dòng)電流而沒(méi)有過(guò)早地?cái)嚅_(kāi)電動(dòng)機(jī)，但是仍然能夠在電動(dòng)機(jī)變?yōu)檫^(guò)載并吸取僅超過(guò)滿載電流的110％的電流時(shí)在運(yùn)行期間關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。對(duì)于高效電動(dòng)機(jī)，浪涌電流可能達(dá)到FLC的十八倍，它使允許啟動(dòng)但仍然提供充分運(yùn)行保護(hù)的過(guò)載繼電器和過(guò)載斷路器的設(shè)置復(fù)雜化。
本發(fā)明的目標(biāo)是解決或者至少改善3相電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間出現(xiàn)的問(wèn)題。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論如何，能夠通過(guò)修改起動(dòng)器接觸器被接通的方式來(lái)減小或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及涌入電流的加倍。按照傳統(tǒng)方法，在3相系統(tǒng)中，三相的每相的觸點(diǎn)同時(shí)閉合。這種同時(shí)閉合除了預(yù)計(jì)鎖定轉(zhuǎn)子電流之外還產(chǎn)生瞬變電流浪涌以及轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)瞬變脈動(dòng)。另一方面，如果在通過(guò)連接設(shè)置在電源與電動(dòng)機(jī)端子之間的諸如接觸器極之類的裝置所連接的3線系統(tǒng)中，兩個(gè)觸點(diǎn)當(dāng)兩相之間的線電壓處于其峰值時(shí)首先閉合，然后第三觸點(diǎn)在四分之一周期之后閉合，則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及浪涌電流均被減小或消除。
為此，從第一方面，本發(fā)明提供啟動(dòng)多相電機(jī)的方法，包括以下步驟i.把多個(gè)繞組中的至少一個(gè)但少于全部的繞組在電源相位的受控點(diǎn)連接到相應(yīng)相移電源電壓；以及ii.在緊接步驟i中進(jìn)行的連接的可控延遲之后，把電機(jī)的那個(gè)或每個(gè)剩余繞組連接到相應(yīng)相移電源電壓。
在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，將提供關(guān)于接觸器開(kāi)關(guān)序列中的這種簡(jiǎn)單修改為什么有效的說(shuō)明。這將稱作波形點(diǎn)(POW)開(kāi)關(guān)。描述了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的控制方法及其對(duì)Y連接和Δ連接電動(dòng)機(jī)的直接(DOL)啟動(dòng)的應(yīng)用。POW開(kāi)關(guān)也可適用于使伴隨Y-Δ起動(dòng)器中從星形(Y)到Δ連接的轉(zhuǎn)變的不適當(dāng)且嚴(yán)重的瞬變現(xiàn)象為最小，并且還可減小變壓器通電時(shí)以及在把備用和風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到變壓器或者連接到主電源時(shí)出現(xiàn)的巨大浪涌電流。
通常在步驟i.中，在選擇成當(dāng)機(jī)器中的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)(e.m.f.)實(shí)質(zhì)上與電源電壓同相時(shí)出現(xiàn)的受控點(diǎn)上進(jìn)行連接。該方法還可包括監(jiān)測(cè)反e.m.f.的相位，以便確定反e.m.f.與電源電壓同相的時(shí)間。根據(jù)從電源到負(fù)載的連接的配置，受控延遲可對(duì)應(yīng)于90°或120°的相位延遲。
在典型實(shí)施例中，繞組中的至少一個(gè)通過(guò)電氣控制的單接觸器極來(lái)連接。有利的是，至少一個(gè)接觸器極通過(guò)開(kāi)關(guān)直流電壓源來(lái)連接，以便取得觸點(diǎn)閉合的可重復(fù)且精確定時(shí)。在這個(gè)上下文中，采用DC來(lái)控制連接器極允許其閉合比采用交流控制連接器極的情況更為精確地定時(shí)。
體現(xiàn)本發(fā)明的這個(gè)方面的方法通常適用于包括三相電動(dòng)機(jī)的電機(jī)。在這類情況中，該方法可在從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置時(shí)執(zhí)行。例如，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換可在電動(dòng)機(jī)的全工作轉(zhuǎn)速的75％或以上來(lái)進(jìn)行?；蛘撸瑥碾妱?dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換可在Y配置中的啟動(dòng)電流下降到低于預(yù)定門(mén)限時(shí)或者在預(yù)定啟動(dòng)時(shí)間之后進(jìn)行。
體現(xiàn)本發(fā)明的這個(gè)方面的方法也可適用于包括下列各項(xiàng)的任一個(gè)或多個(gè)的電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變壓器或備用發(fā)電機(jī)。在這類情況中，備用發(fā)電機(jī)可連接到變壓器或者連接到電機(jī)。
從第二方面，本發(fā)明提供防止在交流電源電壓丟失之后多相電機(jī)中的電流或轉(zhuǎn)矩瞬變的方法，包括以下步驟i.從電源斷開(kāi)機(jī)器的繞組；ii.監(jiān)測(cè)機(jī)器的端子上的反e.m.f.；iii.確定反e.m.f.與交流電源電壓的模型相位之間的相位差；iv.當(dāng)已恢復(fù)電源和反e.m.f.實(shí)質(zhì)上同相時(shí)，連接交流電源電壓源與電機(jī)之間的至少一個(gè)繞組；以及v.在受控延遲之后閉合其余接觸器極。這樣一種方法通?？蛇m用于電機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)的情況。
從第三方面，本發(fā)明提供包括多個(gè)接觸器極和控制裝置的多相交流電機(jī)，接觸器極的每個(gè)設(shè)置成連接到相應(yīng)交流電源電壓，相應(yīng)交流電壓的每個(gè)相對(duì)彼此進(jìn)行相移，控制裝置設(shè)置成控制接觸器極到其相應(yīng)交流電源電壓的連接，其中，控制裝置設(shè)置成在第一時(shí)間點(diǎn)把多個(gè)連接器極中的一部分而不是全部連接到其相應(yīng)交流電源電壓，以及在受控時(shí)間延遲之后把其余連接器極連接到其相應(yīng)交流電源電壓。
控制裝置可包括設(shè)置成監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)和交流電源電壓的相對(duì)相位或頻率的監(jiān)測(cè)部件?？刂蒲b置通常設(shè)置成在與90°或120°的相位延遲對(duì)應(yīng)的受控時(shí)間延遲之后把其余接觸器極連接到其相應(yīng)交流電源電壓。作為替代或補(bǔ)充，機(jī)器可包括設(shè)置成把繞組的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換成與交流電源電壓連接以及不與交流電源電壓連接的電動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)部件。有利的是，開(kāi)關(guān)部件可由直流電壓源來(lái)操作。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，電機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)。在這類實(shí)施例中，控制裝置可設(shè)置成控制電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換。在電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置中，接觸器極可位于電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的內(nèi)部，或者它們可位于電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的外部。
體現(xiàn)本發(fā)明的控制裝置可在Δ配置中重新連接期間設(shè)置成監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的一個(gè)繞組中的反e.m.f.，繞組連接到其余極接觸器的至少一個(gè)，控制裝置還設(shè)置成在反e.m.f.與將連接在那個(gè)繞組上的交流電源電壓同相時(shí)把相應(yīng)交流電源電壓連接到該繞組。
在備選實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)繞組可設(shè)置成在機(jī)器工作的初始周期中在Y配置中連接到交流電源電壓，以及電動(dòng)機(jī)繞組設(shè)置成在機(jī)器工作的第二周期中在Δ配置中重新連接到交流電源電壓。在這類實(shí)施例中，控制裝置可設(shè)置成當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到全工作速度的至少75％時(shí)或當(dāng)Y配置中的啟動(dòng)電流下降到低于預(yù)定門(mén)限時(shí)或者在電動(dòng)機(jī)接近全速時(shí)的預(yù)定啟動(dòng)時(shí)間之后，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置。
在本發(fā)明的這個(gè)方面的備選實(shí)施例中，電機(jī)可包括以下各項(xiàng)的任一個(gè)或者它們的組合風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變壓器、備用發(fā)電機(jī)以及三相電動(dòng)機(jī)。從第四方面，本發(fā)明提供適合用于多相交流電機(jī)的控制裝置，該裝置設(shè)置成控制多個(gè)接觸部件的斷開(kāi)和閉合，接觸部件設(shè)置成有選擇地使機(jī)器的繞組與多相交流電源電壓電氣連接，其中，該裝置設(shè)置成在受控延遲之后閉合至少第二接觸部件之前閉合至少第一接觸部件。
典型實(shí)施例包括設(shè)置成接收表示關(guān)聯(lián)至少第一接觸部件的至少一個(gè)相應(yīng)電源電壓與來(lái)自關(guān)聯(lián)將被連接到所述電源電壓的電機(jī)繞組的傳感器的反e.m.f.之間的相對(duì)相位差的信號(hào)的處理器。處理器可設(shè)置成當(dāng)至少一個(gè)電源電壓與它將連接到的機(jī)器繞組的反e.m.f.同相時(shí)輸出信號(hào)以閉合至少第一接觸部件。
控制裝置可設(shè)置成響應(yīng)反e.m.f.與電源電壓的預(yù)計(jì)相位之間的表明所述電源電壓丟失的相位差而斷開(kāi)接觸部件中的一個(gè)或多個(gè)。
從第五方面，本發(fā)明提供在處理器上運(yùn)行時(shí)使處理器執(zhí)行以下步驟的軟件i.接收表示設(shè)置成被提供給多相電機(jī)的交流電源電壓的相位的第一信號(hào)；ii.接收表示多相交流電機(jī)的組件中的反e.m.f.的相位的第二信號(hào)；iii.根據(jù)第一和第二信號(hào)來(lái)確定反e.m.f.與電源電壓之間的相位差；以及下列步驟的任一個(gè)a.如果反e.m.f.很大，則等到反e.m.f.開(kāi)始與電源同步，以電源中的預(yù)定相角發(fā)起兩步連接過(guò)程，從而有選擇地使電機(jī)與電源電壓接觸；或者b.如果反e.m.f.小，則輸出信號(hào)以便以電源中的預(yù)定相角在受控兩步過(guò)程中起動(dòng)接觸部件，從而有選擇地使電機(jī)與電源電壓接觸。
體現(xiàn)本發(fā)明的軟件通常設(shè)置成在反e.m.f.與要在電機(jī)的元件上連接的電源電壓之間的相位差實(shí)質(zhì)上為零時(shí)起動(dòng)接觸部件，以便把該元件連接到電源電壓。作為替代或補(bǔ)充，軟件可設(shè)置成在反e.m.f.與根據(jù)它的已知頻率來(lái)預(yù)計(jì)的電源電壓相位之間的相位差時(shí)起動(dòng)接觸部件以便拆除電機(jī)與電源電壓的連接。
從第六方面，本發(fā)明提供控制對(duì)多相交流電機(jī)的交流電壓施加的方法，包括i.接收表示設(shè)置成被提供給電機(jī)的交流電源電壓的相位的第一信號(hào)；ii.接收表示多相交流電機(jī)的組件中的反e.m.f.的相位的第二信號(hào)；iii.根據(jù)第一和第二信號(hào)來(lái)確定反e.m.f.與電源電壓之間的相位差；以及根據(jù)確定來(lái)執(zhí)行下列步驟的任一個(gè)a.如果反e.m.f.很大，則等到反e.m.f.開(kāi)始與電源同步，以電源中的預(yù)定相角發(fā)起兩步連接過(guò)程，從而有選擇地使電機(jī)與電源電壓接觸；或者b.如果反e.m.f.小，則輸出信號(hào)以便以電源中的精確相角在受控兩步過(guò)程中起動(dòng)接觸部件，從而有選擇地使電機(jī)與電源電壓接觸。
該方法可在反e.m.f.與根據(jù)它的已知頻率預(yù)計(jì)的電源電壓相位之間的相位差表示電源電壓丟失時(shí)，響應(yīng)控制信號(hào)而起動(dòng)接觸部件，以便拆除電機(jī)與電源電壓的連接。
在其中電機(jī)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、體現(xiàn)本發(fā)明的第一方面的方法中，受控時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于某個(gè)延遲，在該延遲之后，發(fā)電機(jī)e.m.f.的相位變?yōu)閷?shí)質(zhì)上與電源電壓的相位同步。
本發(fā)明還提供有效地使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方法，由此，在電源與已經(jīng)沿第一方向旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)連接并交換兩個(gè)相連接以便能夠以相反方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之后，電源到電動(dòng)機(jī)的重新連接通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法來(lái)進(jìn)行。
具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例將取得以下益處的部分或全部電動(dòng)機(jī)中的浪涌電流的顯著減小，通常減小為二分之一。
機(jī)械負(fù)荷和電氣繞組的有害峰值轉(zhuǎn)矩的相繼50％減小。
系統(tǒng)范圍的浪涌過(guò)流的減小允許斷路器被設(shè)置在確保系統(tǒng)健壯性的等級(jí)，由此改進(jìn)工廠范圍的正常運(yùn)行時(shí)間和整體安全性。當(dāng)前工業(yè)慣例是把跳閘電流設(shè)置成比預(yù)期的高50％，以便避免由浪涌過(guò)流引起的斷路器的有害跳閘。
Y-Δ起動(dòng)器中的功率電阻器和轉(zhuǎn)變接觸器的消除。
在向大變壓器供電時(shí)，涌入浪涌電流按高達(dá)十的因子減小。
備用和風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的機(jī)電高峰負(fù)荷的減小。
電氣控制器中高達(dá)50％的規(guī)格及成本減小。
工廠范圍的機(jī)電維護(hù)的顯著減少，具有相應(yīng)的停機(jī)時(shí)間的減小以及安全性的提高。
為了良好狀態(tài)目的而提供對(duì)工廠開(kāi)關(guān)操作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的固有能力。
有害短路電流的減小，特別是對(duì)于例如冷卻器等的封裝/限定的應(yīng)用以及對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制中心可見(jiàn)到的物理上分散的負(fù)載。
現(xiàn)在通過(guò)舉例、參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中

圖1是跡線，說(shuō)明采用接觸器極的同時(shí)閉合的空載Δ電動(dòng)機(jī)的全DOL啟動(dòng)期間的瞬變電流和電壓；圖2是跡線，說(shuō)明在通過(guò)體現(xiàn)本發(fā)明的方法所啟動(dòng)的圖1的電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)期間的瞬變電流和電壓；圖3說(shuō)明Y配置的電動(dòng)機(jī)的連接；圖4是空間向量圖，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的三相的同時(shí)連接的作用；圖5是空間向量圖，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的三相的兩階段連接的作用；圖6表示相位電壓波形，說(shuō)明2階段接通的三個(gè)備選連接次序；圖7說(shuō)明具有外部接觸器極的Δ連接電動(dòng)機(jī)；圖8說(shuō)明具有設(shè)置在Δ內(nèi)的接觸器極的Δ連接電動(dòng)機(jī)；圖9說(shuō)明啟動(dòng)具有Δ內(nèi)的接觸器極的Δ電動(dòng)機(jī)的第一階段；圖10說(shuō)明采用同時(shí)接觸器閉合的Y-Δ啟動(dòng)期間的電流和電壓；圖11說(shuō)明與圖10相同的Y-Δ啟動(dòng)，但允許0.1秒讓轉(zhuǎn)子電流及定子繞組中感應(yīng)的關(guān)聯(lián)反e.m.f.衰減；圖12和圖13說(shuō)明相同的啟動(dòng)，但是體現(xiàn)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)用于初始Y連接以及Δ重新連接；圖14說(shuō)明采用同時(shí)觸點(diǎn)閉合、以全速的80％按照Δ重新連接時(shí)的電流和電壓；圖15說(shuō)明采用POW觸點(diǎn)閉合、以全速的80％按照Δ重新連接時(shí)的電流和電壓；圖16是Y連接電動(dòng)機(jī)的POW啟動(dòng)的接觸器極S1、S2和S3的閉合的時(shí)序圖；圖17是框圖，說(shuō)明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件的結(jié)構(gòu)；
圖18是流程圖，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軟件控制系統(tǒng)中的軟件例程的操作；圖19是流程圖，說(shuō)明例程“按照Y啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)”以及圖18的例程“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”；圖20是流程圖，說(shuō)明軟件中的次要例程；圖21是流程圖，說(shuō)明子例程“按照Y啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)”以及例程“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”；圖22是流程圖，說(shuō)明子例程“同步反e.m.f.與電源”；圖23說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中用于按照Δ連接電動(dòng)機(jī)的接觸器配置；圖24是通過(guò)體現(xiàn)本發(fā)明的方法按照Δ連接電動(dòng)機(jī)的時(shí)序圖；圖25是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中、按照Δ重新連接電動(dòng)機(jī)以及按照Δ連續(xù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的例程的流程圖；圖26是當(dāng)所有三相觸點(diǎn)同時(shí)閉合時(shí)通過(guò)反相自全速的DOL電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩的曲線；以及圖27是采用具有相位同步的兩步POW觸點(diǎn)閉合的DOL電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩的曲線。
作為對(duì)本發(fā)明背后的思考的介紹，現(xiàn)在將提供對(duì)于在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)期間三相的同時(shí)開(kāi)關(guān)如何產(chǎn)生瞬變浪涌電流的簡(jiǎn)述。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的反e.m.f.為零。如果定子電阻Rs被忽略，則當(dāng)施加電源時(shí)，電流通過(guò)定子電感來(lái)確定。如果所有三相共同被激勵(lì)，則電流由將流動(dòng)的平衡穩(wěn)態(tài)3相交流啟動(dòng)電流加上以不同數(shù)量存在于各相中的按指數(shù)衰減直流瞬變電流組成。
DC瞬變的幅度當(dāng)所有電流為零時(shí)在連接時(shí)確定，以及它們的變化速率受到電動(dòng)機(jī)電感限制。因而斷定，在緊跟連接之后的時(shí)刻，在電流有時(shí)間增加之前，它們必須仍然為零。因此，緊跟連接之后穩(wěn)態(tài)電流+直流瞬變電流＝0使得直流瞬變電流的幅度在時(shí)間零處等于(負(fù))穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)電流值。這個(gè)直流電流以電動(dòng)機(jī)磁化時(shí)間常數(shù)衰減，并且通?；ㄙM(fèi)0.2-5秒衰退，隨電動(dòng)機(jī)規(guī)格增大。
直流電流的影響是引起伴隨電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的嚴(yán)重轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)椴皇欠€(wěn)態(tài)交流電流產(chǎn)生的均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、而是直流瞬變引入附加的非旋轉(zhuǎn)、衰減直流場(chǎng)分量。這在它們被對(duì)齊時(shí)加到交流場(chǎng)，但是半周期之后從交流場(chǎng)中減矢，因?yàn)樗鼈冊(cè)谀菚r(shí)相反。不是保持穩(wěn)定(旋轉(zhuǎn))值，因而電動(dòng)機(jī)磁通在(交流磁通+直流磁通)與(交流磁通-直流磁通)之間振蕩。這在僅隨直流磁通衰退而下降的電源頻率上導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的嚴(yán)重振蕩。它在大電動(dòng)機(jī)中可能持續(xù)數(shù)秒。
圖1說(shuō)明在采用接觸器極的同時(shí)閉合的空載Δ連接電動(dòng)機(jī)的全DOL啟動(dòng)之后出現(xiàn)的電流和電壓。底部跡線表示嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及中間曲線表示極不平衡的3相線電流。頂部跡線表示自連接時(shí)的電源電壓。
已經(jīng)描述了啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的一種傳統(tǒng)方法的作用，現(xiàn)在可以描述本發(fā)明減小或消除瞬變現(xiàn)象的方式。
體現(xiàn)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)方法將稱作“波形點(diǎn)”開(kāi)關(guān)，并且這將縮寫(xiě)為“POW”。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，2階段POW開(kāi)關(guān)能夠減小或消除緩慢衰減直流瞬變電流及關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的激勵(lì)。對(duì)于Y連接電動(dòng)機(jī)，僅電動(dòng)機(jī)的兩相首先連接到電源端子來(lái)建立電動(dòng)機(jī)繞組的兩個(gè)中的電流。然后，在第三相被連接(在那個(gè)繞組中具有零電流)的時(shí)刻，所有三個(gè)電流完全等于與電源波形上的那個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的它們的穩(wěn)態(tài)交流值。如果電流緊接第三相的連接之前和之后處于穩(wěn)態(tài)值，則不需要附加直流瞬變電流，以及電動(dòng)機(jī)以等于穩(wěn)態(tài)鎖定轉(zhuǎn)子電流的AC電流的平衡集啟動(dòng)，并且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不存在。
在使電動(dòng)機(jī)從靜止啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)前兩相連接時(shí)電源波形中的點(diǎn)必須被正確選擇，使得那些相中的電流增加以完全達(dá)到當(dāng)?shù)谌娫聪啾贿B接的時(shí)刻所需的穩(wěn)態(tài)值。如果前兩相在兩相之間的線電壓處于其峰值的時(shí)刻連接，并且第三相正好在90度之后(四分之一電源周期)連接，則實(shí)現(xiàn)這種情況。
現(xiàn)在將描述同時(shí)開(kāi)關(guān)和POW開(kāi)關(guān)的實(shí)例。
圖2說(shuō)明POW方法對(duì)生成圖1的跡線的相同電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用的效果。從圖2可以看到，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)實(shí)際上被消除，以及電動(dòng)機(jī)電源電流與明顯更低的峰值電流相平衡。頂部電壓曲線表示2階段連接次序。
現(xiàn)在提供POW開(kāi)關(guān)的理論說(shuō)明。具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)部分陳述2階段連接過(guò)程的理論以及它可如何應(yīng)用于Y配置以及Δ配置電動(dòng)機(jī)。
因三個(gè)電源相的同時(shí)開(kāi)關(guān)引起的直流瞬變?cè)赮配置中發(fā)生。圖3說(shuō)明Y配置的電動(dòng)機(jī)的連接。接觸器極S1、S2和S3可設(shè)置在繞組的任一端。
3相電源電壓ABC可通過(guò)下式給出的空間向量us(t)來(lái)描述us(t)＝usej(wt+α)(1)其中us是電源相電壓幅度，以及空間向量us(t)以電源的角頻率ω旋轉(zhuǎn)，α是當(dāng)施加電力時(shí)在時(shí)間t＝0的電源相角。
電動(dòng)機(jī)中的磁通Ψ的建立按照法拉第定律由下式給出dψ‾dt=u‾s(t)=usejwteα---(2)]]>通過(guò)積分，ψ‾(t)=usejwtjωejα+ψ‾DC]]> (3)Ψ直流瞬變是滿足初始條件所需的積分常數(shù)。當(dāng)us(t)在時(shí)間t＝0以相角α施加到電動(dòng)機(jī)、其中在電動(dòng)機(jī)中沒(méi)有磁通(即Ψ＝0)時(shí)
ψ‾(0)=0=usejαjω+ψ‾DC---(4)]]>因此，直流瞬變磁通由下式給出ψ‾DC=-usejαjω=ju‾s(0)jω---(5)]]>使得磁通的一般解為ψ‾(t)=-ju‾s(t)ω+ju‾s(0)ω]]> (6)在三相同時(shí)接通的情況中，如圖4所示，等式(6)中因子-j乘以電壓空間向量us(t)表示穩(wěn)態(tài)磁通ΨSS(t)隨us(t)旋轉(zhuǎn)，但在旋轉(zhuǎn)中滯后90度。另一方面，直流瞬變磁通ΨDC在接通時(shí)以超前初始電源向量us(t)的方向90°的取向固定，并且僅逐漸衰退。圖4的空間向量圖表示等式(3)、(5)和(6)中的關(guān)系。穩(wěn)態(tài)磁通ΨSS(t)具有恒定幅度，并圍繞僅緩慢衰退的瞬變?chǔ)稤C所確定的固定中心旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)ΨSS(t)旋轉(zhuǎn)時(shí)，直流磁通ΨDC的出現(xiàn)導(dǎo)致所得磁通Ψ(t)的幅度強(qiáng)烈振蕩。影響是DC瞬變衰退之前的強(qiáng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和不平衡電流。
現(xiàn)在把以上所述與消除直流瞬變的2階段POW開(kāi)關(guān)進(jìn)行對(duì)比。
如果接通過(guò)程分兩階段來(lái)執(zhí)行，則可消除或者實(shí)質(zhì)上減小直流瞬變。首先描述2階段POW接通過(guò)程，然后說(shuō)明此過(guò)程的理論。
第1階段通過(guò)在Vbc線電壓的峰值上閉合接觸器極S2和S3，電源電壓在時(shí)間t＝0連接到圖3的電動(dòng)機(jī)、僅連接到Y(jié)配置電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)繞組B和C。通過(guò)繞組B和C的電流在圖5所示的方向上建立磁通Ψ0。沒(méi)有電流注入繞組A。
第2階段在90°之后，當(dāng)空間向量us所描述的電源空間向量處于圖5中的取向β時(shí)，第三接觸器極S3閉合。圖5說(shuō)明這個(gè)時(shí)刻的情況。所有三相被連接，以及電壓空間向量和第1階段所建立的初始磁通對(duì)應(yīng)于正確的穩(wěn)態(tài)值而無(wú)需任何附加的直流磁通瞬變?chǔ)稤C。Ψ(0)是當(dāng)S3閉合時(shí)滯后電壓空間向量uS(t)的取向β上瞬時(shí)位置90°的穩(wěn)態(tài)磁通Ψ‾(t)=-ju‾s(t)ω]]>的初始值。此后，電壓uS(t)和磁通Ψ(t)以其穩(wěn)態(tài)中分隔90°同步旋轉(zhuǎn)而沒(méi)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和過(guò)度的峰值電流。
現(xiàn)在更詳細(xì)地描述Y配置中的2階段電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)。施加到電動(dòng)機(jī)的電壓空間向量的dq分量表示為uSD＝2/3(uSA-0.5uSB-0.5uSC)uSQ＝1/(uSB-uSC)(7)其中，uSA、uSB、uSC是三個(gè)繞組上的電壓。
參照?qǐng)D6，現(xiàn)在考慮表示2階段接通的三個(gè)備選連接次序的相電壓波形。垂直線表示進(jìn)行連接的時(shí)間。AB表示相A和B首先被連接，然后在AB+C上的90°延遲β之后進(jìn)行相C的連接。
現(xiàn)在考慮通過(guò)首先連接的相B和C的磁通的建立。
CB線電壓按照電源相電壓的幅度由下式給出uCB＝uSsin(ωt+α)(8)假定在位置CB接通，其中線電壓uCB處于其峰值，并且那個(gè)點(diǎn)的設(shè)定時(shí)間t＝0，則α＝270°。當(dāng)只有B和C電源電壓被連接并且A相繞組保持?jǐn)嚅_(kāi)時(shí)，線電壓在A和B繞組上平均劃分，使得繞組電壓由下式給出uSB＝-1/2uBC，uSC＝1/2uBC，uSA＝0(9)利用等式(7)，dq分量為uSD＝0，uSQ＝-uS(10)以及uSD在整個(gè)周期β保持為零。因此，在相A被連接之前的90°間隔β中，有dψQdtuSQ=-uSsin(ωt+α),]]>dψDdt=uSD=0---(11)]]>對(duì)于間隔β積分以得到磁通為ψQ=-us∫ωt=0ωtπ!2sin(ωt+α)dt---(12)]]>使得當(dāng)相A在以下條件被連接時(shí)ψD=0,ψQ=-uSω---(13)]]>即ψ‾(β)=-juSω---(14)]]>這正好是圖5所示的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)值Ψ0，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)而沒(méi)有任何衰減直流瞬變磁通及關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和極端的電流峰值。
現(xiàn)在論述2階段POWΔ電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)(Δ外部的極)的過(guò)程。
當(dāng)采用兩階段開(kāi)關(guān)連接到Δ配置電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果接觸器極處于Δ外部，則通過(guò)閉合兩個(gè)觸點(diǎn)、例如圖7所示的D1和D2連接相A和C，在其線電壓峰值上連接兩相，對(duì)于Y連接的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。第三相B則通過(guò)閉合D3在90度之后被連接。
現(xiàn)在計(jì)算磁通建立。CA線電壓為uCA＝uSsin(ωt+π/2)(15)以及當(dāng)CA相在時(shí)刻t＝0被連接時(shí)等于其峰值電壓。由于沒(méi)有到B相的連接，所以三個(gè)繞組上的電壓表示為uSA＝uSsin(ωt+π/2)uSB＝/2uSsin(ωt+π/2)uSC＝uSB(16)
因此，采用dq電壓等式(7)uSD＝uSuSQ＝0(17)對(duì)連接相B之前的90度周期的磁通建立積分，得ψSD=∫0ωt=π!2uSDdt=3uS∫0ωwt=π/2sin(ωt+π/2)dt=3uS/ω---(18)]]>這是允許啟動(dòng)而沒(méi)有任何衰減直流瞬變所需的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)值Ψ0。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8和圖9來(lái)描述2階段POWΔ電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)(Δ內(nèi)的極)的過(guò)程。
如果用于Δ操作的接觸器極設(shè)置在Δ內(nèi)(對(duì)于Y-Δ啟動(dòng)是正常的)，則不可能把電源相與繞組完全隔離。在這種情況中，可通過(guò)僅閉合一個(gè)觸點(diǎn)以便僅采用一個(gè)繞組(圖8中的觸點(diǎn)D1以便僅在繞組A中提供電流)建立磁通，來(lái)執(zhí)行第1階段連接。
由于B和C繞組中沒(méi)有電流流過(guò)，所以磁通必須對(duì)于以線電壓uCA的60°相角開(kāi)始的更長(zhǎng)周期β＝120°而不是對(duì)于以電壓最大值開(kāi)始的周期β＝90°來(lái)建立。這種修改定時(shí)如圖9所示。
對(duì)于施加到圖8中的A繞組上的線電壓uCA的繞組電壓由下式給出uSA＝uSsinωt，uSB＝0，uSC＝0(19)從等式(7)，dq空間向量電壓由下式給出uSD=233uSsinωt]]>uSQ＝0(20)因此，通過(guò)對(duì)周期β積分，磁通成為ψSD=∫π!3πuSDdt=3uSω---(21)]]>
ΨSQ＝0(22)這是使接觸器極D2和D3能夠在CA線電壓的過(guò)零點(diǎn)處閉合、以便把全電壓施加到電動(dòng)機(jī)的全部繞組而沒(méi)有任何DC瞬變的正確磁通和取向。
必須考慮實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的定時(shí)。對(duì)于通過(guò)經(jīng)由電源與電動(dòng)機(jī)端子之間的接觸器極的3線連接所連接的Y連接和Δ連接電動(dòng)機(jī)，兩相在其線電壓處于峰值時(shí)首先被連接，然后在四分之一周期之后連接第三相。
對(duì)于其中的接觸器極處于Δ內(nèi)(圖8)的Δ連接電動(dòng)機(jī)，一個(gè)極(例如D1)在將通過(guò)那個(gè)繞組連接的線電壓(AC)的零電壓之后的60°處閉合，另外兩個(gè)極稍后在線電壓的后續(xù)零處的120°以后閉合。現(xiàn)在論述本發(fā)明對(duì)Y-Δ起動(dòng)器的應(yīng)用。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)中的主要問(wèn)題之一是處理發(fā)生的嚴(yán)重電流峰值。Y-Δ啟動(dòng)中的電壓降低的主要目的是在達(dá)到全速的70％與90％之間的加速周期中把啟動(dòng)電流減小到三分之一。在全電壓上將吸取6至10倍滿載電流(FLC)的Δ電動(dòng)機(jī)在以Y配置連接時(shí)則僅吸取2至3.5倍FLC。但是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以Y連接時(shí)，轉(zhuǎn)矩也減小到相同的三分之一。
則必須進(jìn)行向Δ中的全電壓操作的轉(zhuǎn)變以便提供全轉(zhuǎn)矩能力。然而，從降低的電壓改變?yōu)槿妷旱牟贿B續(xù)可能導(dǎo)致幾個(gè)周期的嚴(yán)重的電流瞬變，對(duì)于高效電動(dòng)機(jī)可能達(dá)到18倍FLC。這提出了設(shè)置電流保護(hù)繼電器方面的一個(gè)主要問(wèn)題，為了能夠啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電流保護(hù)繼電器可能必需設(shè)置成過(guò)高的值來(lái)提供運(yùn)行期間的安全保護(hù)。另外，對(duì)于較大的電動(dòng)機(jī)，這些極端瞬變可能使超出電動(dòng)機(jī)自己的過(guò)載斷路器的斷路器跳閘，從而導(dǎo)致其它負(fù)載的問(wèn)題。
許多因素影響電流瞬變峰值以Δ重新連接之后的電流的基本等級(jí)通過(guò)當(dāng)電動(dòng)機(jī)僅緩慢加速時(shí)將流動(dòng)的電流的‘穩(wěn)態(tài)’值來(lái)設(shè)置。
全電壓的突然施加不可避免地在電流平緩之前產(chǎn)生瞬變浪涌以便使電動(dòng)機(jī)加速到全速。
從Y接觸器斷開(kāi)連接讓電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)子電流流過(guò)，它使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生可能極大增加電流峰值的反e.m.f.。
將會(huì)表明，把POW開(kāi)關(guān)用于Δ重新連接對(duì)于電流和轉(zhuǎn)矩瞬變具有主要影響，并且可能使電流峰值減小高達(dá)40％。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰值也可極大減小。
圖10所示的是采用同時(shí)接觸器閉合的傳統(tǒng)Y-Δ啟動(dòng)。頂部跡線表示以Y連接時(shí)減小的繞組電壓。在以Δ重新閉合之后存在極大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是比圖1所示的Δ中的傳統(tǒng)DOL全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)更小。頂部跡線表示以Y連接時(shí)減小的繞組電壓。出現(xiàn)極大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是比圖1所示的DOLΔ啟動(dòng)時(shí)更小。
圖11說(shuō)明與圖10相同的Y-Δ啟動(dòng)，但允許0.1秒讓定子繞組中感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流及關(guān)聯(lián)反e.m.f.衰減。仍然出現(xiàn)極大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是Δ電流峰值比圖10中更低。同時(shí)Δ重新連接仍然呈現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流不平衡，但是比不允許反e.m.f.衰減時(shí)更小。
圖12和圖13說(shuō)明相同的啟動(dòng)，但POW開(kāi)關(guān)用于初始Y連接以及Δ重新連接。POW開(kāi)關(guān)消除了Y連接的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是在Δ連接上仍然存在脈動(dòng)。在圖13中，Δ重新連接之前的延遲允許轉(zhuǎn)子電流所感應(yīng)的反e.m.f.在重新連接時(shí)開(kāi)始與電源相位同步，并且可看到，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)實(shí)際上被消除，其中沒(méi)有負(fù)轉(zhuǎn)矩瞬變，以及浪涌電流峰值也被消除。在以Δ重新連接時(shí)看到極大的脈動(dòng)和電流峰值，但遠(yuǎn)比圖1中的同時(shí)閉合的情況要小。圖13說(shuō)明，與圖1和圖10所示的傳統(tǒng)啟動(dòng)相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)被極大減小，并且負(fù)轉(zhuǎn)矩實(shí)際上被消除。
下表1比較用于Δ重新連接的同時(shí)和2階段POW過(guò)程。這些值作為滿載電流及相關(guān)轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)、按單位符號(hào)給出。2階段閉合次序把瞬變峰值電流從9.2倍FLC減小到5.8倍FLC-減小37％。該表比較同時(shí)和POW開(kāi)關(guān)的Δ重新連接時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩峰值。這些值按單位符號(hào)給出。
表1圖10和圖11中的Δ重新連接的電流和轉(zhuǎn)矩值現(xiàn)在論述涉及采用反e.m.f.同步的POW開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。
圖14和圖15中的電壓波形表示以Δ重新連接電動(dòng)機(jī)之前、Y接觸器斷開(kāi)之后在電動(dòng)機(jī)端子上可見(jiàn)的衰減反e.m.f.電壓的前兩個(gè)周期。在Δ接觸器閉合以便施加全電壓時(shí)，流過(guò)的電流通過(guò)作為交流量相加、考慮其相位差的電源電壓與相反的反e.m.f.之和來(lái)確定。如果它們同相，則相反的反e.m.f.抵消電源電壓的部分，以及所得電流是適度的。如果反e.m.f.與電源180異相°，從而產(chǎn)生極大的電壓差，則所產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)瞬變非常大-并且是實(shí)際上頻繁遇到的嚴(yán)重瞬變電流的原因。在圖14中，負(fù)載慣性極高，使得電流和轉(zhuǎn)矩在Δ中保持很高。在施加全Δ電壓之前，可看到電動(dòng)機(jī)端子上的衰減反e.m.f.。初始定子電流峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)后來(lái)的穩(wěn)態(tài)值。出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩脈沖。在圖15中，電動(dòng)機(jī)端子上的衰減反e.m.f.與圖11和圖13中相同。初始定子電流峰值與后來(lái)的穩(wěn)態(tài)值相當(dāng)，以及負(fù)轉(zhuǎn)矩脈沖被消除，并且整體脈動(dòng)極大地減小。
處理反e.m.f.的兩種方法對(duì)于使定子電流峰值和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為最小是可行的。更簡(jiǎn)單的方法允許斷開(kāi)Y接觸器與閉合Δ接觸器之間的短延遲，從而允許轉(zhuǎn)子電流和反e.m.f.衰減(如圖11中采用同時(shí)開(kāi)關(guān)通過(guò)0.1秒延遲所進(jìn)行的，以及圖13對(duì)于POW開(kāi)關(guān))。這因不利的反e.m.f.相角而減小了瞬變電流。對(duì)于表2中的電動(dòng)機(jī)，將產(chǎn)生更接近平均值的值。
但是，如果測(cè)量反e.m.f.相角，在開(kāi)關(guān)積極地減小電流和轉(zhuǎn)矩峰值之前，等待閉合Δ接觸器，直到反e.m.f.和電源電壓實(shí)際上同相。它們因反e.m.f.的更低頻率(如果電動(dòng)機(jī)處于全速的80％，則為電源頻率的80％)而在幾個(gè)周期內(nèi)開(kāi)始彼此同相。以Δ重新連接則采用POW開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行。反e.m.f.則起作用以有效地減小浪涌電流并產(chǎn)生表2中的最小值。
在以Δ重新閉合之前等待電源與反e.m.f.之間同步的好處可在表2中看到。該表說(shuō)明當(dāng)反e.m.f.與電源之間的相位差以10°間隔取0°與360°度之間的值時(shí)來(lái)自重新連接的計(jì)算機(jī)模擬的測(cè)量結(jié)果。該表說(shuō)明最壞、最好和平均峰值電流及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。該表說(shuō)明，在重新連接時(shí)不同步反e.m.f.和電源可能導(dǎo)致峰值定子電流的變化超過(guò)二倍。最好的情況是當(dāng)它們同步時(shí)。
表2以Δ重新連接時(shí)Y-Δ起動(dòng)器中對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩的影響對(duì)于超過(guò)25種不同電動(dòng)機(jī)、關(guān)聯(lián)Y-Δ開(kāi)關(guān)的電流峰值的研究表明，與同時(shí)開(kāi)關(guān)相比，采用反e.m.f.同步的POW開(kāi)關(guān)使峰值瞬變電流減小23％與41％之間，其中具有31％的平均減小。18.0倍FLC瞬變將減小到13.8與10.6倍FLC之間，它在設(shè)置斷路器時(shí)不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
現(xiàn)在描述POW控制器電路設(shè)計(jì)的方面。
參照?qǐng)D16，說(shuō)明用于Y連接電動(dòng)機(jī)的POW啟動(dòng)的接觸器極S1、S2和S3的閉合的時(shí)序圖。定時(shí)標(biāo)記t0、t1、t2等是AB電源線電壓的連續(xù)過(guò)零點(diǎn)。
為了通過(guò)POW開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)如圖3和圖12所示的Y連接電動(dòng)機(jī)，三個(gè)接觸器極S1、S2和S3必須在電源波形的精確點(diǎn)上以正確次序閉合。在接觸器極閉合之前，電源相首先連接到電動(dòng)機(jī)端子。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，A相極S1閉合。這個(gè)時(shí)間不關(guān)鍵，因?yàn)樵谥辽賰蓚€(gè)極閉合之前沒(méi)有電動(dòng)機(jī)電流流過(guò)。由于再現(xiàn)性，接觸器極在第一AB線電壓相交(圖16中的t1)處被激勵(lì)。對(duì)于POW啟動(dòng)，B相極S2必須在任何兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)中間、例如t5與t6中間的AB線電壓的峰值處閉合。C相極S3必須在t6正好90°之后閉合。在線圈激勵(lì)之后，這要花費(fèi)典型的接觸器極大約數(shù)十毫秒來(lái)閉合。因此，圖16中的寬箭頭表示初始激勵(lì)與實(shí)際極閉合(在箭頭處)之間的延遲。
為了控制這個(gè)過(guò)程，必須知道觸點(diǎn)閉合延遲，以及線S2和S3必須在某個(gè)時(shí)間被激勵(lì)以便允許這個(gè)延遲，使得它們?cè)谡_瞬間閉合。整個(gè)過(guò)程必須與電源的相位同步。這可通過(guò)對(duì)于在0°、180°、360°、540°等處出現(xiàn)的、在圖16中由定時(shí)標(biāo)記t0、t1、t2、t3等表示的AB線電壓的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)和定時(shí)來(lái)進(jìn)行。
這方便地通過(guò)微控制器來(lái)控制，在其中，采用以大約一微秒間隔遞增的內(nèi)部計(jì)時(shí)器來(lái)使軟件鎖相環(huán)(PLL)與電源電壓交點(diǎn)t0、t1、t2等同步。極激勵(lì)的定時(shí)則可采用計(jì)時(shí)器來(lái)計(jì)算，以便在正確瞬間閉合接觸器極。圖17的表表示用于控制的一種可能的軟件結(jié)構(gòu)中的例程。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D17來(lái)描述該軟件結(jié)構(gòu)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)啟用或禁用(或者忽略)適當(dāng)?shù)睦桃员銉H實(shí)現(xiàn)DOL POW啟動(dòng)或者Y-Δ啟動(dòng)，該軟件允許起動(dòng)器的不同形式被配置不同的功能性。
整體定時(shí)由鎖定到如圖16中在時(shí)間t0、t2、t4等處每個(gè)電源周期出現(xiàn)的AB線電壓的過(guò)零點(diǎn)的鎖相環(huán)(PLL)中斷例程來(lái)控制。
電源丟失測(cè)試被加入PLL例程，它可檢測(cè)2或3個(gè)周期內(nèi)的電源丟失，使得接觸器可斷開(kāi)以便防止可能伴隨電動(dòng)機(jī)反e.m.f.與電源異相時(shí)返回的電源的大脈沖轉(zhuǎn)矩和浪涌電流。
這將相當(dāng)于采用同時(shí)開(kāi)關(guān)的最壞情況重新連接。
在按下啟動(dòng)按鈕之前，假定已經(jīng)連接3相電源和控制功率(24V直流)。程序以“重置”例程開(kāi)始。然后。控制轉(zhuǎn)到“檢驗(yàn)啟動(dòng)”例程。
程序在圖18中以“重置”開(kāi)始。它初始化微控制器，并啟用PLL中斷例程。如果連接了供電電源，則“重置”例程把控制轉(zhuǎn)到“檢驗(yàn)啟動(dòng)”例程，它讀取啟動(dòng)按鈕的狀態(tài)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，控制轉(zhuǎn)到按照Y啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
PLL中斷是每當(dāng)電源過(guò)零時(shí)間(ZCT)出現(xiàn)并且使事件與電源的相位同步時(shí)運(yùn)行的中斷例程。過(guò)零點(diǎn)之間的電源半周期T180經(jīng)過(guò)計(jì)算，使得可預(yù)測(cè)將來(lái)的過(guò)零點(diǎn)，例如t1＝t0+T180。這使極閉合能夠相對(duì)于電源的相位正確地定時(shí)。
圖19所述的例程“按照Y啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)”根據(jù)圖16來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的POW啟動(dòng)。它在按下啟動(dòng)按鈕時(shí)進(jìn)入。圖16中的時(shí)序圖表示閉合接觸器極所遵循的次序。在下一個(gè)電源零的時(shí)間t1，A極被激勵(lì)。然后，在t2處的過(guò)零點(diǎn)之后，B極被激勵(lì)，使得它將在時(shí)間tb＝t2+(3.180+90)°在AB線電壓的峰值處閉合。由于它花費(fèi)TCb來(lái)閉合觸點(diǎn)，所以激勵(lì)必須在時(shí)間tb-TCb發(fā)生。極C在tec＝tc-TCc被激勵(lì)，以便在時(shí)間tc＝tb+90°處90°之后閉合。
當(dāng)所有接觸器極閉合、使得電動(dòng)機(jī)完全以Y配置連接時(shí)，控制轉(zhuǎn)到圖19中的“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”例程。
在基本單元(僅DOL啟動(dòng))的例程“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”中，當(dāng)所有電動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)加速到最快速度并繼續(xù)運(yùn)行。如果“檢驗(yàn)啟動(dòng)/停止按鈕”子例程檢測(cè)到已經(jīng)按下停止按鈕，則通過(guò)“斷開(kāi)接觸器和停止電動(dòng)機(jī)”例程來(lái)斷開(kāi)接觸器以便停止電動(dòng)機(jī)。在啟動(dòng)Y連接或Δ連接電動(dòng)機(jī)之間沒(méi)有差別，除非接觸器極設(shè)置在Δ內(nèi)，它影響詳細(xì)定時(shí)，如已經(jīng)論述的那樣。如果在“相連接測(cè)試”子例程或者在“PLL中斷”例程的電源丟失測(cè)試中檢測(cè)到電源故障，則也斷開(kāi)接觸器。
對(duì)于Y-Δ起動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)首先通過(guò)POW開(kāi)關(guān)按照Y連接，使得當(dāng)所有Y觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)以Y配置加速。對(duì)于這種形式，“檢驗(yàn)到Δ的轉(zhuǎn)變”子例程添加到圖19的“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”例程。這個(gè)子例程監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)電流和經(jīng)過(guò)的啟動(dòng)時(shí)間，以便確定切換到Δ操作的時(shí)間。對(duì)于基本單元，對(duì)于按下的停止按鈕以及對(duì)于電源丟失來(lái)進(jìn)行相同的檢驗(yàn)。
圖20所述的子例程“相連接測(cè)試”測(cè)量電壓以便檢驗(yàn)電源連接以及旋轉(zhuǎn)次序。
例程“斷開(kāi)接觸器和停止電動(dòng)機(jī)”斷開(kāi)接觸器并等待大約0.25秒(隨電動(dòng)機(jī)規(guī)格增加)，以便在返回到“重置”之前允許電動(dòng)機(jī)反e.m.f.衰減，從而允許電動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)。
中斷例程“鎖相環(huán)(PLL)”是關(guān)鍵例程，它建立相對(duì)于供電電源的整體定時(shí)。PLL中斷例程被鎖定到在時(shí)間t0、t2等每360°出現(xiàn)的AB線電壓的正向過(guò)零點(diǎn)。通過(guò)這些中斷，電源的周期T360是已知的，并且導(dǎo)出四分之一周期和二分之一周期T90、T180。它的流程圖如圖18所示，現(xiàn)在描述它的操作。
下面(在列表1中)給出每次進(jìn)入中斷例程時(shí)進(jìn)行的PLL時(shí)間計(jì)算的偽碼。
PLL時(shí)間計(jì)算以‘T’開(kāi)始的變量是時(shí)間間隔；以‘t’開(kāi)始的變量是時(shí)間瞬間。時(shí)間從自由振蕩計(jì)數(shù)器中讀取，在這個(gè)實(shí)例中假定為以1MHz遞增。在Vab過(guò)零點(diǎn)進(jìn)入PLL例程時(shí)，執(zhí)行列表1的代碼，對(duì)應(yīng)于圖18中標(biāo)記為“計(jì)算t0，t1，t2，T180”的框。
電源丟失測(cè)試如果電源被中斷，則在電動(dòng)機(jī)端子上看到電動(dòng)機(jī)反e.m.f.。當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，這可通過(guò)以上代碼中的過(guò)零時(shí)間誤差ZCerror的立即大的增加來(lái)檢測(cè)。例如，如果電動(dòng)機(jī)花費(fèi)20秒來(lái)減速，則與小于100甚至有線路電源上的5％噪聲相比，ZCerror的連續(xù)值(單位為微秒)在功率損耗的前4個(gè)周期上大約為6000、12000、18000、24000。接觸器可被斷開(kāi)以避免伴隨反e.m.f.與電源異相時(shí)返回的電源的大脈沖轉(zhuǎn)矩和涌入電流。ZCerror測(cè)量單位為微秒的相位差，并且可直接表明反e.m.f.是否在返回時(shí)與電源異相。
確定相序相旋轉(zhuǎn)次序通過(guò)在Vab過(guò)零點(diǎn)處測(cè)量線電壓Vbc和Vca來(lái)確定。它們應(yīng)當(dāng)?shù)扔?.86倍峰值線電壓，但具有相反的符號(hào)。旋轉(zhuǎn)次序通過(guò)哪一個(gè)為正來(lái)確定，下面將進(jìn)行說(shuō)明。
另外兩個(gè)線電壓的值也在Vab電壓相交時(shí)測(cè)量。Vpk是峰值線電壓的值。
如果Vbc＝+Vpk/2且Vca＝-Vpk/2，則電源旋轉(zhuǎn)次序?yàn)檎５腁BC。
如果Vbc＝-Vpk/2且Vca＝+Vpk/2，則次序?yàn)榉聪虻腁CB。
如果次序被反向，則為了安全的原因可防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。
用于Y-Δ啟動(dòng)的附加軟件為了實(shí)現(xiàn)Y-Δ啟動(dòng)，必須在加速期間進(jìn)行從Y到Δ的POW轉(zhuǎn)變。進(jìn)行到Δ配置的轉(zhuǎn)變的時(shí)間可通過(guò)計(jì)時(shí)器來(lái)確定，或者最好仍通過(guò)電流下降大約50％的時(shí)間來(lái)確定。對(duì)此的檢驗(yàn)在“電動(dòng)機(jī)按照Y運(yùn)行”例程中的子例程“檢驗(yàn)到Δ的轉(zhuǎn)變”(圖21)來(lái)進(jìn)行，然后控制轉(zhuǎn)到“到Δ的轉(zhuǎn)變”例程。當(dāng)電源和電動(dòng)機(jī)反e.m.f.的相位同相時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)POW開(kāi)關(guān)重新連接成Δ。
在例程“到Δ的轉(zhuǎn)變”中，第一步驟是斷開(kāi)接觸器極來(lái)從Y配置斷開(kāi)連接，以便能夠以Δ重新配置電動(dòng)機(jī)。
為了使重新連接時(shí)的涌入浪涌電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為最小，這個(gè)子例程調(diào)用同步算法“同步反Emf和電源”，它觀測(cè)在一個(gè)電動(dòng)機(jī)相繞組上產(chǎn)生的衰減反e.m.f.的過(guò)零點(diǎn)，并且在采用POW開(kāi)關(guān)重新連接電源之前，或者等待反e.m.f.和電源的相位變?yōu)橥?，或者讓這個(gè)反e.m.f.衰減到低值。同步子例程和重新連接過(guò)程在下面進(jìn)行描述，并且在細(xì)節(jié)上不同于按照Y啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榻佑|器極將處于Δ中。
現(xiàn)在進(jìn)一步描述子例程“同步反Emf和電源”。圖22中的反e.m.f.同步例程通過(guò)反e.m.f.電壓的符號(hào)的改變，來(lái)觀測(cè)定子相繞組A上的反e.m.f.電壓的過(guò)零點(diǎn)。在每個(gè)過(guò)零點(diǎn)，時(shí)間間隔從最后一個(gè)電源Vab線過(guò)零電壓中記錄，以便計(jì)算電源與反e.m.f.之間的相移。
觀測(cè)變化相移的趨勢(shì)，以便預(yù)測(cè)電源和反e.m.f.將變?yōu)橥嗟臅r(shí)間，因而正確時(shí)間被計(jì)算以便激勵(lì)接觸極，使得接觸極的POW閉合將與相位同步一致。例程“同步反Emf和電源”的偽碼如以下列表2所示。
如果反e.m.f.在達(dá)到同步之前幾乎完全衰減，則電動(dòng)機(jī)通過(guò)POW開(kāi)關(guān)以Δ重新連接而無(wú)需等待同步，因?yàn)閷?duì)于實(shí)際上為零的反e.m.f.，不存在來(lái)自非同步的缺點(diǎn)。
當(dāng)反e.m.f.同步或者幾乎完全衰減時(shí)，控制則立即從例程“到Δ的轉(zhuǎn)變”轉(zhuǎn)到例程“按照Δ重新連接電動(dòng)機(jī)”，它根據(jù)圖24所示的時(shí)序圖和圖23的接觸器配置通過(guò)POW開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)按照Δ的重新連接。
為了按照Δ連接電動(dòng)機(jī)，如圖23所示，要按照Δ操作電動(dòng)機(jī)的觸點(diǎn)M1、M2、M3最初全部斷開(kāi)，并且通過(guò)POW開(kāi)關(guān)分兩階段閉合，如下第1階段M1在Vab線電壓過(guò)零之后60°度閉合，并且電流開(kāi)始注入繞組A。沒(méi)有電流注入繞組B和C。
第2階段M2和M3正好在下一個(gè)Vab過(guò)零點(diǎn)120°之后同時(shí)閉合。電動(dòng)機(jī)這時(shí)被完全連接，并按照Δ運(yùn)行。
觸點(diǎn)閉合的定時(shí)如圖24所示。
然后，控制轉(zhuǎn)到圖25所示的例程“按照Δ運(yùn)行”，在其中，連續(xù)監(jiān)測(cè)停止按鈕以便停止電動(dòng)機(jī)?！癙LL中斷”例程也保持為可工作，并且通過(guò)“電源丟失”例程來(lái)檢驗(yàn)意外的電源斷電，在其中，如果電源在反e.m.f.仍然很大但與電源異相時(shí)在幾分之一秒內(nèi)恢復(fù)，則電動(dòng)機(jī)可選地迅速斷開(kāi)連接以便避免巨大的電流浪涌和轉(zhuǎn)矩脈沖。
除了以上主要應(yīng)用之外，本發(fā)明的原理還可方便地?cái)U(kuò)展。已經(jīng)參照?qǐng)D14和圖15論述了相位同步的優(yōu)點(diǎn)。相位同步還可有益于其它各種應(yīng)用，現(xiàn)在進(jìn)行描述。
當(dāng)采用粗略速度控制的變頻發(fā)電機(jī)、如風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到固定頻率電源時(shí)，在連接時(shí)出現(xiàn)極大的瞬變轉(zhuǎn)矩峰值和脈動(dòng)以及關(guān)聯(lián)的浪涌電流。它們引起不希望的機(jī)械和電氣應(yīng)力。這兩者在按照以下所述進(jìn)行連接時(shí)都可極大地改進(jìn)(i)當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率接近線頻率時(shí)，以及(ii)通過(guò)在電源電壓的相位與發(fā)電機(jī)電壓的相位接近同步的時(shí)刻采用POW 2-階段開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)3相連接。
在許多情況中，備用發(fā)電機(jī)用于在實(shí)用電源的中斷之后提供電力。備用發(fā)電機(jī)可保持運(yùn)行，或者可在斷電之后啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)則用于從實(shí)用電源斷開(kāi)負(fù)載，然后將它連接到備用發(fā)電機(jī)。在某些情況下，需要盡快恢復(fù)電力。如果負(fù)載包括大電動(dòng)機(jī)，則它們可能仍然在旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生反e.m.f.。在這類情況中，通過(guò)同時(shí)閉合三相觸點(diǎn)來(lái)把備用發(fā)電機(jī)連接到負(fù)載可能產(chǎn)生高峰值電流浪涌，并且觸點(diǎn)和發(fā)電機(jī)的額定值必須考慮這一點(diǎn)。如果轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)采用兩階段POW開(kāi)關(guān)來(lái)操作，則可極大地減小電流浪涌。兩階段觸點(diǎn)閉合相對(duì)于備用發(fā)電機(jī)3相電壓波形來(lái)定時(shí)。如果在開(kāi)關(guān)之前，負(fù)載具有極大的反e.m.f.，則通過(guò)POW開(kāi)關(guān)來(lái)連接發(fā)電機(jī)的時(shí)刻應(yīng)當(dāng)是在電動(dòng)機(jī)負(fù)載中的反e.m.f.的相位與發(fā)電機(jī)電壓的相位同步時(shí)。這實(shí)現(xiàn)同步POW開(kāi)關(guān)的全面益處，如同啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和Y-Δ啟動(dòng)那樣。
當(dāng)實(shí)用電源已經(jīng)恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用于首先從備用發(fā)電機(jī)斷開(kāi)負(fù)載，然后采用POW開(kāi)關(guān)重新連接到實(shí)用電源。POW開(kāi)關(guān)相對(duì)于實(shí)用電源電壓波形的相位來(lái)定時(shí)。如果負(fù)載具有已產(chǎn)生的反e.m.f.分量，則通過(guò)POW開(kāi)關(guān)來(lái)連接發(fā)電機(jī)的最佳時(shí)刻同樣是在負(fù)載的反e.m.f.的相位與實(shí)用電源電壓的相位同步時(shí)。這實(shí)現(xiàn)同步POW開(kāi)關(guān)的全面益處，如同啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和Y-Δ啟動(dòng)那樣。
存在可控速度發(fā)電機(jī)必須連接到恒定(線)頻率電源以提供附加發(fā)電容量的情況。在這種情況中，發(fā)電機(jī)通常配備了激勵(lì)控制以及通過(guò)對(duì)柴油機(jī)、渦輪機(jī)或驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的其它引擎的燃料控制進(jìn)行的速度控制。發(fā)電機(jī)被控制為在連接時(shí)使其頻率匹配電源的頻率。電源與發(fā)電機(jī)電壓波形之間的相位同步對(duì)于提供平滑連接是重要的。如果POW兩階段開(kāi)關(guān)與相位同步配合使用，則可取得最小峰值電流浪涌和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
控制電動(dòng)機(jī)的POW技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用是通過(guò)反向制動(dòng)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。在這種反轉(zhuǎn)操作中，電動(dòng)機(jī)首先從電源斷開(kāi)連接，然后與互換的到電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)電源連接進(jìn)行重新連接。電源則對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)并以反方向?qū)λ?qū)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)在重新連接時(shí)不是靜止的，而是按照與電源相反的方向旋轉(zhuǎn)，所以它引起強(qiáng)瞬變電流浪涌和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從圖26的重新連接時(shí)來(lái)說(shuō)明這種情況，其中的目標(biāo)是從全速反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)?？吹綐O強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和峰值電流。在圖27中，反轉(zhuǎn)采用POW兩階段技術(shù)來(lái)進(jìn)行，以及重新連接的時(shí)刻被選擇為在電動(dòng)機(jī)反e.m.f.的瞬時(shí)相位接近電源電壓的相位時(shí)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著減小，并且使電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系上的機(jī)械應(yīng)力為最小。在圖27中，第一對(duì)觸點(diǎn)在參考相位上的60°相角處閉合，第三觸點(diǎn)在90°之后閉合。與圖26所示的傳統(tǒng)配置相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和峰值大約為一半。
大家會(huì)理解，本發(fā)明不限于三相電源，而是適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)和備用發(fā)電機(jī)。采用反emf相位同步的POW開(kāi)關(guān)不限于三相環(huán)境。
另外，本發(fā)明不限于電動(dòng)機(jī)。它適用于發(fā)電機(jī)(例如風(fēng)力或水力或者化石燃料動(dòng)力發(fā)電機(jī))以及適用于變壓器。當(dāng)考慮發(fā)電機(jī)時(shí)，對(duì)于把電源極連接到繞組的提法可解釋為把電源繞組(而不是電動(dòng)機(jī)繞組)連接到功率輸出系統(tǒng)極(但是，如果發(fā)電機(jī)將構(gòu)成電源電網(wǎng)，或者把電力加入現(xiàn)有的多相電源，則這仍然在其中具有多相電周期)。它仍然以正確的時(shí)間點(diǎn)/正確的相位點(diǎn)關(guān)系把極連接到繞組，但是更好地產(chǎn)生電力而不是更好地驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。類似意見(jiàn)適用于變壓器。
列表1ZCT＝t ％從1MHz自由振蕩計(jì)數(shù)器讀取過(guò)零時(shí)間ZCerror＝ZCT-t360 ％從先前預(yù)測(cè)的過(guò)零時(shí)間所計(jì)算的過(guò)零時(shí)間誤差T360＝T360+ZCerror/32 ％按照電源周期T360中的變化(具有平滑)IF T360＜12000 THEN T360＝ ％以μs設(shè)置電源周期的最小值12000t0＝t360+ZCerror/32 ％返回的過(guò)零時(shí)間，其中的波動(dòng)經(jīng)過(guò)平滑T180＝T360/2％180度間隔T90＝T180/2 ％90度間隔t300＝(ZCT+T360*5/6)％過(guò)零點(diǎn)之后300度的最早時(shí)間，以便開(kāi)始查找下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)t360＝t0+T360 ％下一個(gè)過(guò)零時(shí)間的預(yù)測(cè)時(shí)間t90＝t0+T90 ％過(guò)零點(diǎn)之后90度的時(shí)間t1＝t0+T180 ％180度負(fù)向過(guò)零時(shí)間t2＝t0+T360 ％360度過(guò)零時(shí)間列表2REM通過(guò)Vbemf的符號(hào)的改變來(lái)檢測(cè)反emf過(guò)零時(shí)間ZCTIF Vbemf*Vbemf1＜＝0THEN‘通過(guò)反emf的符號(hào)改變來(lái)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)ZCT＝t ‘存儲(chǔ)反emf過(guò)零時(shí)間Sph＝(ZCT-t0)*DEG ‘ZCT處電源的相位并轉(zhuǎn)換為度Lag＝Sph‘計(jì)算滯后電源的相位IF Vbemf＜0 THEN Lag＝Sph-180IF Lag＜0 THEN Lag＝Lag+360 ‘確保0至360度范圍ZCTdiff＝ZCT-ZCT2 ‘一個(gè)周期上的ZCT之間的間隔Lagdiff＝Lag-Lag2 ‘一個(gè)周期上的滯后之間的差異IF Lagdiff＜＝0 THEN Lagdiff＝Lagdiff+360
REM 從Lagdiff計(jì)算轉(zhuǎn)子速度速度＝360/(Lagdiff+360)REM 計(jì)算反emf變成與電源同相的反emf過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量NZeros＝(360-Lag)/LagdiffREM 計(jì)算反emf開(kāi)始與電源同相的時(shí)間tZero＝t+NZeros*ZCTdiffREM 查找時(shí)間tfire以激勵(lì)極A而提供最接近tZero的閉合時(shí)間tAIF Sph＞180 THEN t0＝t0+T180 ‘t0是最后電源過(guò)零時(shí)間tA1＝t0+T60+Nmin*T180 ‘最早可能的閉合時(shí)間teA1＝tA1-TCa ‘最早的激勵(lì)時(shí)間REM 當(dāng)極A沒(méi)有被激勵(lì)時(shí)，查找最接近tZero的閉合時(shí)間tAIF t<tfire OR t>tA THENDO WHILE tA1＜tZero+T60tfire＝teA1tA＝tA1‘激勵(lì)(點(diǎn)火)和閉合時(shí)間tA1＝tA1+T180 ‘對(duì)稍后閉合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)遞增teA1＝teA1+T180 ‘以及激勵(lì)時(shí)間LOOPEND IFZCT2＝ZCT1ZCT1＝ZCT ‘保存當(dāng)前和先前的值Lag2＝Lag1Lag1＝LagEND IFVbemf1＝Vbemf ‘存儲(chǔ)值REM 測(cè)試極激勵(lì)是否將在t+dt處下一個(gè)樣本之前出現(xiàn)IF t＜tfire AND tfire＜t+dt AND tfire<>0THENChangeToDelta＝‘true’ ‘極激勵(lì)將在teA＝tfire處發(fā)生，在tA處閉合END IF
權(quán)利要求
1.一種啟動(dòng)多相電機(jī)的方法，包括以下步驟在電源相位的受控點(diǎn)，把多個(gè)繞組中的至少一個(gè)但少于全部的繞組連接到相應(yīng)的相移電源電壓；以及在步驟i進(jìn)行的連接之后的受控延遲之后，把所述電機(jī)的那個(gè)或者每個(gè)其余繞組連接到相應(yīng)的相移電源電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟i中，在選擇成當(dāng)所述電機(jī)中的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)(e.m.f.)實(shí)質(zhì)上與所述電源電壓同相時(shí)出現(xiàn)的受控點(diǎn)進(jìn)行連接。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括監(jiān)測(cè)所述反e.m.f.的相位，以便確定所述反e.m.f.與所述電源電壓同相的時(shí)間。
4.如以上任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述受控延遲對(duì)應(yīng)于90°或120°的相位延遲。
5.如以上任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述繞組中的至少一個(gè)通過(guò)電氣控制的單接觸器極來(lái)連接。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)接觸器極通過(guò)開(kāi)關(guān)直流電壓源來(lái)連接，以便取得觸點(diǎn)閉合的可重復(fù)且精確的定時(shí)。
7.如以上任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置時(shí)執(zhí)行。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換在所述電動(dòng)機(jī)的全工作轉(zhuǎn)速的75％或以上來(lái)進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換在所述Y配置中的啟動(dòng)電流下降到低于預(yù)定門(mén)限時(shí)或者在預(yù)定啟動(dòng)時(shí)間之后進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求1至6其中之一所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)包括下列各項(xiàng)中的任一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變壓器和備用發(fā)電機(jī)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述備用發(fā)電機(jī)連接到變壓器或者連接到電機(jī)。
13.一種防止在交流電源電壓丟失之后多相電機(jī)中的電流或轉(zhuǎn)矩瞬變的方法，包括以下步驟從所述電源斷開(kāi)所述電機(jī)的繞組；監(jiān)測(cè)所述電機(jī)的端子上的反e.m.f.；確定所述反e.m.f.與所述交流電源電壓的模型相位之間的相位差；當(dāng)恢復(fù)的電源與所述反e.m.f.實(shí)際上同相時(shí)，連接所述交流電源電壓的源與所述電機(jī)之間的至少一個(gè)繞組；以及在受控延遲之后閉合其余接觸器極。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)。
15.一種包括多個(gè)接觸器極和控制裝置的多相交流電機(jī)，所述接觸器極中的每個(gè)設(shè)置成連接到相應(yīng)交流電源電壓，所述相應(yīng)交流電壓中的每個(gè)相對(duì)彼此進(jìn)行相移，所述控制裝置設(shè)置成控制所述接觸器極到其相應(yīng)交流電源電壓的連接，其中所述控制裝置設(shè)置成在第一時(shí)間點(diǎn)把所述多個(gè)連接器極中的一部分而不是全部連接到其相應(yīng)交流電源電壓，以及在受控時(shí)間延遲之后把其余連接器極連接到其相應(yīng)交流電源電壓。
16.如權(quán)利要求15所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置包括設(shè)置成監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)和所述交流電源電壓的相對(duì)相位或頻率的監(jiān)測(cè)部件；和/或所述控制裝置適合于在所述反emf實(shí)質(zhì)上與所述相應(yīng)極的電源的相位同相時(shí)，把所述連接器極連接到其相應(yīng)交流電源電壓。
17.如權(quán)利要求15或16所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成在與90°或120°的相位延遲對(duì)應(yīng)的受控時(shí)間延遲之后把其余接觸器極連接到其相應(yīng)交流電源電壓。
18.如權(quán)利要求15至17中的任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，包括設(shè)置成把所述繞組中的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換成與所述交流電源電壓連接以及不與所述交流電源電壓連接的電動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)部件。
19.如權(quán)利要求18所述的電機(jī)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)部件由開(kāi)關(guān)直流電壓源操作。
20.如權(quán)利要求15至19中的任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述電機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)。
21.如權(quán)利要求20所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成控制所述電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置的轉(zhuǎn)換。
22.如權(quán)利要求21所述的電機(jī)，其特征在于，在電動(dòng)機(jī)繞組的所述Δ配置中，接觸器極位于電動(dòng)機(jī)繞組的所述Δ配置內(nèi)。
23.如權(quán)利要求21所述的電機(jī)，其特征在于，在電動(dòng)機(jī)繞組的所述Δ配置中，接觸器極位于電動(dòng)機(jī)繞組的所述Δ配置外部。
24.如權(quán)利要求20至23中的任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成在所述Δ配置中重新連接期間，監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組的所述Δ配置的一個(gè)繞組中的反e.m.f.，所述繞組連接到其余極接觸器中的至少一個(gè)，所述控制裝置還設(shè)置成在所述反e.m.f.與將連接在那個(gè)繞組上的所述交流電源電壓同相時(shí)把所述相應(yīng)交流電源電壓連接到所述繞組。
25.如權(quán)利要求20至23中的任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)繞組設(shè)置成在所述電機(jī)工作的初始周期中在Y配置中連接到所述交流電源電壓，以及所述電動(dòng)機(jī)繞組設(shè)置成在所述電機(jī)工作的第二周期中在Δ配置中重新連接到所述交流電源電壓。
26.如權(quán)利要求25所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到全工作速度的至少75％時(shí)，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置。
27.如權(quán)利要求25或26所述的電機(jī)，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成當(dāng)所述Y配置中的啟動(dòng)電流在所述電動(dòng)機(jī)接近全速時(shí)或者在預(yù)定啟動(dòng)時(shí)間之后下降到低于預(yù)定門(mén)限時(shí)，從電動(dòng)機(jī)繞組的Y配置轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)繞組的Δ配置。
28.如權(quán)利要求15至27中的任一項(xiàng)所述的電機(jī)或者如權(quán)利要求1至14中的任一項(xiàng)所述的方法或者如權(quán)利要求29至32中的任一項(xiàng)所述的裝置或者如權(quán)利要求33至35中的任一項(xiàng)所述的軟件或者如權(quán)利要求36至39中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)包括以下各項(xiàng)中的任一項(xiàng)或組合發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變壓器、備用發(fā)電機(jī)、三相電動(dòng)機(jī)。
29.一種適合用于多相交流電機(jī)的控制裝置，所述裝置設(shè)置成控制多個(gè)接觸部件的斷開(kāi)和閉合，所述接觸部件設(shè)置成有選擇地使電機(jī)的繞組與多相交流電源電壓電氣連接，其中，所述裝置設(shè)置成在受控延遲之后閉合至少第二接觸部件之前閉合至少第一接觸部件。
30.如權(quán)利要求29所述的控制裝置，其特征在于，包括處理器，所述處理器設(shè)置成接收表示和至少第一接觸部件關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)相應(yīng)電源電壓與來(lái)自和將被連接到所述電源電壓的電機(jī)繞組關(guān)聯(lián)的傳感器的反e.m.f.之間的相對(duì)相位差的信號(hào)。
31.如權(quán)利要求30所述的控制裝置，其特征在于，所述處理器設(shè)置成當(dāng)至少一個(gè)電源電壓與它將連接到的電機(jī)繞組的反e.m.f.同相時(shí)輸出信號(hào)以閉合至少第一接觸部件。
32.如權(quán)利要求29至31中的任一項(xiàng)所述的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置設(shè)置成響應(yīng)所述繞組電壓的相位與所述電源電壓的預(yù)計(jì)相位之間的表明所述電源電壓丟失的顯著差異而斷開(kāi)所述接觸部件中的一個(gè)或多個(gè)。
33.在處理器上運(yùn)行時(shí)使所述處理器執(zhí)行以下步驟的軟件接收表示設(shè)置成被提供給多相電機(jī)的交流電源電壓的相位的第一信號(hào)；接收表示多相交流電機(jī)的組件中的反e.m.f.的相位的第二信號(hào)；根據(jù)第一和第二信號(hào)來(lái)確定所述反e.m.f.與所述電源電壓之間的相位差；以及下列的任一個(gè)如果所述反e.m.f.很大，則等到所述反emf與所述電源開(kāi)始同步，以所述電源中的預(yù)定相角發(fā)起兩步連接過(guò)程，從而有選擇地使所述電機(jī)與所述電源電壓接觸；或者如果所述反e.m.f.小，則輸出信號(hào)以便以所述電源中的預(yù)定相角在受控兩步過(guò)程中起動(dòng)接觸部件，從而有選擇地使所述電機(jī)與所述電源電壓接觸。
34.如權(quán)利要求33所述的軟件，其特征在于，所述軟件設(shè)置成在所述反e.m.f.與要在所述電機(jī)的元件上連接的電源電壓之間的相位差實(shí)質(zhì)上為零時(shí)起動(dòng)所述接觸部件，以便把所述元件連接到所述電源電壓。
35.如權(quán)利要求30或31所述的軟件，其特征在于，所述軟件設(shè)置成在所述繞組上的電壓與根據(jù)它的已知頻率預(yù)計(jì)的電源電壓的相位之間產(chǎn)生很大相位差時(shí)起動(dòng)所述接觸部件以拆除所述電機(jī)與所述電源電壓的連接。
36.一種控制對(duì)多相交流電機(jī)的交流電壓施加的方法，包括接收表示設(shè)置成被提供給所述電機(jī)的交流電源電壓的相位的第一信號(hào)；接收表示多相交流電機(jī)的組件中的反e.m.f.的相位的第二信號(hào)；根據(jù)第一和第二信號(hào)來(lái)確定所述反e.m.f.與所述電源電壓之間的相位差；根據(jù)所述確定，或者如果所述反emf很大，則等到所述反emf與所述電源開(kāi)始同步，以所述電源中的預(yù)定相角發(fā)起兩步連接過(guò)程，從而有選擇地使所述電機(jī)與所述電源電壓接觸；或者如果所述反emf小，則輸出信號(hào)以便以所述電源中的精確相角在受控兩步過(guò)程中起動(dòng)接觸部件，從而有選擇地使所述電機(jī)與所述電源電壓接觸。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，包括在所述繞組上的電壓與根據(jù)它的已知頻率預(yù)計(jì)的電源電壓的相位之間產(chǎn)生很大相位差時(shí)，響應(yīng)控制信號(hào)而起動(dòng)所述接觸部件以拆除所述電機(jī)與所述電源電壓的連接。
38.如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以及所述受控時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于一個(gè)延遲，在所述延遲之后，所述發(fā)電機(jī)e.m.f.的相位變?yōu)閷?shí)質(zhì)上與所述電源電壓的相位同步。
39.一種有效地使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方法，由此，在電源與已經(jīng)以第一方向旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)連接并交換兩個(gè)相連接以便能夠以相反方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之后，所述電源到所述電動(dòng)機(jī)的重新連接通過(guò)如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法來(lái)進(jìn)行。
全文摘要
公開(kāi)一種啟動(dòng)方法以及用于啟動(dòng)多相電機(jī)的設(shè)備。目標(biāo)是減小電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩中的振蕩脈動(dòng)以及在啟動(dòng)之后不久出現(xiàn)的涌入電流。啟動(dòng)方法包括在電源相位的受控點(diǎn)首先把多個(gè)繞組中的至少一個(gè)但少于全部的繞組連接到相應(yīng)的相移電源電壓的步驟。然后，在步驟i進(jìn)行的連接之后的受控延遲之后，把機(jī)器的那個(gè)或者每個(gè)其余繞組連接到相應(yīng)的相移電源電壓。本發(fā)明特別適用于多相(最常用的為3相)電動(dòng)機(jī)。但是，它還可適用于其它電機(jī)，例如發(fā)電機(jī)和變壓器。該方法可在初始啟動(dòng)時(shí)或者在對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的情況中、在Y－Δ切換時(shí)執(zhí)行。在產(chǎn)生明顯反emf的負(fù)載的重新連接時(shí)，當(dāng)反emf實(shí)質(zhì)上與電源電壓的相位同相時(shí)發(fā)起2步過(guò)程。
文檔編號(hào)H02P3/20GK101044672SQ200580032422
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月27日
發(fā)明者彼得·J·昂斯沃思, 詹姆士·J·金塞拉 申請(qǐng)人:彼得·J·昂斯沃思, 詹姆士·J·金塞拉