準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文中所公開的主題涉及電機(jī)控制，更具體地涉及在啟動期間使用準(zhǔn)矢量電機(jī)控 制器的電機(jī)控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 交流（"AC"）電機(jī)通常具有高的啟動電流，尤其是通用的某些設(shè)計類型，諸如國家 電氣制造商協(xié)會（"NEMA"）設(shè)計B電機(jī)。另外，由用于將電壓源連接至電機(jī)的開關(guān)控制的 電機(jī)還可能包括具有諸如高電流、負(fù)轉(zhuǎn)矩脈沖、噪聲等的不期望的特性的控制器。通常使用 電機(jī)啟動器，其包括用于在保持低啟動電流的同時啟動電機(jī)的機(jī)構(gòu)。其它控制器也可以控 制電機(jī)的速度在零速度與全速度之間。存在各種各樣的電機(jī)啟動器和控制器，包括使用降 低的電壓啟動電機(jī)的傳統(tǒng)電機(jī)啟動器。然而，很多電機(jī)啟動器效率很低。也可以使用變頻 驅(qū)動器（"VFD"）啟動或控制電機(jī)。雖然變頻驅(qū)動器很常見，但是基于晶閘管的啟動器也 具有一些優(yōu)點(diǎn)。例如，基于晶閘管的啟動器對于較大的電機(jī)來說更經(jīng)濟(jì)，并且可以比VFD更 小。VFD可以用于電機(jī)速度控制，但一些應(yīng)用可能在啟動之后不需要可變的速度，因而可能 期望較低成本的啟動器。晶閘管通常依尺寸被制造成處理一定量的電流，因而能夠期望在 啟動期間減小電流?？梢云谕沟秘?fù)轉(zhuǎn)矩脈沖最小化的用于電機(jī)啟動和控制的控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 公開了一種用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的設(shè)備。系統(tǒng)和方法也執(zhí)行該設(shè)備的功能。該 設(shè)備包括開關(guān)模塊，針對每一相，開關(guān)模塊選擇性地接通開關(guān)以將連接至交流（"AC"）電壓 源的輸入電力導(dǎo)線按順序連接至電機(jī)。用于每相的開關(guān)在AC電壓源的基波頻率的周期的 一部分內(nèi)接通，其中，該部分小于基波頻率的整個周期。在一種實(shí)施方式中，該設(shè)備包括：源 相位模塊，用于確定AC電壓源的相位；反EMF相位模塊，用于確定電機(jī)的反電動勢（反EMF) 的相位；以及轉(zhuǎn)矩模塊，用于確定AC電壓源的相位與反EMF的相位之間的相位差何時在表 TK正的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的相位范圍內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，該設(shè)備包括脈沖模塊，脈沖模塊響應(yīng)于 相位差具有在相位范圍內(nèi)的相位而允許接通用于電機(jī)的每相的開關(guān)，并且響應(yīng)于相位差具 有不在相位范圍中的相位而禁止接通用于電機(jī)的每相的開關(guān)。
[0004] 在一種實(shí)施方式中，該相位范圍包括在該相位處電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)期為正的相位。在又 一實(shí)施方式中，相位范圍包括在約〇°與約30°之間的相位。在另一實(shí)施方式中，源相位模 塊使用下面的等式確定AC電壓源的相位：
[0006] 其中：
[0007] Θ supply是電壓源的相位；以及
[0008] Va，Ve是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電壓，
[0009] 其中，使用a 變換將電壓源的每相的電壓變換至靜止參考坐標(biāo)系。
[0010] 在另一實(shí)施方式中，反EMF相位模塊使用電機(jī)的定子中的電壓和電流測量來確定 電機(jī)的反EMF的相位。在另一實(shí)施方式中，反EMF相位模塊使用下面的等式確定電機(jī)的反 EMF的相位：
[0011]
[0012] 其中：
[0013] Θ enf是電機(jī)的反EMF的相位；以及
[0014] Rs是定子繞組的阻抗；
[0015] Va，Ve是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電壓；以及
[0016] Ia，Ie是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電流，
[0017] 其中，使用α-β變換將電機(jī)的每相的電壓和電流變換至靜止參考坐標(biāo)系。
[0018] 在另一實(shí)施方式中，對于電機(jī)的每一相，開關(guān)模塊包括一個或更多個晶閘管，并且 通過調(diào)節(jié)用于接通每個晶閘管的相位角來控制每個晶閘管。
[0019] 在一種實(shí)施方式中，該設(shè)備包括啟動模塊，所述啟動模塊改變每個開關(guān)的接通時 間以控制電機(jī)啟動。每個開關(guān)的接通時間包括開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時間。在另一實(shí)施方式 中，啟動模塊包括DFC模塊，作為用于電機(jī)啟動的離散頻率控制（"DFC"）方法的一部分，所 述DFC模塊將一系列離散頻率順序地應(yīng)用于電機(jī)。每個離散頻率包括低于向電機(jī)提供電力 的AC電壓源的基波頻率的頻率。在又一實(shí)施方式中，DFC模塊如下應(yīng)用離散頻率：在離散 頻率的正半周期內(nèi)改變用于接通晶閘管的相位角以生成幅值變化的正電流脈沖，然后通過 在離散頻率的負(fù)半周期內(nèi)改變用于接通晶閘管的相位角以生成幅值變化的負(fù)電流脈沖，其 中，以與AC電壓源的基波頻率一致的速率生成每個電流脈沖。
[0020] 在另一實(shí)施方式中，啟動模塊還包括分級啟動模塊，所述分級啟動模塊應(yīng)用一個 或更多個啟動級，其中，每個啟動級包括在預(yù)定的時間段內(nèi)將開關(guān)的接通時間保持在固定 值。在另一實(shí)施方式中，啟動模塊包括斜坡模塊，所述斜坡模塊使用斜坡函數(shù)來使開關(guān)的接 通時間按斜率變化（ramp)。在另一實(shí)施方式中，該設(shè)備包括接觸器模塊，所述接觸器模塊在 啟動模塊的最后一級之后將全輸入電壓（full input voltage)施加至電機(jī)。接觸器模塊通 過閉合與每個開關(guān)并聯(lián)的接觸器來施加全輸入電壓。
[0021] -種用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的方法，包括：對于電機(jī)的每一相，選擇性地接通開關(guān) 以將連接至AC電壓源的輸入電力導(dǎo)線按順序連接至電機(jī)。在AC電壓源的基波頻率的周期 的一部分內(nèi)接通用于每相的開關(guān)，并且該部分包括小于基波頻率的全周期。在一種實(shí)施方 式中，該方法包括以下步驟：確定AC電壓源的相位，確定電機(jī)的反EMF的相位，以及確定AC 電壓源的相位與反EMF的相位之間的相位差何時在表示正的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的相位范圍內(nèi)。在一 種實(shí)施方式中，該方法包括：響應(yīng)于相位差包括相位范圍內(nèi)的相位而允許接通用于電機(jī)的 每一相的開關(guān)；以及響應(yīng)于相位差包括不在相位范圍中的相位而禁止接通用于電機(jī)的每一 相的開關(guān)。
[0022] 在一種實(shí)施方式中，確定AC電壓源的相位的步驟包括使用下面的等式：
[0024] 其中：
[0025] Θ supply是電壓源的相位；以及
[0026] Va，Ve是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電壓，
[0027] 其中，使用a 變換將電壓源的每相的電壓變換至靜止參考坐標(biāo)系。
[0028] 在另一實(shí)施方式中，確定電機(jī)的反EMF的相位的步驟包括使用下面的等式：
[0029]
[0030] 其中：
[0031] Θ ^iif是電機(jī)的反EMF的相位；以及
[0032] Rs是定子繞組的阻抗；
[0033] Va，Ve是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電壓；以及
[0034] Ia，Ie是靜止參考坐標(biāo)系中的定子電流，
[0035] 其中，使用α-β變換將電機(jī)的每相的電壓和電流變換至靜止參考坐標(biāo)系。
[0036] 在另一實(shí)施方式中，該方法包括改變每個開關(guān)的接通時間以控制電機(jī)啟動，其中， 每個開關(guān)的接通時間包括開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時間。在另一實(shí)施方式中，改變每個開關(guān)的 接通時間以控制電機(jī)啟動包括：作為用于電機(jī)啟動的DFC方法的一部分，將一系列離散頻 率順序地應(yīng)用于電機(jī)，其中，每個離散頻率包括低于向電機(jī)提供電力的AC電壓源的基波頻 率的頻率。在又一實(shí)施方式中，改變每個開關(guān)的接通時間以控制電機(jī)啟動包括應(yīng)用一個或 更多個級（step)，其中，每個級包括在預(yù)定的時間段內(nèi)將開關(guān)的接通時間保持在固定值。在 另一實(shí)施方式中，改變每個開關(guān)的接通時間以控制電機(jī)啟動包括使用斜坡函數(shù)來使開關(guān)的 接通時間按斜率變化。
[0037] -種用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的系統(tǒng)，包括：電機(jī)啟動器，針對電機(jī)的每一相，電機(jī) 啟動器具有用于將AC電壓源的相連接至電機(jī)的一個或更多個開關(guān)；以及開關(guān)模塊，開關(guān)模 塊針對每一相選擇性地接通一個或更多個開關(guān)以將連接至AC電壓源的輸入電力導(dǎo)線按順 序連接至電機(jī)。用于每相的一個或更多個開關(guān)在AC電壓源的基波頻率的周期的一部分內(nèi) 接通，并且該部分包括小于基波頻率的全周期。在一種實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括：源相位模 塊，用于確定AC電壓源的相位；反EMF相位模塊，用于確定電機(jī)的反EMF的相位；以及轉(zhuǎn)矩 模塊，用于確定AC電壓源的相位與反EMF的相位之間的相位差何時在表示正的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的 相位范圍內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括脈沖模塊，脈沖模塊響應(yīng)于相位差包括相位范 圍內(nèi)的相位而允許接通用于電機(jī)的每一相的開關(guān)，以及響應(yīng)于相位差包括不在相位范圍中 的相位而使得用于電機(jī)的每一相的開關(guān)的接通。在一種實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括容納電機(jī) 啟動器的電機(jī)控制中心（"MCC"）。
【附圖說明】
[0038] 為了容易理解本發(fā)明的實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)，將參照附圖中示出的【具體實(shí)施方式】來呈 現(xiàn)上面簡單描述的實(shí)施方式的更具體的描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，這些圖僅描繪了一些實(shí)施方 式，因此并不被視為范圍的限制，貫穿附圖的使用，使用附加的特殊性和細(xì)節(jié)描述和說明實(shí) 施方式，在附圖中：
[0039] 圖1是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的系統(tǒng)的一種實(shí)施方式的示意性框圖；
[0040] 圖2是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的設(shè)備的一種實(shí)施方式的示意性框圖；
[0041] 圖3是使用離散頻率控制方法的準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的可能的操作的波形的圖示；
[0042] 圖4是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的設(shè)備的另一實(shí)施方式的示意性框圖；
[0043] 圖5是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的設(shè)備的第三實(shí)施方式的示意性框圖；
[0044] 圖6是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的方法的一種實(shí)施方式的示意性流程圖；
[0045] 圖7是示出了用于準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的方法的另一實(shí)施方式的示意性流程圖；
[0046] 圖8描繪了針對10馬力（"HP"）電機(jī)的準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的仿真結(jié)果；
[0047] 圖9示出了 IOHP電機(jī)在50%負(fù)載處使用傳統(tǒng)軟件啟動方法和使用準(zhǔn)矢量電機(jī)控 制器的電機(jī)啟動的仿真結(jié)果；
[0048] 圖10不出了 IOHP電機(jī)用于泵負(fù)載以及對于傳統(tǒng)軟件啟動方法和使用準(zhǔn)矢量電機(jī) 控制器的電機(jī)啟動的的仿真結(jié)果；
[0049] 圖11示出了慣性比為10的永磁式同步電機(jī)（"PMSM"）在0%負(fù)載和50%負(fù)載處 針對具有〇°至60°的相位角差范圍的準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的仿真結(jié)果；
[0050] 圖12示出了慣性比為20的PMSM在0%負(fù)載和50%負(fù)載處針對具有0°至30° 的相位角差范圍的準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的仿真結(jié)果；以及
[0051] 圖13示出了慣性比為20的PMSM在50%負(fù)載處針對固定速度500RPM以及對于當(dāng) 電機(jī)啟動器被旁路時的準(zhǔn)矢量電機(jī)控制器的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 貫穿本說明書，提及"一種實(shí)施方式"、"實(shí)施方式"或相似語言表示結(jié)合該實(shí)施方 式所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一種實(shí)施方式中。因此，貫穿本說明書，短 語"在一種實(shí)施方式中"、"在實(shí)施方式中"或相似語言的出現(xiàn)可以但不一定全部涉及相同的 實(shí)施方式，而是表示"一種或更多種但并非全部實(shí)施方式"，除非另外明確說明。除非另外明 確說明，術(shù)語"包括（including) "、"包括（comprising) "、"具有（having)"及其變型表示 "包括但不限于"。除非另外明確說明，項(xiàng)目的枚舉列表并不暗示任意項(xiàng)目或所有項(xiàng)目是相 互排斥和/或相互包容的。除非另外明確說明，術(shù)語"一（a)"、"一個（an)"和"該（the)" 也指代"一個或更多個"。
[0053] 此外，所描述的實(shí)施方式的特征、優(yōu)點(diǎn)