準(zhǔn)變頻電機(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(dòng)期間使用準(zhǔn)變頻電機(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(dòng)電流，尤其是流行的某些設(shè)計(jì)類型，例如國(guó)家 電氣設(shè)備制造商聯(lián)盟（"NEM")B型號(hào)電機(jī)。通常使用電機(jī)啟動(dòng)器，其包括在保持低啟動(dòng)電 流的同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)的機(jī)制。各種各樣的電機(jī)啟動(dòng)器是可利用的，包括使用降低的電壓?jiǎn)?dòng) 電機(jī)的傳統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)器。然而，很多電機(jī)啟動(dòng)器效率低。變頻驅(qū)動(dòng)器（"VFD"）也可以用 于啟動(dòng)電機(jī)。雖然變頻驅(qū)動(dòng)器是常見的，但是基于晶閘管的啟動(dòng)器也具有一些優(yōu)勢(shì)。例如， 基于晶閘管的啟動(dòng)器對(duì)于較大的電機(jī)來(lái)說(shuō)更經(jīng)濟(jì)并且可以較小。VFD可以用于電機(jī)速度控 制，但一些應(yīng)用在啟動(dòng)之后將不需要可變速度，因此較低成本的啟動(dòng)器將是期望的。晶閘管 通常依尺寸制造以處理一定量的電流，所以在啟動(dòng)期間減小電流是期望的。將晶閘管尺寸 最小化的、使用晶閘管的電機(jī)啟動(dòng)的控制方法是期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 公開了一種準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的裝置。系統(tǒng)和方法也執(zhí)行該裝置的功能。該裝置 包括DFC模塊，其將第一頻率應(yīng)用于電機(jī)作為用于電機(jī)啟動(dòng)的離散頻率控制（"DFC"）方法 的一部分。第一頻率包括DFC方法的多個(gè)離散頻率中的離散頻率，并且每個(gè)離散頻率包括 比向電機(jī)提供電力的交流（"AC"）電壓源的基頻較低的頻率。該裝置包括轉(zhuǎn)矩模塊和下 一個(gè)頻率模塊，轉(zhuǎn)矩模塊確定由電機(jī)生成的電機(jī)轉(zhuǎn)矩何時(shí)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，下一個(gè)頻率模 塊響應(yīng)于轉(zhuǎn)矩模塊確定轉(zhuǎn)矩模塊已經(jīng)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值將第二頻率應(yīng)用于電機(jī)。第二頻率是 DFC方法中的下一個(gè)頻率。
[0004] 在一種實(shí)施方式中，裝置包括開關(guān)模塊，其選擇性地將每個(gè)輸入電力導(dǎo)體按順序 連接至電機(jī)。DFC模炔基于多個(gè)離散頻率中的離散頻率將電力導(dǎo)體連接至電機(jī)。在一種實(shí) 施方式中，開關(guān)模塊一個(gè)或更多個(gè)晶閘管，并且每個(gè)晶閘管通過(guò)使用DFC方法經(jīng)過(guò)對(duì)用于 接通每個(gè)晶閘管的相位角進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制。在另一實(shí)施方式中，該裝置包括步驟啟動(dòng)模塊， 其執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)啟動(dòng)步驟，其中，每個(gè)啟動(dòng)步驟在下一個(gè)頻率模塊將離散頻率推進(jìn)到 DFC方法的最后的離散頻率之后被啟動(dòng)。每個(gè)步驟包括在固定的時(shí)間段將開關(guān)模塊的開關(guān) 的接通時(shí)間設(shè)置成固定值和/或?qū)㈤_關(guān)模塊的開關(guān)的接通時(shí)間進(jìn)行斜變。在另一實(shí)施方式 中，該裝置包括接觸器模塊，其在步驟啟動(dòng)模塊的最后的步驟和/或DFC模塊的最后的離散 頻率之后將全輸入電壓施加到電機(jī)。接觸器模塊通過(guò)將與每個(gè)晶閘管并聯(lián)的接觸器閉合來(lái) 施加全輸入電壓。
[0005] 在一種實(shí)施方式中，DFC模塊通過(guò)下面的方式來(lái)應(yīng)用離散頻率：改變用于接通晶 閘管的相位角，以對(duì)于離散頻率的正半周生成變化的幅值的正電流脈沖，然后，改變用于接 通晶閘管的相位角，以對(duì)于離散頻率的負(fù)半周生成變化的幅值的負(fù)電流脈沖。每個(gè)電流脈 沖以與AC電壓源的基頻一致的速率被生成。在另一實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)矩模塊通過(guò)根據(jù)輸入電 壓和電流信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩。輸入電壓和電流信息來(lái)自連接至電機(jī)以向電 機(jī)提供電力的導(dǎo)體。
[0006] 在一種實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)矩模塊使用下面的等式確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩：
[0008]其中：
[0009] Test是所計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
[0010] P是電機(jī)磁極的數(shù)量；
[0011] Rs是定子繞組的電阻；
[0012] Va、Ve是靜止參考系中的定子電壓；以及
[0013] Ia、Ie是靜止參考系中的定子電流，
[0014] 其中，使用α-β變換將用于電機(jī)的每個(gè)相的電壓和電流變換至靜止參考系。
[0015] 在一種實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)矩模塊通過(guò)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在另一實(shí)施方 式中，轉(zhuǎn)矩模炔基于以比AC電壓源的基頻較低的頻率采樣的電流和電壓來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩。 在另一實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)矩模炔基于與轉(zhuǎn)子電流的相位有關(guān)的輸入電力的相位來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn) 矩。在另一實(shí)施方式中，每當(dāng)轉(zhuǎn)矩模塊確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，下一個(gè)頻率模塊應(yīng)用 DFC方法的下一個(gè)頻率，直到達(dá)到DFC方法的最終頻率為止。在另一實(shí)施方式中，DFC方法 中的最后的離散頻率包括處于AC電壓源的基頻的25%與50%之間的頻率。在另一實(shí)施方 式中，電機(jī)是三相AC鼠籠式電機(jī)或三相AC同步電機(jī)。
[0016] 準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的方法包括將第一頻率應(yīng)用于電機(jī)作為用于電機(jī)啟動(dòng)的DFC 方法的一部分。第一頻率包括DFC方法的多個(gè)離散頻率中的離散頻率，并且每個(gè)離散頻率 是比向電機(jī)提供電力的AC電壓源的基頻較低的頻率。該方法包括確定由電機(jī)生成的電機(jī) 轉(zhuǎn)矩何時(shí)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，并且響應(yīng)于確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，將第二頻率應(yīng) 用于電機(jī)。第二頻率是DFC方法中的下一個(gè)頻率。
[0017] 在一種實(shí)施方式中，確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩包括根據(jù)輸入電壓和電流信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。 輸入電壓和電流信息來(lái)自連接至電機(jī)以向電機(jī)提供電力的導(dǎo)體。在另一實(shí)施方式中，確定 電機(jī)轉(zhuǎn)矩包括使用下面的等式：
[0019] 其中：
[0020] Test是所計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
[0021] P是電機(jī)磁極的數(shù)量；
[0022] Rs是定子繞組的電阻；
[0023] Va、Ve是靜止參考系中的定子電壓；以及
[0024] Ia、Ie是靜止參考系中的定子電流，
[0025] 其中，使用α-β變換將用于電機(jī)的每個(gè)相的電壓和電流變換至靜止參考系。
[0026] 在一種實(shí)施方式中，該方法包括：每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值時(shí)，應(yīng)用DFC方法 的下一個(gè)頻率，直到達(dá)到DFC方法的最終頻率為止。在另一實(shí)施方式中，該方法包括選擇性 地將每個(gè)輸入電力導(dǎo)體按順序連接至電機(jī)，其中，DFC方法包括基于多個(gè)離散頻率中的離散 頻率將電力導(dǎo)體連接至電機(jī)。在又一實(shí)施方式中，選擇性地將每個(gè)輸入電力導(dǎo)體按順序連 接至電機(jī)包括對(duì)一個(gè)或更多個(gè)晶閘管進(jìn)行切換，并且通過(guò)使用DFC方法經(jīng)過(guò)對(duì)用于接通每 個(gè)晶閘管的相位角進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制每個(gè)晶閘管。
[0027] 在一種實(shí)施方式中，該方法包括執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)啟動(dòng)步驟，其中，每個(gè)啟動(dòng)步驟 在將離散頻率推進(jìn)到DFC方法的最后的離散頻率之后被啟動(dòng)。每個(gè)步驟包括對(duì)于固定的時(shí) 間段將開關(guān)的接通時(shí)間設(shè)置成固定值（開關(guān)將AC電壓源連接至電機(jī)）和/或?qū)⑹箤C電 壓源連接至電機(jī)的開關(guān)的接通時(shí)間進(jìn)行斜變。在另一實(shí)施方式中，該方法包括在最后的啟 動(dòng)步驟之后將全輸入電壓施加到電機(jī)，其中，施加全輸入電壓包括將與每個(gè)晶閘管并聯(lián)的 接觸器閉合。在另一實(shí)施方式中，施加離散頻率包括改變用于接通晶閘管的相位角以對(duì)于 離散頻率的正半周生成變化的幅值的正電流脈沖，然后改變用于接通晶閘管的相位角，以 對(duì)于離散頻率的負(fù)半周生成變化的幅值的負(fù)電流脈沖，其中，每個(gè)電流脈沖以與AC電壓源 的基頻一致的速率被生成。
[0028] 準(zhǔn)變頻電機(jī)控制的系統(tǒng)包括電機(jī)啟動(dòng)器。電機(jī)啟動(dòng)器包括連接在輸入電源的每個(gè) 相與相應(yīng)的電機(jī)連接器之間的一個(gè)或更多個(gè)晶閘管。該系統(tǒng)包括DFC模塊，其將第一頻率 應(yīng)用于電機(jī)作為用于電機(jī)啟動(dòng)的DFC方法的一部分。第一頻率是DFC方法的多個(gè)離散頻率 中的離散頻率，并且每個(gè)離散頻率是比向電機(jī)提供電力的AC電壓源的基頻較低的頻率。該 系統(tǒng)包括開關(guān)模塊，其基于DFC模塊的所選擇的離散頻率選擇性地接通每個(gè)晶閘管以將輸 入電源的每個(gè)相按順序連接至相應(yīng)的電機(jī)連接器。該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩模塊和下一個(gè)頻率模 塊，轉(zhuǎn)矩模塊確定由電機(jī)生成的電機(jī)轉(zhuǎn)矩何時(shí)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，并且下一個(gè)頻率模塊響應(yīng) 于轉(zhuǎn)矩模塊確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩閾值，將第二頻率應(yīng)用于電機(jī)。第二頻率是DFC 方法中的下一個(gè)頻率。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 為了容易理解本發(fā)明的實(shí)施方式的優(yōu)勢(shì)，將參照附圖中示出的【具體實(shí)施方式】來(lái)呈 現(xiàn)上面簡(jiǎn)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(shuō)明實(shí) 施方式，在附圖中：
[0030] 圖1是示出了準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的系統(tǒng)的一種實(shí)施方式的示意性框圖；
[0031] 圖2是示出了準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的裝置的一種實(shí)施方式的示意性框圖；
[0032] 圖3是使用離散頻率控制方法的準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的可能的操作的波形的圖示；
[0033] 圖4是示出了準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的裝置的另一實(shí)施方式的示意性框圖；
[0034] 圖5是示出了準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的裝置的第三實(shí)施方式的示意性框圖；
[0035] 圖6是示出了準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)矩估計(jì)器的一種實(shí)施方式的示意性框圖；
[0036] 圖7是示出了用于準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的方法的一種實(shí)施方式的示意性流程圖；
[0037] 圖8是示出了用于準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的方法的另一實(shí)施方式的示意性流程圖；
[0038] 圖9A是10馬力（"HP"）電機(jī)的準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的仿真結(jié)果；
[0039] 圖9B是圖9A的仿真結(jié)果的放大圖；
[0040] 圖10描繪了來(lái)自IOHP電機(jī)的準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的一種實(shí)施方式的測(cè)試結(jié)果的波 形，其中，啟動(dòng)頻率固定在5赫茲（"Hz"）；
[0041] 圖11描繪了來(lái)自用于具有5Hz的初始頻率、2Hz步長(zhǎng)且沒有負(fù)載的IOHP電機(jī)的準(zhǔn) 變頻電機(jī)控制器的一種實(shí)施方式的測(cè)試結(jié)果的波形；
[0042] 圖12描繪了來(lái)自用于具有5Hz的初始頻率、4Hz步長(zhǎng)且沒有負(fù)載的IOHP電機(jī)的準(zhǔn) 變頻電機(jī)控制器的一種實(shí)施方式的測(cè)試結(jié)果的波形；以及
[0043] 圖13描繪了來(lái)自用于具有5Hz的初始頻率、2Hz步長(zhǎng)且在50%負(fù)載處的IOHP電 機(jī)的準(zhǔn)變頻電機(jī)控制器的一種實(shí)施方式的測(cè)試結(jié)果的波形。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 貫穿本說(shuō)明書，提及"一種實(shí)施方式"、"實(shí)施方式"或相似語(yǔ)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(shuō)明書，短 語(yǔ)"在一種實(shí)施方式中"、"在實(shí)施方式中"或相似語(yǔ)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(shuō)明。除非另外明 確說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)"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(shuō)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(shuō)明，術(shù)語(yǔ)"一（a)"、"一個(gè)（an)"和"該（the)" 也指代"一個(gè)或更多個(gè)"。
[0045] 此外，所描述的實(shí)施方式的特征、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)可以以任意適當(dāng)?shù)姆绞浇M合。相關(guān)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，實(shí)施方式可以在不具有特定實(shí)施方式的一個(gè)或更多個(gè)具體 特征或優(yōu)點(diǎn)的情況下被實(shí)踐。在其他實(shí)例中，可以認(rèn)識(shí)到，另外的特征和優(yōu)點(diǎn)可以出現(xiàn)在某 些實(shí)施方式中而不出現(xiàn)在所有實(shí)施方式中。
[0046] 實(shí)施方式的這些特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下面的描述和所附權(quán)利要求書將變得更加充分 明顯，或者可以通過(guò)如下文中所闡述的實(shí)施方式的實(shí)踐來(lái)獲知。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 將會(huì)理解的，本發(fā)明的各個(gè)方面可以被實(shí)施為系統(tǒng)、方法和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本 發(fā)明的各個(gè)方面可以采用完全硬件實(shí)施方式、完全軟件實(shí)施方式（包括固件、駐留軟件、微 代碼等）或者組合了軟件方面和硬件方面的實(shí)施