用变频驱动器来控制电动力机的系统和方法技术方案

用变频驱动器(VFD)(380)控制交流(AC)电动力机(390)的系统和方法，包含具有用于向VFD(380)提供定子磁通角信号(338)的锁相环(PLL)电路(382)的控制系统(300)，PLL电路(382)包括提供输出信号(334)的比例积分(PI)调节器(332)；和与PLL电路(382)通信的前馈发生器(350)，其中前馈发生器(350)监控AC电动力机(390)的定子磁通位置，使前馈发生器(350)基于定子磁通信号(308、310、312)确定定子频率信号(352)并在PI调节器(332)的下游供应定子频率信号(352)，且其中定子频率信号(352)与PI调节器(332)的输出信号(334)相加，以提供PI调节器(332)的动态适配输出信号(335)，且其中适配的输出信号(335)用于确定定子磁通角信号(338)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用变频驱动器来控制电动力机的系统和方法
本专利技术的各方面主要涉及电动力机，其包含例如电动机，如交流(AC)异步电机(例如感应电机)和AC同步电机以及发电机，并且更具体地涉及用变频驱动器(VFD)控制感应电机的系统、设备和方法。
技术介绍
当通过直接连接至公用电源来启动大型(例如中等电压)AC电机时，可出现一个或多个问题。例如，大型AC电机在启动时可在低功率因数下汲取该电机四至六倍额定电流(称为浪涌电流)。这可导致公用电源网络出现显著的瞬态电压下降，这可不利地影响与公用电源连接的其它设备和系统。另外，AC电机在直接联机启动期间可承受严重的热和机械应力，这可缩短电机的使用寿命和/或限制给定时间内的启动次数。此外，在大型AC电机的加速期间，可出现可激发系统扭转共振的大转矩脉动，已知其至少在一种情况下会导致电机轴损坏。为了克服前述问题，大型AC电机可用变频驱动器(VFD)进行“软启动”。VFD可以可控地增加在启动期间施加到AC电机的电压的大小和频率。电压大小和频率可在非常低的值下开始，并且然后可随着AC电机达到其额定速度而增加到AC电机的额定电压和公用电源的频率，例如60赫兹。为了提供AC电机的精确速度控制，VFD可包括具有锁相环(在本文也简称为PLL)控制电路的控制系统。锁相环技术是已知的，并且非常适合通过将AC电机锁相到稳定和精确的参考频率来提供精确的速度控制。当频率变化率非常低时，例如小于1Hz/秒，PLL的动态精度是可接受的。但是，当AC电机的频率快速变化时，例如60Hz/秒，PLL的动态精度不可接受。因此，可需要针对AC电机频率的快速变化提供具有PLL的改进的控制系统。
技术实现思路
简言之，本专利技术的各方面主要涉及电动力机，其包括例如电动机诸如AC异步电机(例如感应电机)，和AC同步电机以及发电机，并且更具体地涉及用于借助变频驱动器(VFD)来控制感应电机的系统和方法。本专利技术的第一方面提供用于控制交流(AC)电动力机的控制系统，其包括：用于向变频驱动器(VFD)提供定子磁通角信号的锁相环(PLL)电路，该PLL电路包括提供输出信号的比例积分(PI)调节器；和与PLL电路通信的前馈发生器，其中前馈发生器追踪AC电动力机的定子磁通位置，使得前馈发生器基于定子磁通信号来确定定子频率信号并且在PI调节器的下游供应定子频率信号，并且其中，定子频率信号与PI调节器的输出信号相加，以提供PI调节器的动态适配的输出信号，并且其中适配的输出信号用于确定定子磁通角信号。本专利技术的第二方面提供用于控制交流(AC)电动力机的系统，其包括：被配置成耦合到公用电源并且提供输出电流的变频驱动器(VFD)；可操作地耦合到VFD的VFD输出端的AC电动力机，该VFD提供输出电流，其控制由AC电动力机产生的定子磁通和转矩的大小，其中VFD进一步包括控制系统，该控制系统包括用于向VFD提供定子磁通角信号的锁相环路(PLL)电路，该PLL电路包括提供输出信号的比例积分(PI)调节器；和与PLL电路通信的前馈发生器，其中前馈发生器追踪AC电动力机的定子磁通位置，使得前馈发生器基于定子磁通信号确定定子频率信号并且在PI调节器的下游供应定子频率信号，并且其中，定子频率信号与PI调节器的输出信号相加，以提供PI调节器的动态适配的输出信号，并且其中，经适配的输出信号用于确定定子磁通角信号。本专利技术的第三方面提供用于为锁相环(PLL)电路提供前馈信号的方法，该方法包括：提供交流(AC)电动力机的定子磁通信号；确定定子磁通信号的过零点；生成从定子磁通信号的过零点得出(导出)的一串固定宽度脉冲；和将该一串固定宽度脉冲转换为前馈信号，其中，前馈信号供应至PLL电路，并且其中，前馈信号与PLL电路的输出信号相加，以提供适配的输出信号。附图说明图1示出根据本文公开的实施例的用于借助变频驱动器(VFD)启动大型AC(交流)电机的已知系统的示意图。图2示出根据本文公开的实施例的已知VFD的示意图。图3示出根据本专利技术示例性实施例的包含用于锁相环(PLL)电路的前馈信号的VFD的控制系统的示意图。具体实施方式现将详细参考在附图中示出的本公开的示例实施例。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或同一部分。以下描述为构成各种实施例的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或相似功能的许多合适的组件和材料旨在被涵盖在本专利技术的实施例的范围内。大型(交流)AC电机可包括中压AC电机，其可具有范围为大约600V(伏)AC到大约15,000V(或15kV)AC的额定电压。电机的“额定电压”是美国电气制造商协会(NationalElectricalManufacturersAssociation，NEMA)制定的标准化术语，其通常是指通常+/-10％变动的电机的操作电压。大型AC电机还可包括高压AC电机和在某些情况下其它类型的AC电机，其额定电压可低于中压AC电机的上述电压范围。前述启动大型AC电机的问题可通过用变频驱动器(VFD)来“软启动”AC电机来克服。VFD可在启动时最初向AC电机施加具有低或接近零频率的低或接近零的电压。当AC电机速度达到其额定速度时，VFD可以可控地将电压大小和频率同时增加到AC电机的额定电压和公用电源的频率。大约在此时，供应至AC电机的电力可从VFD直接切换到公用电源。图1示出根据在本文公开的实施例的用于启动大型AC电机102的已知系统100的示例。AC电机102可为三相中压AC电机，其具有以星形或Y形连接配置布置的第一绕组104、第二绕组106和第三绕组108。第一绕组104可具有第一引线绕组连接105。第二绕组106可具有第二引线绕组连接107，并且第三绕组108可具有第三引线绕组连接109。AC电机102可耦合到负载(未示出)，其可为例如一个或多个压缩机、泵、风扇和/或其它合适设备。系统100还可包含变频驱动器(VFD)110和电抗器118。VFD110可具有与AC电机102的额定电压相同或基本相同的电压额定值。VFD110可被耦合以经由导体111、112和113(每相一个导体)从公用电源114接收3相电力。VFD110可被配置为经由导体115、116和117(每相一个导体)输出具有可变峰值电压大小和可变频率的3相电力。可为三相电抗器的电抗器118可经由导体115、116和117串联耦合到VFD110。电抗器118可向VFD110的三相输出提供电感(其可增加阻抗)。系统100可进一步包含第一接触器122和第二接触器130。第一接触器122可包含第一控制开关123、第二控制开关124和第三控制开关125，其中每一个经由相应导体119、120和121串联耦合到电抗器118。第一控制开关123还可经由导体126串联耦合到第一引线绕组连接105。第二控制开关124还可经由导体127串联耦合到第二引线绕组连接107，并且第三控制开关125还可经由导体128串联耦合到第三引导绕组连接109。第二接触器130可包含第一控制开关131、第二控制开关132和第三控制开关133，其中每个经由相应导体134、135和136(每相一个导体)串联耦合至公用电源114。第一控制开关131可经由导体137串联耦合到第一引线绕组连接10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制交流(AC)电动力机(390)的控制系统(300)，包括：用于向变频驱动器(VFD)(380)提供定子磁通角信号(338)的锁相环(PLL)电路(382)，所述PLL电路(382)包括提供输出信号(334)的比例积分(PI)调节器(332)；和与所述PLL电路(382)通信的前馈发生器(350)，其中，所述前馈发生器(350)追踪所述AC电动力机(390)的定子磁通位置，使得所述前馈发生器(350)基于定子磁通信号(308、310、312)确定定子频率信号(352)，并且在所述PI调节器(332)的下游供应所述定子频率信号(352)，并且其中，所述定子频率信号(352)与所述PI调节器(332)的所述输出信号(334)相加，以提供所述PI调节器(332)的动态适配的输出信号(335)，并且其中，适配的输出信号(335)用于确定所述定子磁通角信号(338)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.14 US 62/278,7031.一种用于控制交流(AC)电动力机(390)的控制系统(300)，包括：用于向变频驱动器(VFD)(380)提供定子磁通角信号(338)的锁相环(PLL)电路(382)，所述PLL电路(382)包括提供输出信号(334)的比例积分(PI)调节器(332)；和与所述PLL电路(382)通信的前馈发生器(350)，其中，所述前馈发生器(350)追踪所述AC电动力机(390)的定子磁通位置，使得所述前馈发生器(350)基于定子磁通信号(308、310、312)确定定子频率信号(352)，并且在所述PI调节器(332)的下游供应所述定子频率信号(352)，并且其中，所述定子频率信号(352)与所述PI调节器(332)的所述输出信号(334)相加，以提供所述PI调节器(332)的动态适配的输出信号(335)，并且其中，适配的输出信号(335)用于确定所述定子磁通角信号(338)。2.根据权利要求1所述的控制系统(300)，其中，所述PI调节器(332)的输出信号(334)表示所述定子磁通信号(308、310、312)的角频率，所述角频率与所述前馈发生器(350)的所述定子频率信号(352)相加，从而提供表示所述定子磁通信号(308、310、312)的适配的角频率的、所述PI调节器(332)的所述动态适配的输出信号(335)。3.根据权利要求1或2所述的控制系统(300)，其中，所述PLL电路(382)还包括可操作地耦合到所述PI调节器(332)的积分器(336)，其中，所述积分器(336)将所述PI调节器(332)的适配的输出信号(335)积分成所述定子磁通角信号(338)。4.根据权利要求1、2或3所述的控制系统(300)，其中，所述前馈发生器(350)通过将从所述定子磁通信号(308、310、312)的过零点得出的脉冲串转换为模拟信号来得出所述定子频率信号(352)。5.根据权利要求4所述的控制系统(300)，其中，使用脉宽调制(PWM)将所述定子磁通信号(308、310、312)的过零点转换为模拟信号，其中，所述脉冲串的重复率与所述AC电动力机(390)的定子频率成比例。6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的控制系统(300)，其中，所述PLL电路(382)与所述VFD(380)的控制器(392)通信并且将所述定子磁通角信号(338)传输到所述控制器(392)，其中所述控制器(392)控制所述VFD(380)，使得所述VFD基于所述定子磁通角信号(338)生成输出电流。7.根据权利要求6所述的控制系统(300)，其中，所述PLL电路(382)还包括用于变换和识别所述定子磁通信号(308、310、312、324、326)的D轴和Q轴的直接正交(D-Q)变换单元(328)，其中，所述控制器(392)被配置为使所述VFD(380)根据所述D轴和所述Q轴生成所述输出电流，其中，所述D轴的电流控制定子磁通的大小，并且所述Q轴的电流控制由所述AC电动力机(390)产生的转矩的大小。8.一种用于控制交流(AC)电动力机(390)的系统，包括：被配置为耦合到公用电源并且提供输出电流的变频驱动器(VFD)(380)；可操作地耦合到VFD(380)的VFD输出端(381)的AC电动力机(390)，所述VFD(380)提供所述输出电流，所述输出电流控制由所述AC电动力机(390)产生的定子磁通和转矩的大小，其中，所述VFD(380)进一步包括控制系统(300)，该控制系统包括：用于向所述VFD(380)提供定子磁通角信号(338)...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·H·奥斯曼，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE