用于控制三相电动机的方法和设备技术

描述了用于操作三相电动机的方法和控制设备，其中电机绕组根据转矩要求在星形连接与三角形连接之间切换，并且其中当需要制动转矩时，电机绕组切换至制动模式。监测电机的电磁转矩，并且在电磁转矩上升以达到或超过阈值时，给出从星形切换至三角形的命令。当电磁转矩下降以达到第二阈值时，给出从三角形切换至星形的命令。本发明专利技术公开了一种基于电压周期中在特定时刻处的相电流和相电压的测量值来确定电机的电磁转矩的瞬时值的方法。本申请还公开了下述方法，该方法测定在星形配置与三角形配置之间进行切换操作或者从星形配置或三角形配置切换至动态制动模式的时间，以通过监测EMF与电源电压之间的矢量关系并在EMF矢量与电源电压矢量对齐时在每个电机相中执行切换操作来使涌入电流最小化。本申请还公开了当由电机产生的转矩大致等于负载的转矩需求时从星形切换至三角形或从三角形切换至星形以使效率最大化。

Method and equipment for controlling three-phase motor

This paper describes the method and control equipment used to operate three-phase motor, in which the motor winding is switched between star connection and triangle connection according to the requirement of torque, and the motor winding is switched to braking mode when braking torque is needed. The electromagnetic torque of the motor is monitored, and the command of switching from star to triangle is given when the electromagnetic torque reaches or exceeds the threshold value. When the electromagnetic torque decreases to reach the second threshold, the command of switching from triangle to star is given. The invention discloses a method for determining the instantaneous value of electromagnetic torque of a motor based on the measured value of phase current and phase voltage at a specific time in a voltage period. The application also discloses a method for determining the time for switching operation between star configuration and triangle configuration or switching from star configuration or triangle configuration to dynamic braking mode to minimize inrush current in each motor phase by monitoring the vector relationship between EMF and power supply voltage and performing switching operation in alignment of EMF vector with power supply voltage vector. Change. The application also discloses a switch from a star to a triangle or from a triangle to a star to maximize efficiency when the torque generated by the motor is approximately equal to the torque demand of the load.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制三相电动机的方法和设备
本专利技术涉及对三相交流电机的控制。特别地，本专利技术涉及用于控制三相交流电机特别是异步电机的设备和方法，以驱动不需要精确速度控制的机械装置或机构。本专利技术在具有频繁的启动和制动周期并且具有可变负载的电机驱动装置的领域中是特别实用的。这种机器的示例为混合器、起重机、升降机、离心铸造机和金属制造机。本专利技术在不需要精确速度控制的连续运转机构的领域中也是实用的，该连续运转机构的示例为泵、风扇、压缩机、输送机、自动扶梯和通风设施。
技术介绍
用于驱动工业机器或设施的三相交流(AC)电机通常在定子中具有三个电机绕组，并且基于三相电力电源运转。电机绕组对称地布置并且以三角形(Δ)配置或星形(Y)配置连接到三相电源。星形或“Y”配置也称为“Y形”配置。电机绕组中的每个绕组都具有第一端和第二端。在三角形(Δ)配置下，每个绕组的第一端连接到下一绕组的第二端，使得三个绕组以三角形连接，其中电源的三个相连接在三角形的相应顶点处。在星形(Y)配置下，所有三个绕组的第一端都连接在一起，并且各个相应的第二端连接到三相电源的一个相。为了改善负载下的启动和能量性能，通常，三相电机通常设置有能够将其绕组从星形配置切换至三角形配置并且反之亦然的控制电路。每个电机绕组可以包括一个或多个串联连接的线圈，线圈围绕定子分布，以便在连接到三相电源时产生旋转磁场。当电机上没有机械负载时，电机的转子以与旋转磁场相同的速度旋转。因此，市电电源的频率限定了同步电机的设计速度。当电机正在驱动负载时，转子旋转的速度略慢于旋转磁场旋转的速度，这种现象称为“滑差(slip，转差)”。与以星形(Y)配置连接的电机相比，以三角形(Δ)配置连接的电机具有增加的通过电机绕组的电流，因此，星形配置通常用于启动直接线路连接的电机，以便避免电源过载。当电机已经被启动并且以其设计速度或接近其设计速度运行时，绕组切换至三角形配置，使得电机就可以在高功率输出下运行。星形与三角形之间任一方向上的过渡都可以在“断开过渡”中或在“闭合过渡”中进行，在该“断开过渡”中，暂时从电机移除功率并且切换绕组的连接，在“闭合过渡”中，在功率保持连接的同时切换绕组。在这种“闭合过渡”中，在过渡过程期间通常会有涌入电机中的功率。速度控制为了控制三相电机的速度，存在各种控制电路来将市电电源的频率转换为预定范围内的较低频率，并将该转换后的频率应用于电机端子以改变电机的设计速度。实际的旋转速度将取决于机械负载，并因此取决于“滑差”的量，因此，通过根据实际转速调节频率，可以可靠地实现在一定范围内的预定转速。可找到大量的文献描述这些变频装置(VFD)，所述变频装置可以概括地分为自然、强制或混合换向。VFD控制器在驱动三相电机中的主要应用是它们的下述用途：提供准确的速度控制，在负载变化的情况下提供恒定的功率消耗，并通过限制电机运行中的抖动提供旋转的流畅性和连续性。然而，VFD控制器的重大缺陷是它们成本高且尺寸大，特别是在超过100kW的高功率电机中。这是由于VFD的功率部件体积庞大并且需要多次能量转换以产生输出电压。目前大多数VFD控制器包括脉冲宽度调制(PWM)管理和控制系统，以使VFD控制器对电源线路的影响最小化，并且这些PWM系统需要高频滤波器和昂贵的栅极元件，诸如RGBT晶体管。此外，如果VFD控制器未设置使电机与供电网络同步的系统，则绕过控制器可能导致强电流涌动，这可以致使电机故障。回旋转换器通常用于将输入AC波形转换为较低频率的输出AC波形，无需中间DC转换。回旋转换器通过由输入AC波形的段合成所需的输出AC波形来运转。回旋转换器最常见于功率非常高的输出系统，诸如呈现出几兆瓦额定值的变频驱动器。在需要从零到标称值的恒定深度电机旋转频率控制的安装设施中，目前认为频率转换器的使用没有实际的替代方案。然而，存在许多用以驱动机械的电动机的应用，所述电动机的应用不需要通过精确的旋转频率控制来准确地控制电机速度。在这种应用中，通过提高其启动和制动模式的效率、偶尔调节其旋转频率以及在预期(标称)旋转频率下的欠载运转模式期间削减功率消耗的方式来降低功率消耗的机会是存在的，这几乎不可能通过使用标准频率转换器实现。因此，上述技术自身在许多电驱动器中被利用在经济和技术上都是无保证的，所述电器为诸如用于下述中的驱动器：混合器、起重机、升降机、离心铸造机、金属加工机、潜水泵、供水离心泵、风扇、压缩机、输送机、自动扶梯、HVAC等。通过启动系统节能降低电功率消耗的另一有效方式是在不需要电动机时就关闭它。但是，频繁停止和启动电机会使电机绕组及其绝缘性劣化。所谓的“软启动器”用于延长经受频繁的启动和关闭的电驱动器的机械使用寿命。一些软启动器配备有电压适配器，以在启动期间平衡在轴处变化的静态负载转矩。这些软启动器系统降低了施加到电机的电压，以便确保电机启动电流被保持在标称状态电流的约2到4倍并且对应地减小启动转矩。这导致绕组上的电应力急剧下降，并因此降低或避免了其绝缘的机械劣化。此外，较低的启动转矩通过降低冲击载荷来降低对驱动器的机械零件的损坏。但是，传统的软启动系统具有许多缺点，其中最主要的如下：1.在电机启动期间电机中释放相当大的能量。软启动模式下的电机能量大约总是高于在直接驱动模式下的电机能量。此外，自通风电机的冷却条件在较低的旋转频率下急剧恶化，使得当电机的冷却系统最不能处理热时，较高的启动电流在电机中生成热。2.缺乏有效的制动模式。当电机旋转频率低于同步时，电极只能产生驱动转矩。可以通过静态负载或通过机械制动来实现制动。因此，与借助于静态负载转矩的部分补偿的自由停止方式(stopway)相比，通过使用传统启动装置只能增加制动时间，但不能切断它。3.不可行的功率节省。原因在于通过控制软启动器的晶闸管的开启角度来减小提供给电机的仅电压幅度(不改变其频率)由于电压形状的变形会导致电机的损耗显著增加。因此，只有当电机轴上的载荷接近空载时能实现小的节能。通过星形到三角形切换节能如上所述，通过确保电机绕组在启动期间以星形连接以避免电源过载以及当电机迅速运转并且被要求产生高转矩时该电机绕组切换至三角形连接，将电机绕组的连接从星形切换至三角形或从三角形切换至星形是降低能量消耗的有效方式。当载荷减小时，电机从三角形切换回星形，并且当载荷再次增加时，电机返回至三角形。在美国专利8207699中，本专利技术人描述了一种通过基于对电机速度、穿过电机的两个绕组的电流以及电机的静态载荷转矩的测量将电机从星形连接切换至三角形连接来降低三相电机中的能耗的方法。然而，监测这些参数并且在满足参数的预定组合时切换连接可能导致在AC电压周期中出现大量涌入电流的点处进行切换操作，该涌入电流可能不利地影响电机。
技术实现思路
本专利技术通过提供将感应电机的绕组从“星形”切换至“三角形”或从“三角形”切换至“星形”的改进的装置和方法解决了特别是在不需要准确的速度控制但在不同的负载下运转的三相电动机驱动器中降低能量消耗的技术问题。本专利技术提供一种高效、可靠、使用简单的AC电动机的控制装置，其成本低且大小小。还提供了一种控制AC电动机中的绕组的切换的方法。本专利技术通过下述来解决该技术问题：1.根据电机参数的测量值，通过选择三相周期中的特定时刻以切换绕组，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制驱动负载的三相电机的运转的方法，其中，所述电机能够以星形配置和三角形配置两者进行运转，所述方法包括下述步骤：a.监测由所述电机产生的电磁转矩(Tem)；b.监测所述电机的转速(n)；c.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较，以及d.基于该比较，将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置；其中，通过下述来监测由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)：i.监测所述电机的所述转速(n)；ii.监测在所述电机的三个相中的相电流(ia、ib、ic)；iii.监测在所述电机的所述三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；vi.测量在该时刻下述的值：a.在所述一个相中的相电压；b.在所述第二相中的相电压；以及c.在所述第二相中的相电流；vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.08 GB 1606163.21.一种控制驱动负载的三相电机的运转的方法，其中，所述电机能够以星形配置和三角形配置两者进行运转，所述方法包括下述步骤：a.监测由所述电机产生的电磁转矩(Tem)；b.监测所述电机的转速(n)；c.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较，以及d.基于该比较，将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置；其中，通过下述来监测由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)：i.监测所述电机的所述转速(n)；ii.监测在所述电机的三个相中的相电流(ia、ib、ic)；iii.监测在所述电机的所述三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；vi.测量在该时刻下述的值：a.在所述一个相中的相电压；b.在所述第二相中的相电压；以及c.在所述第二相中的相电流；vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，当由所述电机产生的所述电磁转矩的值等于或大于第一阈值时，将所述电机从星形配置切换至三角形配置。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当由所述电机产生的所述电磁转矩的值等于或小于第二阈值时，将所述电机从三角形配置切换至星形配置，所述第二阈值小于所述第一阈值。4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过下述将所述电机从星形配置切换至三角形配置：i.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开开关，以将定子的每个相与市电电源断连；ii.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及iii.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接电机相处于三角形连接。5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过下述将所述电机从三角形配置切换至星形配置：i.顺序地在电动机定子的每个相中的所述相电流为零时断开开关，以将所述定子的每个相与所述市电电源断连；ii.监测在所述开关全部断开时在所述电机定子的所述相中感应的EMF，并将所监测的值与所述电源电压矢量进行比较；以及iii.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接电机相处于星形连接。6.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括下述步骤：i.将由所述电机产生的所述电磁转矩与所述负载的转矩要求进行比较，以及ii.当所述电机的所述电磁转矩大致等于所述负载的所述转矩要求时，将所述电机从星形切换至三角形或从三角形切换至星形。7.一种用于控制三相电机的运转的控制器，所述控制器包括：a.相电流监测器(32)，所述相电流监测器用于监测在所述电机的三个相中的相应相电流(ia、ib、ic)；b.相电压监测器(31)，所述相电压监测器用于监测在所述电机的所述三个相中的相应相电压(va、vb、vc)；c.多个开关(Th1-Th9)，所述多个开关包括第一组开关(TD)和第二组开关(TY)，所述第一组开关能够在被闭合时操作以连接所述三相电机处于三角形配置，所述第二组开关能够在被闭合时操作以连接所述三相电机处于星形配置；以及d.处理装置，所述处理装置能够操作以：i.监测所述电机的转速(n)；ii.监测在所述电机的所述三个相中的相电流(ia、ib、ic)；iii.计算并监测在所述电机的所述三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；vi.测量在该时刻下述的值：a.在所述一个相中的相电压；b.在所述第二相中的相电压；以及c.在所述第二相中的相电流；vii.基于所测量的值，确定在该时刻由所述电机产生的电磁功率(Pem)；以及viii.基于所确定的电磁功率(Pem)和所述转速的值，计算在该时刻由所述电机产生的电磁转矩(Tem)；ix.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较；以及x.基于该比较，控制多个开关以将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置。8.根据权利要求7所述的控制器，还包括用于监测各个电源相电压矢量的线路电压监测器(30)，并且其中，所述处理器还能够操作以控制所述多个开关通过下述将所述电机从星形配置切换至三角形配置：a.顺序地在电动机定子的每个相中的电流通过零时断开开关，以将定子的每个相与市电电源断连；b.监测在所述电机定子的相中感应的EMF，并将所监测的值与电源电压矢量进行比较；以及c.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接所述电机相处于三角形连接。9.根据权利要求7或8所述的控制器，还包括用于监测各个电源相电压矢量的线路电压监测器(30)，并且其中，所述处理器还能够操作以控制所述多个开关通过下述将所述电机从三角形配置切换至星形配置：a.顺序地在电动机定子的每个相中的所述相电流为零时，断开开关，以将所述定子的每个相与所述市电电源断连；b.监测在所述开关全部断开时在所述电机定子的所述相中感应的EMF，并将所监测的值与所述电源电压矢量进行比较；以及c.当网络的电源电压矢量和所述电机的相EMF的矢量同相地匹配时，闭合开关以连接所述电机相处于星形连接。10.根据权利要求7至9中任一项所述的控制器，还包括：比较器，所述比较器用于将由所述电机产生的电磁转矩与负载的转矩要求进行比较，并且其中，所述处理器能够操作以在由所述电机产生的所述电磁转矩大致等于所述负载的所述转矩要求时，控制所述多个开关以将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置。11.一种借助于由三相电源供电的三相电动机来驱动负载的方法，其中，所述三相电动机能够从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置，所述方法包括下述步骤：a.监测由电机产生的电磁转矩(Tem)；b.监测所述电机的转速(n)；c.将由所述电机产生的所述电磁转矩与阈值进行比较；以及d.基于该比较，将所述电机从星形配置切换至三角形配置或从三角形配置切换至星形配置；其中，通过下述来监测由所述电机产生的所述电磁转矩(Tem)：i.监测所述电机的所述转速(n)；ii.监测在所述电机的三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)；iii.监测在所述电机的三个相中的所述相电流(ia、ib、ic)的导数(dia/dt、dib/dt、dic/dt)；iv.监测在所述电机的所述三个相中的相电压(va、vb、vc)；v.确定在一个相中的相电流及其导数二者均为零并且在第二相中的相电流的导数为零的时刻；vi.测量在该时刻下述的值：a.在所述一个相中的相电压；b.在所述第二相中的相电压；以及c....

【专利技术属性】
技术研发人员：伊戈尔·亚历山大·图雷夫斯基，摩西·海姆·奈曼，阿蒂尔·奈曼，
申请(专利权)人：动力传动效率有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB