用于减少三相异步电动机的负载电流中的直流分量的影响的方法和设备

摘要

一种用于减少三相异步电动机的负载电流中的直流分量的影响的方法，其中通过调节在所经过电流的零交叉处关断的这一类半导体器件的触发角来控制三相中的两相的电压，该方法包括针对各所述受控相进行的以下步骤：检测半导体器件的关断时间；计算为了改变两个后续关断时间之间的时间周期的长度以便补偿直流分量的影响而需要的半导体器件的触发角的变化值；以及根据这一计算的结果来确定所述半导体器件的触发角。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及一种用于减少三相异步电动机的负载电流中的直流分量的影响的方法和设备。

背景技术

用于三相异步电动机的包括半导体器件的启动器设备已经使用了一段时间，这些启动器设备用于通过调节在所经过电流的零交叉处关断的这一类半导体器件(两个在各相中相互反向并联连接半导体器件)的触发角来控制在一相、两相或者三相中向电动机施加的电压。通过控制相应相中的所述电压，在启动和停止操作过程中实现了向电动机提供的转矩和电流的减少。半导体器件的触发角用于控制向电动机供应的能量的量。

常常称为软启动器的这些类型的启动器设备通常具有三对这种半导体器件，如晶闸管。然而，这些半导体器件已经变成这种启动器设备的成本决定因素，因而也使用这种启动器设备，所述这种启动器设备具有用于两相的仅一对这种半导体器件。这意味着剩余的第三相是采用无法切换的导体形式。本发明涉及这一类启动器设备。

通过在三相中的两相中调节半导体器件的触发角，可以从零到跨过电动机的最大电压的100％控制跨过电动机的电压。这是通过改变半导体器件的触发角以便比如减少触发角从而增加所述电压来完成的。然而，当仅在两相中进行控制时，会出现在电动机电流中形式例如为直流分量的有害影响。在启动操作过程中，希望平稳和逐渐增加的转矩，但是在启动期间出现的这种直流分量有时引起制动或者振动转矩。这可能既干扰又损坏控制器系统、电动机和由电动机驱动的负载。

本发明涉及一种用于减少三相异步电动机的负载电流中这种直流分量的影响的方法和设备，其中根据前述内容控制三相中的两相的电压。尽管就电动机电压而言本发明不限于用于任何特定的该种电动机的这种方法和设备，但是可以将200-600V作为典型电动机电压，或者由这种电动机递送的功率常常在1-30kW的范围中。本发明也不限于用于任何特定类型的负载的这种电动机，但是电动机可以用来驱动诸如泵、车床等等所有类型的设备。

现有技术

美国专利6930459公开了一种用于减少三相异步电动机的负载电流中的直流分量的影响的方法和设备，其中如上文所述通过调节半导体器件的触发角来控制三相中的两相的电压。然而，其中描述的方法就测量和计算而言相当复杂。在计算为了减少所述直流分量的影响而应当如何改变半导体器件的触发角过程中，必须检测和考虑不同半导体器件的接通以及关断时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种上文限定类型的方法和设备，该方法和设备使得有可能在复杂度比上文提及的文献中描述的方式更小的情况下高效和可靠地获得三相异步电动机的负载电流中的直流分量的影响的减少。

根据本发明，这一目的通过提供这样一种方法以及根据所附独立设备权利要求的一种设备来实现，该方法进一步包括针对所述两个受控相中的各相进行的以下步骤：

a)检测所述半导体器件中的第一半导体器件的关断时间和另一第二半导体器件的后续关断时间，

b)将所述第二半导体器件的电流半周期的时间周期确定为所述两个关断时间之差，该时间周期称为第二时间周期，

c)基于关于所述第二时间周期的信息，计算为了改变所述第二时间周期的长度以便补偿经过所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的电流的任何直流分量对该半导体器件的影响而需要的该半导体器件的触发角的变化值，以及

d)根据所述计算的结果来确定所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的触发角，以便减少所述电流中的可能直流分量的影响。

因此，本发明是基于如下思想：仅确定半导体器件的关断时间，以便确定为补偿经过某个半导体器件的电流的任何直流分量的影响必须将一相中的所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的触发角变化多少。这意味着利用所谓电流半周期的时间周期来检测电流的任何直流分量及其幅值，其中这里将“半导体器件的电流半周期”定义为从与该半导体反向并联连接的半导体器件的关断开始并且在该半导体器件的关断时结束的时间周期，从而它不仅包括该半导体器件的导通时间周期而且包括电压跨过该半导体器件增长的时间周期，其中所述触发角越小则该时间周期越短。这种电流半周期的确定很易于准确和可靠地进行，并且本发明只需要关于这种时间周期的信息，以便确定第一半导体器件和/或第二所述半导体器件的触发角，从而减少电流中的可能直流分量的影响。因而，虽然确定了针对所述第二半导体器件的所述时间周期的长度，但是也可以针对另一第一半导体器件、两个半导体器件或者仅第二半导体器件来改变触发角以便补偿所述直流分量的影响，因为这三种选择中的任何选择均可以获得针对消除所述直流分量的影响的所述时间周期的长度，这意味着其长度为所述相中的电压的半个时间周期，对于频率为50Hz的电压而言意味着10ms。

根据本发明的一个实施例，在所述计算步骤中比较所述第一半导体器件和/或第二时间周期与所述相中的电压的半个时间周期并且计算为了消除所述第二时间周期与电压的所述半个时间周期之间的任何差值而需要的所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的触发角变化。可以容易地计算为了消除这些时间周期之间的任何差值而需要的所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的触发角变化，这使得有可能适当地确定这些半导体器件的触发角以便减少电流中的可能直流分量的影响。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括以下步骤：在检测到所述第二半导体器件的关断时间之后检测所述第一半导体器件的关断时间，以及将所述第一半导体器件的电流半周期的时间周期确定为最近提及的两个关断时间之差，该时间周期称为第一时间周期，并且在所述计算步骤中比较所述第一时间周期和第二时间周期并且计算为了消除所述第一与时间周期第二时间周期之差而需要的所述第一半导体器件和/或第二半导体器件的触发角变化。这是获得电流中的直流分量的影响的有效减少的另一简易和可靠的选择，因为当这两个时间周期相等时消除这一影响，并且它们均可以通过针对相应半导体器件的触发角的改变来控制。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括以下步骤：在检测到所述第二半导体器件的关断时间之后检测所述第一半导体器件的关断时间，以及将所述第一半导体器件的电流半周期的时间周期确定为最近提及的两个关断时间之差，该时间周期称为第一时间周期，并且在所述计算步骤中使用所述第一时间周期与第二时间周期之和作为所述相中的电压的所述半个时间周期的值。这意味着没有必要了解电压的频率用以比较所述第一或者第二时间周期与所述相中的电压的半个时间周期从而计算为减少所述电流中的任何直流分量的影响而可能需要的触发角变化。

根据本发明的另一实施例，使用可定义的校正因子来确定触发角。这种校正因子的使用可以简化所需触发角变化的确定，并且可以很好地选择该校正因子以使得该确定可以获得触发角变化，这意味着在第一步骤中仅部分补偿所述影响，然后继而是更多补偿步骤。

根据本发明的一个实施例，在所述确定步骤中如下确定触发角α(n)：

α(n)＝α₀-k₁(T_(n-1)-T₀)

其中n是所述电流半周期的编号，T是所述电流半周期的所述确定的时间周期，T₀是所述相中的电压的半个时间周期，α₀是在电流中没有任何直流分量时为获得所述相中的所需电压而需要的触发角，而k₁是所述校正因子。校正因子k₁然后可以有利地为0.25-0.75rad/s，优选为约0.5rad/s。与针对所述电流半周期而确定的时间周期和所述相中的电压的时间周期有关的信息可以以这一方式用于确定半导体器件在后继电流半周期中的触发角。

根据本发明的另一实施例，在所述确定步骤中如下确定触发角α(n)：

α(n)＝α₀-k₂(T_(n-1)-T_(n-2))

其中n是所述电流半周期的编号，T是所述电流半周期的所述确定的时间周期，α₀是在电流中没有任何直流分量时为了获得所述相中的所需电压而需要的触发角，而k₂是所述校正因子。所述校正因子k₂然后有利地为0.125-0.375rad/s，优选为约0.25rad/s。在不了解所述相中的电压的所述时间周期(即电压的频率)的情况下，对两个后续电流半周期中所述时间周期的确定在这里足以用于确定所讨论的半导体器件的触发角。

根据本发明的另一实施例，在所述确定步骤d)中确定所述触发角将变化仅在步骤d)中计算的触发角的所述需要的变化值的一部分，以便通过重复该方法的步骤a)-d)来逐步减少电流的任何直流分量的影响。可能适合的是，以这一方式逐渐地改变触发角以便平稳地减少所述影响并且避免过多改变触发角。

根据本发明的另一实施例，在所述确定步骤d)中，基于各自在步骤a)和b)之后的至少两次在步骤c)中的所述计算来确定触发角。这一措施也避免由于对所述相中的电流的随机骤然影响所造成的触发角的不必要变化。

根据本发明的另一实施例，至少在所述异步电动机的启动期间基本上持续地执行该方法，直至跨过电动机的电压已经达到跨过电动机的最大电压的预定比例，比如所述最大电压的80-100％；而根据本发明的另一实施例，至少在所述异步电动机的停止过程期间基本上持续地执行该方法，直至跨过电动机的电压至少已经减少至低于跨过电动机的最大电压的预定值，比如最大电压的50-30％。

在从属权利要求中限定根据本发明的设备实施例，并且其特征和优点从对应方法权利要求的以上描述中得以显现。

本发明也涉及根据对应所附权利要求的一种计算机程序以及一种计算机可读介质。根据本发明的方法的步骤很好地适合于由具有这种计算机程序的处理器控制。

本发明的其它有利特征和优点将从以下描述中显现。

附图说明

下文是参照附图对作为例子引用的本发明实施例的具体描述。在附图中：

图1示出了用于三相异步电动机的驱动系统的电路图，其中控制三相中的两相的电压；

图2是针对根据图1的驱动系统的一相的负载电流中没有直流分量的情况而言、跨过该驱动系统的该相的半导体器件的电压和这一相中供给电动机的电流相对于时间的曲线图、以及当该相的任何半导体器件导通时为高、否则为低的取值相对于时间的曲线图；以及

图3是针对根据图1的驱动系统的一相的负载电流中有正直流分量的情况而言、跨过该驱动系统的该相的半导体器件的电压和这一相中供给电动机的电流相对于时间的曲线图、以及当该相的任何半导体器件导通时为高、否则为低的取值相对于时间的曲线图。

具体实施方式

图1示出了用于三相异步电动机的所谓启动器设备的一般性构造，其中可以布置根据本发明的设备，并且可以应用根据本发明用于减少负载电流中的直流分量的影响的方法。示出了三相线路L1、L2和L3如何连接到对称三相电压电源(未示出)以便馈电给电子三相异步电动机M。三相电源可以是电源电压或者借助转换器产生的三相，因而电源电压在后一情况下也可以是直流电压。

在所经过电流的零交叉处关断的这一类成对半导体器件V1、V2和V3、V4(这里是晶闸管)串行连接到各线路L1、L2。用于第三相的线路L3直接地连接到电动机M的第三相端子。

电动机与布置A关联，该布置A适于通过向所述半导体器件发送触发信号来控制半导体器件，而这些半导体器件通过所经过电流的零交叉被关断，从而晶闸管在导通与非导通状态之间切换。这一切换控制向电动机M提供的电压和电流。跨过这些晶闸管产生的电压是用于相L1的U1和用于相L2的U2，而对应的相电流由i1和i2表示。

电压测量设备D1和D2与各晶闸管对并联连接。测量设备D1和D2如下所述在它们的输出分别提供分别代表测量的电压U1和U2的数字信号X1和X2。当跨过晶闸管V1、V2的所讨论的电压，如U1，基本上为零时，即当至少一个晶闸管导通时或者在相电压的零交叉过程中，信号X1为逻辑“1”。在所有其它情况下，即当有跨过晶闸管的电压时，信号X1为逻辑“0”。这一信号X1被转发到所述布置A。

现在将参照图和图3描述电动机的操作。

布置A使用信号X1和X2作为用于触发晶闸管(也就是使它们导通)的参考。以在图2和图3中从相应信号X1、X2的负边沿而计算的触发角α来触发晶闸管。通过调节触发角α来调节跨过电动机端子的电压，在触发角为0°时(即所有晶闸管一直导通)，电动机电压为最大电压的100％，在触发角度为90°时，电动机电压为所述最大电压的50％，而在触发角度180°时(即晶闸管总是不导通)，电动机电压为所述最大电压的0％。通过逐渐地增加或者减少触发角度α来对应地调节跨过电动机端子的电压。

图2示出了电流i1中不存在直流分量的情况，这意味着两个晶闸管V1和V2的电流时间表面(current time surface)将是相同的，而用于这一相的参考信号X1(以及用于另一相的X2)的周期时间T₀将等于电压的半个时间周期。就50Hz的频率而言，T₀等于10毫秒。

在图3中示出了出现直流分量时电压和电流曲线的形状所发生的情况。这是针对相L1而示出的。示出了正直流分量如何添加到电流i1，这意味着晶闸管V1的电流时间表面将比与之反向并联连接的晶闸管V2的电流时间表面更大。这也意味着作为从晶闸管V2的关断到晶闸管V1的关断时间的时间周期而定义的电流半周期T1将长于晶闸管V2的电流半周期的时间周期T2。这也意味着T1>T0而T2<T0，其中T0是所述相中的电压的半个时间周期。α₀是在电流中没有直流分量时为了获得所述相中的所需电压而需要的触发角。触发角α在这一情况下对于正触发和负触发而言是相等的，即α0＝α1＝α2，其中α0是为了获得跨过电动机M的绕组的所需电压而需要的触发角。

本发明以减少电动机M的负载电流中这种直流分量的影响为目标。这是通过检测第一半导体器件V2的关断时间和另一第二半导体器件V1的后续关断时间来完成的，所述检测由递送信号X1的设备D1来执行。然后在所述布置中将半导体器件V1的电流半周期的时间周期确定为所述两个关断时间之差。此后，基于关于这一时间T1的信息，来计算为了改变时间周期T1的长度以便补偿经过半导体器件V1的电流的直流分量的影响而需要的所述第一半导体器件V2和/或第二半导体器件V1的触发角的变化值。然后根据所述计算的结果来确定所述第一半导体器件V2和/或第二半导体器件V1的触发角，以便减少电流中的直流分量的影响。这意味着在图3中所示情况下应当增加晶闸管V1的触发角α₁(或者根据图3中使用的编号更确切地为α₃或者α₅或者...)，和/或应当减少晶闸管V2的触发角α₂(或者α₄或者α₆或者...)。

利用所述计算可以比较时间周期T1与时间T0，或者也可以确定用于另一晶闸管的电流半周期的时间T2并且比较T1与T2，或者比较T1或者T2与T1和T2的求和，因而将没有必要了解T0。

然后通过连续地校正为了获得跨过电动机绕组的所需电压而需要的触发角α₀来获得触发角α₁、α₂、α₃等，从而将补偿直流分量。这然后可以通过使用上文说明的以下方法来完成：

α(n)＝α₀-k₁(T_(n-1)-T₀)

或者

α(n)＝α₀-k₂(T_(n-1)-T_(n-2))

k₁和k₂是定义控制放大率的校正因子，而α₀是为了获得所需电压而通常需要的触发角。k₁的典型值＝0.5rad/s而k₂的典型值＝0.25rad/s。然而要指出的是，触发角α也可以仅表达为时间周期，即从关断时间到下一接通时间的时间周期，而校正因子然后将是无量纲的。

由此可以用很简易和可靠的方式高效地实现同步三相电动机的负载电流中的直流分量影响的减少。优选地在电动机的启动和停止过程中执行这种方法以便减少由于制动或者振动转矩所造成的对电动机和与之连接的负载的干扰和破坏风险。

本发明当然无论如何并不限于上文描述的实施例，对本领域普通技术人员而言将显而易见的是，存在对本发明的许多可能修改而不脱离如所附权利要求书中所限定的本发明基本思想。

虽然上文已经仅针对一相描述了控制，但是对于其它受控相执行着与之并行的对应控制过程。