用于控制三相异步电动机的软启动器

摘要

本发明涉及用于启动和停止具有三相(L1，L2，L3)的异步电动机(1)的软启动器(2)，包括：两对(3A，3C)半导体器件，这种类型的半导体器件在流过的电流的过零处关断，其中每个所述两对半导体器件被反并联地连接，第一对半导体器件适于控制电动机的一相的电压，和第二对半导体器件适于控制电动机的另一相的电压；与所述两对(3A，3C)半导体器件相关联的直流减小单元(16)，用于减小在电动机的启动期间在所述三相异步电动机的负荷电流中的直流分量；第一电压测量单元(8A，8C)，用于测量在所述两对半导体器件上的电压，以及第一过零检测单元(14)，被配置成检测在所述两对(3A，3C)半导体器件上的测量的电压的过零，并将过零信号(X1，X3)提供到直流减小单元。

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制具有三相的异步电动机的启动和停止操作的软启动器。软启动器控制电动机的三相中的两相。

背景技术

长期以来一直使用包括半导体器件的、用于三相异步电动机的软启动器，其通过调节在流过其中的电流的过零处关断的这种半导体器件的点火角，而控制在一相、二相或三相上到电动机的电压，其中在每相上，两个半导体器件互相反并联地连接。通过控制各个相上的电压，达到在启动和停止操作期间转矩和被提供给电动机的电流的减小。半导体器件的点火角被用来控制提供给电动机的能量总量。

这些的软启动器的每个软启动器通常配备有三个这样的半导体器件对，诸如晶闸管。然而，半导体器件已经成为这样的软启动器的成本决定因素，所以，仅仅使用具有两对用于三相的、这样的半导体器件的软启动器用于控制到三相电动机的电压。这意味着，剩余的第三相是不能进行开关的导体。本发明涉及这类软启动器。

希望具有上述类型的软启动器能够以想要的转矩斜率启动和停止电动机，以使得电源中的电涌动和/或在电动机中的过热最小化，和减小机械冲击或震动，否则会在启动/停止条件下发生这种机械冲击或震动，造成对于由电动机驱动的泵、风扇等等的磨损和损坏。这样的损坏可能导致更高的维护成本，而且也缩短管道系统的寿命。

然而，当控制限于仅仅两相时，在启动与停止操作期间在电动机电流中出现例如以直流分量形式的不想要的影响。在启动或关断操作期间，希望平滑的和逐渐增加或减小的转矩，但在启动或关断期间出现的这个直流分量有时生成制动或振荡转矩。这会扰动和损坏控制系统、电动机、和电动机驱动的负荷。

而且，在具有导体形式的第三相上执行测量是很花费的，因为仅仅为了进行测量，必须构建额外的测量单元和连接点。

公布号为WO 2008/033088的专利申请描述了在具有三相，三相中的仅两相由两对半导体器件控制的电动机启动和停止期间用于减小这样的直流分量的方法和软启动器，其中半导体器件的点火角调节为流经半导体器件的电流过零处。然而，这个发明在触发半导体器件的时序上可能仍旧具有某些误差，这样，直流分量不能有效地减小。

公布号为WO 2008/046885的专利申请描述了控制方法和电动机启动器装置，其中电动机具有三相，这三相的每一相由一对半导体器件控制，以及电动机转矩基于电动机转矩与参考转矩值之间的计算的差值的转矩误差信号被控制，这样，在停止或启动时间间隔期间电动机转矩显示出相对于时间的改变的速率。然而，这个发明涉及包括三对半导体器件的软启动器，每一对控制电动机的三相中的每一相。

发明内容

本发明的目的是提供用于平滑地启动和停止具有三相的异步电动机的软启动器，其中只有两相被两对半导体器件控制。

这个目的是通过根据本发明限定的软启动器达到的，其特征在于，软启动器还包括第二电压测量单元，用于测量在第一和第二相中或在第一与第二相之间的输入电压；第二过零检测单元，被配置成检测在第一与第二相之间的输入电压的过零，并且将过零信号提供给直流减小单元；以及直流减小单元被配置成计算在第一与第二相之间的测量/计算的输入电压的过零与两对半导体器件上的电压的过零之间的相延时；根据最新的两个相延时或二的倍数个最新的相延时计算平均相延时；以及根据在电动机的启动和停止期间在第一和第二相之间测量/计算的输入电压的过零和所计算的平均相延时，调节半导体器件的点火角。

在第一和第二相线之间的相-相电压，即输入电压，被用作为参考值，用于对两对半导体器件的触发定时。在第一和第二相线之间的输入电压可以被直接测量，或可以根据在第一和第二相上测量的电压而进行计算。第二过零检测单元被设置成检测在第一和第二相之间的输入电压的过零，以及第一过零检测单元被设置成检测在两对半导体器件上电压的过零。检测的过零作为数字信号被提供给直流减小单元。这些信号被用作为用于半导体器件点火的参考值，并且计算相延时，计算在正或负的半个周期内从第一和第二相之间的输入电压的过零到在两对半导体器件上的电压的过零。

为了调节半导体器件的触发时间，在第一和第二相之间的输入电压的更稳定的过零被用作为用于半导体器件的点火的参考点。因为相延时是在正或负半周期的半个周期内计算的，最新的两个相延时或二的倍数个最新的相延时的平均值被计算，以便均等在正半周期与负半周期之间的时间差值，这消除定时误差，即，在半导体器件点火期间在正的与负的半周期内的相延时之间的时间差。因此，与在公布号WO 2008/033088的现有技术中描述的、其中使用在半导体器件上的电压的过零-即，实际电流的过零-作为参考点的方法相比较，可以更有效地减小在启动与停止操作期间出现的直流分量。

由于本发明能够调节半导体器件的触发时间，并且半导体器件的点火角被等效地调节，本发明导致在电动机启动与停止期间直流分量的有效的和可靠的减小，这使得有可能分别以想要的启动和停止斜率平滑地启动和停止三相异步电动机。

根据本发明的实施例，软启动器也适配于平滑地启动和停止所述电动机，所述软启动器包括电流测量单元，用于测量在至少两相中的电流；电压估计单元，被配置成根据由第二电压测量单元测量的测量电压估计在第三相与另外的一个相之间的输入电压；功率计算单元，被配置成根据至少一个估计的输入电压和测量的电流，计算提供给电动机的瞬时功率；以及转矩控制单元，包括转矩计算单元，配置为基于计算的瞬时功率计算所述电动机的电磁转矩，以及扭矩控制单元适于根据所计算的电磁转矩和对于电磁转矩的参考转矩值，控制在电动机启动和停止期间的电动机转矩。

为了能够计算电动机的电磁转矩，首先需要计算被提供给电动机的瞬时功率。由于本发明有可能估计在第三相与第一或第二相之一之间的输入电压，被提供给电动机的瞬时功率可以根据估计的输入电压和测量/估计的电流而进行计算。

在尽可能少的相线上进行电流和电压的测量，在经济上是有利的。然而，这需要估计没有被测量的那些相的电流和电压，以便计算被提供给电动机的瞬时功率，并由此进一步计算电动机的电磁转矩。

取决于第二电压测量单元的类型，所测量的电压可以是在第一和第二相之间的输入电压，或是在第一和第二相上测量的电压。在后者的情形下，在第一和第二相之间的输入电压是根据所测量的电压-它可以是相-地电压-进行计算的。在第三相与第一和第二相之一之间的输入电压是根据测量的或计算的输入电压进行估计的，使得功率计算单元能够计算瞬时功率。优选地，输入电压的测量被设置在由一对半导体器件所控制的相线上，其中测量设备通常已被设置为用于控制半导体器件的目的。这意味着，单组测量仪器可被用于几种用途，这在经济上是有利的。

使用在相之间的输入电压的好处是使得估计和计算更精确。用于主电路和控制电路的阻抗隔离的地电平，例如，可能干扰相-地测量，而相之间的输入电压可以使得这样的扰动最小化。在第三相与其他相之一之间的输入电压的估计是基于从第二电压测量单元接收的、现在的和历史的测量的电压。

根据本发明的实施例，电流测量单元被配置成测量在第一和第二相中的电流，以及功率计算单元被配置成根据在第一和第二相的测量的电流、和在第一和第三相之间与在第二和第三相之间的估计的输入电压计算瞬时功率。这可以通过熟知的方法，例如二瓦特计法(two-watt meter method)，而完成。

根据本发明的另一个实施例，软启动器还包括电流估计单元，被配置成根据其他两相的测量的电流，估计这些相中的一相的电流；以及功率计算单元，被配置成根据所测量的电流之一、一个估计的电流和在第一和第二相之间的测量的输入电压来计算瞬时功率。

根据本发明的实施例，功率计算单元被配置成以第一频率执行功率的计算，转矩计算单元被配置成以第二频率执行所述电动机的电磁转矩的计算，第二频率显著地小于第一频率。所测量/计算的输入电压被采样和被保存，以便于估计在未测量的第三相与另两个相之一之间的输入电压。第一频率大于250Hz是有利的。这样的过采样使得估值更精确。为了节省计算功率，第二频率小于250Hz，优选地，小于100Hz。

本发明的目的还是通过根据本发明限定的方法而达到的。这样的方法包括以下步骤：测量在两对半导体器件上的电压；检测在两对半导体器件之间的电压的过零和将所检测的过零作为信号发送；测量在第一和第二相中或在第一与第二相之间的输入电压；检测在第一与第二相之间的测量的输入电压的过零和将所检测的过零作为信号发送；在接收到信号后，计算在第一与第二相之间的测量/计算的输入电压的过零与两对半导体器件间的电压的过零之间的相延时；根据最新的两个相延时或二的倍数个最新的相延时计算平均相延时；以及根据在电动机启动和停止期间在第一和第二相之间测量的或计算的输入电压的过零和所计算的平均相延时，调节半导体器件的点火角。

为了平滑地启动和停止电动机，该方法还可包括以下步骤：测量在至少两个相中的电流；根据至少一个测量/计算的输入电压，估计在第三相与其它相之一之间的输入电压；根据至少一个估计的输入电压和测量的电流计算提供到电动机的瞬时功率；根据所计算的瞬时功率计算所述电动机的电磁转矩；由此根据计算的电磁转矩和对于电磁转矩的参考转矩值，控制在电动机启动和停止期间的电动机转矩。在第三相与其它相之一之间的输入电压的估计可以是基于在第一和第二相之间的输入电压，该输入电压可以是直接测量的，或可以根据在第一和第二相中的输入电压，即相-地电压，进行计算。

附图说明

现在通过本发明的不同的实施例的描述和参考附图更贴切地说明本发明。

图1a示意地显示包括根据本发明的实施例的软启动器的系统的总貌，其中直流减小单元适于根据计算的、在电动机启动和停止期间的相延时调节半导体器件的点火角。

图1b示意地显示作为图1a所示的系统的变化的第二实施例，其中第二电压测量单元被设置在半导体器件后面。

图2a示意地显示作为图1a所示的系统的另一个变化的第三实施例，其中直流减小单元适于通过使用输入电流的过零作为用于计算在电动机启动和停止期间的点火角的参考而调节半导体器件的点火角。

图2b示意地显示作为图2a所示的系统的变化的第四实施例，其中第二电压测量单元被设置在半导体器件后面。

图3显示当用于图1a所示的系统的半导体器件被接通或关断时，在三相中的两相之间的输入电压、在一相的半导体器件上的电压、和在该相中到电动机的电流对时间点的曲线图。

图4是根据本发明的实施例的、用于减小具有三相的电动机在启动和停止期间的直流分量的本发明的方法的流程图，其中所述三相中的两相由软启动器控制。

优选实施例说明

到电动机的交流电源的频率可以是50Hz或60Hz，提供给电动机的工作电流和工作电压的范围是很大的。在包括配备有软启动器设备的电动机的系统中，电动机的角速度通常由提供的频率和电动机的极数决定。应当看到，也可以使用其它频率。

图1a显示一种系统，其包括具有三相的电动机1、软启动器设备2，用于通过控制电动机的三相线中的两相线而控制供应到电动机的电流和电压，和由电动机1驱动的、诸如泵那样的设备，图1上未示出。电动机1在这种情形下是交流(AC)三相电动机，诸如感应电动机。软启动器设备2与电动机1串联连接。供应到软启动器设备2的电流因而等于供应到电动机的电流。在本例中，第一相线L₁和第三相线L₃被控制，而第二相线L₂具有不能进行切换的导体的形式。对于每个被控制的相线L₁和L₃，提供与线串联连接的开关3A，3C。每个开关3A，3C包括在流过的电流的过零处关断的那种类型的一对半导体器件，且其互相反并联地连接，即，背靠背地并联。这样的半导体可以是例如晶闸管。

软启动器设备2适于通过根据在电动机启动和停止期间的计算的相延时来调节半导体器件的点火角而减小在电动机启动和停止期间在负荷电流中的直流分量。所述软启动器设备2包括直流减小单元16；第一电压测量单元，其包括电压测量设备8A和8C，用于提供在图4的步骤100中的、在两个开关3A和3C上的测量电压；第一过零检测单元14，0-X-Detect₁，被配置成检测在两对半导体器件上的测量的电压的过零和在图4的步骤110，将过零信号提供到直流减小单元；第二电压测量单元7，用于在步骤120，测量在第一和第三相上或第一和第二相之间的输入电压；第二过零检测单元12，0-X-Detect₂，用于在步骤130，检测在第一相L₁和第三相L₃之间的输入电压的过零；和触发器单元15，用于将点火信号发送到每个开关的晶闸管。

每个电压测量设备8A和8C与每对晶闸管3A，3C并联连接，分别在它的输出端处提供数字信号X1和X3，代表测量的电压U1和U3。当所提到的电压，诸如U1，在开关3A的晶闸管上的电压实际上是零时，即，当至少一个晶闸管导通时或在相电压的过零期间，则信号X1是逻辑“0”。在所有的其它情形下，即，当在开关上有电压时，信号X1是逻辑“1”。信号X1和X3被转发到直流减小单元。因此，由第二过零检测单元12生成的数字信号X1’和X3’也被转发到直流减小单元，它们将被用作为用于点火在每个开关3A和3C中的每个晶闸管的参考点。

在电动机启动和停止期间，直流减小单元是工作的，它被配置成分别根据接收的信号X1和X1’、X3和X3’计算相延时，以便通过调节每个开关3A和3C的晶闸管的点火角，即，使得它们导通而控制三相中的两相的电压。在本例中，在相线L₁和L₃上的电压分别由晶闸管对的每个开关3A和3C控制。

因为在晶闸管上的电压的过零和实际的电流的过零是同时的，从0-X-Detect₂到0-X-Detect₁的时间延时等于在两相间的输入电压的过零与对应的半导体器件对上的电压的过零之间的相延时。所以，晶闸管的触发时间是根据在三个相线中的两个相线，在本例中为第一和第二相线之间的检测的输入电压的过零进行计算的，步骤160，用在输入电压的过零与在半导体器件上的电压的过零之间的平均相延时进行补偿如下，图4中的步骤140：

t_trig＝t_uref+phase_delay+α＝t_uref+(t_iref-t_uref)+α＝t_iref+α

其中t_trig是晶闸管的触发时间，t_uref是当输入电压的过零出现时的时间点，α是通过高级别的算法，例如，由斜坡生成器或正如在本例中那样的转矩控制单元所生成的点火角，以及相延时是在两相之间的输入电压的过零与在两对半导体器件上的电压的过零之间的平均时间差值/延时，它等于实际电流的过零的发生时间减去输入电压的过零的发生时间，即，(t_iref-t_uref)。为了均衡掉在正的半个周期和负的半个周期之间的时间差值，平均相延时通过最新的两个相延时，或替换地，通过2的倍数的最新的相延时，例如，四个或六个最新的相延时，进行计算，图4的步骤150。每个最新的相延时当它们被计算出时可被保存在存储装置中。

为了计算晶闸管的触发时间，在三相的两相之间的输入电压的过零-而不是等效于晶闸管对上的电压的过零的、实际的电流的过零-被用作为时间上的参考点。这个参考点然后通过最新的两个相延时或2的倍数的最新的相延时的平均值和预生成的点火角而被补偿，这样，点火角被调节。所以，本发明在减小由在正的和负的半个周期中使用t_iref作为参考点而造成的计时误差方面具有显著的效果。这样，根据本发明，定时误差可以几乎全部被消除，相反，在公布号为No.WO 2008/033088的现有技术中描述的方法通过使用电流的过零用作为参考点，仍旧剩下某些定时误差。这是因为输入电压的过零的定时比起流过晶闸管的实际的电流过零的定时是更稳定的。由于后者取决于许多因素，例如，在三相中的两相之间的输入电压、电动机的功率因子/相延时、谐波、以及最重要的是晶闸管的点火如何进行的方式。所有的这些因素都影响实际的电流的过零的定时。本发明因此使得有可能减小转矩变化和振荡，这又使得转矩控制执行得更好，因为较少的“噪声”被输入到转矩控制环路。

图3显示对于图1a所示的系统当半导体器件接通或关断时，在三相中的两相之间的输入电压、在一相的半导体器件上的电压、和在这相中流过电动机的电流对时间点的曲线图。

通过逐渐增加或减小点火角α，在电动机端子上的电压被对应地调节。

通过计算电动机的电磁转矩，软启动器2适于以期望的启动和停止斜率平滑地启动和停止电动机。该软启动器包括电流测量单元8，用于测量在三相中的两相中—在本例中是第一和第三相—流过电动机的输入电流；电流估计单元10，用于估计一相的电流—在在本例中是第二相的电流；电压估计单元9，用于根据测量的输入电压估计在第三相与另两相中的一相之间—在本例中是第二与第三相之间—的输入电压；功率计算单元20和转矩控制单元30，用于借助于调节供应到电动机的电压而控制开关3A和3C，和由此控制电流。电流和电压测量单元都可以是传感器。

电流测量单元8将测量的输入电流提供到电流估计单元10，以便估计第二相的电流。估计的电流被输入到功率计算单元。在本例中，第二电压测量单元7被设置成测量第一和第三相的相-地电压，并且计算在第一和第三相之间的输入电压u₁₃。然而，它也可以被配置成直接测量在第一和第三相之间的输入电压。对于另外的实施例，也可以测量在开关后面的电压，即，将第二电压测量单元7设置在开关与电动机之间，如图1b所示。

电压估计单元9被配置成接收在两相之间—在本例中在第一和第三相之间—的测量的或计算的输入电压，并由此估计在第二和第三相之间的另一输入电压u₂₃。功率计算单元20被配置成在接收测量的电流和电压、估计的电流和电压后，根据测量的电流与计算的和估计的输入电压的依赖关系，计算被供应到电动机的瞬时功率P_in。

对于如图1a所示的系统，瞬时功率P_in的计算可以如下地完成，

p＝i₁*u₁₃+i₂*u₂₃

其中，

p是要计算的瞬时功率；

i₂＝-i₁-i₃，i₁和i₃是瞬时测量和采样的电流；

u₁₃是第一与第三相之间的输入电压，它可以是瞬时直接测量的，或通过在第一和第二相上的瞬时测量的电压而进行计算的；

u₂₃是第二与第三相之间的估计的输入电压。

通过瞬时测量的/计算的输入电压u₁₃，u₂₃可以被估计为：

u₂₃(k)＝u₁₃(k-x)

其中，

u₂₃(k)是对于当前时间/最新的样本在第二和第三相之间的估计的瞬时输入电压；

u₁₃(k-x)是在120°以前测量/采样的、在第一和第三相之间的瞬时电压，x＝(120/360)*(T/T_s)，被舍入到最接近的整数，T是对于输入电压的周期时间而T_s是样本之间的时间间隔。

正如可以看到的，瞬时功率的这种计算需要估计一个电流和在第二与第三相之间的一个输入电压。然而，也可以应用其它的计算形式；例如，使用两个测量的电流和两个估计的输入电压。

转矩控制单元30包括转矩计算单元34，被配置成根据所计算的瞬时功率计算电动机的电磁转矩。在本例中，转矩控制单元还包括转矩反馈调节器环路40，适于借助于调节到电动机的电压而控制转矩。反馈调节器环路可以是比例积分反馈环路，也称为PI-调节器。通过这个参数，转矩控制单元30根据标称电流I_rms与定子电阻R_stator之间的关系计算在电动机中的功率损耗P_loss。

从计算的供应的瞬时功率P_in中减去电动机功率损耗，计算供应到电动机1的真实功率P_real。然后，通过使用真实功率P_real确定电动机1的电磁转矩T₁₂。电动机1的转矩T₁₂，在这种情形下，正比于到电动机的真实功率P_real。转矩反馈调节器环路18被用来提供对于电动机的减速和加速的更好的控制。在调节环路中，计算在估计的电磁转矩T₁₂与对于电磁转矩的参考值T_m之间的差值。根据计算的转矩与参考值之间的比较结果，计算误差信号。根据转矩误差信号控制电动机的速度。参考转矩值T_m是从由负荷模型根据经验，例如，对于诸如泵那样的二次负载而确定的转矩T设置点斜率得出的。T设置点斜率是基于与启动和停止时间有关的输入设置和额定电流I_e，和由第二电压测量单元7测量的电压。

当启动电动机时，软启动器设备2具有可以等于至少标称输入电流乘以所测量的电压的目标转矩。这具有转矩目标的效果：很可能超过电动机1加负荷达到的转矩。转矩的增加速率基本上是线性的，优选地，是均匀、稳定地增加转矩。转矩目标和转矩控制的使用使得加速更平滑和更均匀。这个原理可被应用到转矩的稳定减小的电动机的停止操作。因此，达到平滑地启动和停止三相电动机的目的。

还有可能组合转矩控制单元与另一个直流减小单元，以达到如图2a所示的本发明的目的，其中直流减小单元，如在现有技术中描述的，使用输入电流的过零作为用于计算点火角的参考，适于在电动机启动和停止期间调节半导体器件的点火角。图2b是如图2a所示的系统的变例，其中用于测量在第一和第二相中或在第一和第二相之间的电压的电压测量单元被设置在开关与电动机之间。

应当指出，虽然上面描述了本发明的示范性实施例，但可以对于所描述的解决方案作出几个变例，而不背离如在权利要求中限定的本发明的范围。例如，一个变化可以是仅仅测量由软启动器控制的电流。