电机软启动器控制的制作方法

1.本发明涉及用于控制用于启动电机的电机软启动器的方法。


背景技术：

2.许多连接到电网的电机由软起动器启动。软起动器在电机启动时逐渐升高电机的电压，以便在启动阶段限制流过电机的电流。因此，软起动器允许平稳地启动电机，逐步提高其速度，并减少电机启动阶段的浪涌电流和机械损坏等。然而，希望改进软启动器的控制，以改善上述效果。


技术实现要素：

3.本公开的目的是提出一种用于控制用于启动三相电网上的电机的电机软启动器的方法，以便减少或补偿电网的三相之间的不平衡。
4.为了达到这个目的，本公开提出了一种用于控制用于启动三相电网上的电机的电机软启动器的方法，该软启动器包括三个臂，每个臂包括处于反并联配置的两个晶闸管并将电网的相应相连接到电机的相应绕组，该方法包括:
[0005]-确定电网的三相之间的不平衡；
[0006]-基于所确定的三相之间的不平衡，计算三个臂中的第一臂的晶闸管的第一点火角(firing angle)；以及
[0007]-在第一点火角将触发脉冲施加到特定臂的特定晶闸管上。
[0008]
通过基于电网的三相之间的不平衡计算第一臂的晶闸管的第一点火角，软启动器可以减少电网传输到电机的电流之间的不平衡。因此，考虑电网中不平衡的软启动器的控制改善了启动时对电机的控制。
[0009]
可选地，不平衡包括电网的三相之间的相位和幅度不平衡中的一个或多个。相位和幅度允许确定软启动器的每个臂到电机之间传输的电信号，因此允许计算第一点火角，使得由第一臂传输的电信号基本上等于由至少另一臂传输的电信号。传输的电信号可以包括传输的电流和/或传输的电压。
[0010]
可选地，基于三相的不平衡计算第一臂的晶闸管的第一点火角包括，计算第一点火角使得在电网的半周期期间由第一臂施加到电机的电流与由至少另一臂施加的电流明显相同。电网的半周期，在本公开中应该理解为三相中每一相的半周期。这允许在三个臂中的每一个的每个半周期控制电网的电流不平衡。因此，可以在晶闸管的每个触发脉冲处补偿不平衡。
[0011]
可选地，触发脉冲在第一点火角也被施加到第一臂的另一晶闸管。这允许控制同一臂的两个晶闸管，而不考虑臂中的电网电流的符号。
[0012]
可选地，第一点火角也基于电机的估计扭矩来计算。这允许基于电机中的估计扭矩来控制软启动器。
[0013]
可选地，第一点火角也基于电机的估计电流来计算。这允许基于电机中的估计电
流来控制软启动器。
[0014]
可选地，基于电网的电流的符号来确定第一臂的特定晶闸管。这允许一个接一个地控制同一臂的晶闸管，从而通过减少施加的触发脉冲的数量来减少每个晶闸管的磨损。
[0015]
可选地，为软启动器的第二臂的晶闸管计算第二点火角并为其第三臂的晶闸管计算第三点火角，点火角中的至少两个是基于三相之间的不平衡来计算的。这允许补偿每个臂中三相之间的不平衡，以改进对电机的控制。
[0016]
可选地，计算第一、第二和第三点火角，使得从软启动器的相应臂中的每一个施加到电机的相应绕组中的每一个的电压信号的积分在三个臂上基本相等。这允许在不测量任何电机电流的情况下将相同的传输电压或类似的传输电压传输到软启动器的每个臂中的电机。
[0017]
可选地，点火角对应于从电网的电流或电压变得等于零的角开始的角延迟。这允许基于α命令(即，通过向晶闸管的栅极提供对应于角α并在对应相电压的零电压角之后的延迟)或者基于γ命令(即，通过向晶闸管的栅极提供对应于角γ并在对应相电流的零电流角之后的延迟)来控制电机软启动器。
[0018]
可选地，不平衡包括电网的三相之间的电压不平衡，该电压不平衡是基于电网的三相中的每一相上的电压测量来估计的。这允许避免测量电机每个绕组中的电流。
[0019]
可选地，不平衡包括电机的三个绕组之间的电流不平衡，该电流不平衡是基于电机的三个绕组的每一个上的电流测量来估计的。这允许避免估计电网中的电压。
[0020]
可选地，电流不平衡基于三个绕组中每一个的均方根电流来确定。均方根电流直接表征了从每个臂到电机的传输的电流，因此允许补偿电网各相之间的不平衡。
[0021]
本公开还提供了包括一种指令的计算机可读存储介质，当由处理器执行时，该指令使得处理器执行在此提供的方法之一。处理器可以嵌入到软启动器中。
附图说明
[0022]
图1示出了包括用于启动电机的软启动器的电路的示例。
[0023]
图2示出了用于控制电机软启动器的示例方法。
[0024]
图3示出了用于补偿电流不平衡的示例。
[0025]
图4示出了电网中电压信号的示例。
具体实施方式
[0026]
本公开适用于用于控制用于启动电机的电机软启动器的方法。图1示出了可以应用该方法的电路的示例。
[0027]
图1的电路包括连接到电网1的电机3，电网1被配置为向电机3施加电信号。该电路还包括连接在电网1和电机3之间的电机软启动器2。
[0028]
电网1可以是三相网络，其被设计成在电机的每个绕组中提供电信号，例如交流信号。电网相10a、10b和10c中的每一个相应连接到电机软启动器的臂20a、20b和20c。
[0029]
因此，电机软启动器包括三个臂20a、20b和20c，它们适于在一侧分别连接到电机3的三个绕组30a、30b、30c，并且在另一侧分别连接到电网的三个相10a、10b和10c。
[0030]
如图1所示，电机软启动器的每个臂20包括反并联配置(头对尾)的两个晶闸管。软
启动器的臂20可以被认为是电网的相10和电机的相应绕组30之间的受控开关。也就是说，通过控制电机软启动器的臂20的晶闸管，可以控制从电网的一相传递到电机的相应绕组的电信号。
[0031]
在一些示例中，电机软启动器可以包括处理器proc，例如控制器或微控制器。处理器proc可以被配置成通过用适当的触发脉冲控制每个臂的晶闸管的相应栅极的供电来控制每个臂的晶闸管，使得晶闸管可以从阻断状态切换到通过状态。
[0032]
处理器proc被配置成根据这里描述的任何方法操作。处理器proc可以包括电路以用于由操作系统管理的计算。
[0033]
电机软启动器还可以包括非暂时性机器可读或计算机可读存储介质，例如存储器或存储单元mem，由此非暂时性机器可读存储介质用可由处理器(例如处理器proc)执行的指令编码，机器可读存储介质包括操作处理器proc以根据这里描述的任何示例方法进行执行的指令。根据本公开的计算机可读存储装置可以是存储可执行指令的任何电子、磁、光学或其他物理存储设备。计算机可读存储装置可以是例如随机存取存储器(ram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、存储驱动器和光盘等。如本文所述，计算机可读存储装置可以根据本文所述的方法用可执行指令编码。存储装置或存储器可以包括任何电子、磁、光学或其他物理存储设备，其存储如本文所述的可执行指令。
[0034]
图1的电路还可以包括用于测量电网的每一相中的电压的部件。该测量部件例如是电压表。
[0035]
该电路还可以包括用于测量电网的相或电机的绕组中的电流的部件。该测量部件例如是电流表。
[0036]
参考图2，本公开将呈现用于控制电机软启动器的示例方法100。
[0037]
如框110所示，该方法包括确定电网的三相之间的不平衡。
[0038]
在一些示例中，电网的三相之间的不平衡可以对应于参考相和另外两相之间的不平衡。
[0039]
在一些示例中，电网的三相之间的不平衡可以包括电网的三相之间的相位和幅度中的一个或多个。在一些示例中，三相之间的不平衡可能包括电压不平衡或电流不平衡。
[0040]
相不平衡对应于这样一个事实，即在电网的每一相之间可能不会施加完全相同的2π/3相移(dephasing)。
[0041]
幅度不平衡对应于这样一个事实，即电网的三相可能不会在每一相中具有完全相同的电压和/或电流幅度。
[0042]
确定电网的周期中电网的两相之间的相位和幅度不平衡两者可以对应于确定电网的相之间的电信号不平衡。
[0043]
因此，在不考虑不平衡的情况下，当在所有三相上使用相同的点火角来致动电机软启动器的晶闸管的栅极时，相位和/或幅度不平衡中的至少一个导致在不同相的导电晶闸管的通过状态期间由每一相施加到电机的电信号在相之间不等效或不平衡。
[0044]
本说明书中的角应理解为对应于特定时间。术语角反映了所考虑的电信号是正弦信号的事实。当提到“零电压角”时，应当理解，这种角对应于电压取零值的特定时间。当提到“零电流角”时，应当理解，这种角对应于电流取零值的特定时间。点火角对应于晶闸管被触发的特定时间。术语“角”反映了这种与角相关的时间是周期性的，并且相关动作周期性
地重复，即在所考虑的电信号的每个周期性循环中重复。
[0045]
在一些示例中，可以基于电机的每个绕组中的电流测量(例如电流表测量)来估计电网的电流不平衡。
[0046]
实际上，考虑其中电机的组件在三个绕组之间平衡的理想电机，观察到的电机绕组电流中的不平衡对应于电网中的不平衡。
[0047]
在一些示例中，可以基于电机的每个绕组的均方根电流(rms电流)来估计电流不平衡m1。rms电流可以基于电机绕组的电流测量来估计。
[0048]
在一些示例中，第一rms电流i
1rms
、第二rms电流i
2rms
和第三rms电流i
3rms
可以分别基于电机的第一绕组30a、第二绕组30b和第三绕组30c的电流测量来确定。因此，可以估计第一rms电流i
1rms
、第二rms电流i
2rms
和第三rms电流i
3rms
之间的电流不平衡。
[0049]
例如，可以确定电网各相之间的电流不平衡，从而确定平均rms电流i
mean
。平均rms电流i
mean
可以对应于三个绕组中的每一个的rms电流的平均值，并且例如可以对应于:
[0050][0051]
在一些示例中，相10的电流不平衡mi可以对应于电机的对应绕组30中的rms电流i
rms
和基于电机的三个绕组30的每个rms电流(i
1rms
、i
2rms
、i
3rms
)确定的平均rms电流i
mean
之间的差。
[0052]
电网的第一相10a和电网的平均rms电流i
mean
之间的电流不平衡m
i1
可以例如对应于:
[0053][0054]
电网的第二相10b和电网的平均rms电流i
mean
之间的电流不平衡m
i2
可以例如对应于:
[0055][0056]
电网的第三相10c和电网的平均rms电流imean之间的电流不平衡m
i3
可以例如对应于:
[0057][0058]
相应相10之间的电流不平衡mi可以用安培(a)表示。
[0059]
在一些示例中，相10的电流不平衡mi可以对应于对应相的rms电流i
rms
和另一对应相的另一rms电流i
rms
之间的差。
[0060]
在一些示例中，可以基于电网的每个相中的电压测量(例如电压表测量值)来估计电压不平衡mv。
[0061]
在一些示例中，表征电压不平衡的电网的电压模型可以基于电压测量来估计。
[0062]
具体地，电网的电压模型可以包括正向电压分量vd和反向电压分量vi。
[0063]
在一些示例中，电网的电压模型可以表示如下:
[0064]
v＝vde
jωt
vie-jωt
[0065]
其中v是电网的电压模型，vd是正向电压(direct voltage)分量，vi是反向电压分量。
[0066]
在理想的电网中，反向电压分量vi等于0。因此，反向电压分量vi可以表征电网上的电压不平衡。反向电压分量vi例如可以表示为正向电压分量vd的百分比。
[0067]
电压不平衡mv的示例可以对应于反向电压分量和正向电压分量之间的比率:
[0068][0069]
其中，mv是电压不平衡，vi是反向电压分量，vd是正向电压分量。
[0070]
在一些示例中，电压不平衡允许确定电网的三相中每一相的电压信号。
[0071]
在一些示例中，第一电压信号va可以对应于:
[0072]va
＝re(v)＝re(vde
jωt
vie-jωt
)，
[0073]
在一些示例中，第二电压信号vb可以对应于:
[0074][0075]
在一些示例中，第三电压信号vc可以对应于:
[0076][0077]
其中re(x)对应于复数x的实部。
[0078]
基于上述第一电压信号va、第二电压信号vb和第三电压信号vc，可以确定与电压信号相关联的周期中的在其中电压信号越过零电压的时间t(即va、vb和vc＝0的相应时间t)。因此，可以基于该相应时间t来确定电网的每一相之间的相位不平衡。图4示出了分别与第一电压信号va、第二电压信号vb和第三电压信号vc相关联的第一时间t1、第二时间t2和第三时间t3。
[0079]
仍然基于上面的第一电压信号va、第二电压信号vb和第三电压信号vc，可以例如通过找到电网的周期中第一电压信号va、第二电压信号vb和第三电压信号vc的最小值和最大值来确定幅度不平衡。然后，通过在电压信号va、vb和vc之间比较这些电压信号va、vb和vc的相应最小值和相应最大值中的一个或多个，可以确定幅度不平衡。
[0080]
如框120所示，该方法包括基于相之间的不平衡计算三个臂中的第一臂的晶闸管的第一点火角。
[0081]
在一些示例中，可以基于α命令来控制晶闸管，即，通过向晶闸管的栅极提供对应于角α并在电网的相电压从正相位或从负相位变得等于零的角(零电压角)之后的延迟。与臂的晶闸管相关联的角α是从电压的正相位之后的零电压角开始计算的，而与臂的另一晶闸管相关联的另一角α是从电压的负相位之后的零电压角开始计算的。
[0082]
因此，第一点火角可以对应于电网的对应第一相10a的零电压角之后的角α1。
[0083]
在一些示例中，可以基于γ命令来控制晶闸管，即，通过向晶闸管的栅极提供对应于角γ并在电网的相电流从正相位或从负相位变得等于零的角(零电流角)之后的延迟。与臂的晶闸管相关联的角γ从电流的正相位之后的零电流角开始，而与臂的另一晶闸管相关
联的另一角γ从电流的负相位之后的零电流角开始。
[0084]
因此，第一点火角可以对应于电网的对应第一相10a的零电流角之后的角γ1。
[0085]
基于电网各相之间的不平衡确定的第一点火角旨在减少电网各相之间的不平衡。这允许减少扭矩脉动(torque ripple)和电机的过早老化，同时在电机的绕组中具有更好的热再分配。
[0086]
在一些示例中，第一点火角(α1,γ1)可以基于参考点火角(αr,γr)(对应于其他臂(20b，20c)中的至少一个的点火角)、并且基于与参考点火角(αr,γr)相关联的臂(20b，20c)的相(10b，10c)和与第一点火角(α1,γ1)的臂(10a)相关联的电网的对应相10a之间的不平衡来计算。
[0087]
参考点火角(αr,γr)例如可以基于电机中的电流测量来确定，以便逐渐增加或限制电机中的电流。参考点火角(αr,γr)例如可以基于电机中的估计扭矩来确定，以便达到目标扭矩或以便限制电机中的扭矩。
[0088]
参考点火角(αr,γr)不一定与臂20相关联，而是可以构成用于基于参考点火角(αr,γr)的比率来确定适于每个臂20的特定点火角的基础以便平衡在电网周期中通过臂20的相应电信号。
[0089]
在一些示例中，第一点火角(α1,γ1)可以被计算成使得由第一臂(10a)在半周期或全周期中传输到电机的电信号可以基本上等于由参考角(αr,γr)的臂(10b，10c)在电网的相应半周期或全周期中传输的电信号。
[0090]
在一些示例中，第一点火角(α1,γ1)可以被计算成使得在电网的半周期或全周期期间由第一臂20a施加到电机的电流与由另一臂施加的电流明显相同。在一些示例中，可以计算电机软启动器的特定臂的适用的第一点火角(α1,γ1)，使得由该特定臂施加的电流和由另一臂施加的电流之间的差低于预定阈值。这种预定阈值可以例如包括在由另一臂施加的电流的0.2％和1％之间。这种预定阈值例如可以是由另一臂施加的电流的0.5％。
[0091]
在这样的示例中，第一点火角(α1,γ1)可以基于表示相之间的幅度不平衡的第一rms电流i
1rms
、第二rms电流i
2rms
和第三rms电流i
3rms
的反馈来计算。
[0092]
这种反馈在图3中示出，其中控制器c，例如处理器proc，可以计算第一点火角(α1,γ1)以将电网的第一相10a中的电流调节到电机的三个绕组的rms电流的平均值i
mean
。因此，该调节基于电机的绕组中的rms电流的估计。
[0093]
在一些示例中，可以确定参考角(αr,γr)和要确定的第一点火角(α1,γ1)之间的比率，以补偿连接到与参考角(αr,γr)相关联的晶闸管的电机的绕组中的参考rms电流和连接到要确定的第一点火角(α1,γ1)的晶闸管的绕组的rms电流之间的差。
[0094]
如图3所示，第二点火角(α2,γ2)和第三点火角(α3,γ3)也可以由控制器c基于第一rms电流i
1rms
、第二rms电流i
2rms
和第三rms电流i
3rms
来计算，使得电网的第二相10b和第三相10c上的电流也可以被调节到电机的三个绕组的rms电流的平均值i
mean
。在这种情况下，在电网的每个半周期或全周期，传递到电机的每个绕组的电流基本相同，因此补偿了电机的绕组之间的不平衡。在该示例中，每个臂可以具有其自己的特定点火角，该特定点火角基于参考点火角的相应比率来确定，这里的参考点火角不与特定臂相关联。在该示例中，可以计算点火角，使得电机的绕组之间的第一rms电流i
1rms
、第二rms电流i
2rms
和第三rms电流i
3rms
之差低于预定阈值。这种预定阈值可以例如包括在平均rms电流i
mean
的0.2％和1％之
间。
[0095]
应该注意的是，在电网的每个半周期计算点火角允许不同地控制每个臂的两个晶闸管中的每个晶闸管，并补偿电网的每个半周期之间的不平衡。
[0096]
在一些示例中，可以计算第一点火角，使得由第一臂20a施加到电机的电压与由电网的另外两个臂(20b，20c)施加的电压明显相同。可以计算第一点火角，使得由第一臂20a施加到电机的电压和由另一臂(20b，20c)施加到电机的电压之间的差低于预定阈值。这种预定阈值可以例如包括在电网的半周期或全周期期间由另一臂施加的电压的1％和5％之间。
[0097]
因此，可以基于电压信号va、vb和vc的积分来计算第一点火角。
[0098]
在一些示例中，第一点火角和第一过零电压t1之间的第一电压信号va的第一积分可以等于至少一个其他电压信号vb和vc的等效积分。其他电压信号中的至少一个可以被认为是具有相关联的参考点火角的参考电压信号。
[0099]
代表电网的三相电压示例的电压信号如图4所示。示出了分别与电网的第一电压相10a、第二电压相10b和第三电压相10c相关联的第一电压信号va、第二电压信号vb和第三电压信号vc。第一积分a1在图4中表示为针对第一电压信号va的正相位和负相位。第二积分a2表示为针对第二电压信号vb的正相位。第三积分a3表示为针对第三电压信号vc的正相位。
[0100]
因此，第一电压信号va的第一积分a1可以对应于第一电压信号在第一点火角α1和对应于第一电压信号va的过零电压的第一时间t1之间的区域。
[0101]
因此，第一积分a1可以对应于:
[0102][0103]
因此，第二电压信号vb的第二积分a2可以对应于第二电压信号在第二点火角α2和对应于第二电压信号vb的过零电压的第二时间t2之间的区域。
[0104]
因此，第二积分a2可以对应于:
[0105][0106]
因此，第三电压信号vc的第三积分a3可以对应于第三电压信号在第三点火角α3和对应于第三电压信号vc的过零电压的第三时间t3之间的区域。
[0107]
因此，第三积分a3可以对应于:
[0108][0109]
因此，可以确定电机软启动器的特定臂的适用的点火角α，使得其电压信号的积分as等于另一臂的电压信号的积分ao。在一些示例中，可以确定电机软启动器的特定臂的适用的点火角α，使得其电压信号的积分as和另一臂的电压信号的积分ao之间的差低于预定阈值。这种预定阈值例如可以是as的1％。这种预定阈值例如可以是as的0.5％。
[0110]
在一些示例中，可以确定与臂相关联的参考点火角(αr)。
[0111]
因此，与电网的相相关联的电压信号vr的参考积分可以计算如下:
[0112][0113]
然后，可以计算例如α1和α2另外两个点火角，使得它们相应的相关联积分a1和a2基本上等于ar。
[0114]
如框130所示，方法100包括在第一点火角在第一臂的特定晶闸管上施加触发脉冲。
[0115]
触发脉冲是发送到晶闸管栅极并允许晶闸管从阻断状态切换到通过状态的脉冲。触发脉冲可以例如由处理器proc控制。
[0116]
在一些示例中，第一臂的特定晶闸管可以基于电流的符号来确定。更准确地说，特定晶闸管可以对应于当接收触发脉冲时将直接使网络的电信号通过的晶闸管。
[0117]
在一些示例中，第一臂的两个晶闸管可以在第一点火角接收触发脉冲，但是由于考虑到电流的符号，它们中的一个充当二极管，所以电信号将不会通过晶闸管。
[0118]
其他触发脉冲可以在它们相应的点火角施加到其他臂的晶闸管。如上所述，可以计算每个臂的晶闸管的点火角，使得当在每个相应的点火角施加触发脉冲时，电网的不平衡得到补偿。
[0119]
因此，基于电网的不平衡计算软启动器的每个臂的个性化点火角导致通过在电机的每个绕组之间传输相同或相似的电信号来补偿不平衡。此外，基于电网的不平衡计算一个点火角，如果不完全补偿不平衡，至少允许减少不平衡，即使其他点火角不是基于不平衡确定的。尤其是，减少或补偿电网各相之间的不平衡允许减少电机的热冲击，减少扭矩脉动并防止电机过早老化等。这也允许通过降低浪涌电流或平稳启动电机来改善通过软启动器的传统控制所产生的效果。