CN111316561B

CN111316561B - 永磁激励同步电机的运行

Info

Publication number: CN111316561B
Application number: CN201780096601.9A
Authority: CN
Inventors: H.南宁; H.扎托西尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: DE112017008030A5; WO2019052640A1; BR112020004974A2; CN111316561A

Abstract

本发明涉及一种用于运行永磁激励同步电机(1)的方法，该永磁激励同步电机具有带有定子绕组的定子(2)、转子(3)和用于调节定子绕组的相电流(i_U，i_V，i_W)的晶闸管调节器(4)。在该方法中，连续地检测同步电机(1)的至少两个端电压。为了启动同步电机(1)，以至少一个电流脉冲给定子绕组通电。在每个电流脉冲之后，检查由端电压形成的电压特征值是否超过预给定的电压阈值。一旦电压特征值超过电压阈值，则通过在使用分别检测到的当前的端电压的情况下反复确定相应当前的极轮角，在使用相应当前的极轮角的情况下计算出针对同步电机(1)的相应当前的最佳点火角，并且与相应当前的最佳点火角相对应地控制晶闸管调节器(4)，来运行同步电机(1)。

Description

永磁激励同步电机的运行

技术领域

本发明涉及一种用于运行永磁激励同步电机的方法，该永磁激励同步电机具有带有定子绕组的定子、转子和用于调节定子绕组的相电流的晶闸管调节器。

背景技术

三相电机根据IEC标准60034依据其效率被划分为不同的能效等级。恰好在直至大约20kW的低功率范围内，很难满足高效电机(IE 4)的效率的预设值。因此，越来越致力于在转子中使用永磁体，尤其是使用永磁激励同步电机。尽管该电机类型能够实现高的能效水平，然而在刚性的电网上启动和运行该类型的电机并不容易实现。

为了使永磁激励同步电机能够在刚性的电网上启动和运行，可以在电机的转子中设置阻尼笼。阻尼笼虽然能够实现刚性的电网上的安全的启动，然而由于非常高的启动电流，使供电的电网遭受很强的负载。

DE 10 2011 085 859 A1(Siemens AG:Benecke)在2013年5月8日公开了一种用于借助包括三个半导体调节器的三相的三相电流调节器来运行同步电机的方法，该三相电流调节器连接到三相电网。在此，在至少两个半导体调节器接通时，在考虑到同步电机的极轮电压与三相电网的电网电压之间的相差、同步电机的转子的转速、同步电机的定子电流和三相电网的相位的情况下，在可确定的时间段内预先计算出同步电机的转矩走向。根据预先计算，确定接通至少两个半导体调节器的开关时刻。然而，该方法需要同步电机的当前的极轮角和当前的转速，从而同步电机必须装备有对应的旋转编码器系统，以用于检测极轮角和转速。

WO2018/072810A1(Siemens AG:Nannen；Zatocil)在2018年4月26日公开了一种用于对准三相电机的方法，其中，在第一步骤中确定最佳点火角，在第二步骤中在使用所确定的最佳点火角的情况下进行第一对准，并且在第三步骤中，通过转子在另外的电流方向上被施加以之前所确定的点火角，来执行对转子的对准的可信度测试。为了根据该方法对准转子，通常需要几秒钟。在对准转子之后，可以启动电机。通过对准转子，将转子旋转到所定义的初始位置，以便为启动电机确定第一点火角。为了启动，例如可以使用一种方法，该方法从2018年5月17日的专利申请WO2018/086688A1(Siemens AG:Nannen；Zatocil)中已知。在此，借助点火晶闸管使转子以最大的转矩从已知的初始位置旋转，测量通过转子的旋转而感应出的电压，并且确定同步电机的最佳点火角。该方法能够实现在没有旋转编码器系统的情况下启动电机，然而规定了在启动之前对转子进行对准。

NANNEN HAUKE等人的文章“基于反EMF测量的软启动器驱动的线路启动PMSM的无传感器启动(Sensorless start-up of soft starter driven line-start PMSM basedon back EMF measurement)”，2017年，IEEE第26届国际工业电子学术会议(ISIE)，IEEE，(20170619)，doi:10.1109/ISIE.2017.8001272，354–361页，XP033136538，描述了一种用于在软启动设备上无编码器的情况下启动IE4直联式永磁激励同步电机(PMSM)的方法。在借助脉动的电流空间矢量确定初始的转子位置之后，利用已知的启动角借助软启动设备从静止状态启动电机。可以基于电机的感应出的EMK(电动势)电压来计算出随后的点火角。

ZATOCIL HEIKO等人的文章“软启动器驱动的IE4电机的无传感器启动(Sensorless start-up of soft starter driven IE4 motors)”，2017年，IEEE-PELS和EPE协会联合举办的第19届欧洲电力电子和应用会议(EPE'17ECCE EUROPE)，(20170911)，doi:10.23919/EPE17ECCEEUROPE.2017.8098972，XP033250354，描述了一种用于在软启动设备上无编码器的情况下启动IE4直联式永磁激励同步电机(PMSM)的方法。首先借助脉动的电流空间矢量来确定初始的转子位置。然后利用已知的启动角借助软启动设备从静止状态启动电机。基于通过减少的卢恩伯格观察器(Luenber-Beobachter)估计的流动角度和速度计算出随后的点火顺序，除了标准工业软启动设备以外，这不需要附加的编码器。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于运行永磁激励同步电机的方法，该方法尤其在用于启动同步电机所需的时间方面有所改善并且在没有用于检测极轮角的旋转编码器系统的情况下也是适用的。

根据本发明，该技术问题通过权利要求1的特征来解决。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在根据本发明的用于运行永磁激励同步电机的方法中，连续地检测同步电机的至少两个端电压，该永磁激励同步电机具有带有定子绕组的定子、转子和用于调节定子绕组的相电流的晶闸管调节器。为了启动同步电机，以至少一个电流脉冲给定子绕组通电。在每个电流脉冲之后，检查由端电压形成的电压特征值(例如所检测到的端电压的幅值的最大值或由端电压形成的电压空间矢量的幅值)是否超过预给定的电压阈值，在该电压阈值下可在使用端电压的情况下确定极轮角。一旦电压特征值超过电压阈值，则通过在使用分别检测到的当前的端电压的情况下反复确定相应当前的极轮角，在使用相应当前的极轮角的情况下计算出针对同步电机的相应当前的最佳点火角，并且与相应当前的最佳点火角相对应地控制晶闸管调节器，来运行同步电机。在此，将同步电机的定子绕组理解为三相的定子绕组，即理解为定子的相绕组的整体。

因此，本发明规定，检测永磁励磁同步电机的端电压，并且在使用检测到的端电压的情况下确定同步电机的转子的极轮角。在同步电机的运行中，反复确定极轮角，并且在使用相应当前的极轮角的情况下计算出相应的最佳点火角，利用该最佳点火角控制晶闸管调节器以调节同步电机的定子绕组的相电流。由此，可以有利地省去昂贵的旋转编码器系统，该旋转编码器系统用于检测极轮角并且随后计算最佳点火角。

此外，本发明规定，为了启动同步电机，以电流脉冲给定子绕组通电，直到由端电压形成的电压特征值超过足以确定极轮角的预给定的电压阈值为止。在此充分利用如下：根据经验，通常仅在几个电流脉冲之后，至少一个端电压已经足够大，以便确定极轮角。由此，可以省去对转子的费时的对准，使得与在两阶段的方法中相比可以明显更快地启动同步电机，在该两阶段的方法中，首先通过设置所定义的极轮角来对准转子。通常，在根据本发明的方法中，已经可以在10ms至100ms之后根据端电压确定极轮角，而对转子的完全对准通常需要几秒钟，从而节省了几秒钟来启动同步电机。

本发明的设计方案规定，检测至少两个相电流，并且在使用检测到的相电流的情况下确定相应当前的极轮角，和/或在使用检测到的相电流的情况下计算出相应当前的点火角。本发明的该设计方案能够实现在确定极轮角和/或最佳点火角时除了端电压之外还考虑到相电流。由此，可以改善对极轮角的确定和/或也可以依据相电流来计算并且因此进一步优化点火角。

本发明的另外的设计方案规定，电压阈值是最小的电压特征值，在该最小的电压特征值中可在使用端电压的情况下确定极轮角。由此最大化上面已经提到的在启动同步电机时的时间节约(Zeitgewinn)。

本发明的另外的设计方案规定，预给定转矩窗和相电流窗，并且相应当前的最佳点火角是在其情况下作用在转子上的转矩位于转矩窗内部，并且定子绕组的每个相电流位于相电流窗内部的点火角。本发明的该设计方案有利地防止了过高的转矩或过高的相电流使同步电机或与该同步电机连接的电网以及连接到电网的耗电器被过强地负载。

本发明的另外的设计方案规定，如果电压特征值未超过电压阈值，则电流脉冲的电流空间矢量相对于之前的电流脉冲的电流空间矢量发生改变。特别地，只要电压特征值未超过电压阈值，则每个电流脉冲的电流空间矢量可以相对于在其之前的电流脉冲的电流空间矢量发生改变。在改变相继的电流脉冲的电流空间矢量时，例如沿同步电机的旋转场的旋转方向旋转电流空间矢量。此外，在改变相继的电流脉冲的电流空间矢量时，电流空间矢量例如旋转60度或60度的倍数。通过本发明的该设计方案可以防止产生多个电流脉冲，所述电流脉冲由于其电流空间矢量的空间矢量方向和转子的当前位置不会导致转子的旋转或仅导致转子的轻微的旋转。由此进一步加速同步电机的启动。

本发明的另外的设计方案规定，预给定电流脉冲的最大脉冲数，并且如果电流脉冲的数量达到最大脉冲数而电压特征值未超过电压阈值，则终止以电流脉冲给定子绕组通电。本发明的另外的设计方案规定，预给定最大改变数，并且如果相继的电流脉冲的电流空间矢量的改变的数量达到最大改变数而电压特征值未超过电压阈值，则终止以电流脉冲给定子绕组通电。本发明的该设计方案考虑了故障情况，在该故障情况下例如由于缺陷或故障而不能启动同步电机。在这种情况下，如果电流脉冲的数量达到预给定的最大脉冲数和/或相继的电流脉冲的电流空间矢量的改变的数量达到预给定的最大改变数，则终止该方法。

根据本发明的永磁激励同步电机包括带有定子绕组的定子、转子、用于调节定子绕组的相电流的晶闸管调节器、用于检测同步电机的至少两个端电压的电压测量设备和用于按照根据本发明的方法控制晶闸管调节器的控制单元。由根据本发明的方法的上述的优点产生这种同步电机的优点。

附图说明

结合下面对实施例的描述，本发明的上面描述的特性、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚并且更容易理解，结合附图更详细阐述实施例。在此附图中：

图1示出了永磁激励同步电机的电路图，

图2示出了用于运行永磁激励同步电机的方法的流程图，

图3示出了永磁励磁同步电机的定子绕组的相电流的时间改变过程，并且

图4示出了永磁励磁同步电机的转子的极轮角的时间改变过程。

具体实施方式

图1示出了永磁激励同步电机1的电路图。同步电机1包括具有(未示出的)三相的定子绕组的定子2、转子3、用于调节定子绕组的相电流i_U、i_V、i_W的闸管调节器4和用于控制晶闸管调节器4的控制单元5。

对于定子绕组的每个相U、V、W，晶闸管调节器4具有两个反并联连接的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2的晶闸管对6、7、8。晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2的点火电极连接到控制单元5，由该控制单元提供对于点火晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2所需的点火信号。通过点火与相U、V、W相关联的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2，产生定子绕组的该相U、V、W的相电流i_U、i_V、i_W。当该相U、V、W的相电流i_U、i_V、i_W变为零或改变其符号时，相U、V、W的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2自身关断。根据依据图2详细描述的方法，控制单元5被设计为用于控制晶闸管调节器4。例如，控制单元5被实施为可编程的微控制器，该微控制器被编程为用于实施该方法。

图2示出了用于运行永磁激励同步电机1的方法的流程图。在该方法中，连续地检测同步电机1的至少两个端电压。此外，实施下面所描述的方法步骤S1至S7。

在第一方法步骤S1中，以电流脉冲给定子2的定子绕组通电。为此，点火两相U、V、W的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2，使得该相的相电流i_U、i_V、i_W在幅值上大小相同，但是具有彼此相反的符号。不点火第三相U、V、W的晶闸管A1、A2、B1、B2、C1、C2，使得第三相电流i_U、i_V、i_W为零。

在第一方法步骤S1之后，即在电流脉冲衰减之后或在每个相电流i_U、i_V、i_W的幅值或由相电流i_U、i_V、i_W所形成的电流空间矢量的幅值低于预给定的电流阈值之后，则以第二方法步骤S2继续该方法。

在第二方法步骤S2中，检查由端电压形成的电压特征值(例如所检测到的端电压的幅值的最大值或由端电压形成的电压空间矢量的幅值)是否超过预给定的电压阈值，在该电压阈值下可在使用端电压的情况下确定转子3的极轮角。如果检查表明电压特征值没有超过电压阈值，则以第三方法步骤S3继续该方法，否则以第五方法步骤S5继续该方法。

在第三方法步骤S3中，将对为通电定子绕组而产生的电流脉冲进行计数的计数变量的值增加1。如果计数变量的值之后达到预给定的最大脉冲数，则该方法在第四方法步骤S4中终止。否则，在第三方法步骤S3之后再次实施第一方法步骤S1。

因此，在前四个方法步骤S1至S4中，以电流脉冲给定子绕组通电，直到电压特征值超过预给定的电压阈值或电流脉冲的数量达到预给定的最大脉冲数为止。在电压特征值超过电压阈值的情况下，转子3足够快速地旋转，以便根据检测到的端电压确定极轮角，从而可以以第五方法步骤S5继续该方法。在电流脉冲的数量达到预给定的最大脉冲数的情况下，规定终止该方法，以便应对不能启动同步电机1的故障情况。

另外的步骤S5至S7与从具有申请号PCT/EP2016/077201的专利申请中已知的、用于运行同步电机1的方法相对应，并且因此在此不进行详细描述。

在第五方法步骤S5中，在使用检测到的当前的端电压的情况下确定当前的极轮角在第五方法步骤S5之后，以第六方法步骤S6继续该方法。

在第六方法步骤S6中，在使用当前的极轮角的情况下计算出针对同步电机1的相应当前的最佳点火角。最佳点火角是在其情况下作用在转子3上的转矩位于预给定的转矩窗内部，并且每个相电流i_U、i_V、i_W位于预给定的相电流窗内部的点火角。在第六方法步骤S6之后，以第七方法步骤S7继续该方法。

在第七方法步骤S7中，与当前的最佳点火角相对应地控制晶闸管调节器4。在第七方法步骤S7之后，以第五方法步骤S5继续该方法。

图3和图4示例性地说明了方法步骤S1至S3和S5。图3示出了取决于时间t的相电流i_U、i_V、i_W的改变过程，该相电流具有两个相继的电流脉冲，利用该两个相继的电流脉冲给定子绕组通电。在所示的示例中，相U和V的晶闸管A1、A2、B1、B2被点火，以便产生电流脉冲。图4示出了极轮角和在使用分别检测到的当前的端电压的情况下所确定的极轮角/>的对应的改变过程。在图3和图4中所示的情况下，转子3在第一电流脉冲之前不旋转，从而极轮角/>保持恒定直至第一电流脉冲。通过第一电流脉冲使转子3处于旋转，并且转子由于其惯性而以大致相同的角速度在第一电流脉冲与第二电流脉冲之间继续旋转，由此感应出端电压。然而，该角速度还不足以在使用分别检测到的当前的通过转子旋转而感应出的端电压的情况下确定极轮角/>，即，在第一电流脉冲与第二电流脉冲之间，电压特征值尚未超过电压阈值。通过第二电流脉冲进一步加速转子3，使得在第二电流脉冲之后，转子3的旋转的角速度足以在使用检测到的通过转子旋转而感应出的端电压的情况下确定极轮角/>，即，在第二电流脉冲之后，电压特征值超过电压阈值。图4还示出了在使用检测到的端电压的情况下确定的极轮角/>非常好地与实际的极轮角/>一致。在图3和图4中所示的示例中，已经可以在大约40ms之后在使用检测到的端电压的情况下确定极轮角/>。

上面根据图2所描述的方法可以以不同的方式扩展。例如，在反复执行第一方法步骤S1时，电流脉冲的电流空间矢量可以相对于之前的电流脉冲的电流空间矢量发生改变。特别地，电流空间矢量在此可以相对于之前的电流脉冲的电流空间矢量沿同步电机1的旋转场的旋转方向旋转例如60度或60度的倍数。如果实现了预给定的脉冲数量的具有相同的空间矢量方向的电流空间矢量的相继的电流脉冲，那么在此例如可以规定电流空间矢量的旋转。也可以规定，每个电流脉冲的电流空间矢量相对于该电流脉冲之前的电流脉冲的电流空间矢量旋转。通过该设计方案可以防止产生具有不利的或无效的空间矢量方向的电流空间矢量的多个电流脉冲。

在第三方法步骤S3中可以对应地规定，当相继的电流脉冲的电流空间矢量的改变的数量达到预给定的最大改变数时，在第四方法步骤S4中终止该方法。

此外可以规定，检测至少两个相电流i_U、i_V、i_W，并且在第五方法步骤S5中，在使用检测到的相电流i_U、i_V、i_W的情况下确定极轮角，和/或在第六方法步骤S6中，在使用检测到的相电流i_U、i_V、i_W的情况下计算点火角。

尽管已经在细节上通过优选的实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从其中推导出其他的变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于运行永磁激励同步电机(1)的方法，所述永磁激励同步电机具有带有定子绕组的定子(2)、转子(3)和用于调节定子绕组的相电流(i_U，i_V，i_W)的晶闸管调节器(4)，但不具有用于检测极轮角的旋转编码器系统，其中，

-连续地检测同步电机(1)的至少两个端电压，

-为了启动所述同步电机(1)，以至少一个电流脉冲给所述定子绕组通电，

-在每个电流脉冲之后，检查由端电压形成的电压特征值是否超过预给定的电压阈值，在超过所述电压阈值的情况下能够在使用所述端电压的情况下确定转子(3)的极轮角以及

-一旦所述电压特征值超过所述电压阈值，则通过在使用分别检测到的当前的端电压的情况下反复确定相应当前的极轮角在使用相应当前的极轮角/>的情况下计算出针对所述同步电机(1)的相应当前的最佳点火角，并且与相应当前的最佳点火相对应地控制所述晶闸管调节器(4)，来运行所述同步电机(1)，

其特征在于，在没有事先对准所述转子(3)的情况下进行所述同步电机(1)的启动。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，检测至少两个相电流(i_U，i_V，i_W)，并且在使用检测到的相电流(i_U，i_V，i_W)的情况下确定相应当前的极轮角

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，检测至少两个相电流(i_U，i_V，i_W)，并且在使用检测到的相电流(i_U，i_V，i_W)的情况下计算出相应当前的点火角。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，所述电压阈值是最小的电压特征值，在所述最小的电压特征值中能够在使用所述端电压的情况下确定所述极轮角

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，预给定转矩窗和相电流窗，并且相应当前的最佳点火角是在其情况下作用在所述转子(3)上的转矩位于所述转矩窗内部，并且定子绕组的每个相电流(i_U，i_V，i_W)位于所述相电流窗内部的点火角。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，如果所述电压特征值未超过所述电压阈值，则电流脉冲的电流空间矢量相对于之前的电流脉冲的电流空间矢量发生改变。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，只要所述电压特征值未超过所述电压阈值，则每个电流脉冲的电流空间矢量相对于所述电流脉冲之前的电流脉冲的电流空间矢量发生改变。

8.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，在改变相继的电流脉冲的电流空间矢量时，在同步电机(1)的旋转场的旋转方向上旋转所述电流空间矢量。

9.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，在改变相继的电流脉冲的电流空间矢量时，所述电流空间矢量旋转60度或60度的倍数。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，预给定最大改变数，并且如果相继的电流脉冲的电流空间矢量的改变的数量达到所述最大改变数而所述电压特征值未超过所述电压阈值，则终止以电流脉冲给所述定子绕组通电。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，预给定电流脉冲的最大脉冲数，并且如果电流脉冲的数量达到所述最大脉冲数而所述电压特征值未超过所述电压阈值，则终止以电流脉冲给所述定子绕组通电。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，所述电压特征值是所检测到的端电压的幅值的最大值或由端电压形成的电压空间矢量的幅值。

13.一种永磁激励同步电机(1)，所述永磁激励同步电机不具有用于检测极轮角的旋转编码器系统，包括：

-带有定子绕组的定子(2)，

-转子(3)，

-晶闸管调节器(4)，所述晶闸管调节器用于调节定子绕组的相电流(i_U，i_V，i_W)，

-电压测量设备，所述电压测量设备用于检测同步电机(1)的至少两个端电压，以及

-控制单元(5)，所述控制单元用于按照根据上述权利要求中任一项所述的方法来控制所述晶闸管调节器(4)。