准变频电机控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本文中所公开的主题涉及电机控制，更具体地涉及在启动期间使用准变频电机控 制器的电机控制。
【背景技术】
[0002] 交流（"AC"）电机通常具有高的启动电流，尤其是流行的某些设计类型，例如国家 电气设备制造商联盟（"NEM")B型号电机。通常使用电机启动器，其包括在保持低启动电 流的同时启动电机的机制。各种各样的电机启动器是可利用的，包括使用降低的电压启动 电机的传统电机启动器。然而，很多电机启动器效率低。变频驱动器（"VFD"）也可以用 于启动电机。虽然变频驱动器是常见的，但是基于晶闸管的启动器也具有一些优势。例如， 基于晶闸管的启动器对于较大的电机来说更经济并且可以较小。VFD可以用于电机速度控 制，但一些应用在启动之后将不需要可变速度，因此较低成本的启动器将是期望的。晶闸管 通常依尺寸制造以处理一定量的电流，所以在启动期间减小电流是期望的。将晶闸管尺寸 最小化的、使用晶闸管的电机启动的控制方法是期望的。
【发明内容】
[0003] 公开了一种准变频电机控制器的装置。系统和方法也执行该装置的功能。该装置 包括DFC模块，其将第一频率应用于电机作为用于电机启动的离散频率控制（"DFC"）方法 的一部分。第一频率包括DFC方法的多个离散频率中的离散频率，并且每个离散频率包括 比向电机提供电力的交流（"AC"）电压源的基频较低的频率。该装置包括转矩模块和下 一个频率模块，转矩模块确定由电机生成的电机转矩何时达到负转矩阈值，下一个频率模 块响应于转矩模块确定转矩模块已经达到负转矩阈值将第二频率应用于电机。第二频率是 DFC方法中的下一个频率。
[0004] 在一种实施方式中，装置包括开关模块，其选择性地将每个输入电力导体按顺序 连接至电机。DFC模炔基于多个离散频率中的离散频率将电力导体连接至电机。在一种实 施方式中，开关模块一个或更多个晶闸管，并且每个晶闸管通过使用DFC方法经过对用于 接通每个晶闸管的相位角进行调节来控制。在另一实施方式中，该装置包括步骤启动模块， 其执行一个或更多个启动步骤，其中，每个启动步骤在下一个频率模块将离散频率推进到 DFC方法的最后的离散频率之后被启动。每个步骤包括在固定的时间段将开关模块的开关 的接通时间设置成固定值和/或将开关模块的开关的接通时间进行斜变。在另一实施方式 中，该装置包括接触器模块，其在步骤启动模块的最后的步骤和/或DFC模块的最后的离散 频率之后将全输入电压施加到电机。接触器模块通过将与每个晶闸管并联的接触器闭合来 施加全输入电压。
[0005] 在一种实施方式中，DFC模块通过下面的方式来应用离散频率：改变用于接通晶 闸管的相位角，以对于离散频率的正半周生成变化的幅值的正电流脉冲，然后，改变用于接 通晶闸管的相位角，以对于离散频率的负半周生成变化的幅值的负电流脉冲。每个电流脉 冲以与AC电压源的基频一致的速率被生成。在另一实施方式中，转矩模块通过根据输入电 压和电流信息计算电机转矩来确定电机转矩。输入电压和电流信息来自连接至电机以向电 机提供电力的导体。
[0006] 在一种实施方式中，转矩模块使用下面的等式确定电机转矩：
[0008]其中：
[0009] Test是所计算的电机转矩；
[0010] P是电机磁极的数量；
[0011] Rs是定子绕组的电阻；
[0012] Va、Ve是静止参考系中的定子电压；以及
[0013] Ia、Ie是静止参考系中的定子电流，
[0014] 其中，使用α-β变换将用于电机的每个相的电压和电流变换至静止参考系。
[0015] 在一种实施方式中，转矩模块通过测量电机转矩来确定电机转矩。在另一实施方 式中，转矩模炔基于以比AC电压源的基频较低的频率采样的电流和电压来确定电机转矩。 在另一实施方式中，转矩模炔基于与转子电流的相位有关的输入电力的相位来确定电机转 矩。在另一实施方式中，每当转矩模块确定电机转矩达到负转矩阈值，下一个频率模块应用 DFC方法的下一个频率，直到达到DFC方法的最终频率为止。在另一实施方式中，DFC方法 中的最后的离散频率包括处于AC电压源的基频的25%与50%之间的频率。在另一实施方 式中，电机是三相AC鼠笼式电机或三相AC同步电机。
[0016] 准变频电机控制器的方法包括将第一频率应用于电机作为用于电机启动的DFC 方法的一部分。第一频率包括DFC方法的多个离散频率中的离散频率，并且每个离散频率 是比向电机提供电力的AC电压源的基频较低的频率。该方法包括确定由电机生成的电机 转矩何时达到负转矩阈值，并且响应于确定电机转矩已经达到负转矩阈值，将第二频率应 用于电机。第二频率是DFC方法中的下一个频率。
[0017] 在一种实施方式中，确定电机转矩包括根据输入电压和电流信息计算电机转矩。 输入电压和电流信息来自连接至电机以向电机提供电力的导体。在另一实施方式中，确定 电机转矩包括使用下面的等式：
[0019] 其中：
[0020] Test是所计算出的电机转矩；
[0021] P是电机磁极的数量；
[0022] Rs是定子绕组的电阻；
[0023] Va、Ve是静止参考系中的定子电压；以及
[0024] Ia、Ie是静止参考系中的定子电流，
[0025] 其中，使用α-β变换将用于电机的每个相的电压和电流变换至静止参考系。
[0026] 在一种实施方式中，该方法包括：每当电机转矩达到负转矩阈值时，应用DFC方法 的下一个频率，直到达到DFC方法的最终频率为止。在另一实施方式中，该方法包括选择性 地将每个输入电力导体按顺序连接至电机，其中，DFC方法包括基于多个离散频率中的离散 频率将电力导体连接至电机。在又一实施方式中，选择性地将每个输入电力导体按顺序连 接至电机包括对一个或更多个晶闸管进行切换，并且通过使用DFC方法经过对用于接通每 个晶闸管的相位角进行调节来控制每个晶闸管。
[0027] 在一种实施方式中，该方法包括执行一个或更多个启动步骤，其中，每个启动步骤 在将离散频率推进到DFC方法的最后的离散频率之后被启动。每个步骤包括对于固定的时 间段将开关的接通时间设置成固定值（开关将AC电压源连接至电机）和/或将使将AC电 压源连接至电机的开关的接通时间进行斜变。在另一实施方式中，该方法包括在最后的启 动步骤之后将全输入电压施加到电机，其中，施加全输入电压包括将与每个晶闸管并联的 接触器闭合。在另一实施方式中，施加离散频率包括改变用于接通晶闸管的相位角以对于 离散频率的正半周生成变化的幅值的正电流脉冲，然后改变用于接通晶闸管的相位角，以 对于离散频率的负半周生成变化的幅值的负电流脉冲，其中，每个电流脉冲以与AC电压源 的基频一致的速率被生成。
[0028] 准变频电机控制的系统包括电机启动器。电机启动器包括连接在输入电源的每个 相与相应的电机连接器之间的一个或更多个晶闸管。该系统包括DFC模块，其将第一频率 应用于电机作为用于电机启动的DFC方法的一部分。第一频率是DFC方法的多个离散频率 中的离散频率，并且每个离散频率是比向电机提供电力的AC电压源的基频较低的频率。该 系统包括开关模块，其基于DFC模块的所选择的离散频率选择性地接通每个晶闸管以将输 入电源的每个相按顺序连接至相应的电机连接器。该系统包括转矩模块和下一个频率模 块，转矩模块确定由电机生成的电机转矩何时达到负转矩阈值，并且下一个频率模块响应 于转矩模块确定电机转矩已经达到负转矩阈值，将第二频率应用于电机。第二频率是DFC 方法中的下一个频率。
【附图说明】
[0029] 为了容易理解本发明的实施方式的优势，将参照附图中示出的【具体实施方式】来呈 现上面简单描述的实施方式的更具体的描述。应当理解的是，这些图仅描绘了一些实施方 式，因此并不被视为范围的限制，贯穿附图的使用，使用附加的特殊性和细节描述和说明实 施方式，在附图中：
[0030] 图1是示出了准变频电机控制器的系统的一种实施方式的示意性框图；
[0031] 图2是示出了准变频电机控制器的装置的一种实施方式的示意性框图；
[0032] 图3是使用离散频率控制方法的准变频电机控制器的可能的操作的波形的图示；
[0033] 图4是示出了准变频电机控制器的装置的另一实施方式的示意性框图；
[0034] 图5是示出了准变频电机控制器的装置的第三实施方式的示意性框图；
[0035] 图6是示出了准变频电机控制器的转矩估计器的一种实施方式的示意性框图；
[0036] 图7是示出了用于准变频电机控制器的方法的一种实施方式的示意性流程图；
[0037] 图8是示出了用于准变频电机控制器的方法的另一实施方式的示意性流程图；
[0038] 图9A是10马力（"HP"）电机的准变频电机控制器的仿真结果；
[0039] 图9B是图9A的仿真结果的放大图；
[0040] 图10描绘了来自IOHP电机的准变频电机控制器的一种实施方式的测试结果的波 形，其中，启动频率固定在5赫兹（"Hz"）；
[0041] 图11描绘了来自用于具有5Hz的初始频率、2Hz步长且没有负载的IOHP电机的准 变频电机控制器的一种实施方式的测试结果的波形；
[0042] 图12描绘了来自用于具有5Hz的初始频率、4Hz步长且没有负载的IOHP电机的准 变频电机控制器的一种实施方式的测试结果的波形；以及
[0043] 图13描绘了来自用于具有5Hz的初始频率、2Hz步长且在50%负载处的IOHP电 机的准变频电机控制器的一种实施方式的测试结果的波形。
【具体实施方式】
[0044] 贯穿本说明书，提及"一种实施方式"、"实施方式"或相似语言表示结合该实施方 式所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一种实施方式中。因此，贯穿本说明书，短 语"在一种实施方式中"、"在实施方式中"或相似语言的出现可以但不一定全部涉及相同的 实施方式，而是表示"一种或更多种但并非全部实施方式"，除非另外明确说明。除非另外明 确说明，术语"包括（including) "、"包括（comprising) "、"具有（having)"及其变型表示 "包括但不限于"。除非另外明确说明，项目的枚举列表并不暗示任意项目或所有项目是相 互排斥和/或相互包容的。除非另外明确说明，术语"一（a)"、"一个（an)"和"该（the)" 也指代"一个或更多个"。
[0045] 此外，所描述的实施方式的特征、优点和特点可以以任意适当的方式组合。相关领 域的普通技术人员将会认识到，实施方式可以在不具有特定实施方式的一个或更多个具体 特征或优点的情况下被实践。在其他实例中，可以认识到，另外的特征和优点可以出现在某 些实施方式中而不出现在所有实施方式中。
[0046] 实施方式的这些特征和优点根据下面的描述和所附权利要求书将变得更加充分 明显，或者可以通过如下文中所阐述的实施方式的实践来获知。如本领域的普通技术人员 将会理解的，本发明的各个方面可以被实施为系统、方法和/或计算机程序产品。因此，本 发明的各个方面可以采用完全硬件实施方式、完全软件实施方式（包括固件、驻留软件、微 代码等）或者组合了软件方面和硬件方面的实施