专利名称：用于得出交流电机驱动系统中公用电源信号特性的方法和设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及交流电机在来自不同的源的电力(诸如，来自公用市电电源的供电干线的电力)与来自电机驱动器(诸如变频交流电动机驱动器)的电力之间进行的切换。更具体地，本发明涉及用于得出线路传送参考信号来确定公用电源或其它电源的特性(诸如相位和幅度)的方法，以便同步两种电源的相位和幅度，而不需要外部的传感器。
在许多应用中，希望把直接从供电干线接收电力的交流电机切换到从驱动器接收电力，反之亦然。这里使用的词组“供电干线”是指具有由公用电源决定的频率的、任何交流电功率的源。这里使用的术语“驱动器”是指具有由除公用电源以外的源(诸如三相交流变频电机驱动器，智能电机启动器等)产生的频率的、任何交流电源。这里使用的术语“交流电机”是指任何交流旋转电机，诸如感应电机，同步电机，发电机，电动发电机等等。
例如，在燃气轮机静态启动器中，变频电机驱动器常常被使用来使得发电机马达提升到自保持速度，此后发电机马达可以以这个速度被切换到供电干线。在其它应用中，诸如变频电扇和泵浦，希望用变频装置达到可变的速度，以后把电机切换到供电干线，以恒定的高速度稳定运转。另外，在电机驱动器故障的情形下，希望把电机切换到供电干线继续运转。同样地，常常希望把电机从供电干线切换到电机驱动器，减慢电机运转，或改变电机的速度或转矩。
众所周知，使得来自供电干线和驱动器的信号的相位和幅度达到同步，完成“无冲击”转移。然而，已知的用于同步的技术需要外部传感器，用来检测公用电源信号的零交叉点或幅度和相位。当然，外部传感器的使用增加系统的成本和复杂性。另外，外部传感器本身提供相位差使得系统进一步复杂化。美国专利5,587,474揭示了一种控制系统，其中倒相器的输入PLL和输出PLL的相位差被驱动为零，以便把倒相器的输出同步到供电干线的输出。然而，这个系统极复杂。另外，在有些应用项中，同步应当在电机驱动器的输出和除供电干线以外的、给电机驱动器供电的源之间被完成。美国专利5,587,474公开的系统不适合于这样的同步。电动机从电机驱动器切换到供电干线，在这里称为“转移”，以及电动机从供电干线切换到电机驱动器，在这里称为“捕获”。
发明概要本发明的第一方面是用于得出交流电机驱动系统中来自公用电源的信号的特性的方法，包括以下步骤在驱动器是空闲时将输入信号加到驱动器，把来自公用电源的信号加给被耦合到驱动器的输出端的交流电机，在驱动器是空闲时检测在驱动器输出端处的信号的特性，检测来自公用电源的信号的特性，比较在驱动器输出端处的信号的特性与来自公用电源的信号的特性以便确定特性调节，以及对来自公用电源的信号的特性实施特性调节，得出由于公用电源的、在交流电机处的信号的特性。
本发明的第二方面是能够使得交流电机在来自驱动器的功率与来自公用电源的功率之间进行切换的驱动系统，包括公用电源；驱动器；交流电机；被耦合在公用电源与交流电机之间的公用电源接触器，用来把公用电源的输出有选择地耦合到交流电机；被耦合在驱动器与交流电机之间的驱动接触器，用来把驱动器的输出有选择地耦合到交流电机；控制器，用来当驱动器空闲和公用电源接触器和驱动接触器闭合时，检测由于来自公用电源的功率的、在驱动器的输出端的信号的特性；控制器也用来检测馈送到交流电机的公用电源的特性，以及比较在驱动器输出端处的信号的特性与来自公用电源的信号的特性以便确定特性调节。
本发明的第三方面是用于得出交流电机驱动系统中来自公用电源的信号的特性的设备，包括用于把来自公用电源的信号提供给被耦合到驱动器的输出端的交流电机的装置，用于检测由于来自公用电源的功率的、在驱动器输出端处的信号的特性的装置，用于检测来自公用电源的信号的特性的装置，用于比较在驱动器输出端处的信号的特性与来自公用电源的信号的特性以便确定特性调节的装置，以及用于对来自公用电源的信号的特性实施特性调节，得出由于公用电源的、在交流电机上的信号的特性的装置。
附图简述这里，通过优选实施例和附图描述本发明，其中
图1是按照本发明的优选实施例的驱动切换系统的示意图；图2是用于确定对于优选实施例的同步的比例系数和相移的程序过程的流程图；图3是优选实施例的相移确定子程序过程和比例系数确定子程序过程的流程图。
发明详细描述图1显示按照优选实施例的驱动切换系统。系统10包括供电干线12(即，公用电源)，频率为f的三相交流电源，变频交流电机驱动器14，驱动器输出接触器16(用作为切换机构)，公用电源接触器18(也用作为切换机构)，以及作为交流电机的电动机20。可以看到，接触器18和16的操作可被控制来把电动机20选择地耦合到公用电源，或电机驱动器14，或二者。控制器21工作时被耦合到接触器16和18，以便以想要的方式控制接触器16和18的状态。控制器21可以是以想要的方式编程的、基于微处理器的装置，硬连线的模拟逻辑电路，或用于以下面描述的方式控制接触器16和18的任何其它机构。优选实施例也包括变压器22和24，以及发电机26，作为另一个公用电源。开关28把电动机20选择地耦合到供电干线12或作为公用电源的发电机26。控制器21被显示为与电机驱动器14分开的部件。然而，控制器21可以与电机驱动器14集成在一起，以及可被使用来完成电机驱动器14中倒相器的电桥的切换以及这里所揭示的控制。
优选实施例利用电机驱动器14的现有的仪表，通过确定公用电源相对于电机驱动器的比例系数和相移，来得出在接触器18处公用电源的特性，例如幅度和相位。这里使用的术语“公用电源”是指任何电源，诸如供电干线12，发电机26，另一个供电干线等等。这样，电机驱动器14可被控制成具有与公用电源相同的幅度和相位的输出。图2是用于确定对于同步的比例系数和相移的程序过程的流程图。
在步骤A，公用电源被选择来完成哪种同步，是转移还是捕获。例如，可以在控制器21的控制下或人工地通过操作开关28选择供电干线12或发电机26。假定选择供电干线12，开关28将被放置在图1所示的实线显示的状态。在步骤B，确定电机驱动器是否空闲，即，没有在产生输出信号，以及电机驱动器14是否有输入，即来自供电干线12的源电压。步骤B可以通过使用驱动器14中现有的常规的仪表来完成。例如，电压检测仪表常常被提供来监视供电干线的电压和频率。当然，驱动器必须是空闲的，以及在其输入端必须有源电压，以便开始程序过程。所以，如果在步骤B时的回答是“否(No)”，则程序过程返回步骤A，重新选择公用电源和校正任何其它的异常情况。
假定在步骤B时的回答是“是(Yes)”，程序过程进到步骤C，电机驱动器14的内部仪表被使用来检测驱动器14的直流总线是否全部充电。如果直流总线没有被全部充电，则接触器16和18的闭路会损坏电机驱动器14。因此，如果直流总线没有被全部充电，则程序过程返回到步骤A，重新选择公用电源和校正任何其它的异常情况。假定直流总线被全部充电，程序过程进到步骤D，驱动接触器16被闭合，如果还没有被闭合的话。在步骤E，确定电动机是否可被在线启动，即，用公用电源电压启动而不会损坏。这个决定是以已知的方式根据电动机额定值和负载来进行的。如果电动机不能在线启动，则电动机引线被断开，这是在步骤F被证实的。如果电动机引线由于某种原因不能被断开，则程序过程进到步骤K，驱动接触器16被打开，以及程序过程结束，以避免电动机损坏。如果电动机引线被断开，则程序过程继续进到步骤G。同样地，如果在步骤E，确定电动机可在线启动，则程序过程也继续进到步骤G。
在步骤G，公用电源接触器18被闭合。在步骤H，通过使用电机驱动器14中现有的输出仪表，确定在电机驱动器14的输出端处是否接收到反馈。反馈是来自供电干线的、在传送通过变压器24，接触器18，接触器16和电路中任何其它部件后的信号。在步骤H中进行的决定仅仅是检测一个电压，或可以包括参量，诸如被认为可作为正确的反馈接受的电压的最小值和最大值。
如果可接受的反馈没有在电机驱动器14的输出端被接收，则程序过程进到步骤J，在此步骤，公用电源接触器18被打开，和进到步骤K，在此步骤，驱动接触器16被打开。这时，可以进行诊断，确定可接受的反馈为什么没有被接收。假定可接受的反馈在步骤H被接收，则公用比例系数和相移在步骤I中被确定，以及在步骤J，断开公用电源接触器18和在步骤K，断开驱动接触器16，程序过程结束。
图3显示用于分别确定相移和比例系数的步骤I的子程序过程I1和I2。在子程序过程J1的步骤A，通过使用驱动器14的现有的仪表检测电机驱动器14的输入信号的相位作为一个特性。例如，源锁相环(PLL)可被使用来以已知的方式确定源信号的相位。加到驱动器14的信号是来自公用电源(在本例中是来自供电干线12)的、传送通过变压器22和电路中任何其它部件后的信号。在步骤B，通过使用驱动器14的现有的仪表检测在电机驱动器14的输出端处的相位作为一个特性。例如，电动机磁通量锁相环(PLL)可被使用来以已知的方式确定输出端处的相位。应当指出，电机驱动器14是空闲的，即，不产生输出信号，因此在电机驱动器14的输出端处的信号是来自公用电源(在本例中是来自供电干线12)的、传送通过变压器24，接触器18和电路中任何其它部件后的信号。在步骤C，由电机驱动器14的控制器计算在步骤A与B中确定的相位角之间的差值，以及在步骤D，结果的相移值被存储在控制器的存储器寄存器中。
在子程序过程J2的步骤A，通过使用驱动器14的现有的仪表检测电机驱动器14的输入信号的电压作为一个特性。例如，输入保护电路可被使用来以已知的方式确定输入信号的相位。加到驱动器14的信号是来自公用电源(在本例中是来自供电干线12)的、传送通过变压器22和电路中任何其它部件后的信号。在步骤B，通过使用驱动器14的现有的仪表检测在电机驱动器14的输出端处的电压作为一个特性。例如，电动机输出电压监视电路可被使用来以已知的方式确定输出端处的相位。应当指出，电机驱动器14是空闲的，即，不产生输出信号，因此在电机驱动器14的输出端处的信号是来自公用电源(在本例中是来自供电干线12)的、传送通过变压器24，接触器18和电路中任何其它部件后的信号。在步骤C，由电机驱动器14的控制器计算在步骤A与B中确定的电压之间的比值，以及在步骤D，结果的比例系数被存储在控制器的存储器寄存器中。
可以看到，比例系数是包括乘数的特性调节，可被使用来根据在电机驱动器14的输入端处的电压确定来自公用电源的、电动机20的输入的电压，只要电路中的部件不改变。同样地，相位差是特性调节，可被使用来根据在电机驱动器14的输入端处的相位角确定来自公用电源的、电动机20的输入的相位角，只要电路中的部件不改变。因此，一旦对于一个特定的系统的比例系数和相位差被确定和被存储在存储器中，电机驱动器14的切换电桥就可被控制来仅仅通过使用现有的驱动仪表测量电机驱动器14的输入端的电压和相位以及调节输入的特性得出公用电源的特性而提供与由于公用电源的、电机输入端的电压和相位相匹配的输出信号。驱动源电压可以乘以比例系数，以及驱动源相位角可被加到相移中，确定由于来自公用电源的信号的、在电动机处的电压和相位。这允许电机驱动器14的输出电压和相位与公用电源12的电压和相位匹配。对于任何特定的系统，相移和比例系数只需要被确定一次。然而，如果对系统作出改变，或在任何其它环境下，这些数值可以在任何时间被重新计算。
在要被转移的公用电源不是提供输入给电机驱动器的供电干线，诸如电动机26的情况下，确定的程序过程可以通过在图1的步骤A选择发电机26，用在由图1的虚线表示的位置处的开关28进行。可能必须使用外部传感器来检测发电机26的电压和相位，代替测量电机驱动器14的输入的电压和相位。其它方面，程序过程类似于上面详细描述的。所有的程序过程可以根据被编程到电机驱动器的控制器或外部装置的软件指令被完成。另外，处理过程可以根据人工激励和动作而完成。本发明可被应用到任何类型的驱动器，任何类型的公用电源，和任何类型的交流电机。可以使用任何类型的切换机构。任何的同步方法或设备可以结合本发明一起被使用。
虽然以上的说明包括许多细节和特点内容，但应当看到，这些内容只是为了说明的目的，而不是用作对本发明的限制。对于上述的实施例可以作出许多修改，而不背离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应由以下的权利要求及其合法的等同物来限定。
权利要求
1.一种用于得出交流电机驱动系统中来自公用电源的信号的特性的方法，所述方法包括以下步骤在驱动器是空闲时将输入信号加到驱动器；把来自公用电源的信号加给被耦合到驱动器的输出端的交流电机；在驱动器是空闲时检测在驱动器输出端处的信号的特性；检测来自公用电源的信号的特性；比较在驱动器输出端处的信号的特性与来自公用电源的信号的特性以便确定特性调节；以及对来自公用电源的信号的特性实施特性调节，得出由于公用电源的、在交流电机上的信号的特性。
2.如权利要求1的方法，还包括当驱动器不在空闲模式时，通过调节驱动器的输出使得与在所述实施步骤期间得到的、在交流电机处的信号的特性相匹配，而使得驱动器的输出与来自公用电源的信号同步的步骤。
3.如权利要求1的方法，其中所述检测来自公用电源的信号的特性的步骤包括检测驱动器输出端处的电压和相位角，以及所述检测输入信号的特性的步骤包括检测公用电源的电压和相位角。
4.如权利要求3的方法，其中所述比较的步骤包括计算在驱动器输出端处的电压与公用电源的电压之间的比值，确定作为特性调节的比例系数。
5.如权利要求3的方法，其中所述比较的步骤包括计算在驱动器输出端处的相位角与公用电源的相位角之间的差值，确定作为特性调节的相位角差值。
6.如权利要求4的方法，其中所述比较的步骤包括计算在驱动器输出端处的相位角与公用电源的相位角之间的差值，确定作为特性调节的相位角差值。
7.如权利要求6的方法，其中输入信号起源于公用电源，以及所述检测来自公用电源的信号的特性的步骤包括用驱动器的输入仪表检测输入信号的特性。
8.如权利要求7的方法，其中由于在公用电源与驱动器的输入端之间的元件，输入信号的特性不同于公用电源的特性。
9.如权利要求7的方法，其中由于在公用电源与驱动器的输出端之间的元件，驱动器输出端的信号的特性不同于公用电源的特性。
10.如权利要求1的方法，其中交流电机是电动机。
11.一种能够使得交流电机在来自驱动器的电力与来自公用电源的电力之间进行切换的驱动系统，所述系统包括公用电源；驱动器；交流电机；被耦合在所述公用电源与所述交流电机之间的公用电源接触器，用来把所述公用电源的输出有选择地耦合到所述交流电机；被耦合在所述驱动器与所述交流电机之间的驱动接触器，用来把所述驱动器的输出有选择地耦合到所述交流电机；控制器，用来当所述驱动器是空闲的和所述公用电源接触器和驱动接触器闭合时，检测由于来自所述公用电源的功率的、在所述驱动器的输出端处的信号的特性，所述控制器也用来检测馈送到所述交流电机的公用电源的特性，以及比较在所述驱动器输出端处的信号的特性与来自所述公用电源的信号的特性以便确定特性调节。
12.如权利要求11的系统，其中所述控制器用来当所述驱动器不在空闲模式时，通过调节所述驱动器的输出使得与由特性调节所调节的、所述公用电源的特性相匹配，而使得所述驱动器的输出与来自公用电源的、在交流电机上的信号同步。
13.如权利要求12的系统，其中在驱动器的输出端处的信号的特性包括在所述驱动器的输出端处的信号的电压和相位角，以及公用电源的特性包括公用电源的电压和相位角。
14.如权利要求13的系统，其中特性调节包括比例系数和相位角差值。
15.如权利要求14的系统，其中比例系数是在所述驱动器输出端处的信号的电压与所述公用电源的电压之间的比值。
16.如权利要求14的系统，其中相位角差值是在所述驱动器输出端处的信号的相位角与所述公用电源的相位角之间的差值。
17.如权利要求16的系统，其中所述公用电源被耦合到所述驱动器的输入端，以及所述控制器被耦合到所述驱动器的输入仪表，检测在所述驱动器的输入端处的、所述公用电源的特性。
18.如权利要求10的系统，还包括在所述公用电源与所述驱动器输出端之间的功率变换元件。
19.如权利要求16的系统，还包括在所述公用电源与所述驱动器输入端之间的功率变换元件。
20.一种用于得出交流电机驱动系统中来自公用电源的信号的特性的设备，所述设备包括用于把来自公用电源的信号提供给被耦合到驱动器的输出端的交流电机的装置；用于检测由于来自公用电源的功率的、在驱动器输出端处的信号的特性的装置；用于检测来自公用电源的信号的特性的装置；用于比较在驱动器输出端处的信号的特性与来自公用电源的信号的特性以便确定特性调节的装置；以及用于对来自公用电源的信号的特性实施特性调节，得出由于公用电源的、在交流电机上的信号的特性的装置。
21.如权利要求20的设备，还包括用于当驱动器不在空闲模式时，通过调节驱动器的输出使得与由所述用于实施的装置得到的、交流电机处的信号的特性相匹配，而使得驱动器的输出与来自公用电源的信号同步的装置。
22.如权利要求20的设备，其中所述用于检测在驱动器输出端处的特性的装置包括用于检测驱动器输出端处的电压和相位角的装置，以及所述检测来自公用电源的信号的特性的装置包括用于检测公用电源的电压和相位角的装置。
23.如权利要求22的设备，其中所述用于比较的装置包括用于计算在驱动器输出端处的电压与公用电源的电压之间的比值，确定比例系数的装置。
24.如权利要求22的设备，其中所述用于比较的装置包括用于计算在驱动器输出端处的相位角与公用电源的相位角之间的差值，确定相位角差值的装置。
25.如权利要求23的设备，其中所述用于比较的装置包括用于计算在驱动器输出端处的相位角与公用电源的相位角之间的差值，确定相位角差值的装置。
26.如权利要求19的设备，其中所述用于提供来自公用电源的信号的装置被耦合到驱动器的输入端，以及所述用于检测来自公用电源的信号的特性的装置包括驱动器的输入仪表。
27.如权利要求26的设备，还包括在公用电源与驱动器的输入端之间的功率变换元件。
28.如权利要求20的设备，还包括在公用电源与驱动器的输出端之间的功率变换元件。
全文摘要
用于得出公用电源的信号的特性的方法,以便在转移或获取操作时把电机驱动器的输出与公用电源同步。当驱动器空闲时,由驱动器的仪表检测加到驱动器上的输入的电压和相位角。来自公用电源的信号的电压和相位角由驱动器的仪表在驱动器的输出端处被检测。相位角差值和比例系数被确定来把加到驱动器的输入信号与在电机驱动器的输出端处的信号进行相关。相位角差值和比例系数被存储,随后被使用来在转移或获取处理过程时得出由于公用电源的、在电动机处的信号。
文档编号H02P27/04GK1339196SQ00803495
公开日2002年3月6日 申请日期2000年12月6日 优先权日1999年12月6日
发明者P·S·比克塞尔, R·W·卡特, B·E·迪克 申请人:通用电气公司