本发明的各方面主要涉及电动力机，其包含例如电动机，如交流(ac)异步电机(例如感应电机)和ac同步电机以及发电机，并且更具体地涉及用变频驱动器(vfd)控制感应电机的系统、设备和方法。
背景技术：
当通过直接连接至公用电源来启动大型(例如中等电压)ac电机时，可出现一个或多个问题。例如，大型ac电机在启动时可在低功率因数下汲取该电机四至六倍额定电流(称为浪涌电流)。这可导致公用电源网络出现显著的瞬态电压下降，这可不利地影响与公用电源连接的其它设备和系统。另外，ac电机在直接联机启动期间可承受严重的热和机械应力，这可缩短电机的使用寿命和/或限制给定时间内的启动次数。此外，在大型ac电机的加速期间，可出现可激发系统扭转共振的大转矩脉动，已知其至少在一种情况下会导致电机轴损坏。
为了克服前述问题，大型ac电机可用变频驱动器(vfd)进行“软启动”。vfd可以可控地增加在启动期间施加到ac电机的电压的大小和频率。电压大小和频率可在非常低的值下开始，并且然后可随着ac电机达到其额定速度而增加到ac电机的额定电压和公用电源的频率，例如60赫兹。
为了提供ac电机的精确速度控制，vfd可包括具有锁相环(在本文也简称为pll)控制电路的控制系统。锁相环技术是已知的，并且非常适合通过将ac电机锁相到稳定和精确的参考频率来提供精确的速度控制。当频率变化率非常低时，例如小于1hz/秒，pll的动态精度是可接受的。但是，当ac电机的频率快速变化时，例如60hz/秒，pll的动态精度不可接受。因此，可需要针对ac电机频率的快速变化提供具有pll的改进的控制系统。
技术实现要素：
简言之，本发明的各方面主要涉及电动力机，其包括例如电动机诸如ac异步电机(例如感应电机)，和ac同步电机以及发电机，并且更具体地涉及用于借助变频驱动器(vfd)来控制感应电机的系统和方法。
本发明的第一方面提供用于控制交流(ac)电动力机的控制系统，其包括：用于向变频驱动器(vfd)提供定子磁通角信号的锁相环(pll)电路，该pll电路包括提供输出信号的比例积分(pi)调节器；和与pll电路通信的前馈发生器，其中前馈发生器追踪ac电动力机的定子磁通位置，使得前馈发生器基于定子磁通信号来确定定子频率信号并且在pi调节器的下游供应定子频率信号，并且其中，定子频率信号与pi调节器的输出信号相加，以提供pi调节器的动态适配的输出信号，并且其中适配的输出信号用于确定定子磁通角信号。
本发明的第二方面提供用于控制交流(ac)电动力机的系统，其包括：被配置成耦合到公用电源并且提供输出电流的变频驱动器(vfd)；可操作地耦合到vfd的vfd输出端的ac电动力机，该vfd提供输出电流，其控制由ac电动力机产生的定子磁通和转矩的大小，其中vfd进一步包括控制系统，该控制系统包括用于向vfd提供定子磁通角信号的锁相环路(pll)电路，该pll电路包括提供输出信号的比例积分(pi)调节器；和与pll电路通信的前馈发生器，其中前馈发生器追踪ac电动力机的定子磁通位置，使得前馈发生器基于定子磁通信号确定定子频率信号并且在pi调节器的下游供应定子频率信号，并且其中，定子频率信号与pi调节器的输出信号相加，以提供pi调节器的动态适配的输出信号，并且其中，经适配的输出信号用于确定定子磁通角信号。
本发明的第三方面提供用于为锁相环(pll)电路提供前馈信号的方法，该方法包括：提供交流(ac)电动力机的定子磁通信号；确定定子磁通信号的过零点；生成从定子磁通信号的过零点得出(导出)的一串固定宽度脉冲；和将该一串固定宽度脉冲转换为前馈信号，其中，前馈信号供应至pll电路，并且其中，前馈信号与pll电路的输出信号相加，以提供适配的输出信号。
附图说明
图1示出根据本文公开的实施例的用于借助变频驱动器(vfd)启动大型ac(交流)电机的已知系统的示意图。
图2示出根据本文公开的实施例的已知vfd的示意图。
图3示出根据本发明示例性实施例的包含用于锁相环(pll)电路的前馈信号的vfd的控制系统的示意图。
具体实施方式
现将详细参考在附图中示出的本公开的示例实施例。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或同一部分。
以下描述为构成各种实施例的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或相似功能的许多合适的组件和材料旨在被涵盖在本发明的实施例的范围内。
大型(交流)ac电机可包括中压ac电机，其可具有范围为大约600v(伏)ac到大约15,000v(或15kv)ac的额定电压。电机的“额定电压”是美国电气制造商协会(nationalelectricalmanufacturersassociation，nema)制定的标准化术语，其通常是指通常+/-10％变动的电机的操作电压。大型ac电机还可包括高压ac电机和在某些情况下其它类型的ac电机，其额定电压可低于中压ac电机的上述电压范围。
前述启动大型ac电机的问题可通过用变频驱动器(vfd)来“软启动”ac电机来克服。vfd可在启动时最初向ac电机施加具有低或接近零频率的低或接近零的电压。当ac电机速度达到其额定速度时，vfd可以可控地将电压大小和频率同时增加到ac电机的额定电压和公用电源的频率。大约在此时，供应至ac电机的电力可从vfd直接切换到公用电源。
图1示出根据在本文公开的实施例的用于启动大型ac电机102的已知系统100的示例。ac电机102可为三相中压ac电机，其具有以星形或y形连接配置布置的第一绕组104、第二绕组106和第三绕组108。第一绕组104可具有第一引线绕组连接105。第二绕组106可具有第二引线绕组连接107，并且第三绕组108可具有第三引线绕组连接109。ac电机102可耦合到负载(未示出)，其可为例如一个或多个压缩机、泵、风扇和/或其它合适设备。
系统100还可包含变频驱动器(vfd)110和电抗器118。vfd110可具有与ac电机102的额定电压相同或基本相同的电压额定值。vfd110可被耦合以经由导体111、112和113(每相一个导体)从公用电源114接收3相电力。vfd110可被配置为经由导体115、116和117(每相一个导体)输出具有可变峰值电压大小和可变频率的3相电力。可为三相电抗器的电抗器118可经由导体115、116和117串联耦合到vfd110。电抗器118可向vfd110的三相输出提供电感(其可增加阻抗)。
系统100可进一步包含第一接触器122和第二接触器130。第一接触器122可包含第一控制开关123、第二控制开关124和第三控制开关125，其中每一个经由相应导体119、120和121串联耦合到电抗器118。第一控制开关123还可经由导体126串联耦合到第一引线绕组连接105。第二控制开关124还可经由导体127串联耦合到第二引线绕组连接107，并且第三控制开关125还可经由导体128串联耦合到第三引导绕组连接109。
第二接触器130可包含第一控制开关131、第二控制开关132和第三控制开关133，其中每个经由相应导体134、135和136(每相一个导体)串联耦合至公用电源114。第一控制开关131可经由导体137串联耦合到第一引线绕组连接105。第二控制开关132可经由导体138串联耦合到第二引线绕组连接107，并且第三控制开关133可经由导体139串联耦合到第三引线绕组连接109。
第一接触器122和第二接触器130可由vfd110控制。即，vfd110可控制第一控制开关123、第二控制开关124和第三控制开关125的打开和闭合，以连接和断开通向和来自ac电机102的vfd110的输出电压。类似地，vfd110可控制第一控制开关131、第二控制开关132和第三控制开关133的断开和闭合，以连接和断开通向和来自ac电机102的公用电源114的公用电力。导体111-113、115-117、119-121、126-128、134-136和137-139中的每一个可为具有合适规格和/或尺寸的电线或电缆。
为了启动ac电机102，系统100可如下操作：在启动之时或之前，vfd110可使第一接触器122将vfd110的可变电压输出(经由电抗器118)连接至ac电机102，而vfd110可使第二接触器130使公用电力(从公用电源114接收的)与ac电机102断开。即，第一接触器122的第一控制开关123、第二控制开关124和第三控制开关125可由vfd110闭合，而第二接触器130的第一控制开关131、第二控制开关132和第三控制开关133可由vfd110打开。然后，可从公用电源114接收3相电力的vfd110可经由相应导体126、127和128初始地提供低频率或接近零频率的低或接近零的电压至第一引线绕组连接105、第二引线绕组连接107和第三引线绕组连接109(由合适的相位角分开)中的每一个。应用电压至ac电机102可使ac电机102的转子(未示出)开始旋转(换句话说，ac电机102的速度从零开始增加)。ac电机102的速度可由vfd110经由例如电机电压和电机电流的反馈来监测。当感测到ac电机102的初始速度时，vfd110可逐渐并且可控地增加输出电压峰值大小和频率。随着ac电机102的速度继续增加，由vfd110提供的输出电压峰值大小和频率也增加。
当电机速度达到ac电机102的额定速度时，由vfd110提供的电压峰值大小和频率可处于或接近vfd110的电压额定值(即，处于或接近ac电机102的额定电压)和公用电源114的频率(其可为例如60赫兹)。大约在此时，提供给ac电机102的电力可从vfd110切换到公用电源114。vfd110可使第二接触器130将公用电力(从公用电源114接收的)连接至ac电机102，而vfd110可使第一接触器122(经由电抗器118)将vfd110的可变输出电压与ac电机102断开。即，第一接触器122的第一控制开关123、第二控制开关124和第三控制开关125可由vfd110打开，而第二接触器130的第一控制开关131、第二控制开关132和第三控制开关133可由vfd110闭合。在一些情况下，ac电机102可暂时联接至vfd110和公用电源114。在这种情况下，电抗器118可限制在vfd110和公用电源114之间交换的电流。为了确保vfd110能够启动并将ac电机102驱动到其额定速度，vfd110可具有与ac电机102的额定电压相同或基本相同的电压额定值。例如，如果ac电机102的额定电压是6.9kvac，则vfd110的电压额定值可为约6.9kvac。
图2示出根据本文公开的实施例的已知vfd210的示意图。在一些实施例中，vfd110可具有与图2的vfd210相似或一致的配置。vfd210可输出具有可变的大小和频率的电压。频率可从0变化到ac输入线的频率，如图所示，其可来自3相电源并且可为例如60赫兹。电压大小可例如从0变化到约vfd210的电压额定值。vfd210可包含控制器240和电源电路242。控制器240可控制电力电路242的操作并且可耦合至电机电压反馈线244和电机电流反馈线246。电压反馈线244和电流反馈线246可耦合到ac电机202。控制器240可监测电压反馈线244和电流反馈线246以确定ac电机202的速度并且因此例如根据存储在控制器240中和/或在控制器240上执行的编程(例如，电机模型)来确定是否调整输出电压大小和频率。在一些实施例中，控制器240可包含微处理器或其它合适的cpu(中央处理单元)和用于存储软件程序的存储器，该程序用于确定电机速度和用于变化输出电压大小和频率的标准。另选地，控制器240可将反馈信息传输到另一组件(未示出)并从该组件接收关于调节输出电压大小和频率的命令。在一些实施例中，电力电路242可将接收到的ac线电压转换为dc电压，并且然后将dc电压反转回脉冲dc电压(其rms(均方根)值模拟ac电压的)。在一些实施例中，电力电路242可包含被配置为变化vfd210的输出电压的整流器、逆变器和/或pwm(脉宽调制)电路。
图3示出根据本发明示例性实施例的包含用于锁相环(pll)电路382的前馈方案的vfd380的控制系统300的示意图。vfd380包含vfd输出端381，其中图3的vfd380可被配置成类似于图2的vfd210。图3的vfd380和图2的vfd210可被配置成例如在hammond的美国专利第5,625,545号中所描述的那样，该专利的全部内容并入本文。
为了提供ac电机390的精确速度控制，vfd可包括具有锁相环控制电路382(在本文也被简称为pll电路382)的控制系统300。控制系统300可为由例如图2和图3中所示的vfd380的控制器392控制的电力电路的一部分。锁相环技术非常适合通过将ac电机390锁相到稳定和精确的参考频率来提供精确的速度控制。当ac电机390的频率变化率非常慢时，例如每秒小于1hz时，pll电路382的动态精度是可接受的。但是，当ac电机390的频率快速变化时，例如每秒60hz时，pll电路382的动态精度可为不可接受的，因为pll电路382包含将在后面描述的误差致动信号(动态误差)。控制系统300包括生成前馈信号的前馈方案，该前馈信号在ac电机390的频率正在非常迅速地增加的情况下增加动态精度并且降低用于追踪ac电机390中定子磁通位置的pll电路382的动态误差。
参考图3，在线302、304、306上的三相电压输出信号由变频驱动器(vfd)380生成，示出为vfd输出端381。在线302、304、306上的三相输出信号经由三相电压感测和积分电路314按比例减小并积分，以便为每个相位(三相定子磁通信号)创建定子磁通信号308、310、312。使用例如多个比较器316、运算放大器(opamps)318和积分器320将vfd380的三相输出信号按比例减小和积分，以生成定子磁通信号308、310、312。应当注意，比较器316、运算放大器318和积分器320仅示意性地示出。三相电压感测和积分电路314可包含更多、更少或不同的电子部件，因为可存在用于创建定子磁通信号308、310、312的电压感测和积分电路314的替代配置。如前所述，所提供的控制系统300专门设计用于ac电机，其中频率的变化率高，例如每秒60hz。因此，在线路302、304、306上的电压输出信号包括相应的快速变化频率(高df/dt)。
生成的定子磁通信号308、310、312被馈送到pll电路382。应该注意，本领域的普通技术人员熟悉pll技术，其还在各种出版物中被描述。在pll电路382内，三相定子磁通信号308、310、312被3至2相转换器322转换成具有定子磁通信号324、326的两相定子磁通信号。
通过d-q变换单元328对2相定子磁通信号324、326执行直接正交(d-q)变换。在d-q变换之前由变换器322进行的3相至2相转换是必需的，因为d-q变换单元328接收pll电路382的输出信号(反馈)354作为第三输入信号。直接正交(d-q)变换是用于简化三相电路的分析的数学变换。在平衡三相电路的情况下，应用d-q变换将三个ac量减少到两个量。在执行逆变换以恢复实际的3相ac结果之前，可对这些假想数量进行简化的计算。众所周知，使用d-q变换可将三相ac电机在数学上表示为具有两个磁对称轴的两相ac电机。其中生成磁通的轴被称为直轴(d轴)。与直轴垂直的轴被称为正交轴(q轴)。
在执行d-q变换之后，比例积分(pi)调节器332被从d-q变换单元328的q输出端330馈送。只有q轴的部分被馈送到pi调节器332。pi调节器332(也被称为pi控制器)连续地计算作为期望设定点和测量过程变量之间的差值的误差值，并且基于比例项和积分项来应用校正。利用pi调节器332，将d-q变换的q部分调节为零，使得定子磁通完全沿着d轴对准。pi调节器332的输出端334表示定子磁通信号324、326的角频率，其被转发到积分器336，该积分器将角频率积分成定子磁通角信号338。定子磁通角信号338表示供应至vfd380的pll电路382的输出信号(反馈)。定子磁通角信号338还作为反馈信号354反馈到d-q变换单元328，使得动态地计算和适配定子磁通角。pll电路382的目的在于锁定在ac电机390的电机定子磁通的位置上，并且将定子磁通角信号338提供至vfd380，特别是提供至vfd380的控制器392，使得控制器392使vfd380生成如由pll电路382识别的d轴和q轴中的电流。d轴的电流控制定子磁通的大小，并且q轴的电流控制由ac电机390产生的转矩的大小。
因为由pi调节器336提供的角频率是误差致动信号，所以积分器336的定子磁通角信号338中可存在动态误差，其在角频率不变或仅缓慢变化时变为零。但是当角频率快速变化时，定子磁通角信号338中的误差可增长得太大。如本文所述的控制系统300提供用于减少定子磁通角信号338中的动态误差的手段。为了减小误差，前馈发生器350在pi调节器332的下游供应频率信号352以便减小误差。
前馈发生器350提供用于确定ac电机390的定子频率的独立装置。如前所述，在线302、304、306上的三相输出信号按比例减小并且积分，以创建然后在pll电路382中被处理的三相定子磁通信号308、310、312。并行地，定子磁通信号308、310、312还被供应至前馈发生器350。进而，前馈发生器350在pi调节器332的下游供应定子频率信号352，其中频率信号352与pi调节器332的输出334相加。因此，pi调节器332的适配输出信号335被提供，其代表定子磁通信号308、310、312、324、326的适配角频率。
通过提供ac电机390的独立频率信号352，特别是定子频率信号，积分器336的定子磁通角信号338中的动态误差减小，因为前馈发生器350连续地提供ac电机390的当前定子频率的信号。因此，pll电路382接收当前定子频率输入，并且由积分器336计算的定子磁通角信号338根据ac电机390的当前定子频率被适配或修改。
定子频率信号352是通过使用例如脉宽调制(pwm)将从磁通信号过零点得出的脉冲串转换为模拟信号而得出的。具体地，前馈发生器350确定磁通信号308、310、312的过零点并且生成一串宽度脉冲，其中重复率与定子频率成比例。然后使用例如pwm对一串宽度脉冲进行滤波和/或转换成模拟频率信号352。
仿真结果示出，具有前馈发生器350的前馈信号352显著改善定子磁通位置信号338的动态精度。改善磁通位置信号338的精度为其中速度(频率)快速变化的极高动态驱动系统改善了vfd380的性能。另外，pi调节器332的比例和积分增益可增加，这还将降低定子磁通角信号338中的误差，但是这种方法可受到稳定性考虑因素的限制。
所描述的包含pll电路382和前馈发生器350的控制系统300包含逻辑，其可在硬件、软件或其组合中实现并且可结合旋转ac电动力机以及线性电动力机(例如线性ac电机)使用。
尽管已经以示例性形式公开了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如在以下权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下可进行许多修改、添加和删除。