专利名称：三相交流电动机的起动控制设备及方法
技术领域：
本发明涉及三相交流电动机的起动控制设备及方法，尤其涉及控制交流电动机起动的设备，以及在起动时利用切换两相并在预定开关周期内使一相保持导通状态的两相调制方法，目的是当电动机受到预激励时使逆变器中开关设备内产生的功率损耗最小。
近来，交流(AC)电动机广泛应用于不同领域中。因此，人们需要了解交流电动机的特性并将其适当应用于相应领域。例如，用于电梯的交流电动机具有以下特性。
由于交流电动机的次生磁通具有关于定子d轴电流的初始延迟特性，一旦电梯在交流电动机励磁之前起动，就会对交流电动机造成起动冲击。起动冲击是导致交流电动机故障的主要原因之一，因此，有必要防止出现驱动冲击。为此，交流电动机的定子d轴电流必须在电梯起动之前流入，从而使交流电动机被激励。起动后，由此能够线性控制交流电动机的转轴转矩，从而防止产生起动冲击。
在此，交流电动机的励磁时间越短，即预激励时间越短，交流电动机起动越快。结果，为了缩短预激励时间，使远大于标准电流的电流流过定子d轴。但是，在大量电流流到定子d轴以缩短预激励时间的情况下，逆变器中开关设备产生的热量却大大增加。
在这种情况下，如果通过接收用于每一相的电压指令信号来控制例如功率晶体管这样的开关设备有效地执行开关操作，开关设备就不会由于过热而损坏。因此，以下将描述产生用于每一相的电压指令信号的方法。
为逆变器提供用于每一相的电压指令信号的方法分为通过将正弦波与三角波相比较来提供脉宽调制的PWM电压指令信号的方法，以及提供通过脉冲放大调制PAM的指令电压大小而获得的电压指令信号的方法。前述方法为三相调制方法，其中三相开关设备依照预定开关频率即在每个采样时间(三角波周期)内执行开关操作。
下面参考附图描述通过根据三相调制方法产生的电压指令信号控制开关设备来控制交流电动机速度的现有方法。
图1的方框图示出了控制现有三相交流电动机速度的设备，包括AC/DC转换器2，用于将三相交流电源1转换为直流电源；电容器C，用于平滑AC/DC转换器2输出的直流电源；逆变器3，用于将平滑后的直流电源转换为可变交流电源并将其供给交流电动机IM；控制器5，根据预定数据和程序输出控制信号；以及脉宽调制PWM信号发生单元4A、4B，分别用于产生脉宽调制PWM信号，并根据控制器5输出的控制信号将所述信号分别提供给AC/DC转换器2和逆变器3。
在此，转换器2包括开关设备2-1，逆变器3包括开关设备3-1。
下面参考图2至5来说明控制交流电动机IM速度的现有设备和方法。
当接收三相交流电的AC/DC转换器2根据PWM信号发生单元4A输出的控制信号输出直流电时，接收直流的逆变器3按照PWM信号发生单元4B输出的控制信号将可变三相交流电输出到交流电动机IM，从而使交流电动机IM转动。
图2示出了为在交流电动机IM中形成预定磁通而输入的电流以及与磁通的关系。如上所述，为了防止在交流电动机IM中产生起动冲击，必须在交流电动机IM中形成预定磁通。因此，通过将远大于标准电流Id的最大电流值Idmax输入定子d轴，而在延迟时间TB内激励出预定磁通。为了缩短延迟时间，必须将远大于输入到交流电动机的额定值Id的最大电流值Idmax输入到交流电动机中。
图3根据起动时的角速度θ示出了三相电流指令信号，分别表示为“IA(θ)＝IO·Sin(θ)”，“IB(θ)＝IO·Sin(θ-2/3π)”，“IC(θ)＝IO·Sin(θ-4/3π)”。这里，IO表示初始电流。
图4A为在起动期间角速度(θ)为0°时根据时间示出的三相电流指令，图4B示出了与图4A中所示三相电流指令信号相对应的三相电压指令信号。
如图4B所示，接收接近‘0’的电压指令信号VA、VB、VC的PWM信号发生单元4B将电压指令信号VA、VB、VC与控制单元5输出的一个周期的三角波41相比较，在冲击波高于电压VA、VB、VC电平的部分输出正脉冲信号，在三角波低于电压VA、VB、VC电平的部分输出‘0’信号，从而产生占空比约50％的PWM信号。因此，按照PWM信号发生单元4B输出的PWM信号控制逆变器3的运行。
因对开关设备3-1进行操作，而产生了功率损耗。开关设备3-1中的功率损耗分为开关功率损耗和导通功率损耗。开关损耗由输入电流、外加电压和开关频率的大小来确定。导通功率损耗由功率晶体管这样的功率设备的集电极和发射极之间的饱和电压、输入电流大小和设备导通时间来确定。
图5A至5C分别示出了功率开关设备运行时产生的损耗。参照图4B来解释图5A所示的PWM信号。图5B示出了通过接收PWM信号来操作的开关设备3-1的导通功率损耗51。图5C示出了在PWM信号边沿所产生的开关功率损耗52、53。
也就是说，根据三相调制方法控制交流电动机速度的现有方法将按照三相调制方法所产生的PWM信号(例如，图5A)输入到交流电动机IM中，从而控制交流电动机IM的转速。
但是，根据控制交流电动机速度的现有方法，远大于标准电流Id的电流必须在预激励周期内流过定子d轴以缩短预激励时间，因此，逆变器3中流动大量电流。结果，开关设备消耗很多功率，由此产生大量热量。
因此，本发明的主要目的是提供一种控制交流电动机起动的设备，该设备在交流电动机受到预激励时能降低开关设备产生的功率损耗。
本发明的另一目的是提供一种控制交流电动机起动的设备，该设备能利用容量和尺寸均小的功率开关设备。
本发明的再一目的是提供一种控制交流电动机起动的方法，该方法在交流电动机受到预激励时能降低开关设备产生的功率损耗。
本发明的再一目的是提供一种控制交流电动机起动的方法，该方法能采用容量和尺寸均小的功率开关设备。
为了实现本发明的上述目的，提供一种控制三相交流电动机驱动的设备，包括三相交流电源，用于提供三相交流电；转换器，具有用于每一相的开关设备，目的是将来自电源的三相交流电转换为直流电；电容器，用于平滑和输出来自转换器的直流；逆变器，用于将电容器输出的直流转换为三相交流电并将其提供给电动机，逆变器具有分别对应于三相交流电中每一相的开关设备；第一脉宽调制信号发生单元，用于将脉宽调制后的电流指令信号和电压指令信号提供给转换器中各自的三相开关设备；第二脉宽调制信号发生单元，将脉宽调制后的电流指令信号和电压指令信号提供给逆变器中每一相的开关设备；以及控制器，用于将每一相的电流指令信号和电压指令信号提供给第一脉宽调制发生单元和第二脉宽调制信号发生单元，以及用于将电压指令信号输出到第二脉宽调制信号发生单元以在开关周期内使对应于一相的一个开关设备保持导通状态，并且在同一周期内使对应于另两相的其他开关设备执行开关操作，目的是预先激励电动机以及在电动机起动过程中使功率损耗达到最小。
还提供一种控制交流电动机起动的方法，该方法为了防止电动机起动时由预激励产生的驱动冲击和防止开关设备功率损耗，在预定开关周期内使对应于三相交流电中每一相的开关设备中与一相对应的一开关设备保持导通状态，使对应于其他两相的其他开关设备在同一周期内执行开关操作。
参照附图可以更好地理解本发明，附图是通过图示方式给出的，因此不限制本发明，其中图1示出了控制交流电动机转速的现有设备框图；图2示出了定子d轴电流和磁通的响应特性；图3是三相电流的波形图；图4A和4B所示为现有技术中三相电流指令信号变化和相应的三相电压指令信号大小的波形图；图5A至5C所示为现有逆变器中开关设备功率损耗特性的波形图；图6示出了根据本发明的控制三相交流电动机起动的设备的框图；图7A和7B所示为根据本发明的控制三相交流电动机驱动的设备及方法的三相电流指令信号变化和相应的三相电压指令信号的波形图；图8A和8B是根据现有技术和本发明的控制交流电动机起动的方法的功率损耗特性比较图表；以及图9是根据现有技术和本发明控制交流电动机起动的方法的功率损耗特性-初始磁场角的比较曲线图。
下面参照图6来描述本发明的控制三相交流(AC)电动机起动的设备结构。
根据本发明的控制三相交流电动机起动的设备包括三相交流电源10，用于提供三相(A相，B相，C相)交流电；转换器20，具有用于每一相的开关设备20-1，目的是将来自电源1的三相交流电转换成直流电；电容器C，用于平滑和输出来自转换器20的直流电；逆变器30，包括与三相交流电的每一相相对应的开关设备30-1，目的是将电容器C输出的直流转换为三相交流；第一脉宽调制PWM信号发生单元4A，将脉宽调制后的电流指令信号和电压指令信号提供给转换器20内的三相开关设备；第二脉宽调制PWM信号发生单元4B，用于将脉宽调制后的电流指令信号和电压指令信号提供给逆变器30内用于每一相的开关设备；控制器50，将用于每一相的电流指令信号和电压指令信号提供给第一脉宽调制PWM信号发生单元4A和第二脉宽调制PWM信号发生单元4B；以及最佳角速度存储单元60，用于存储角速度值。标号L1，L2，L3表示线圈。
下面来说明根据本发明的控制交流电动机起动的设备的运行。
当电源10输出的三相交流电经线圈L1，L2，L3输出到转换器20时，分别对应于三相交流电的开关设备20-1接收三相交流电的每相。在此，开关设备20-1按照第一PWM信号发生单元4A输出的二进制方波形中的电流指令信号和电压指令信号将开关置为ON或OFF状态，从而将输入的三相交流电转换为直流电输出。
第一PWM信号发生单元4A通过将控制器5输出的电流指令信号和电压指令信号与每个参考三角波形相比较而对它们进行脉宽调制，并以方波形式将它们输出到转换器20中。在此，来自第一PWM信号发生单元4A的输出信号起到了控制转换器20中开关设备20-1切换的作用。
从转换器20输出的直流电经电容器C平滑并输出到逆变器30。通过逆变器30中开关设备30-1的开关操作将电容器C输出的直流电转换为三相交流电，并输出到三相交流电动机。因此，三相交流电动机得以运行。
在逆变器30中设有三个开关设备30-1的目的是产生三相交流电。根据第二PWM信号发生单元4B输出的脉宽调制后的电流指令信号和电压指令信号执行开关操作。第二PWM信号发生单元4B通过将来自控制器50输出的电流指令信号和电压指令信号与每个参考三角波进行比较来对它们进行脉宽调制，调制后的输出以方波形式提供给对应于逆变器30中每一相的每个开关设备30-1。
为了避免电动机IM出现起动冲击，必须在短时间内在电动机IM内激励出预定大小的磁通。因此，必须向电动机IM提供远大于标准电流的最大电流Idmax。
因此，为了起动和预先激励电动机IM以及使功率损耗最小，控制器50向第二PWM信号发生单元4B输出在励磁时间TB的开关周期内为电动机IM提供最大电流Idmax的电流指令信号。在此，最大电流Idmax提供给逆变器30中的开关设备30-1，并且由于开关操作而产生功率损耗。功率损耗达到电动机IM输入功率的约3％，从而使开关设备30-1发热。因此，有必要通过减小开关设备30-1的功率损耗来阻止开关设备30-1发热。为此，为了在励磁时间TB的开关周期内使对应于一相的一个开关设备保持导通状态，以及在同一周期内使对应于另两相的其他开关设备30-1执行开关操作，控制器50将电压指令信号输出到第二PWM信号发生单元4B。
另一方面，开关设备30-1的功率损耗被分解为导通功率损耗和开关功率损耗。尤其是，开关功率损耗主要受逆变器30的开关频率的影响。此外，控制器50输出的电流指令信号以角速度θ对电流值的正弦波形式输出。逆变器30的开关频率受角速度θ影响。
因此，有必要找到能使开关设备30-1的开关损耗最小的角速度θ。如图9所示，例如通过仿真发现角速度大约69°时功率损耗最小，将该值预先存储在最佳角速度存储单元60中。结果，当起动电动机时，控制器50读出最佳角速度存储单元60中使功率损耗最小的角速度θ的值，由此输出电流指令信号。例如，最佳角速度存储单元60可以由只读存储器ROM构成。
下面参照波形图更详细地描述本发明所述的控制三相交流电动机起动的设备结构和运行以及方法。
图7A和7B依照时间示出了控制单元50输出的三相电流指令信号IA、IB、IC以及相应的三相电压指令信号的大小。
图7A示出了当根据本发明从图3的阴影区域选出角速度θ(θ在60°和120°之间，最大电流流过A相)时相应的三相指令电流。A相的电流最好为正值，B和C相的电流为接近零(0)的负值。此外，图7B示出了与图7A相对应的三相电压指令信号。A相的电流相对大于B和C相的电流，因此A相的电压高于B和C相的电压。B和C相的电压都接近零(0)。
因此，为了对与A相对应的开关设备30-1实现电压控制操作以使其保持在导通状态，同时使对应于B和C相的其他开关设备30-1执行开关操作，在开关周期内，A相的电压指令信号VA必须一直大于三角波61的电压值。在此，在三相开关设备30-1中，流过A相的开关设备的电流量最大。因此，通过A相的开关设备30-1提供A相的电流在电动机中激励出磁通，在A相的开关设备30-1中不产生开关功率损耗。结果，A相的开关设备30-1中产生的热量仅受导通功率损耗的影响。
另一方面，下面参照图8A和8B，通过将控制三相交流电起动的方法与根据三相调制方法控制交流电动机起动的现有方法相比较来描述开关设备30-1的损耗特性。
图8A和8B示出了逆变器30中开关设备30-1的功率损耗特性。图8A所示为根据现有方法控制交流电动机起动的开关设备功率损耗特性，图8B所示为根据本发明的控制交流电动机驱动的设备和方法的开关设备的功率损耗特性。
如图8A所示，根据现有三相调制的损耗特性，当角速度θ为0°时，在励磁期间产生的损耗为图7A所示的开关功率损耗52、53和导通功率损耗51。因此，一相(例如，A相)的开关设备总损耗量为‘51+52+53’。同样，在B和C相的开关设备中产生的损耗与A相的开关设备损耗一样多。开关设备30-1的功率损耗通常达到约3％；1％为导通功率损耗，2％为开关功率损耗。这样，开关功率损耗量为导通功率损耗量的两倍。开关频率越高，例如约10KHz，开关功率损耗越多。
另一方面，如图8B所示，在本发明控制交流电动机起动的设备和方法的损耗特性方面，开关功率损耗PSW不是由最大电流流过的A相产生的。而是电流增加到最大值时的导通功率损耗(PON，72)大于现有开关设备电导通的导通功率损耗(PON，71)，且导通时间T增加。因此，总的导通功率损耗量为71与72之和。
因此，现有三相调制的总功率损耗量为“51+52+53”，而本发明的总功率损耗量为“71(现有导通功率损耗(51))+72(本发明所增加的导通功率损耗)”。
另一方面，当“开关功率损耗(52或53)”等于“导通功率损耗(51×2)”时，现有技术中的总功率损耗量变为“51+(2×51)+(2×51)＝5×51”。相反，本发明的总功率损耗量变为“71+72＝51+51＝2×51”。本发明的功率损耗小于现有技术中功率损耗的一半。结果，显著减少了开关设备30-1中产生的热量。
图9示出了电动机起动时根据现有技术以及本发明的控制交流电动机驱动的设备和方法的功率损耗特性-角速度曲线。例如，所示为在选择使A相电流最大的角速度(60＜θ＜90°)作为起动角速度时的开关设备的功率损耗特性。
在现有技术中，如功率损耗曲线81所示，功率损耗在“θ＝60°”处最小，此时A相电流最小。但是，根据本发明，如功率损耗曲线82所示，由于开关设备的性能和开关频率，功率损耗的最小点约为70°。
因此，根据本发明的控制三相交流电动机起动的设备及方法，通过仿真预先找出使开关设备30-1的功率损耗达到最低的点，并将与最低点对应的角速度值存储在最佳角速度存储单元60中。因此，当起动电动机时，利用最佳角速度值产生电流指令信号，通过输出电流指令信号预先激励电动机，从而有效降低开关设备的功率损耗。
由于本发明是在不违背本发明主题和实质特征的情况下以几种不同形式举例说明，因此应当理解的是，除非特别指出，否则上述实施例不受限于前面所述的任何具体情况，其主题和范围在权利要求中概括限定，因此，落在权利要求范围内的或等同于权利要求范围的所有变化和修改都包括在权利要求范围之内。
权利要求
1.一种控制三相交流电动机起动的设备，包括三相交流电源，用于提供三相交流电；转换器，包括用于每一相的开关设备，用于将来自电源的三相交流电转换为直流电；电容器，用于平滑来自转换器的直流电；逆变器，包括对应于每一相的开关设备，用于接收来自电容器的平滑后的直流并将其转换为三相交流电；第一脉宽调制信号发生单元，用于对电流指令信号和电压指令信号进行脉宽调制并输出到转换器中各自的三相开关设备；第二脉宽调制信号发生单元，用于对电流指令信号和电压指令信号进行脉宽调制并输出到逆变器中的开关设备；以及控制器，用于将每一相的电流指令信号和电压指令信号提供给第一脉宽调制信号发生单元和第二脉宽调制信号发生单元，以及用于将电压指令信号输出到第二脉宽调制信号发生单元，以便在开关周期内使对应于一相的一个开关设备保持导通状态，以及在同一周期内使对应于另两相的其他开关设备执行开关操作，为的是预先激励电动机以及在电动机起动过程中使功率损耗达到最小。
2.根据权利要求1所述的设备，其中输出到第二脉宽调制信号发生单元的电流指令信号为关于角速度的正弦波形，还包括一存储单元，用于存储使逆变器中开关设备功率损耗最小的角速度值和将存储的角速度值输出到控制单元。
3.一种通过具有开关设备的逆变器来控制三相交流电动机起动的方法，每个设备对应于三相中的每一相，包括在预定开关周期内，在对应于三相交流电中每一相的开关设备中使对应于一相的一个开关设备保持导通状态，在同一周期内使对应于另两相的其他开关设备执行开关操作，以防止电动机起动时预先激励所引起的起动冲击和开关设备的功率损耗。
全文摘要
本发明涉及控制三相交流电动机起动的设备,以及当交流电动机受到预激励时使逆变器中功率开关设备产生的功率损耗达到最小的方法。在预定开关周期内,控制三相交流电动机起动的设备使一相的开关设备保持导通状态,使其他两相的其他开关设备执行开关操作,从而使开关设备中产生的功率损耗达到最小。此外,预先找出使功率损耗最小的电压指令信号的角速度并存储在预定存储单元中。
文档编号H02P1/26GK1247409SQ9911979
公开日2000年3月15日 申请日期1999年9月3日 优先权日1998年9月3日
发明者金翰钟 申请人:Lg产电株式会社