准矢量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矢量电机控 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，尤其是通用的某些设计类型，诸如国家 电气制造商协会（"NEMA"）设计B电机。另外，由用于将电压源连接至电机的开关控制的 电机还可能包括具有诸如高电流、负转矩脉冲、噪声等的不期望的特性的控制器。通常使用 电机启动器，其包括用于在保持低启动电流的同时启动电机的机构。其它控制器也可以控 制电机的速度在零速度与全速度之间。存在各种各样的电机启动器和控制器，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很低。也可以使用变频 驱动器（"VFD"）启动或控制电机。虽然变频驱动器很常见，但是基于晶闸管的启动器也 具有一些优点。例如，基于晶闸管的启动器对于较大的电机来说更经济，并且可以比VFD更 小。VFD可以用于电机速度控制，但一些应用可能在启动之后不需要可变的速度，因而可能 期望较低成本的启动器。晶闸管通常依尺寸被制造成处理一定量的电流，因而能够期望在 启动期间减小电流。可以期望使得负转矩脉冲最小化的用于电机启动和控制的控制方法。
【发明内容】
[0003] 公开了一种用于准矢量电机控制器的设备。系统和方法也执行该设备的功能。该 设备包括开关模块，针对每一相，开关模块选择性地接通开关以将连接至交流（"AC"）电压 源的输入电力导线按顺序连接至电机。用于每相的开关在AC电压源的基波频率的周期的 一部分内接通，其中，该部分小于基波频率的整个周期。在一种实施方式中，该设备包括：源 相位模块，用于确定AC电压源的相位；反EMF相位模块，用于确定电机的反电动势（反EMF) 的相位；以及转矩模块，用于确定AC电压源的相位与反EMF的相位之间的相位差何时在表 TK正的电机转矩的相位范围内。在一种实施方式中，该设备包括脉冲模块，脉冲模块响应于 相位差具有在相位范围内的相位而允许接通用于电机的每相的开关，并且响应于相位差具 有不在相位范围中的相位而禁止接通用于电机的每相的开关。
[0004] 在一种实施方式中，该相位范围包括在该相位处电机转矩预期为正的相位。在又 一实施方式中，相位范围包括在约〇°与约30°之间的相位。在另一实施方式中，源相位模 块使用下面的等式确定AC电压源的相位：
[0006] 其中：
[0007] Θ supply是电压源的相位；以及
[0008] Va，Ve是静止参考坐标系中的定子电压，
[0009] 其中，使用a 变换将电压源的每相的电压变换至静止参考坐标系。
[0010] 在另一实施方式中，反EMF相位模块使用电机的定子中的电压和电流测量来确定 电机的反EMF的相位。在另一实施方式中，反EMF相位模块使用下面的等式确定电机的反 EMF的相位：
[0011]
[0012] 其中：
[0013] Θ enf是电机的反EMF的相位；以及
[0014] Rs是定子绕组的阻抗；
[0015] Va，Ve是静止参考坐标系中的定子电压；以及
[0016] Ia，Ie是静止参考坐标系中的定子电流，
[0017] 其中，使用α-β变换将电机的每相的电压和电流变换至静止参考坐标系。
[0018] 在另一实施方式中，对于电机的每一相，开关模块包括一个或更多个晶闸管，并且 通过调节用于接通每个晶闸管的相位角来控制每个晶闸管。
[0019] 在一种实施方式中，该设备包括启动模块，所述启动模块改变每个开关的接通时 间以控制电机启动。每个开关的接通时间包括开关处于导通状态的时间。在另一实施方式 中，启动模块包括DFC模块，作为用于电机启动的离散频率控制（"DFC"）方法的一部分，所 述DFC模块将一系列离散频率顺序地应用于电机。每个离散频率包括低于向电机提供电力 的AC电压源的基波频率的频率。在又一实施方式中，DFC模块如下应用离散频率：在离散 频率的正半周期内改变用于接通晶闸管的相位角以生成幅值变化的正电流脉冲，然后通过 在离散频率的负半周期内改变用于接通晶闸管的相位角以生成幅值变化的负电流脉冲，其 中，以与AC电压源的基波频率一致的速率生成每个电流脉冲。
[0020] 在另一实施方式中，启动模块还包括分级启动模块，所述分级启动模块应用一个 或更多个启动级，其中，每个启动级包括在预定的时间段内将开关的接通时间保持在固定 值。在另一实施方式中，启动模块包括斜坡模块，所述斜坡模块使用斜坡函数来使开关的接 通时间按斜率变化（ramp)。在另一实施方式中，该设备包括接触器模块，所述接触器模块在 启动模块的最后一级之后将全输入电压（full input voltage)施加至电机。接触器模块通 过闭合与每个开关并联的接触器来施加全输入电压。
[0021] -种用于准矢量电机控制器的方法，包括：对于电机的每一相，选择性地接通开关 以将连接至AC电压源的输入电力导线按顺序连接至电机。在AC电压源的基波频率的周期 的一部分内接通用于每相的开关，并且该部分包括小于基波频率的全周期。在一种实施方 式中，该方法包括以下步骤：确定AC电压源的相位，确定电机的反EMF的相位，以及确定AC 电压源的相位与反EMF的相位之间的相位差何时在表示正的电机转矩的相位范围内。在一 种实施方式中，该方法包括：响应于相位差包括相位范围内的相位而允许接通用于电机的 每一相的开关；以及响应于相位差包括不在相位范围中的相位而禁止接通用于电机的每一 相的开关。
[0022] 在一种实施方式中，确定AC电压源的相位的步骤包括使用下面的等式：
[0024] 其中：
[0025] Θ supply是电压源的相位；以及
[0026] Va，Ve是静止参考坐标系中的定子电压，
[0027] 其中，使用a 变换将电压源的每相的电压变换至静止参考坐标系。
[0028] 在另一实施方式中，确定电机的反EMF的相位的步骤包括使用下面的等式：
[0029]
[0030] 其中：
[0031] Θ ^iif是电机的反EMF的相位；以及
[0032] Rs是定子绕组的阻抗；
[0033] Va，Ve是静止参考坐标系中的定子电压；以及
[0034] Ia，Ie是静止参考坐标系中的定子电流，
[0035] 其中，使用α-β变换将电机的每相的电压和电流变换至静止参考坐标系。
[0036] 在另一实施方式中，该方法包括改变每个开关的接通时间以控制电机启动，其中， 每个开关的接通时间包括开关处于导通状态的时间。在另一实施方式中，改变每个开关的 接通时间以控制电机启动包括：作为用于电机启动的DFC方法的一部分，将一系列离散频 率顺序地应用于电机，其中，每个离散频率包括低于向电机提供电力的AC电压源的基波频 率的频率。在又一实施方式中，改变每个开关的接通时间以控制电机启动包括应用一个或 更多个级（step)，其中，每个级包括在预定的时间段内将开关的接通时间保持在固定值。在 另一实施方式中，改变每个开关的接通时间以控制电机启动包括使用斜坡函数来使开关的 接通时间按斜率变化。
[0037] -种用于准矢量电机控制器的系统，包括：电机启动器，针对电机的每一相，电机 启动器具有用于将AC电压源的相连接至电机的一个或更多个开关；以及开关模块，开关模 块针对每一相选择性地接通一个或更多个开关以将连接至AC电压源的输入电力导线按顺 序连接至电机。用于每相的一个或更多个开关在AC电压源的基波频率的周期的一部分内 接通，并且该部分包括小于基波频率的全周期。在一种实施方式中，该系统包括：源相位模 块，用于确定AC电压源的相位；反EMF相位模块，用于确定电机的反EMF的相位；以及转矩 模块，用于确定AC电压源的相位与反EMF的相位之间的相位差何时在表示正的电机转矩的 相位范围内。在一种实施方式中，该系统包括脉冲模块，脉冲模块响应于相位差包括相位范 围内的相位而允许接通用于电机的每一相的开关，以及响应于相位差包括不在相位范围中 的相位而使得用于电机的每一相的开关的接通。在一种实施方式中，该系统包括容纳电机 启动器的电机控制中心（"MCC"）。
【附图说明】
[0038] 为了容易理解本发明的实施方式的优点，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：
[0039] 图1是示出了用于准矢量电机控制器的系统的一种实施方式的示意性框图；
[0040] 图2是示出了用于准矢量电机控制器的设备的一种实施方式的示意性框图；
[0041] 图3是使用离散频率控制方法的准矢量电机控制器的可能的操作的波形的图示；
[0042] 图4是示出了用于准矢量电机控制器的设备的另一实施方式的示意性框图；
[0043] 图5是示出了用于准矢量电机控制器的设备的第三实施方式的示意性框图；
[0044] 图6是示出了用于准矢量电机控制器的方法的一种实施方式的示意性流程图；
[0045] 图7是示出了用于准矢量电机控制器的方法的另一实施方式的示意性流程图；
[0046] 图8描绘了针对10马力（"HP"）电机的准矢量电机控制器的仿真结果；
[0047] 图9示出了 IOHP电机在50%负载处使用传统软件启动方法和使用准矢量电机控 制器的电机启动的仿真结果；
[0048] 图10不出了 IOHP电机用于泵负载以及对于传统软件启动方法和使用准矢量电机 控制器的电机启动的的仿真结果；
[0049] 图11示出了惯性比为10的永磁式同步电机（"PMSM"）在0%负载和50%负载处 针对具有〇°至60°的相位角差范围的准矢量电机控制器的仿真结果；
[0050] 图12示出了惯性比为20的PMSM在0%负载和50%负载处针对具有0°至30° 的相位角差范围的准矢量电机控制器的仿真结果；以及
[0051] 图13示出了惯性比为20的PMSM在50%负载处针对固定速度500RPM以及对于当 电机启动器被旁路时的准矢量电机控制器的仿真结果。
【具体实施方式】
[0052] 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"。
[0053] 此外，所描述的实施方式的特征、优点