借助调节器级联对具有软起动器的永磁激励的三相电机进行转速调节的方法和三相电机

摘要

为了达到在IEC标准60034中定义的能效等级IE4，需要永磁激励的同步电机直接在网络上运行。因为这不容易实现，因此考虑软起动器作为具有成本效益的解决方案。本申请描述了一种借助调节器级联对永磁激励的三相电机(M)进行转速调节的方法，三相电机具有包括晶闸管的软起动器(SS)。在所述方法中，计算软起动器(SS)的晶闸管的所有可能的点火时间点，并且确定与每个点火时间点相关联的转矩，转矩由晶闸管的点火在相应的点火时间点产生。此外，根据预先给定的计算规则确定转矩通道(ΔMKorridor)，实际转速(nIst)和额定转矩作为输入参量被馈送至计算规则。对转矩通道进行处理，以计算点火时间点。然后，确定所确定的转矩中的哪个位于转矩通道(ΔMKorridor)中，并且确定相关联的晶闸管的点火时间点。随后，在相关联的点火时间点将晶闸管点火。

说明书

技术领域

三相电机将机械能转换为三相电流，或者将三相电流转换为机械能。三相电机原则上可以作为发电机或者作为电动机运行。将在接通电气设备、例如电机时用于限制功率的措施称为软启动。

背景技术

根据IEC标准60034，将三相电机根据其效率划分为不同的能效等级。尤其是在直至大约20kW的低功率范围内，难以遵守法律规定的电驱动装置的效率，因此越来越多地寻求在转子中使用永磁体，例如作为永磁激励的同步电机(PMSM)。

图1示出了在实施中作为具有定子St和转子L的极式电机(Innenpol-maschine)的这种永磁激励的同步电机M的示意图。转子包括磁北极N和磁南极S。定子St包括绕组相U、V、W。该图示应当理解为仅仅是示例性的，并且对请求保护的主题的保护范围没有任何限制作用。

这种电机类型虽然使得能够实现高的能效等级，但是在刚性网络上不易起动以及运行。

为了能够实现这一点，可以在电机的转子中设置鼠笼(

同样可以借助适当的功率电子控制元件、例如变频器或者软起动器来运行。在此，特别是使用软起动器(也称为软启动装置)是一种用于在刚性网络上启动永磁激励的同步电机的成本友好的解决方案。在接通时，这种软起动器(例如借助相位截止(Phasenanschnitt))使电压降低，并且使电压缓慢地增大，直到达到完全的网络电压。然而，这种软启动经常仅在没有负载的状态下或者在负载很小的情况下是可能的。然而，目前对此仍然没有市场成熟的解决方案已知。

在Marcel Benecke博士(

编码器系统对系统的成本和可用性产生负面影响，这目前使软起动器解决方案对于高效电机来说没有吸引力。由于这些原因，寻求一种用于在没有编码器的情况下进行启动的方法。

在具有软起动器的永磁激励的同步电机运行时，为了实现不同的使用，期望迄今无法实现的转速调节。

所需要的方法与在现有技术中已知的没有编码器的方法的不同之处在于，其必须能够用于晶闸管控制器，而不是变频器。因此，不能使用这些已知的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种使得能够保持外部负荷的、在没有编码器的情况下运行永磁激励的同步电机的方法。此外，本发明要解决的技术问题是，给出一种没有编码器的永磁激励的同步电机，其利用根据本发明的方法工作。

上述技术问题通过根据权利要求1的特征的方法以及根据权利要求13和14的特征的控制设备和三相电机来解决。有利的设计方案从从属权利要求中得到。

本申请描述了借助调节器级联对具有包括晶闸管的软起动器的永磁激励的三相电机进行转速调节的方法。在所述方法中，计算软起动器的晶闸管的所有可能的点火时间点，并且确定由晶闸管的点火在相应的点火时间点产生的、与每个点火时间点相关联的转矩。根据预先给定的计算规则来确定转矩通道(Drehmomentkorridor)，将实际转速(n

在典型的由转速调节器和电流/转矩调节器构成的转速调节器级联中，由电流调节器一一实现转速调节器输出的额定转矩。由此，可以非常好地保持额定转速，并且在存在导向跃变(Führungssprung)的情况下，转速额定值和实际值也良好地一致。

在具有软起动器的永磁激励的同步电机运行时，这是不可能的。在此，使用申请人在WO 2018/086688 A1中提出的方法，利用所述方法，随着软起动器的晶闸管的第一次点火，使电机最大地加速，并且随后，基于所测量的感应电压来计算电机的磁通角。在第一次点火过程之后，已经可以直接从所测量的端子电压确定电机的磁通角(在此期间，相电流为零)。

点火时间点的确定首先基于对感应电压、即电动势(EMK)的直接测量。然后，对于随后的点火过程，可以使用计算的角度。由此，即使在低转速下，也可以非常好地由测量的电压确定角度。

为了在第一次点火时使电机真正最大地加速，在WO 2018/072810 A1中描述的投入运行方法的过程中，可以在电机起动时(起动角是已知的)，准确地确定最佳的点火角。

申请人已知的、在这种方法的过程中使用的方法不能产生恒定的转矩，而是仅能够产生随着时间变化的(在一阶近似中正弦半波形的)转矩。同样，不能像在具有电流调节的以脉冲变化运行的电机的情况下一样，自由地选择并且(通过电流)精确地调节转矩的大小，因为申请人提出的方法不是转矩调节。如果丢失了或多或少好的点火机会，那么在一些情况下，在又产生将晶闸管点火的适当的情形之前可能持续几毫秒。也就是说，考虑到这些情况，如果使用典型的调节器级联来进行转速调节，那么系统将无法工作。

根据本发明提出的方法通过借助所确定的转矩通道修改点火时间点的计算，来消除这些缺点。转矩通道使得能够根据不同的运行点、例如根据实际转速来确定点火时间点。在此，可以借助传感器来测量实际转速，或者可以由EMK计算实际转速。

为了确保在一阶近似中产生所需要的额定转矩，而不产生大太多或者小太多的转矩，定义与转速和额定转矩有关的通道，在该通道中存在预测的随着时间变化的转矩的平均值。因为所述方法不涉及电流调节器，因此由此保证额定转矩和实际转矩具有类似的值。

与借助软起动器的异步电机比较，这使得能够实现新的应用。特别是在主要需要连续运行、但是仍然临时需要较小的速度的应用中，可以借助软起动器和具有鼠笼的永磁激励的三相电机，来提供利用变频器运行的电机的有利的替换方案。其示例是简单的利用两个光栅的定位。

一个适宜的设计方案设置为，当对于所有可能的点火时间点，在转矩通道中不存在相关联的转矩时，不进行晶闸管的点火。由此，三相电机的转子可以不“错误地”加速，即，不以太大或者太小的转矩加速。

此外，适宜的是，在所确定的转矩中的多个位于转矩通道中的情况下，选择如下与转矩相关联的点火时间点，该点火时间点的相关联的转矩最接近额定转矩。这使得能够对转速进行最接近期望的目标的调节。

一个适宜的设计方案设置为，计算规则包括上限和下限。通过到额定转矩的百分比增加来定义上限。通过到额定转矩的百分比减小来定义下限。由此，通道与所确定的或者所需要的额定转矩的大小有关地具有不同的宽度，其中，该宽度随着额定转矩的大小的增加而变大。这使得能够实现随着额定转矩的变大而变大的预测的转矩的偏差，并且由此提高找到用于将软起动器的晶闸管点火的适当的点火时间点的概率。

替换地或者附加地可以设置为，计算规则包括上限和下限，其中，通过到额定转矩M

另一个设计方案设置为，使额定转矩匹配于负载特性，其中，由额定转矩和实际转速确定匹配的额定转矩。由此，可以限制最大额定转矩，其作为输入参量用于确定点火时间点。也就是说，可以适宜地设置为，由实际转速，特别是根据一个或多个转矩-转速特征曲线，来确定最大允许的额定转矩。

此外，可以作为用于确定转矩通道的输入参量，来对最大允许的额定转矩进行处理，其中，作为额定转矩对最大允许的额定转矩进行处理。替换地或者附加地可以设置为，由最大允许的额定转矩和额定转矩，来确定匹配的额定转矩。在此，特别是设置为，选择小于最大允许的额定转矩的新的额定转矩。其结果是，确保转速调节器不需要将使驱动装置过快地加速的过大的转矩。在传统的调节器级联中，例如将通过短时间的负的额定转矩来补偿这种效果(转速过调

上面描述的设计方案使得电机能够以可自由选择的加速度以斜坡形状起动，以及借助惯性斜坡(Auslauframpe)针对性地使转速减小。此外，电机可以短时间在可自由选择的转速下运行，这例如可以用于(以两个速度启动的)初步

另一个适宜的设计方案设置为，确定点火时间点，使得产生用于使三相电机的旋转方向反转的负的转矩。如果改变点火时间点的确定，使得在需要时仅允许负的转矩，那么可以使静止的三相电机在负的旋转方向上加速，也就是说，使旋转方向反转。因为供电网现在具有相反地取向的旋转方向，因此可以使电机在负的方向上加速，直到达到其标称转速的大约60％。这种解决方案的一个优点是，不需要附加的接触器来使旋转方向反转。仅仅借助适当地选择晶闸管的点火时间点来产生负的旋转场，其结果是使旋转场电机的旋转方向反转。应当注意，所描述的方法不旨在用于电机的连续运行，而仅用于使电机加速到一定的转速范围。

另一个适宜的设计方案设置为，交替产生正的和负的转矩，用于周期性地改变三相电机的旋转方向。根据该设计方案，特别是在WO 2018/072810 A1中公开的投入运行方法的过程中所描述的三相电机对准之后，三相电机优选以最大转矩在正的旋转方向上加速，直到实际转速超过阈值。随后，三相电机以优选最大的负的转矩向负的旋转方向加速，直到实际转速超过第二转速阈值，并且又在正的旋转方向上进行加速。也就是说，三相电机周期性地改变机械转速的符号。根据阈值的参数化，可以设置大的或者小的转速冲程(Drehzahlhub)。通过可能的突然的转速改变和旋转方向改变，例如可以去除泵上的沉积物。

此外，提出了一种用于具有软起动器的三相电机的控制装置，其特征在于，控制装置被配置为用于执行这里描述的方法。其与结合根据本发明的方法所描述的优点相同的优点相关联。

特别是，用于借助调节器级联对具有包括晶闸管的软起动器的永磁激励的三相电机进行转速调节的控制设备，包括转速调节器、点火时间点计算单元和适配单元。点火时间点计算单元被配置为用于，计算软起动器的晶闸管的所有可能的点火时间点，以及确定与每个点火时间点相关联的转矩，转矩由晶闸管的点火在相应的点火时间点产生。适配单元被配置为用于，根据预先给定的计算规则来确定转矩通道，实际转速和额定转矩被馈送至计算规则，额定转矩被馈送至转速调节器，以进行处理。点火时间点计算单元被配置为用于，确定所确定的转矩中的哪个位于转矩通道中，并且确定相关联的晶闸管的点火时间点。此外，点火时间点计算单元被配置为用于，在相关联的点火时间点将晶闸管点火。

点火时间点计算单元还被构造为用于，当对于所有可能的点火时间点，没有相关联的转矩位于转矩通道中时，不进行晶闸管的点火。在另一个设计方案中，点火时间点计算单元被构造为用于，在所确定的转矩中的多个位于转矩通道中的情况下，选择如下与转矩相关联的点火时间点，该点火时间点的相关联的转矩最接近额定转矩。

此外，提出了一种具有软起动器的三相电机。该三相电机被构造为用于执行这里描述的方法，由此使得能够保持三相电机。

附图说明

下面，根据附图来详细说明本发明：

图1示出了示例性的三相电机的截面；

图2示出了根据本发明的结构的示意图；

图3示出了根据本发明的调节器级联；

图4示出了根据本发明的方法的流程图；

图5和图6示出了减速斜坡功能的两次不同的测量的转速和相电流的时间曲线；

图7至图9示出了用于实现中间转速的转速跃变的三次不同的测量的转速和相电流的时间曲线；

图10示出了用于产生三相电机的旋转方向反转的转矩的时间曲线；

图11示出了旋转方向反转时的转速的时间曲线；以及

图12示出了逆转功能激活时的转速的时间曲线。

具体实施方式

图2示出了没有编码器以及具有编码器G(左侧)的具有软起动器SS(例如Sirius软起动器)的三相电机的期望的基本结构，该三相电机被构造为永磁激励的同步电机M。如开头所描述的，三相电机例如可以被构造为具有定子St和转子L的极式电机。转子L包括磁北极N和磁南极S。定子St包括绕组相U、V、W。转子L例如可以以抗相对旋转的方式(或者通过传动装置)与未示出的轴连接，外部负载对轴施加转矩、特别是恒定的转矩。

借助下面描述的方法来进行软起动器SS的晶闸管的点火时间点的计算，下面描述的方法基于申请人在WO 2018/086688 A1中提出的方法构建，并且下面称为没有编码器的起动方法。

没有编码器的起动方法基于以下考虑，即，在晶闸管第一次点火时，使三相电机(也称为：电机)以最大可能的转矩加速。由此，要确保在首次点火之后，电机已经超过了特定的最小转速，因此在由于原理而产生的晶闸管的阻断时间期间，可以足够准确地测量感应电压。随后，可以根据已经已知的所谓的EMK方法，由感应电压确定电机的电角度，并且将其传输至(上面提到的博士论文中的)Benecke方法。此外，可以在两相点火期间，直接测量第三相的电压，并且在评估时考虑第三相的电压。

因为电机通常借助软启动设备驱动具有线性或者二次(quadratische)负载特征曲线的无源负载，因此在首次点火时，转矩几乎完全用于惯性质量的加速。就此而言，可以假设首次点火时的加速就足够了，并且可以足够准确地测量感应电压。在测量电压时，可以使用在软起动器中总归存在的测量传感机构。也就是说，所述方法不需要附加的硬件。

没有编码器的起动方法包括两个步骤。

步骤1：确定最佳的点火角：

在用于最初对准电机的方法结束之后，电机的当前的角度是已知的。可以基于该已知的起始角度，根据上面提到的方法来计算软起动器的如下的点火角，在该点火角下，对于给定的最大电流，在电机中产生的转矩最大。为了在晶闸管首次点火时产生尽可能大的转矩，将在首次点火时允许的最大电流设置为对于功率半导体最大允许的电流。

在计算最佳点火角时，通常还引入晶闸管点火期间的旋转角度和转速的曲线，然而，在计算点火角时，旋转角度和转速不是已知的。由于该原因，要在投入运行方法的过程中针对驱动事先确定用于首次点火的最佳点火角。

步骤2：切换到EMK(电动势)方法：

在通过首次点火使永磁激励的同步电机加速之后，通过电机的旋转感应出的电压足够大，可以在晶闸管的阻断阶段期间测量该电压。随后，例如可以通过观察者或者通过简单的反正切计算(Arcustangensberechnung)，根据测量的电压来确定电机的磁通角。同样可以想到仅仅基于励磁电压、测量的电流和电机方程，也就是说，借助计算规则，来确定旋转角度。

与所选择的方案无关，在所提到的情况下，无编码器调节领域的大量方法已经是已知的，并且可以用于此。将根据EMK方法确定的磁通角作为实际值传输至Benecke方法，并且由此确定电机旋转时的下一个最佳点火角。

图3示出了在根据本发明的方法的过程中使用的、用于永磁激励的三相电机的转速调节的调节器级联。该调节器级联包括转速调节器10、点火时间点计算单元20和负载特性确定单元30。

转速调节器10被配置为用于，由额定转速n

点火时间点计算单元20包括确定单元22，如前面所描述的，确定单元22被配置为用于进行点火时间点的计算，以便尽可能好地达到馈送到其的额定转矩M

此外，点火时间点计算单元20包括适配单元21，其被配置为用于，根据预先给定的计算规则来确定转矩通道ΔM

确定单元22计算软起动器(SS)的晶闸管的所有可能的点火时间点，并且确定与每个点火时间点相关联的转矩，该转矩由晶闸管的点火在相应的点火时间点产生。随后，确定单元22确定所确定的转矩中的哪个位于转矩通道中，并且确定相关联的晶闸管的点火时间点。然后，确定单元22给出相应的信号，用于在相关联的点火时间点将晶闸管点火。

当对于所有可能的点火时间点，没有相关联的转矩位于转矩通道ΔM

由适配单元21处理的计算规则可以基于定义或者限制转矩通道的一个或多个事先定义的特征曲线。由适配单元21处理的计算规则或者由此定义的通道包括上限和下限。通过到额定转矩M

替换地或者附加地可以设置为，计算规则包括上限和下限，其中，通过到额定转矩M

仅可选的负载特性确定单元30用于使额定转矩M

最大允许的额定转矩M

在图3中示出的由转速自适应的转速调节器10和修改后的算法(21、22以及可选地31、32)构成的调节器级联，使得能够计算点火时间点。负载特性计算单元30根据实际转速n

图4示出了根据本发明的方法的流程图。在步骤S1中，确定软起动器的晶闸管的所有可能的点火时间点，并且确定与每个点火时间点相关联的转矩，该转矩由晶闸管的点火在相应的点火时间点产生。在步骤S2中，根据预先给定的计算规则确定转矩通道，实际转速和额定转矩作为输入参量被馈送至该计算规则。对转矩通道进行处理，以计算点火时间点。在步骤S3中，确定所确定的转矩中的哪个位于转矩通道中，并且确定相关联的晶闸管的点火时间点。最后，在步骤S4中，在相关联的点火时间点将晶闸管点火。

所描述的方法仅仅基于在串行设备中已经存在的测量值，而不需要附加的传感机构。因此，可以仅仅通过用于IE4电机的运行的软件解决方案来扩展已有的产品。

下面，还提出了转速调节作为基础的应用。

减速斜坡功能(Nachlauframpenfunktion)

在图5和图6中示出的转速n和三个相U、V、W的相电流I

与图5相同，图6示出了电机的惯性运动(Auslauf)。图6附加地示出了也可以实现明显更慢的惯性运动。通过借助软起动器的永磁激励的高效电机的减速开辟了泵应用中的使用。减速例如防止由于水冲击(所谓的水锤(Druckstoβ))造成的损坏。

中间转速

调节器级联也可以用于永磁激励的高效电机在低于标称转速的转速下的临时运行。例如，可以预先配置固定转速。

图7至图9示出了转速n和三个相U、V、W的相电流I

图7示出了在完全负载力矩下从标称转速(n＝1500min

在图8中示出的测量是在与在图7中相同的条件下所记录的，仅代替转速跃变，这次预先给定了转速斜坡作为额定值n

在图9中示出的测量示出了电机从转速n＝350min

图5至图9中的测量示出了，带负载的电机可以在借助软起动器的永磁激励的高效电机的标称转速以下的不同的转速下运行。也可以自由地设计过渡过程。与借助软起动器的异步电机相比，这使得能够实现全新的应用。特别是在主要需要连续运行、但是仍然需要临时较小的速度的应用中，可以借助软起动器和具有鼠笼的永磁激励的电机，来提供利用变频器运行的电机的一种有利的替换方案。

其示例是利用两个光栅的简单的定位。如果要定位的单元行驶通过第一光栅，那么电机转速从网络转速减小为明显更低的转速(例如网络转速的20％)，并且使要定位的单元减速。现在，设备继续行驶，直到也通过了第二光栅，并且进行设备的完全制动。通过事先降低速度，实现了及时停止，并且防止进一步驶过额定位置(这特别是将在大的可变的惯性下出现)。这种应用目前只能借助变频器来实现。

旋转方向反转

通过调节器级联，也可以确定点火时间点，使得产生负的转矩。这使得能够实现如图10和图11所示出的三相电机的旋转方向反转。如果改变点火时间点的确定，使得在需要时仅允许负的转矩，那么可以使静止的三相电机在负的旋转方向上加速，也就是说，使旋转方向反转。因为供电网络现在具有相反地取向的旋转方向，因此可以使电机在负方向上加速，直到达到其标称转速的大约60％。

这种解决方案的一个优点是，不需要附加的接触器来使旋转方向反转。仅仅借助晶闸管的点火时间点的适当的选择，来产生负的旋转场，其结果是使旋转场电机的旋转方向反转。

应当注意，旋转方向反转不旨在用于电机的连续运行，而是仅用于使电机加速到特定的转速范围。

旋转方向的交替改变

另一个适宜的设计方案设置为，交替产生正的和负的转矩，用于周期性地改变三相电机的旋转方向。在此，特别是在投入运行方法的过程(WO2018/072810A1)中描述的三相电机对准之后，使三相电机优选以最大转矩在正的旋转方向上加速，直到实际转速超过阈值。随后，使三相电机以优选最大的负的转矩向负的旋转方向加速，直到实际转速超过第二转速阈值，并且又在正的旋转方向上加速。也就是说，三相电机周期性地改变机械转速的符号。

可以根据阈值的参数化，来设置大的或者小的转速冲程。通过可能的突然的转速改变和旋转方向改变，例如可以去除泵上的沉积物。因此，例如可以以固定的时间间隔(每天、每周、每月等)将逆转功能激活几秒钟，以防止沉积。通过所描述的功能，可以防止或者至少延迟泵的时间和成本密集的更换。