專利名稱：無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，以下稱為PMSM)的控制方法，具體涉及利用單一的逆變器裝置使2臺(tái)以上無傳感器PMSM同步起動(dòng)并以額定速度連續(xù)運(yùn)行、可以從反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)起動(dòng)、能防止以低于額定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)、并在故障時(shí)安全停止的無傳感器PMSM的控制方法。

背景技術(shù)：
以往，以三相交流電作為電源的PMSM安裝有檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器(位置檢測(cè)裝置)并采用這樣的起動(dòng)方式即通過該傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，根據(jù)檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子磁極位置使電流流經(jīng)定子線圈的各相而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，通過與所產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的相互作用而從磁極產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而將動(dòng)力傳遞給負(fù)載。
這種帶傳感器的PMSM、控制電路和逆變器裝置不僅總成本高于作為交流電動(dòng)機(jī)的代表例的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和逆變器裝置的總成本，而且還會(huì)有傳感器出故障的問題，為此，在例如鼓風(fēng)機(jī)等在固定轉(zhuǎn)速以上的條件下所使用的PMSM中，采用不要傳感器以減少成本的無傳感器方式PMSM。為了將連續(xù)運(yùn)行中的控制保持為與帶傳感器的PMSM相同的級(jí)別，在該無傳感器PMSM中檢測(cè)呈現(xiàn)在定子線圈端子處的各種數(shù)據(jù)，推算其特性并進(jìn)行復(fù)雜的控制(參照例如日本特開2001-268974號(hào)、日本特開2002-272195號(hào))。
專利文獻(xiàn)1日本特開2001-268974號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2日本特開2002-272195號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題 然而，在利用現(xiàn)有的方法來起動(dòng)無傳感器PMSM時(shí)，需要起動(dòng)用的另外的特殊控制裝置，或者由于控制方法進(jìn)一步復(fù)雜化而需要從起動(dòng)開始進(jìn)行控制，存在由于該控制方式的復(fù)雜而有時(shí)起動(dòng)失敗的問題。另外對(duì)1臺(tái)PMSM各需要1臺(tái)提供電源的逆變器裝置，存在妨礙實(shí)現(xiàn)減少成本的問題。
用于解決問題的方案 本發(fā)明是以三相交流電源作為動(dòng)力的2臺(tái)以上無傳感器PMSM的同步起動(dòng)方式，其利用單一的逆變器裝置將超低頻三相交流電流以固定時(shí)間施加到該2臺(tái)以上PMSM并以低速轉(zhuǎn)動(dòng)同步起動(dòng)后，逐漸提高電源頻率，使轉(zhuǎn)速上升達(dá)到額定轉(zhuǎn)動(dòng)，從而利用單一的逆變器裝置可靠地起動(dòng)2臺(tái)以上PMSM，解決了上述問題。
本發(fā)明是一種2臺(tái)以上以三相交流電源作為動(dòng)力的無傳感器PMSM的同步起動(dòng)方式，其利用單一的逆變器裝置將超低頻三相交流電流施加到該2臺(tái)以上PMSM固定時(shí)間并以低速轉(zhuǎn)動(dòng)同步起動(dòng)后，逐漸提高電源頻率，使轉(zhuǎn)速上升并達(dá)到額定轉(zhuǎn)動(dòng)，從而利用單一的逆變器裝置可靠地起動(dòng)2臺(tái)以上PMSM。
另外通過由逆變器裝置將直流電流施加到2臺(tái)以上PMSM的各三相線圈內(nèi)任意二相線圈上而形成定子磁軸，從而吸引轉(zhuǎn)子磁極，并在將2臺(tái)以上PMSM同時(shí)同步化之后逐漸提高三相交流電壓的頻率來達(dá)到額定轉(zhuǎn)動(dòng)。
在PMSM由于外因而反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過在2臺(tái)以上PMSM的三相線圈之間將各相分別連接并在該P(yáng)MSM間產(chǎn)生電氣制動(dòng)電流，從而將全部PMSM以反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)同步化為相同的轉(zhuǎn)速并檢測(cè)已同步的轉(zhuǎn)速中PMSM的產(chǎn)生電壓、頻率，在通過由逆變器裝置施加該角速度±公差角速度的頻率的電壓、電流從而與電源同步化之后，通過轉(zhuǎn)換成正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)從而經(jīng)過停止?fàn)顟B(tài)達(dá)到額定轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步起動(dòng)。
在降低同步運(yùn)行的2臺(tái)以上PMSM的轉(zhuǎn)速并降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，在逆變器裝置的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor絕緣柵雙極型晶體管)電路的輸出側(cè)檢測(cè)所產(chǎn)生的電壓、頻率及電流值，通過使由該逆變器裝置所提供的電流的相位比PMSM的產(chǎn)生電壓提前15°以上的相位并增大內(nèi)部相差角δ，從而使2臺(tái)以上PMSM不致發(fā)生振動(dòng)(電動(dòng)機(jī)不能安靜地進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、而是抖動(dòng)著轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)出噪音的狀態(tài))、振蕩(同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)該與轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)完全同步地轉(zhuǎn)動(dòng)，但是轉(zhuǎn)子同步的同時(shí)又相對(duì)三個(gè)定子磁極軸變動(dòng)而進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng))、失步(當(dāng)振蕩達(dá)到最大時(shí)，無法與轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)同步，導(dǎo)致從電源系統(tǒng)脫離)等而運(yùn)行。
由逆變器裝置的IGBT電路檢測(cè)與PMSM的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的頻率、電壓、電流，并且由IGBT電路檢測(cè)與由發(fā)生異常的PMSM產(chǎn)生的異常頻率的電壓、電流，從而由該IGBT電路檢測(cè)當(dāng)同步運(yùn)行中的2臺(tái)以上PMSM中的1臺(tái)因故障等而偏離同步速度而降低轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的異常頻率的電流，來斷開該逆變器裝置的輸出、安全地停止正常的PMSM轉(zhuǎn)動(dòng)。
發(fā)明的效果 本發(fā)明能夠通過簡(jiǎn)易的控制方法，由單一的逆變器裝置對(duì)2臺(tái)以上無傳感器PMSM從同步起動(dòng)到連續(xù)運(yùn)行為止進(jìn)行控制，因此產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度降低成本的效果。
產(chǎn)生能夠?qū)?臺(tái)以上的無傳感器PMSM從反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)起動(dòng)的效果。
產(chǎn)生能夠防止無傳感器PMSM在比額定轉(zhuǎn)動(dòng)速度低的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的振動(dòng)等、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且安靜的低速轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。
產(chǎn)生能夠檢測(cè)并控制無傳感器PMSM故障等時(shí)的異常轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)、安全地進(jìn)行停止等的效果。



圖1是表示1C1M的起動(dòng)時(shí)等效電路示例的圖。
圖2是表示1CXM的電路示例的圖。
圖3是表示第2實(shí)施例的同步起動(dòng)方法的原理圖。
圖4是表示反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的同步化的原理圖。
圖5是表示反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所施加的電壓的向量圖。
圖6是表示同步起動(dòng)方式的原理圖。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 所謂同步起動(dòng)方式是使以三相交流電源作為動(dòng)力的同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的方式之一，如圖6所示，將驅(qū)動(dòng)側(cè)的同步發(fā)電機(jī)G和被驅(qū)動(dòng)側(cè)的同步電動(dòng)機(jī)M兩者作為同步設(shè)備，在停止?fàn)顟B(tài)下在兩者的三相端子之間互相連接并分別流通勵(lì)磁電流，在起動(dòng)時(shí)使與同步發(fā)電機(jī)G直接連接的驅(qū)動(dòng)設(shè)備D緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，則同步發(fā)電機(jī)G進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)并將超低頻電流提供給同步電動(dòng)機(jī)M，與由在同步電動(dòng)機(jī)M側(cè)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)和勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生作用，從而將同步電動(dòng)機(jī)M與同步發(fā)電機(jī)G同步化，此后通過提高同步發(fā)電機(jī)G側(cè)的轉(zhuǎn)速來繼續(xù)保持同步提高轉(zhuǎn)速直到上升到高速的額定轉(zhuǎn)速為止。
這種同步起動(dòng)方式用作大容量的同步電動(dòng)機(jī)、例如與抽水發(fā)電站的泵水輪機(jī)直接連接的發(fā)電電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，或用作大容量的渦輪發(fā)電機(jī)的起動(dòng)等，作為不給所連接的系統(tǒng)造成起動(dòng)時(shí)的較大負(fù)載，能夠平滑地起動(dòng)的方法而適用，并在各種實(shí)施例中進(jìn)行詳細(xì)的分析，確認(rèn)各種參數(shù)下的同步起動(dòng)的可能范圍。
在要將同步起動(dòng)方式應(yīng)用于PMSM中的情況下，存在以下不同點(diǎn)首先，PMSM的輸出是100瓦至幾千瓦，因此與前述的普通電動(dòng)機(jī)相比容量非常小，其電機(jī)子線圈的電阻以單位法計(jì)為0.04～0.2pu(4～20％)非常大；另外勵(lì)磁是永久磁體，因此PMSM的勵(lì)磁E2是固定的恒定值；以及電源的供給使用IGBT電路來取代同步發(fā)電機(jī)G的逆變器電源等。對(duì)于這些，詳細(xì)的計(jì)算非常復(fù)雜，因此根據(jù)從已經(jīng)明確了的參數(shù)中省略影響較少的參數(shù)的簡(jiǎn)單計(jì)算來求出成為該同步起動(dòng)的可能范圍的轉(zhuǎn)速N1(或角速度ω1)。此外，利用逆變器裝置將電源以固定時(shí)間施加給PMSM。
1)1C1M(以1臺(tái)逆變器裝置來起動(dòng)1臺(tái)PMSM)的情況 (a)電路和電流 圖1是表示從電源(逆變器裝置)將與非常低速的頻率f1對(duì)應(yīng)的角速度ω1(以單位法表示為0.01數(shù)量級(jí))的電壓提供給PMSM的狀態(tài)的圖。
設(shè)V0為額定時(shí)的相電壓、額定時(shí)的電流為I0(A)、f0為額定頻率，則在超低速時(shí)以N1min-1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電壓V為 V＝V0·(f1/f0)＝V0·(ω1/ω0)……(1) 此處Lm是與電動(dòng)機(jī)的電抗對(duì)應(yīng)的電感。
由于ω1Lm與Rm相比非常小，因此電路的阻抗Zm為

流至圖1的電路中的電流I1(A)為
此外，如果忽略電源的電阻，則Rm成為PM SM的電阻。
(b)轉(zhuǎn)矩的推算 ①同步設(shè)備在額定時(shí)產(chǎn)生的F0以下式來表示 F0＝0.707·Bm1·A1·Kw·cosδ[N/m2]……(4) Bm1永久磁體產(chǎn)生的磁力線內(nèi)基本波磁力線密度的峰值[T] A1電機(jī)子線圈造成的帶電負(fù)載，以A1＝(I0·∑Z)/(πD)(A/m)來表示。(∑Z為三相線圈的全部串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)量，D為定子內(nèi)直徑(m)) Kw線圈系數(shù)，δ內(nèi)部相差角、設(shè)為
將應(yīng)用于數(shù)百瓦級(jí)PM SM的情況下的數(shù)值代入上述(4)式，則可求出F0的大概值。

另一方面，對(duì)于I1，就2種具體的PMSM(輸出200W和150W)進(jìn)行計(jì)算。
200W單相的電阻值Rm＝7Ω 150W單相的電阻值Rm＝20Ω 由于端子電壓是200V，故上述(3)式的相電壓為 對(duì)于ω1/ω0＝0.005、0.01、0.02、0.03、0.06(pu)分別求出I1。
表1 ②200W設(shè)備產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 200W設(shè)備的額定電流為I0＝1.0(A)，轉(zhuǎn)子表面積為S＝0.01(m2)，額定轉(zhuǎn)速為N0＝1300min-1，轉(zhuǎn)子半徑為r＝0.033m，因此使用上述(5)式來推算整個(gè)PMSM的力F1以及產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T。
F1＝F0·(I1/1.0)·S[N]，T＝F1·r[Nm]……(7) 表2 ③150W設(shè)備產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 在使用150瓦設(shè)備的額定電流為I1＝0.7(A)，轉(zhuǎn)子表面積為S＝0.008(m2)，額定轉(zhuǎn)速N0＝1300min-1，轉(zhuǎn)子半徑r＝0.0285m時(shí)，同樣能夠推算F1和T。
表3 3)GD2所需的能量和轉(zhuǎn)矩 在轉(zhuǎn)動(dòng)體具有GD2(kgm2)的飛輪效應(yīng)、以N0(min-1)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持的能量E0為 E0＝1.37·GD2·(N0/1000)2(kWS) ＝(1/730)·GD2·N02(WS或J)……(8) GD2被設(shè)為作為PMSM的負(fù)載的風(fēng)扇的GD2比PMSM大得多，在200W設(shè)備和150W設(shè)備中使用同一GD2。
GD2＝0.124[kgm2] 因此，E0＝(1/730)·0.124·13002＝287(WS或J)……(9) ω1/ω0的轉(zhuǎn)速時(shí)保持的能量E為 E＝E0·(ω1/ω0)2(WS或J)……(10) 另一方面，在三相電流流入定子線圈(ω1/ω0的低頻)產(chǎn)生緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)，通過該磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子的表面被磁化的N、S的磁場(chǎng)之間產(chǎn)生力，不得不在最初的N、S極處同步化。
設(shè)轉(zhuǎn)子磁極為8極結(jié)構(gòu)，則每極的機(jī)械角θ1為 θ1＝2π/8＝0.785[rad]……(11) 設(shè)使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)θ1角所需的轉(zhuǎn)矩為Tm，則所需的能量W為 W＝Tm·θ1[Nm或J]＝0.785·Tm……(12) 設(shè)上述(10)＝(12)，則 W＝287·(ω1/ω0)2＝0.785·Tm……(13) 因此Tm＝365·(ω1/ω0)2……(14) 將200W設(shè)備所需的Tm與②中求出的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T進(jìn)行比較。
表4 通過該計(jì)算結(jié)果，可知如果(ω1/ω0)的值為約0.03pu(即3％)以下的速度就可以同步化，在0.03pu以上就難以同步化。
同樣地，對(duì)于150W設(shè)備也進(jìn)行計(jì)算。
表5 通過該計(jì)算結(jié)果，可知即使(ω1/ω0)的值為約0.01pu(即1％)的速度，也難以進(jìn)行同步化。
4)能夠同步起動(dòng)的條件 由以上的計(jì)算結(jié)果可知能夠同步起動(dòng)的條件是由電源將某恒定頻率(對(duì)應(yīng)于ω1)的電壓施加到PM SM，由流通的電流提供給PMSM的轉(zhuǎn)矩以及能量能夠超過在某段期間內(nèi)包含GD2并達(dá)到ω1所需的轉(zhuǎn)子能量，并能夠有裕量地供給該能量。
在上述200W設(shè)備中，如果將ω1固定在ω1為0.03pu(即3％)以內(nèi)，則能夠同步化。
另一方面，當(dāng)150W設(shè)備的ω1為0.01pu(即1％)以下時(shí)，同步化范圍狹窄，難以進(jìn)行穩(wěn)定的同步化，因此這種情況下能夠通過增加電源電壓V來穩(wěn)定地起動(dòng)。
由此為了穩(wěn)定地進(jìn)行同步化，可以考慮減小PMSM的電阻值、或在允許范圍內(nèi)提升電源電壓等方法，但這些都必須以[電動(dòng)機(jī)成本+逆變器成本]＝總成本來看待。是增大PMSM的體型并降低電阻值、還是對(duì)逆變器裝置設(shè)置裕量為好的判斷很重要，根據(jù)使用條件來選擇即可。
上述的例是1C1M(以1臺(tái)逆變器裝置來起動(dòng)1臺(tái)PMSM)的情況，1CXM(以1臺(tái)逆變器裝置來起動(dòng)2臺(tái)以上PMSM)的情況由于要增加X臺(tái)各自的同步化問題，因此需要進(jìn)一步的裕量。
根據(jù)以上1)～4)所示的起動(dòng)方法，如果在PMSM中不需要傳感器(無傳感器)并在低頻狀態(tài)(幾個(gè)百分點(diǎn)以下，主要是3％以下)下將三相用逆變器裝置的輸出頻率的電壓、電流在幾秒鐘的固定時(shí)間內(nèi)施加給PMSM，則如圖2所示，即使有2臺(tái)以上PMSM電源也能夠同步化，此后能夠通過提升逆變器裝置的電源頻率從而保持同步上升至高速的額定轉(zhuǎn)速。
實(shí)施例2 接著，說明同步起動(dòng)方法的第2實(shí)施例。如圖3所示，在三相線圈內(nèi)首先使直流電流流入二相線圈，利用由此產(chǎn)生的定子磁軸(不轉(zhuǎn)動(dòng))來吸引轉(zhuǎn)子磁極，調(diào)整磁軸進(jìn)行同步化，接著像普通的逆變器裝置那樣在VW間、WU間進(jìn)行相位切換來提升頻率。在這種情況下，將最初的磁極對(duì)準(zhǔn)磁軸也需要幾秒的固定時(shí)間Δt(直到轉(zhuǎn)子在以固有振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)的同時(shí)同步化、穩(wěn)定化為止)。
圖3是關(guān)于1臺(tái)PMSM的圖，在將本方法應(yīng)用于2臺(tái)以上的X臺(tái)PMSM的起動(dòng)的情況下，雖然同步化條件會(huì)稍微嚴(yán)格一些，但能夠通過研究PMSM的電阻值、GD2、施加電壓等而實(shí)現(xiàn)可靠的同步化?？梢酝ㄟ^對(duì)包含控制方式和臺(tái)數(shù)的整體平衡的研究來決定選擇第1、第2實(shí)施例中的哪一種同步起動(dòng)方法。
在以1CXM(以1臺(tái)逆變器裝置來起動(dòng)X臺(tái)PMSM)起動(dòng)PMSM的情況下，如前所述，決定可否同時(shí)起動(dòng)的首要因素是PMSM的電機(jī)子電阻值，其次，GD2、電源電壓也有影響。即在同時(shí)起動(dòng)2臺(tái)以上PMSM的情況下，重要之處在于使這些阻抗值具有裕量，并且平穩(wěn)地保持由逆變器裝置提供的電壓、頻率(低電壓、低頻率)以及其保持期間從而使起動(dòng)電流(同步化電流)流入PMSM，在2臺(tái)PMSM的情況下同時(shí)起動(dòng)2臺(tái)并使之完全同步化。如果完全實(shí)施該同步化，在進(jìn)一步提高電源頻率來增加PMSM的轉(zhuǎn)速的過程中，同步化力互相發(fā)生作用，因此可以穩(wěn)定地上升。該上升過程以及到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后的運(yùn)行控制可以切換為由PMSM的電壓和頻率的檢測(cè)構(gòu)成的閉環(huán)控制，從而能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。而且，由于能夠利用單一的逆變器裝置使2臺(tái)以上PMSM可靠地起動(dòng)，因此能夠大幅度降低包含無傳感器PMSM的成本在內(nèi)的整體成本。
實(shí)施例3 在無傳感器PMSM的使用地方是例如大型空調(diào)設(shè)備等的情況下，直接連接至PMSM的負(fù)載是鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)為了停止某PMSM組(利用單一的逆變器裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的2臺(tái)以上PMSM)而切斷電源時(shí)，由其它正在運(yùn)行的鼓風(fēng)機(jī)造成的正壓環(huán)境對(duì)已停止的鼓風(fēng)機(jī)施加壓力，成為與普通狀態(tài)相反的反向轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速有時(shí)可達(dá)額定轉(zhuǎn)速的40％。
本發(fā)明提出了一種在像那樣反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的狀況下、在2臺(tái)以上無傳感器PMSM的情況下也可以可靠地與單一的逆變器電源同步、穩(wěn)定地起動(dòng)的方法。
如果2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)有各自不同的電源(各自用的逆變器裝置)，以不同的轉(zhuǎn)速(例如一臺(tái)為-N3min-1，另一臺(tái)為-N4min-1)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在1C1M的情況下將兩臺(tái)PMSM的各相線圈之間連接，利用由反向轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的流過兩臺(tái)PMSM間的電流而產(chǎn)生發(fā)電制動(dòng)，以兩臺(tái)PMSM各自轉(zhuǎn)動(dòng)的大致中間的-N5min-1這一相同轉(zhuǎn)速使2臺(tái)PMSM成為同步的狀態(tài)，即能夠成為可將2臺(tái)PMSM視作1臺(tái)PMSM的狀態(tài)。
檢測(cè)該狀態(tài)下由PMSM產(chǎn)生的電壓、頻率，通過由IGBT電路施加與此對(duì)應(yīng)的電壓從而使2臺(tái)PMSM同時(shí)同步化，能夠使轉(zhuǎn)動(dòng)從-N5min-1(反向轉(zhuǎn)動(dòng))到0min-1(停止)再上升至N0min-1(額定轉(zhuǎn)速)。
進(jìn)一步詳細(xì)地進(jìn)行說明，在2臺(tái)PMSM(a)(b)的情況下(1C2M)，將兩臺(tái)PMSM的三相端子分別連接到來自IGBT電路的輸出端子上。從而在以任何原因停止該組件而切斷IGBT電路的輸出時(shí)，PMSM(a)(b)從N0min-1(額定轉(zhuǎn)速)到0min-1(停止)再成為反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但是兩臺(tái)設(shè)備被電氣地連接，因此在反向轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下也保持同步狀態(tài)，成為以-N5min-1的相同轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如果是在兩臺(tái)PMSM間無連接而單獨(dú)運(yùn)行的情況下，PMSM(a)(b)因各風(fēng)機(jī)特性等的不同而分別以-N3min-1、-N4min-1的不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，但在電氣地連接的情況下由于制動(dòng)電流流動(dòng)而電氣制動(dòng)轉(zhuǎn)矩起作用，就同步為-N3min-1與-N4min-1的中間的-N5min-1的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
因此，由電源底座檢測(cè)此時(shí)PMSM的產(chǎn)生電壓以及頻率(PMSM作為發(fā)電機(jī)而起作用)，逆變器裝置施加與該電壓V5對(duì)應(yīng)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)的三相電壓和頻率，流過規(guī)定的電流與電源同步化，此后通過切換電源的二相作為正方向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)就能夠轉(zhuǎn)變?yōu)?min-1的狀態(tài)。
在以上的過程中，能夠進(jìn)行從反向轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)開始的無傳感器PMSM的起動(dòng)。其主要特征在于不僅對(duì)1臺(tái)適用，也能適用于多臺(tái)PMSM。
該反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的同步化現(xiàn)象與從0min-1開始的起動(dòng)時(shí)的同步現(xiàn)象大致類似。如圖4所示，設(shè)順時(shí)針方向?yàn)檎蜣D(zhuǎn)動(dòng)方向，則反向轉(zhuǎn)動(dòng)方向成為逆時(shí)針方向，在2臺(tái)PMSM的情況下如前述那樣進(jìn)行同步化并形成以-N5min-1轉(zhuǎn)動(dòng)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，因此在定子線圈中激起的頻率f5為 f5＝PN5/120(Hz)(P為極數(shù)) 由于ω5＝2πf5， 可知對(duì)于根據(jù)由線圈端子所檢測(cè)出的頻率而求出的角速度ω5，作為由逆變器裝置施加的電源在反向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)中如果是角速度ω5±(0～ω1)的范圍就可以同步化。ω1為同步化公差角速度。實(shí)際上重要之處在于施加ω5±Δω1(Δω1＜ω1)的角速度來更容易且可靠地進(jìn)行同步化。施加電壓應(yīng)當(dāng)是1)處敘述的能夠流通同步化所需電流的電壓。參照?qǐng)D5的向量。
圖4的(b)示出了同步化時(shí)逆變器裝置輸出的產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)的電流的方向。因此，同步化后通過如圖4(c)所示立即轉(zhuǎn)換V、W相從而變更為正向轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)速?gòu)?N5min-1回到0min-1。即使是多臺(tái)PMSM也能夠容易且可靠地進(jìn)行上述過程。從0min-1開始的起動(dòng)應(yīng)用1)所述的同步起動(dòng)方法。
實(shí)施例4 在本實(shí)施例中說明作為額定轉(zhuǎn)速的70％以下轉(zhuǎn)速時(shí)的穩(wěn)定化對(duì)策的控制方法。
當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，特別是在鼓風(fēng)機(jī)等負(fù)載的情況下，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比降低。因此，作為PMSM所需的電流也與轉(zhuǎn)矩成正比降低。這意味著PMSM的內(nèi)部相差角δ變小了，當(dāng)在1CXM的情況下將2臺(tái)以上PMSM連接至1臺(tái)逆變器電源時(shí)，在電流值大幅度減少的狀態(tài)下，產(chǎn)生因各鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載的若干特性的不同而造成的內(nèi)部相差角之差而引起的振動(dòng)，有時(shí)會(huì)發(fā)生不能穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)象。因此在逆變器裝置的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管)電路的輸出側(cè)檢測(cè)同步運(yùn)行中的2臺(tái)以上PMSM的電壓、頻率、電流值，通過使該逆變器裝置所提供的電流的相位比PMSM的產(chǎn)生電壓提前15°以上的相位來增大內(nèi)部相差角從而增加電流，從而使2臺(tái)以上PMSM不發(fā)生振動(dòng)、振蕩、失步等而運(yùn)行。
通常在額定運(yùn)行時(shí)(額定轉(zhuǎn)速)，為使PMSM以最高效率運(yùn)行而多采用直軸電流Id＝0控制(使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電壓與電流的相位同相的控制)。在這種情況下電流為最小值，因此在2臺(tái)以上并列運(yùn)行的情況下，如上所述降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)或者振蕩的可能性變高。為了改善這種情況而使電流的相位角比產(chǎn)生電壓超前時(shí)，由于內(nèi)部相差角δ增大為δ+Δδ，并且電流值也增大，因此由負(fù)載特性的不同產(chǎn)生的兩臺(tái)PMSM(在2臺(tái)的情況下)的有效電流的差額由于I2R損失的增加等而降低，能夠抑制振動(dòng)或者振蕩。設(shè)超前相角為15°以上、最好是20°以上就可期待穩(wěn)定的抑制效果。
實(shí)施例5 在本實(shí)施例中說明故障時(shí)等安全地停止PMSM的方法。
由IGBT電路檢測(cè)與PMSM的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)而產(chǎn)生的頻率的電壓、電流，同時(shí)由IGBT電路檢測(cè)在同步運(yùn)行中的2臺(tái)以上PMSM中的1臺(tái)因故障等而偏離同步速度并降低轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的異常頻率的電流，斷開該逆變器裝置的輸出，使其它正常的PMSM的轉(zhuǎn)動(dòng)安全地停止。
例如當(dāng)2臺(tái)PMSM運(yùn)行時(shí)，其中1臺(tái)由于軸承損傷等而偏離同步速度、趨向于停止而降低轉(zhuǎn)速時(shí)，PMSM產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率的電壓，該電流作為異常頻率的電流而流至逆變器裝置的IGBT電路以及另外1臺(tái)PMSM，因此在由IGBT電路的輸出側(cè)檢測(cè)出該電流并切斷逆變器裝置的輸出時(shí)，能夠使該組件安全地停止。此外，如果前述1臺(tái)故障設(shè)備提早完全停止就會(huì)從IGBT電路流出大電流，因此能夠由OCR(Over Current Relay過流中繼)電路來停止。
工業(yè)上的可利用性 本發(fā)明的控制方法具有在使用2臺(tái)以上無傳感器PMSM的環(huán)境下可信賴性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低，能夠廣泛利用。
權(quán)利要求
1.一種2臺(tái)以上以三相交流電源作為動(dòng)力的無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)即PM SM的同步起動(dòng)方式，其特征在于，
其利用單一的逆變器裝置將超低頻三相交流電流施加到該2臺(tái)以上PM SM固定時(shí)間并以低轉(zhuǎn)速同步起動(dòng)后，逐漸提高電源頻率，使轉(zhuǎn)速上升達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的同步起動(dòng)方法，其特征在于，
由逆變器裝置將直流電流施加到2臺(tái)以上PMSM的各三相線圈內(nèi)任意二相線圈上而形成定子磁極軸，從而吸引轉(zhuǎn)子磁極，并在將2臺(tái)以上PM SM同時(shí)同步化之后逐漸提高三相交流電壓的頻率來達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。
3.一種從反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)開始的無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的同步起動(dòng)方法，
在2臺(tái)以上PMSM的三相線圈之間將各相分別連接并在該P(yáng)MSM間產(chǎn)生電氣制動(dòng)電流，從而將全部PMSM以反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)同步化為相同的轉(zhuǎn)速并檢測(cè)該同步后的轉(zhuǎn)速中PMSM的產(chǎn)生電壓、頻率，在通過由逆變器裝置施加該角速度±允許角速度的頻率的電壓、電流從而與電源同步化之后，通過轉(zhuǎn)換成正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)從而經(jīng)過停止?fàn)顟B(tài)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。
4.一種無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方法，
在降低同步運(yùn)行中的2臺(tái)以上PMSM的轉(zhuǎn)速并降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，在逆變器裝置的IGBT、即絕緣柵雙極型晶體管電路的輸出側(cè)檢測(cè)所產(chǎn)生的電壓、頻率及電流值，通過使由該逆變器裝置所提供的電流的相位比前述PMSM的產(chǎn)生電壓提前15°以上的相位來增大內(nèi)部相差角δ，從而使2臺(tái)以上PMSM不產(chǎn)生振動(dòng)、振蕩、失步等而運(yùn)行。
5.一種無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的停止方法，
由逆變器裝置的IGBT電路檢測(cè)與PMSM的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的頻率、電壓、電流，并且由IGBT電路檢測(cè)與由發(fā)生異常的PMSM產(chǎn)生的異常頻率的電壓、電流，從而由該IGBT電路檢測(cè)出同步運(yùn)行中的2臺(tái)以上PMSM中的1臺(tái)因故障等而偏離同步速度而降低轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的異常頻率的電流，斷開該逆變器裝置的輸出，安全地停止正常的PMSM的轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新的無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的控制方法，該控制方法由單一的逆變器裝置可靠地同步起動(dòng)2臺(tái)以上無傳感器PMSM、對(duì)穩(wěn)定的額定運(yùn)行、低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生振動(dòng)等以及故障時(shí)的安全停止等進(jìn)行控制。本發(fā)明是一種2臺(tái)以上以三相交流電源作為動(dòng)力的無傳感器的永久磁體同步電動(dòng)機(jī)的同步起動(dòng)方式，是包含2臺(tái)以上以三相交流電源作為動(dòng)力的無傳感器PMSM的同步起動(dòng)的控制方法，其特征在于，利用單一的逆變器裝置將超低頻三相交流電流以固定時(shí)間施加到該2臺(tái)以上PMSM并以低轉(zhuǎn)速同步起動(dòng)后，逐漸提高電源頻率，使轉(zhuǎn)速上升達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。
文檔編號(hào)H02P6/20GK101179250SQ20071012727
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者高橋滿, 上村佳一, 清水義彥, 上林篤, 崔起洙, 朱盛男 申請(qǐng)人:株式會(huì)社上村工業(yè)