CN112438015A - 执行无刷同步电机的快速消磁的方法 - Google Patents

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Abstract

一种执行无刷同步电机(1)的消磁的方法，该无刷同步电机(1)包括定子(2)和转子(5)，该转子(5)包括：场绕组(7)、励磁机电枢(13)、包括晶闸管(T1‑T6)的整流器(15)、场放电电阻器(R)、以及旁路开关(Q1)，该整流器(15)具有被连接到励磁机电枢(13)的输入端子(15a‑15c)以及被连接到场绕组(7)的输出端子(15d‑15e)，该场放电电阻器(R)与场绕组(7)串联连接，该旁路开关(Q1)与场放电电阻器(R)并联连接，该旁路开关(Q1)能够在闭合状态与断开状态之间操作，在闭合状态中场放电电阻器(R)被旁路，其中该方法包括：a)控制晶闸管(T1‑T6)，以仅在电枢电压波形的负半周期期间触发，以及b)控制旁路开关(Q1)，以从闭合状态获得断开状态，从而通过场放电电阻器(R)对场绕组电流进行放电。

Description

执行无刷同步电机的快速消磁的方法
技术领域
本公开总体涉及同步电机并且具体涉及无刷同步电机。
背景技术
同步电机励磁***被设计为向同步电机的转子绕组或场绕组提供所需的场绕组电流。励磁通常通过碳刷(静态励磁)或者使用具有旋转二极管或晶闸管整流器的励磁机(无刷励磁)来完成。
对电励磁同步电机的场进行快速放电的手段是重要的，因为它使得能够快速降低转子磁通。这在电气故障(诸如定子短路)发生的情况下是必要的，因为快速消磁***将限制损害。
在US4152636中公开了消磁***的一个示例。公开了无刷励磁机，其中晶闸管替代同步电动发电机中的旋转整流器组件中的传统二极管。晶闸管的栅极仅在多相电枢电压波形的负半周期的低电压点处触发，以用于快速消磁。
在2012年的、IET Electric Power Applications的第6卷第3期第156页至第161页的C.A.Platero、M.Redondo、F.Blazquez、P.Frias所著的“High-speed de-excitationsystem for brushless synchronous machines”中公开了另一类型的消磁。该文章公开了放电电阻器的使用，该放电电阻器在故障期间与无刷励磁***的场绕组串联引入。
场放电***的设计中的关键因素是放电电阻器的大小，特别是在旋转励磁***中的放电电阻器。电阻器必须耗散场绕组的所存储的磁能，并且因此在物理上将会很大。
发明内容
基于以上内容，本公开的目标是提供执行无刷同步电机的消磁的方法，该方法解决或者至少缓解现有技术的问题。
因此根据本公开的第一方面提供了执行无刷同步电机的消磁的方法，该无刷同步电机包括定子和转子，该转子包括：场绕组、励磁机电枢、包括晶闸管的整流器、场放电电阻器、以及旁路开关，该整流器具有被连接到励磁机电枢的输入端子以及被连接到场绕组的输出端子，该场放电电阻器与场绕组串联连接，该旁路开关与场放电电阻器并联连接，该旁路开关能够在闭合状态与断开状态之间操作，在闭合状态中场放电电阻器被旁路，其中该方法包括：a)控制晶闸管，以仅在电枢电压波形的负半周期期间触发，以及b)控制旁路开关，以从闭合状态获得断开状态，从而通过场放电电阻器对场绕组电流进行放电。
由于使用特定的触发角α来消磁场绕组，因此励磁机临时充当消耗场绕组的能量并将其转变为正转矩的电动机。这可以通过观察晶闸管整流器中的功率因数(PF)的等式来理解：
Figure BDA0002878005920000021
因此如果α>90°(这是如果需要负的场电压的情况)，功率因数为负并且有功功率为负，这意味着功率从场绕组被传递到励磁机电枢。
如上所述，在消磁过程期间，一些场绕组能量被励磁机电枢耗散。因此本方法与文章“High-speed de-excitation system for brushless synchronous machines”中的解决方案相比，在场放电电阻器中耗散的能量更低。根据该文章中公开的***，所有场绕组能量在场放电电阻器中完全耗散。在场放电电阻器中的较小的能量耗散意味着可以使用物理上更小的场放电电阻器。
如上所述，要解决的问题是减小场放电电阻器的尺寸。在US4152636中没有动机或激励来解决这个问题。
此外，意料之外的是，与在负半周期期间仅使用场放电电阻器和晶闸管触发中的一种相比，本方法提供了相当快的消磁。
根据一个实施例，步骤b)与步骤a)同步执行。
根据一个实施例，在步骤a)中，晶闸管以在90°<α<270°的范围内的触发角α来触发。
一个实施例包括确定在无刷同步电机中是否存在故障状况，并且在故障状况的存在被确定的情况下，执行步骤a)和步骤b)。
根据一个实施例，故障状况是定子短路故障。
一个实施例包括只要在无刷同步电机中不存在故障状况，控制旁路开关保持闭合状态，以旁路场放电电阻器，并且控制晶闸管，以仅在电枢电压波形的正半周期期间触发。
根据一个实施例，旁路开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
根据一个实施例，整流器是晶闸管桥整流器。
根据本公开的第二方面提供了包括计算机代码的计算机程序，该计算机代码当由无刷同步电机的控制***的处理电路装置执行时，使得控制***执行根据第一方面的方法的步骤。
根据本公开的第三方面提供了无刷同步电机，该无刷同步电机包括：定子；转子，该转子包括：场绕组、励磁机电枢、包括晶闸管的整流器、场放电电阻器、以及旁路开关，该整流器具有被连接到励磁机电枢的输入端子以及被连接到场绕组的输出端子，该场放电电阻器与场绕组串联连接，该旁路开关与场放电电阻器并联连接；以及控制***，该控制***被配置为执行根据第一方面的方法。
一个实施例包括栅极控制单元，其中控制***被配置为控制栅极控制单元，从而控制晶闸管的触发。
一个实施例包括励磁机定子，其中励磁机定子是永磁定子。该配置例如在“High-speed de-excitation system for brushless synchronous machines”中公开的***中是不可能的，因为它依赖于励磁机定子磁化的控制来断开跨放电电阻器的IGBT。
励磁机定子被配置为与励磁机电枢电磁交互。
根据一个实施例，无刷同步电机是发电机。备选地，无刷同步电机可以是电动机。
通常，权利要求中使用的所有术语应该根据其在技术领域的常见含义来解释，除非本文另外明确定义。对“一/一个/该元件、装置、部件、方法等”的引用应该被公开解释为元件、装置、部件、方法等的至少一个实例，除非另外明确说明。
附图说明
现在将通过示例，参考附图来描述本发明概念的具体实施例，其中：
图1示意性地示出了无刷同步电机；
图2是执行无刷同步电机的消磁的方法的流程图；
图3示出了针对不同类型的消磁过程的场放电电阻器中耗散的能量；以及
图4示出了针对不同类型的消磁过程的消磁曲线。
具体实施方式
现在下文将参考附图更全面地描述本发明概念，其中示出了示例性的实施例。然而，本发明概念可以以许多不同的形式呈现，并且不应该被解释为限制于本文所提出的实施例；相反，通过示例提供这些实施例，使得本公开彻底和完全，并且将本发明概念的范围完全传达给本领域的技术人员。在本说明书中相同的数字表示相同的元件。
图1描绘了无刷同步电机1的示例的电路装置。无刷同步电机1可以是发电机或电动机。
无刷同步电机1包括定子2和转子5，该转子5被配置为与定子2电磁交互。对此，定子1提供有定子绕组3，并且转子5提供有场绕组7。
无刷同步电机1包括励磁机定子11。在所描绘的示例中，励磁机定子11是永磁定子。备选地，励磁机定子例如可以提供有励磁机定子绕组。
无刷同步电机1包括励磁机电枢13。励磁机电枢13被提供在转子5的转子轴上。励磁机电枢13被配置为与励磁机定子11电磁交互。
无刷同步电机1包括整流器15。整流器15被布置在转子5上。整流器15具有被连接到励磁机电枢13的输入端子15a至15c。例如，励磁机电枢13可以包括三个线圈，每个电相一个线圈，并且每个输入端子15a至15c可以被连接到相应的电相或线圈。整流器15还包括输出端子15d至15e。整流器15包括多个晶闸管T1至T6。晶闸管T1至T6被布置在多相晶闸管桥配置中。因此，示例性整流器15是晶闸管桥整流器。
无刷同步电机1进一步包括场放电电阻器R和旁路开关Q1。场放电电阻器R和旁路开关Q1被布置在转子5上。场放电电阻器R的电阻通常约为个位数欧姆，然而这可以取决于特定应用。场放电电阻器R与场绕组7串联连接。特别地，场放电电阻器R可以被连接在场绕组7与整流器15的输出端子15d至15e中的一个输出端子之间。旁路开关Q1与场放电电阻器R并联连接。因此，场绕组7经由场放电电阻器R/旁路开关Q1被连接到整流器15的输出端子15d至15e。旁路开关Q1被配置为在闭合状态或导通状态与断开状态或非导通状态之间切换。旁路开关Q1例如可以是诸如IGBT的晶体管。
无刷同步电机1包括控制***17。控制***17被配置为控制旁路开关Q1。控制***17被配置为控制晶闸管T1至T6。控制***17包括存储介质和处理电路装置，该存储介质包括计算机代码，其中控制***17被配置为当计算机程序由处理电路装置执行时，执行如本文所公开的执行无刷同步电机1的消磁的方法的步骤。
控制***17包括控制器19。示例性控制器为被布置在转子5上的控制器19。控制器19被配置为从固定的自动电压调节器(AVR)21获得设定点值，该自动电压调节器(AVR)21也可以形成控制***17的一部分。设定点可以表示参考场绕组电流。因此，控制器19被配置用于无线通信。控制器19被配置为基于设定点值来控制到晶闸管T1至T6的栅极电压。因此，控制***17能够触发晶闸管T1至T6，从而选择性地使晶闸管T1至T6导通。控制器19被配置为控制到旁路开关Q1的栅极电压，以将旁路开关Q1设置为断开状态或闭合状态。对此，无刷同步电机1可以包括栅极控制单元(未示出)，该栅极控制单元被配置为由控制器19控制并且被配置为控制到晶闸管T1至T6和旁路开关Q1的栅极电压。栅极控制单元可以与控制器19集成，也可以是单独的单元。
励磁***9可以包括电压传感器23，该电压传感器23被配置为测量整流器15的输入端子15a至15c之间的相间电压。励磁***9可以包括电流传感器25，该电流传感器25被配置为测量场绕组电流，即流过场绕组7的电流。电压传感器23可以被配置为向控制器19提供电压测量结果。电流传感器25可以被配置为向控制器提供电流测量结果。对晶闸管T1至T6和/或旁路开关Q1的栅极电压的控制可以进一步基于电压测量结果和/或电流测量结果，例如基于参考场绕组电流与所测量的场绕组电流之间的差。
现在将参考图2中所示的流程图描述借助于控制***17执行无刷无励磁机同步电机1的消磁的方法。
例如，借助于电压传感器23、电流传感器25和/或其他传感器，持续监测无刷同步电机1的状况，以便能够确定无刷同步电机1中是否存在故障状况。
在确定无刷同步电机1中不存在故障状况的情况下，控制器19被配置为控制旁路开关Q1保持其闭合状态。因此，场放电电阻器R被旁路或短路，并且场绕组电流流过旁路开关Q1。此外，控制器19控制晶闸管T1至T6，以仅在存在于每个电相的输入端子15a至15c处的电枢电压波形的正半周期期间触发。因此，控制***17可以将触发角α控制在90°以下。这导致输出端子15d至15e上的平均电压为正。
确定是否存在故障状况可以由控制器19、由AVR 21或者由可以被包括在控制***17中的另一单元来执行。
无刷同步电机1的故障状况是特征在于要求无刷同步电机1快速消磁以使损害最小化的故障状况。这种故障状况例如可以是定子2中的定子短路故障、场绕组故障或外部故障，这些故障可以根据已知的方法来确定。
在确定存在故障状况的情况下，在步骤a)中，晶闸管T1至T6被控制为仅在每个电相的电枢电压波形的负半周期期间触发。特别地，因为通常基于余弦波形执行控制，因此这通常意味着晶闸管以90°<α<270°范围内的触发角α来触发。
通过将触发角α控制在90°<α<270°的范围内，整流器15能够在其输出端子15d和15e处产生负电压。这可以通过观察整流器15的输出端子15d至15e之间的平均DC电压VDC的等式来理解，如下所示。
Figure BDA0002878005920000071
其中VL是作为AC电压的线电压。
在步骤b)中，旁路开关Q1被控制为从闭合状态获得断开状态。因此，场绕组电流通过场放电电阻器放电。步骤b)优选地与步骤a)同步执行。
图3示出了针对两种不同类型的消磁技术的场放电电阻器中耗散的能量。曲线C1示出了当仅使用场放电电阻器时(与先前提到的文章“High-speed de-excitation systemfor brushless synchronous machines”中公开的情况相对应)，在消磁期间场放电电阻器中耗散的能量的量。曲线C2描绘了使用与曲线C1中所示的情况中相同的参数的情况下，当根据本概念控制与场放电电阻器R组合的晶闸管T1至T6、使用负触发角α时，在场放电电阻器R中耗散的能量的量。可以看出，在曲线C2中场放电电阻R中的能量耗散显著较低。因此，在场放电电阻器R中生成的热量较少，这允许场放电电阻器R的设计可能具有比先前更小的占地面积。
图4示出了三种不同类型的消磁技术的消磁曲线。曲线C3示出了消磁，其中仅负周期晶闸管控制提供有180°的触发角α，而不使用放电电阻器，除了触发角以外，这与US4152636中公开的情况相对应。曲线C4描绘了仅放电电阻器用于消磁的情况，与“High-speed de-excitation system for brushless synchronous machines”中公开的情况对应。曲线C5示出使用与曲线C3和曲线C4中所示的情况相同的参数的、根据本概念的消磁。可以看出，在这种情况下，场绕组电流If的放电相当快。
上文主要参考一些示例描述了本发明概念。然而，如本领域的技术人员容易理解的，在如所附权利要求所定义的、本发明概念的范围内，除了上文公开的实施例以外的其他实施例是同样可能的。

Claims (13)

1.一种执行无刷同步电机(1)的消磁的方法，所述无刷同步电机(1)包括定子(2)和转子(5)，所述转子(5)包括：场绕组(7)、励磁机电枢(13)、包括晶闸管(T1-T6)的整流器(15)、场放电电阻器(R)、以及旁路开关(Q1)，所述整流器(15)具有被连接到所述励磁机电枢(13)的输入端子(15a-15c)、以及被连接到所述场绕组(7)的输出端子(15d-15e)，所述场放电电阻器(R)与所述场绕组(7)串联连接，所述旁路开关(Q1)与所述场放电电阻器(R)并联连接，所述旁路开关(Q1)能够在闭合状态与断开状态之间操作，在所述闭合状态中所述场放电电阻器(R)被旁路，其中所述方法包括：
a)控制所述晶闸管(T1-T6)，以仅在针对每个电相的电枢电压波形的负半周期期间触发，以及
b)控制所述旁路开关(Q1)，以从所述闭合状态获得所述断开状态，从而通过所述场放电电阻器(R)对场绕组电流进行放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤b)与步骤a)同步执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤a)中，所述晶闸管(T1-T6)以在90°<α<270°的范围内的触发角α来触发。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：确定在所述无刷同步电机(1)中是否存在故障状况，并且在故障状况的存在被确定的情况下，执行步骤a)和步骤b)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述故障状况是定子短路故障。
6.根据权利要求4或5所述的方法，包括：只要在所述无刷同步电机(1)中不存在故障状况，控制所述旁路开关(Q1)保持所述闭合状态，以旁路所述场放电电阻器(R)，并且控制所述晶闸管(T1-T6)，以仅在所述电枢电压波形的正半周期期间触发。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述旁路开关(Q1)是IGBT。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述整流器(15)是晶闸管桥整流器。
9.一种包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码当由无刷同步电机(1)的控制***(17)的处理电路装置执行时，使得所述控制***执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
10.一种无刷同步电机(1)，包括：
定子(2)，
转子(5)，包括：
场绕组(7)，
励磁机电枢(13)，
整流器(15)，包括晶闸管(T1-T6)，所述整流器(15)具有被连接到所述励磁机电枢(13)的输入端子(15a-15c)、以及被连接到所述场绕组(7)的输出端子(15d-15e)，
场放电电阻器(R)，与所述场绕组(7)串联连接，以及
旁路开关(Q1)，与所述场放电电阻器(R)并联连接；以及
控制***(17)，被配置为执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的无刷同步电机(1)，包括栅极控制单元，其中所述控制***(17)被配置为控制所述栅极控制单元，从而控制所述晶闸管(T1-T6)的触发。
12.根据权利要求10或11所述的无刷同步电机(1)，包括励磁机定子(11)，其中所述励磁机定子(11)是永磁定子。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的无刷同步电机(1)，其中所述无刷同步电机(1)是发电机。
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