兩相三相控制器的操作方法
2023-07-09 16:38:06
專利名稱：兩相三相控制器的操作方法
技術領域：
本發明涉及一種兩相三相控制器的操作方法。此外，本發明還涉及一種兩相三相控制器。
背景技術：
三相控制器用於根據相柵(phase gating)原理對饋送給一電負載，特別是一異步電機的電功率進行配量。通過對饋送給異步電機的功率進行配量，可以減小起動電流和起動轉矩，從而實現所謂的軟起動。配量所使用的標準是所謂的觸發延遲α，又稱為「延遲」(Delay)。連接在三相控制器輸出端上的負載中有變極電流半波流過，其中，每兩個相繼電流半波之間存在一由相柵決定的無電流時間間隔。
三相控制器的動力部分通常具有三組反向並聯的晶閘管(thyristors)。由於隨著三相控制器的額定功率不斷增大，晶閘管的費用成了整個設備費用的決定性因素，因此現在也用只配有兩組反向並聯晶閘管的三相控制器。在這種所謂的兩相三相控制器(two phase three phase controller)中，餘下的外導體(outer conductor)實施為不可連接導體。這種結構有所精簡的兩相三相控制器的一個副效應是，儘管相柵角相同，但兩個受控外導體內的電流的均方根值卻互不相同。這種效應的原因在於受控異步電機內的三外導體電流間的磁相互作用，並取決於電力供應系統或異步電機的轉動方向。由於電流大小並不均勻，功率半導體(晶閘管)及其散熱器必須採取可應對高於要求值的值的設計，這是因為有必要對較高電流進行控制。受控外導體內的哪個電流較高，這取決於相連電力供應系統的轉動方向，並可根據電力供應系統的轉動方向發生變化。迄今為止，針對這一效應所作出的解決方案是對功率半導體進行這樣一種設計，使得兩個受控外導體上的兩個閥組中的任意一個都能承載較高的電流。
發明內容
本發明的目的是優化一兩相三相控制器的操作方法。這個目的通過一種權利要求1所述的方法和一種權利要求6所述的三相控制器來實現。
本發明的一主導思想是在一兩相三相控制器的兩個可控相中對一個在這些相中可變的參數的量值進行匹配。
特定而言，本發明放棄了沿用至今的在兩個受控外導體中用一統一的觸發延遲進行相位對稱控制的原理，而是為每個受控外導體規定一自有的觸發延遲。換言之就是進行相位不對稱控制，即，兩個受控相中的電流的均方根值進行相互匹配。這種匹配主要發生在異步電機的起動階段，用以避免異步電機內出現參數差。原則上也可以在異步電機正常工作時進行這種匹配。
由於兩個受控外導體中的參數值，尤其是電流，藉助於本發明的「相位平衡器原理」(phase balancer principle)進行了相互近似，因此，所用閥組(功率半導體)無需再採取可應對預計最大值的設計。採取一可應對兩個外導體相比而言較小的平均值的設計即可達到穩定工作的目的。由此可顯著降低相關費用。本發明的方法的另一優點在於電力供應系統負載的更加均勻化。此外，發生網側電壓不對稱時也會進行自動參數匹配。
通過本發明可以用兩相三相控制器近似地實現三相三相控制器的功能，即在起動過程中減小起動電流和轉矩的功能。
從屬權利要求涉及的是本發明的其他有利實施例。
下面藉助附圖與一實施例對本發明作進一步說明，其中圖1為現有技術中用於三相控制器的相柵、轉速和轉矩；圖2為現有技術中用於三相控制器的電流均方根值曲線圖和電流差；圖3為使用一本發明的三相控制器時的相柵、轉速和轉矩；圖4為使用一本發明的三相控制器時的電流均方根值曲線圖和電流差；圖5為本發明的方法的一示意圖。
具體實施例方式
在現有技術中，三相控制器例如可用於對一異步電機進行相柵控制。只有對三相控制器的控制方法具有變更的可能性，其中，對三相控制器的控制是藉助其自身的控制單元而實現的，通過更改對三相控制器的控制方法可實現本發明的操作一三相控制器的方法。由於所述控制單元除如電流互感器和諸如此類的測量單元外通常還包括一微處理器或微控制器，因此，上述更改主要通過在所述微處理器或微控制器內運行的一電腦程式或任意一種其他形式(例如硬接線的電路)而實現。
在下述實施例中，外導體L1和L3例如為受控外導體，(從結構上看布置在中間的)外導體L2例如藉助一銅製橋接線連接在三相控制器中。根據本發明，此時應該對均方根值I1rms和I3rms進行匹配。為此，先通過三相控制器的控制單元根據下述方程計算出一控制偏差ΔIΔIk＝(I1rms(k)-I3rms(k))/IN(方程1)指數k表示採樣時間t＝k·TA的值，其中，TA在50Hz電力供應系統中可以是TA＝20ms的電力供應系統周期。在此情況下，每一個電力供應系統周期進行一次重新計算。但也可以每兩個、每三個或者每四個電力供應系統周期進行一次採樣。根據方程1計算得出的控制偏差歸一(normalized)成三相控制器的額定電流IN，即無量綱。
表示電流熄滅和下一次點火之間的時間間隔的「全局性」觸發延遲α由三相控制器的控制裝置根據在設備上整定的參數(起動電壓、斜坡時間(ramptime)以及諸如此類的參數)以已知方式給予規定。為在兩個受控外導體L1和L3中獲得相同的均方根值，須從「全局性」觸發延遲α中為每個受控外導體，即為每個晶閘管-閥組導出一自有的觸發延遲α1和α3。這兩個從屬於外導體L1和L3的觸發延遲由三相控制器的控制單元在加速過程中根據「全局性」觸發延遲α按下述方程計算得出α1(k)＝αk-Δαk/2α3(k)＝αk+Δαk/2(方程2)根據方程2得出的計算結果是，兩個觸發延遲α1和α3的平均值與「全局性」觸發延遲α相對應，二者之間的差值與差分觸發延遲Δα相對應。下一步是根據電流差ΔI來確定差分觸發延遲Δα。這一結果根據下述方程計算得出k=KITAv=0k-1Iv]]>(方程3)也就是說，從起動過程一開始就通過先前電力供應系統周期的數目算出兩個外導體L1和L3之間的電流差的總和，並根據方程3從這個總和中計算出差分觸發延遲Δα(時間離散的積分控制器)。在一50Hz電力供應系統中，方程3中又稱為控制器增益的常數KI的有利取值範圍為約0.03至0.05。其中特別有利的KI值是0.05。KI值過大就會導致系統出現不穩定。
也就是說，本發明不再像先前技術那樣為每個外導體，更確切地說，為每個閥組規定相同的相柵，而是為兩個受控相設定不同的相柵，即不同的觸發延遲。其中，本發明的方法的主要特徵是根據當前測量數據進行匹配，即所謂的「在線」匹配。這樣就無需再進行不精確的估算。
方程3所表示的計算方法可理解為一實施例，自然可在本發明範圍內對其進行修改。
下面藉助附圖對本發明的方法的效用進行說明。
圖1顯示使用一傳統三相控制器時的相柵(延遲α)(單位度)、轉速n(單位min-1)以及轉矩M(單位Nm)和時間t(單位秒)。圖2顯示以一30kW異步電機為例、相同時間間隔內電流I1、I2和I3的均方根值的曲線走向以及受控外導體的電流差。
大約當觸發延遲為α＝77°/180°·10ms＝4.3ms時，兩個受控外導體L1和L3的電流均方根值逐漸分離。I3rms超出I1rms約22安培，約佔額定電流(IN＝55安培)的40％。有效電流的最大值為202安培(L1)或220安培(L3)。
如果用本發明的方法操作圖1、2所對應的三相控制器，就會得到圖3、圖4所示的特性曲線。為清楚起見，圖3用十倍的負值表示差分觸發延遲Δα。如圖4所示，兩個受控外導體L1和L3中的電流的均方根值I1rms、I3rms非常近似。兩個外導體的最大值約為210安培，大致是圖2所示的兩個最大值的平均值。
圖5以簡化示意圖形式顯示一本發明的用於異步電機(ASM)的三相控制器。在這個實施例中，兩個受控外導體L1和L3中的電流由一電流互感器測量。測量信號被傳輸至一微處理器的一模/數轉換器。使用已知方法從數位化值中計算出一個電力供應系統周期內的電流均方根值。將兩個均方根值相減，與額定電流IN進行比較，並用因子KI*TA加權。算出通過這種方法得到的加權值的總和，從中算出差分觸發延遲Δα。從全局性觸發延遲α中減去差分觸發延遲Δα(L1)，或將差分觸發延遲Δα與全局性觸發延遲α相加(L3)。從中產生分別從屬於兩個受控外導體L1和L3的單個觸發延遲α1和α3。這兩個觸發延遲α1和α3被傳輸至一組合邏輯電路，所述組合邏輯電路據此為晶閘管生成相應的點火脈衝。
權利要求
1.一種兩相三相控制器的操作方法，其特徵在於，在兩個可控相中對一個在這些相中可變的參數的量值進行匹配。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在當前測量數據的基礎上進行參數量值的匹配。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，對所述的兩個可控相中的電流的均方根值進行匹配。
4.根據權利要求1至3中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，為每個所述可控相計算出一觸發延遲。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，從所述的兩個可控相的觸發延遲中計算出一差分觸發延遲。
6.一種兩相三相控制器，具有一控制單元，用於在兩個可控相中對一個在這些相中可變的參數的量值進行匹配。
7.根據權利要求6所述的兩相三相控制器，其特徵在於，所述控制單元具有一微處理器。
全文摘要
本發明涉及一種操作一兩相三相控制器的方法。為優化一兩相三相控制器的操作方法，建議在一兩相三相控制器的兩個可控相中對一個在這些相中可變的參數的量值進行匹配。特定而言，本發明放棄了沿用至今的在兩個受控外導體中用一統一的觸發延遲進行相位對稱控制的原理，而是為每個受控外導體規定一自有的觸發延遲。
文檔編號H02M5/257GK1989688SQ200580024620
公開日2007年6月27日 申請日期2005年7月28日 優先權日2004年8月5日
發明者格爾德·格裡彭特羅格, 安德烈亞斯·弗裡奇, 迪薩德·朗蓋爾迪爾 申請人:西門子公司