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CN1698261A - 与滑环式电机相关的方法和配置 - Google Patents

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Abstract

一种启动滑环式电机(21)的配置和方法，该配置包括布置成在供应网络(27)和滑环式电机的转子(34)之间进行连接以便控制滑环式电机的变频器(26)；和用于启动滑环式电机的启动装置(22、24)，其特征在于，启动装置(22、40)布置在变频器(26)和滑环式电机的转子(34)之间，由此变频器布置成随着启动滑环式电机来控制滑环式电机的转子(34)的电流大小。

Description

与滑环式电机相关的方法和配置
技术领域
本发明涉及一种启动滑环式电机的方法和配置，该配置包括布置成在供电网络和滑环式电机之间进行连接以便控制滑环式电机的变频器和启动滑环式电机的启动器。
背景技术
特别与高功率驱动器相关，滑环式电机的使用最近越来越常见。这种驱动器包括需要高转矩的风力发电机驱动器和马达驱动器。在频率变化的应用中，滑环式电机通常以“双馈”原理进行控制。在这种控制方式中，电机的定子连接到其频率恒定的三相网络上。当滑环式电机用作马达时，连接到定子上的网络作为供应网络操作，而相应地当滑环式电机用作发电机时，该网络作为被供应网络。
在双馈的应用中，电机的转子通过滑环连接到进一步连接到供应网络和被供应网络上的变频器上。变频器使得转子几乎任意地进行磁化。将提供给转子的转动磁化使得双馈电机的操作可以进行控制，并且其功率和功率因数可在发电机以及马达模式中设定。控制驱动器的方法在US6448735中披露。
转子电路的变频器设定尺寸以便在由网络的频率和电机的多个极对来确定的同步速度的条件下通常在大致±30％的速度范围内操作。在双馈应用中，所实现的最大优点是变频器设备成本低，这是由于如果受控的速度范围在同步速度条件下，其能力只有电机轴功率的四分之一。当受控速度范围在偏离同步速度±30％的范围内，如果忽略电机损失，在最大速度下，变频器仅仅供应大致100％×30％/(100％+30％)＝23％的电机轴功率。
与例如泵和鼓风机的大多数应用相关，限制速度控制不成为问题。只在启动和停止期间使用低转动速度。
这种双馈滑环式电机难以启动的事实防止其广泛应用在发电机驱动器之外的驱动器中。当电机不运行时，引入转子线圈的电压是连接到转子电路上的变频器额定电压的大约三倍，使得变频器不能直接连接到转子电路上。以前通过在转子电路中使用启动电阻器来解决该问题。转子线圈接着设置通过滑环的电阻电路。当电机加速到足以接近同步速度时，变频器可连接到转子电路上，并且可除去电阻器。图1表示采用滑环式电机的启动配置的现有技术。
电阻器启动的问题在于当马达加速时马达转矩减小。因此，通常通过同时短路启动电阻一部分来减小转子电阻器的电阻。但是，这种解决方法复杂，需要多个接触器，该接触器在高功率装置中非常大并且昂贵。另外，每次短路造成马达转矩的瞬变，限制了转动设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种启动滑环式电机的配置和方法，它避免所述缺陷并使得滑环式电机以更简单的方式以及成本低的设备来启动。所述目的通过本发明的配置和方法来实现，其特征在于独立权利要求1和5的特征部分所披露的内容。本发明的优选实施例在从属权利要求中得以披露。
本发明根本思想在于当启动期间考虑到引入滑环式电机转子的电压值时，滑环式电机可通过变频器的控制来启动。通过相对于变频器的电压减小转子电压来进行考虑，其中控制变频器的电压使得转子电流得到控制。
本发明解决方法的优点在于用于启动所需的设备变得简单。另外，本发明的方法和设备使得滑环式电机在启动期间得到控制，并使用变频器及其传感器使其电气状态得以确定。
附图说明
现在结合优选实施例，并参考附图，详细说明本发明，附图中：
图1表示用于启动滑环式电机的配置的现有技术；
图2和3表示本发明某些实施例的设备；
图4示意表示作为结合有本发明的电阻启动设备的电机转动速度函数的电压曲线；以及
图5示意表示作为结合有本发明的电阻启动设备的电机转动速度函数的转矩和转矩阈值曲线。
具体实施方式
图1示意表示现有技术的设备。在该解决方法中，滑环式电机1的转子2设置通过滑环的电阻耦合器3。电阻耦合器通常包括星连接电阻器和布置成将电阻器短路的接触器。为了改善启动期间的操作，接触器经常使用以便使得接触器同时短路电阻器一部分，并最终整体短路电阻器。
在电机启动之后，电阻耦合器3通过开关耦合器4与转子电路2分开，随后转子电路连接到变频器的逆变器5上以便正常使用。
本发明的配置(其实施例表示在图2中)包括其定子29以正常方式连接到供应电压27上的滑环式电机21。本发明的配置还包括布置在变频器的逆变器23和滑环式电机的转子之间的启动装置22。变频器26以正常方式在其整流单元24处连接到供应网络27。图2还表示均衡并存储逆变器的电压的DC中间电路25以及保护设备不过压的“保安”电路28。
在本发明的配置中，启动装置因此连接到变频器和滑环式电机转子之间，并且变频器布置成为控制滑环式电机转子的电流大小。结合启动并特别是当滑环式电机作为马达操作时，变频器可接着用来控制转子的电量。
按照本发明的优选实施例，启动装置包括三相自动变压器30，其初级线圈的第一端连接到变频器的相输出端上，其初级线圈的第二端连接到公共星点上，并且次级线圈的抽头连接到滑环式电机的三相转子电路上。按照该实施例，启动装置还包括将自动变压器的初级线圈的第一端连接到次级线圈的第一端上的第一连接装置32和将自动变压器的相与公共星点31分开的第二连接装置33。
如公知那样，自动变压器只包括三个分开的端子，即各一个端子在线圈两端并且一个端子在抽头中间。线圈一端再次构成初级线圈的第二端，并且因此对于初级和次级线圈的第二端设置公共端子。本发明实施例的三相自动变压器的公共端子通过第二连接装置连接到星点上，即相互连接。
本发明实施例的初级线圈的第一端连接到变频器的输出端的相上，即连接到变频器的逆变器23上。次级线圈的第一端通过滑环直接连接到电机的转子34上。按照该实施例，第一连接装置32使得自动变压器整体连通，这是由于这些连接装置可以短路初级和次级线圈的第一端。在这些端已经短路时，变频器的输出端直接连接到滑环上，由此连接到电机转子电路上。
按照本发明的实施例，结合所述的实施例，启动滑环式电机，使得首先第一连接装置32处于非导电状态，而第二连接装置33处于导电状态。在这种情况下，在启动情况下，引入电机转子的电流通过变压器减小。当考虑到变压系数时，自动变压器的变压系数选择成使得变频器的输出电压在引入电压的级别上。通过可以控制启动期间转子电路内的电流的变压器，因此变频器还可用来产生电压。在马达已经加速到正常双馈操作的范围时，改变连接装置的状态，即自动变压器的星点打开，并且初级和次级线圈短路。通过连续控制转子的电气状态，使得马达以正常方式操作。
图3表示本发明第二实施例的配置。在此配置中，启动装置40包括相特定部件41，即例如电阻器和由电阻器和扼流圈形成的串联连接，他们连接在变频器的输出端和滑环式电机的转子34之间。启动装置还包括短路部件41的连接装置43，使得连接装置能使串联连接在滑环式电机加速到所需速度之后连通。在这种情况下，在启动期间，在变频器的输出端和滑环式电机的转子之间连接阻抗，通过开关装置连通以便在正常双馈应用期间直接连接变频器和转子电路。按照本发明的优选实施例，连接装置43是三相开关，使其尽可能同时控制。图3表示的其他标号表示图2所示的细节。
这种配置使得转子电路的电流在启动期间通过变频器的逆变器控制。变频器通常包括可以确定变频器的电流和电压的传感器。当启动期间使用本发明的配置时，可以连续确定将要控制的滑环式电机的电气状态。由于以前的电气状态已知，变频器在连接装置操作之后可快速适应新状态，使得在电机已经加速之后可靠并快速地转换到正常使用。
根据串联阻抗41的本发明配置的实施例使得电机的电流可以例如根据变频器的传感器测量的电流通过改变转子电路内的变频器的输出电压来控制。如果在启动期间例如将电流限制在特定恒定值I，变额器将产生电压Uout以便实现等式Uout＝ZI-Urot，其中Z是串联阻抗的大小而Urot是引入转子电路的电压。选择阻抗Z的大小适当地使得电流I可以通过变频器的输出电压来控制。按照本发明方法的优选实施例，转子电路的电流在连接连接装置之前控制到零。当电流是零时，转子电路可以尽可能简单的方式直接连接到变频器的输出端上。
以下，参考图3和图4和5的实施例配置，描述启动方法，附图表示启动期间曲线和某些阈值。
滑环式电机的启动以图3所有连接元件43、44打开来开始。当电压连接到输入端27时，DC中间电路25改变。接着，定子的开关元件44闭合，并且电流开始在电机内流动。变频器的逆变器23用来控制转子电流的大小。在启动期间，转子电流的大小可保持在例如恒定和额定值上，在这种情况下马达还产生大致额定转矩。
首先，功率从转子供应到逆变器26，该逆变器进一步将其供应回到供应网络27。注意到变频器的整流部分24能够在两个方向上供应功率，在这种情况下，特定变频器类型通常称为网络逆变器。当马达21加速时，引入转子的电压减小，使得如果电流保持恒定，逆变器的输出电压也减小。
在某一速度下，逆变器的输出电压是零。当马达进一步加速时，逆变器将电流供应到转子内，以便提供参考电流，在这种情况下功率方向改变。功率接着经由转子供应到串联阻抗和马达。
当变频器的逆变器的电压接近最大值，连接装置43按照本发明进行短路。逆变器对此检测并马上将输出电压调整到新状态，以便将转矩和电流保持在参考值，该参考值例如是电流的额定值，并在正常双馈模式中继续其操作。与短路连接装置相结合，功率方向再次改变，并且功率经由变频器供应回到输入端。
当马达进一步加速时，变频器的输出电压一直减小到同步速度。在同步速度下，变频器的输出电压是零。在此速度之后，当进入超同步范围时，变频器的输出电压再次增加，并且变频器将功率供应到滑环式电机的转子。
图4表示作为速度v的函数的电压U。附图表示转子电压Urot如何在速度增加时线性减小。在图4中，采取启动情况，其中转子的电流保持恒定。这种情况下，变频器的输出电压Uout相对于引入转子的电压减小。但是在低速时，由于转子电路的电阻，该比例不完全是线性的。图4表示如何在低速v1时，变频器的输出电压是零，当速度增加时进一步减小到负值。负电压指的是其方向相对于正电压改变的电压矢量。
变频器的输出电压在速度v3下到达最大阈值。在此之后，电压不能进一步增加，但在此时至少进行转换到正常双馈操作，即变频器的输出端直接连接到转子。当速度处于速度v2和v3之间的转换范围vtrans内时，该转换可早些完成。当在速度v2下进行到正常使用的转换时，变频器的输出电压达到其最大阈值。如果在到达速度v2之前进行到正常使用的转换，电流将不能调整。
速度v2和v4之间的范围构成双馈范围内的速度调整范围vcont，并且在这些速度之间存在同步速度vsync，在该速度下引入转子的电压是零。速度0和v3之间的范围构成电阻器启动范围vstart。
图5的一组表示马达转矩与图4启动的关系的曲线，其中转子的电流保持恒定，并且串联阻抗41假设是电阻。图5表示任何转矩T也保持在额定值Tn上。图5还包括阈值Tstart和Tcont，其中当速度随着启动和正常双馈调整而改变时，可以调整转矩。附图还包括相同的速度符号，如图4的情况。
本领域普通技术人员将明白本发明的基本思想可以许多不同的方式实施。因此本发明及其实施例将不局限于所述的实例，而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (6)

1.一种启动滑环式电机(21)的配置，该配置包括：
布置成在供应网络(27)和滑环式电机的转子(34)之间进行连接以便控制滑环式电机的变频器(26)；以及
用于启动滑环式电机的启动装置(22、40)，其特征在于，启动装置(22、40)布置在变频器(26)和滑环式电机的转子(34)之间，由此变频器布置成结合启动滑环式电机来控制滑环式电机的转子(34)的电流大小。
2.如权利要求1所述的配置，其特征在于，启动装置(22)包括：
三相自动变压器(30)，其初级线圈的第一端连接到变频器(26)的相输出端上，并且其初级线圈的第二端连接到公共星点(31)上，并且次级线圈的抽头连接到滑环式电机的三相转子电路(34)上；以及
将自动变压器的初级线圈的第一端连接到次级线圈的第一端的第一连接装置(32)以及将自动变压器的相与公共星点分开的第二连接装置(33)。
3.如权利要求1所述的配置，其特征在于，启动装置(40)包括布置在变频器(26)的输出相和滑环式电机的转子(34)的相之间，以及布置成短路相特定电阻感应部件(41)由此将变频器(26)直接连接到滑环式电机转子(34)上的连接装置(43)。
4.如权利要求2或3所述的配置，其特征在于，启动装置的连接装置(43)是三相开关。
5.一种启动滑环式电机的方法，由此结合滑环式电机(21)来布置：
布置成在供应网络(27)和滑环式电机的转子(34)之间进行连接以便控制滑环式电机的变频器(26)；以及
用于启动滑环式电机的启动装置(22、40)，启动装置布置在变频器(26)和滑环式电机的转子(34)之间，其特征在于该方法包括如下步骤：
将具有大致恒定频率的电压供应到滑环式电机的定子上；
通过变频器控制转子电流的大小；以及
当转子到达预定转动速度时短路连接装置，使得滑环式电机的转子直接连接到变频器的输出端上。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在短路启动装置之前，滑环式电机的转子电流控制到零。
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