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1、10申请公布号CN104040872A43申请公布日20140910CN104040872A21申请号201280052398222申请日2012101111186290020111024EPH02P1/50200601H02P25/0220060171申请人ABB技术有限公司地址瑞士苏黎世72发明人柳玉敬张宏扬D萨维诺维74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人李强严志军54发明名称用于控制同步马达的系统和方法57摘要一种同步电动马达包括具有DC场绕组13的转子。激励器16构造成在启动时通过产生沿第一方向穿过DC场绕组13的DC电流来对DC场绕组13通电。控制系统11构造成控制。
2、穿过DC场绕组13的电流流，控制系统11包括场放电电阻器R和旁通电路15。旁通电路15构造成在电流流沿第一方向穿过DC场绕组13期间实现第一旁通，以在电方面绕过场放电电阻器R，以及在电流流沿第二方向穿过DC场绕组13期间实现第二旁通，以在电方面绕过场放电电阻器R。控制系统11能够将引导激励器16产生的所有DC电流来流过DC场绕组13。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014042486PCT国际申请的申请数据PCT/EP2012/0700982012101187PCT国际申请的公布数据WO2013/060575EN2013050251INTCL权利要求书2页说明书6页附图7页19。
3、中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图7页10申请公布号CN104040872ACN104040872A1/2页21一种同步电动马达，其包括具有DC场绕组13的转子，激励器16，其构造成在启动时通过产生沿第一方向穿过所述DC场绕组13的DC电流来对所述DC场绕组13通电，控制系统11，其构造成控制穿过所述DC场绕组13的电流流，所述控制系统11包括场放电电阻器R和旁通电路15，旁通电路15构造成在电流流沿所述第一方向穿过所述DC场绕组13期间实现第一旁通，以在电方面绕过所述场放电电阻器R，以及在电流流沿第二方向穿过所述DC场绕组13期间实现第二旁通，以在电方面。
4、绕过所述场放电电阻器R，所述第二方向与所述第一方向相反，其特征在于，所述控制系统11能够引导所述激励器16产生的所有DC电流来流过所述DC场绕组13。2根据权利要求1所述的同步电动马达，其特征在于，所述旁通电路15彼此独立地实现所述第一旁通和所述第二旁通。3根据前述权利要求中的任一项所述的同步电动马达，其特征在于，所述旁通电路15构造成响应于在所述DC场绕组13中引起的电压的频率和幅度而实现所述第一旁通和所述第二旁通。4根据前述权利要求中的任一项所述的同步电动马达，其特征在于，所述旁通电路15构造成响应于所述转子的旋转速度而实现所述第一旁通和所述第二旁通。5根据权利要求4所述的同步电动马达，其。
5、特征在于，所述旁通电路15构造成在所述旋转速度在所述转子的同步速度的0和至少50之间，诸如在所述同步速度的0和至少70之间，在0和至少80之间，在0和至少85之间，在0和至少90之间或在0和至少95之间时，在整个旋转速度范围上持续地实现所述第一旁通和所述第二旁通中的至少一个。6根据前述权利要求中的任一项所述的同步电动马达，其特征在于，所述旁通电路15构造成在所述旋转速度为所述同步速度的至少90，诸如所述同步速度的至少95，并且所述激励器16未启动时，阻断沿所述第二方向穿过所述DC场绕组13的电流流。7一种用于起动同步电动马达的方法，所述同步电动马达包括具有DC场绕组13的转子、构造成在启动时通。
6、过产生沿第一方向穿过所述DC场绕组13的DC电流来对所述DC场绕组13通电的激励器16，以及电连接到所述DC场绕组13上的场放电电阻器R，所述方法包括以下步骤在电流流沿所述第一方向穿过所述DC场绕组13期间，在所述激励器16未启动时，实现所述场放电电阻器R的第一旁通；启动所述激励器16；以及引导所述激励器16产生的所有DC电流来流过所述DC场绕组13。8根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤在电流流沿第二方向穿过所述DC场绕组13期间，在所述激励器16未启动时，实现所述场放电电阻器R的第二旁通，所述第二方向与所述第一方向相反。9根据权利要求7至8中的任一项所述的方法，。
7、其特征在于，彼此独立地实现所述第一旁通和所述第二旁通。权利要求书CN104040872A2/2页310根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其特征在于，响应于所述DC场绕组13中引起的电压的频率或幅度而实现所述第一旁通和所述第二旁通。11根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其特征在于，响应于所述转子的旋转速度而实现所述第一旁通和所述第二旁通。12根据权利要求7至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤在所述旋转速度在所述转子的同步速度的0和最多95之间，诸如在所述同步速度的0和最多90之间，在0和最多85之间，在0和最多80之间，在0和最多70之间或在0和最多5。
8、0之间，至少暂时实现所述第一旁通和所述第二旁通中的至少一个。13根据权利要求7至12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤在所述旋转速度为所述同步速度的至少90，诸如所述同步速度的至少95，并且所述激励器16未启动时，阻断沿所述第二方向穿过所述DC场绕组13的电流流。权利要求书CN104040872A1/6页4用于控制同步马达的系统和方法技术领域0001本发明大体涉及同步马达在起动时期期间的控制。0002本发明特别适于，但不仅仅适于例如具有550MW功率的高功率同步马达。背景技术0003传统的同步马达具有带有至少一个交流AC定子绕组的定子和带有至少一个直流DC场绕组的转子。
9、。这种马达通常由感应马达动作起动，其中，转子的阻尼绕组或实心磁极对应于感应马达的鼠笼，并且DC场绕组未被激励。转子利用因此产生的扭矩加速，直到其到达接近同步速度的旋转速度。DC场绕组在恰当时刻利用DC来激励，并且然后马达达到同步。在加速期间，DC场绕组中引起较高电压，因为它以比来自AC定子绕组的旋转场更低的速度旋转。为了限制这个电压和保护DC场绕组的绝缘，能引入晶闸管，以使DC场绕组短路。在加速期间，这将使高电流流过DC场绕组。这个电流对起动扭矩有不利影响，并且通常用场放电电阻器来限制电流。0004上述种类的同步马达在现有技术中是完全已知的，例如参见EP1071192B1；US3,354,36。
10、8；US3,959,702；US4,038,589；以及US4,422,028。0005AT334469公开了一种场放电电阻器，当跨过场放电电阻器的电压超过预先确定的阈值时，场放电电阻器被绕过。在马达的同步运行期间，在DC场绕组被DC通电时，根据AT334469的场放电电阻器始终导致损耗。0006在传统的实践中，起动电阻器单独地安装在机器的转子本身上，或者在一些情况下，安装在马达的外部。在任一种情况下，对其使用的起动电阻器都较大、较重和较昂贵。对于20MW马达，典型的旋转起动电阻器的功率可为1MW，并且即使工作时间短，例如1020秒，仍然散发大量的热能。需要某个重量的电阻材料来避免起动电阻器的。
11、过热，因为冷却时间太短，以至于不能将热传递离开起动电阻器。0007进一步，必要的安装设施和空间要求使机械设计复杂化，尤其是在起动电阻器安装在转子上时。这在无刷同步马达的情况下特别不利，其中，激励系统和起动控制器完全承载在转子上，并且还要将起动电阻器安装在转子上的必要性涉及很大的困难，并且导致转子尺寸大且成本高。发明内容0008本发明的一个目标是提供一种改进的同步电动马达。0009本发明的进一步目标是提供一种用于起动同步电动马达的改进的方法。0010这些目标通过根据所附权利要求1所述的装置和根据所附权利要求7所述的方式实现。0011本发明基于下者的实现通过仅在较高速度范围下，例如在马达的同步速度。
12、的大约8595下连接场放电电阻器，而非在整个加速时期下连接场放电电阻器，场放电电阻器的工作时间能减少到大约1/31/10。场放电电阻器的尺寸和重量将以类似的比例减少。此说明书CN104040872A2/6页5外已经认识到，利用适当拓扑结构的控制系统，能避免场放电电阻器在机器的稳态运行期间导致的损耗。0012根据第一方面本发明，提供了一种同步电动马达，其包括具有DC场绕组的转子；激励器，其构造成在启动时通过产生沿第一方向穿过DC场绕组的DC电流来对DC场绕组通电；以及控制系统，其构造成控制穿过DC场绕组的电流流。控制系统包括场放电电阻器和旁通电路。旁通电路构造成在电流流沿第一方向穿过DC场绕组期。
13、间实现第一旁通，以在电方面绕过场放电电阻器。旁通电路进一步构造成在电流流沿第二方向穿过DC场绕组期间实现第二旁通，以在电方面绕过场放电电阻器期间。第二方向与第一方向相反。控制系统能够引导激励器产生的所有DC电流来流过DC场绕组。激励器产生的但是未流过DC场绕组的任何DC电流代表损耗，并且引导激励器产生的所有DC电流来流过DC场绕组因此对于避免损耗是必需的。利用适当拓扑结构的控制系统，能避免场放电电阻器在机器的稳态运行期间产生的任何损耗。在本发明的上下文中，“所有DC电流”要解释为“基本所有DC电流”，更精确地，这表示激励器产生的DC电流的至少95，诸如激励器产生的DC电流的至少97、至少98或。
14、至少99。0013根据本发明的一个实施例，旁通电路能够彼此独立地而实现第一旁通和第二旁通。通过这个措施，实现柔性旁通操作。0014根据本发明的一个实施例，旁通电路构造成响应于DC场绕组中引起的电压的频率或幅度而实现第一旁通和第二旁通。已经发现DC场绕组中引起的电压的频率和幅度是用于决定分别使场放电电阻器工作和不工作的适当时刻的好的标准。0015根据本发明的一个实施例，旁通电路构造成响应于转子的旋转速度而实现第一旁通和第二旁通。已经发现转子的旋转速度是用于决定分别使场放电电阻器工作和不工作的适当时刻的好的标准。0016根据本发明的一个实施例，旁通电路构造成在旋转速度在转子的同步速度的0和至少50。
15、之间，诸如在同步速度的0和至少70之间，在0和至少80之间，在0和至少85之间，在0和至少90之间或在0和至少95之间时，在整个旋转速度范围中持续地实现第一旁通和第二旁通中的至少一个。已经发现场放电电阻器在低范围的旋转速度下重要性较低。0017根据本发明的一个实施例，旁通电路构造成在旋转速度为同步速度的至少90，诸如同步速度的至少95，并且激励器未启动时，阻断沿第二方向穿过DC场绕组的电流流。当旋转速度接近同步速度时，穿过DC场绕组的震荡电流流产生的脉动扭矩的频率变低。通过阻断沿第二方向的电流流，移除了对应的制动作用。0018根据本发明的第二方面，提供一种用于起动同步电动马达的方法，同步电动马。
16、达包括具有DC场绕组的转子；激励器，其构造成在启动时通过产生沿第一方向穿过DC场绕组的DC电流来对DC场绕组通电；以及场放电电阻器，其电连接到DC场绕组。方法包括以下步骤在电流流沿第一方向穿过DC场绕组期间，在激励器未启动时，实现场放电电阻器的第一旁通；启动激励器；以及引导激励器产生的所有DC电流来流过DC场绕组。激励器产生的但是未流过DC场绕组的任何DC电流代表损耗，并且引导激励器产生的所有DC电流来流过DC场绕组因此对于避免损耗是必需的。利用适当拓扑结构的控制系统，能避免场放电电阻器在机器的稳态运行期间产生的任何损耗。说明书CN104040872A3/6页60019根据本发明的一个实施例，。
17、方法进一步包括以下步骤在电流流沿第二方向穿过DC场绕组期间，在激励器未启动时，实现场放电电阻器的第二旁通。第二方向与第一方向相反。虽然场放电电阻器的工作时间通过单向旁通减小到一半，但是通过双向旁通，会使工作时间为零，从而允许进一步减小场放电电阻器的尺寸和重量。0020根据本发明的一个实施例，彼此独立地而实现第一旁通和第二旁通。通过这个措施，实现柔性旁通操作。0021根据本发明的一个实施例，响应于DC场绕组中引起的电压的频率或幅度而实现第一旁通和第二旁通。已经发现DC场绕组中引起的电压的频率和幅度是用于决定分别使场放电电阻器工作和不工作的适当时刻的好的标准。0022根据本发明的一个实施例，响应于。
18、转子的旋转速度而实现第一旁通和第二旁通。已经发现转子的旋转速度是用于决定分别使场放电电阻器工作和不工作的适当时刻的好的标准。0023根据本发明的一个实施例，方法进一步包括在旋转速度在转子的同步速度的0和最多95之间，诸如在同步速度的0和最多90之间，在0和最多85之间，在0和最多80之间，在0和最多70之间或在0和最多50之间时，至少暂时实现第一旁通和第二旁通中的至少一个。已经发现场放电电阻器在低范围的旋转速度下重要性较低。0024根据本发明的一个实施例，方法进一步包括以下步骤当旋转速度为同步速度的至少90，诸如同步速度的至少95，并且激励器未启动时，阻断沿第二方向穿过DC场绕组的电流流。当旋。
19、转速度接近同步速度时，穿过DC场绕组的震荡电流流产生的脉动扭矩的频率变低。通过阻断沿第二方向的电流流，移除对应的制动作用。附图说明0025将参照附图来更详细地阐述本发明，其中图1示出根据本发明的一个实施例的同步马达在起动时期的不同部分期间的控制，图2示出在同步马达的起动时期期间的DC场绕组中的震荡，图3显示根据本发明的一个实施例的晶闸管的通断型式，以及图4显示根据本发明的备选实施例的控制系统。具体实施方式0026参照图1，同步电动马达包括具有AC定子绕组12的定子和具有DC场绕组13的转子。为了阐述本发明，马达的运行分成两个阶段起动时期和稳态运行。起动时期在马达静止时开始，并且在激励器16启动。
20、来对DC场绕组13通电时结束。在起动时期期间，激励器16未启动。在稳态运行期间，马达以同步速度或至少接近同步的速度旋转，并且启动的激励器16产生穿过DC场绕组13的DC电流。激励器16包括整流器，将三相AC电流调节成DC电流。AC定子绕组12在起动时期期间和在稳态运行期间被AC通电，并且在定子内产生旋转磁场。用于控制穿过DC场绕组13的电流流的控制系统11包括起动电阻器R、晶闸管T1、T2和T3，以及飞轮二极管桥D1D6。0027参照图2A，在同步起动时期期间，引起的跨过DC场绕组13的电压EO为AC电压，其具有等于滑差频率的震荡频率，并且具有随着转子速度的增大而减小的幅度。图2B显示说明书C。
21、N104040872A4/6页7在起动时期期间引起的通过DC场绕组13的电流IF。引起的电压和引起的电流包括相应的正半周期和负半周期。0028起动时期进一步分成三个连续部分第一部分、第二部分和第三部分。在第一部分开始时，转子静止，并且在第一部分期间，转子仅被感应马达动作加速。图1A示出在第一部分期间，根据本发明的一个实施例的情形。在引起的电压的正半周期期间，获得的第一电流路径CP1穿过晶闸管T3、飞轮二极管桥D1D6和DC场绕组13。晶闸管T3受依赖于频率的电路控制。在引起的电压的负半周期期间，基于预设电压触发晶闸管T1，该预设电压通常比引起的最大电压小得多。获得的第二电流路径CP2穿过晶闸管。
22、T1和T2以及DC场绕组13。晶闸管T2也受依赖于频率的电路控制。因而，根据图1A的实施例，在起动时期的第一部分期间，在引起的电压的负半周期期间和在正半周期期间，起动电阻器R被绕过。0029当转子到达某个速度时，引起的电压的频率落到预设值以下，并且起动时期的第二部分开始。根据图1B的实施例，晶闸管T2和T3不再被触发，并且因而使场放电电阻器R工作。引入场放电电阻器R的一个目的是在起动时期结束时提升起动扭矩，以处理重负荷状况。在引起的电压的正半周期期间，获得的第三电流路径CP3穿过场放电电阻器R、飞轮二极管桥D1D6和DC场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，获得的第四电流路径CP4穿过晶闸管。
23、T1、场放电电阻器R和DC场绕组13。0030当转子到达某个速度时，引起的电压的幅度降到第二预设值以下，并且起动时期的第三部分开始。根据图1C的实施例，晶闸管T1被阻断，并且晶闸管T3将保持被阻断。因此，控制系统11仅为在引起的电压的正半周期期间流动的电流提供第五电流路径CP5。第五电流路径CP5穿过场放电电阻器R、飞轮二极管D1D6和DC场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，电流被阻断。0031应当理解，根据本发明的备选实施例，可在前文指示以外的其它时刻触发晶闸管T1、T2和T3而使其导通。图3A3D示出晶闸管T1T3的示例性通断型式。起动时期的第一部分在0处开始，并且在T1处结束，起动时。
24、期的第二部分在T1处开始，并且在T2处结束，起动时期的第三部分在T2处开始，并且在T3处结束，并且稳态运行在T3处开始。时刻T1T3也在图2A的示波图中示出。0032因而，在起动时期的第三部分期间，可触发晶闸管T3而使其导通，因而在这个部分期间绕过场放电电阻器R。电流然后流过晶闸管T3、飞轮二极管D1D6和DC场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，电流被阻断。0033也可如图3D中示出的那样触发晶闸管T2和T3。这里，晶闸管T2和T3在起动时期的第一和第三部分期间被阻断，并且在起动时期的第二部分期间和在稳态运行期间被触发而导通。实际上，晶闸管T2在稳态运行期间不必被触发而导通，因为晶闸管T1。
25、被阻断，并且高效地阻止电流在引起的电压的负半周期期间流动。因此，在起动时期的第一和第三部分期间，电流被迫流过场放电电阻器R。注意，根据这个实施例，起动时期的各种部分可在之前的实施例中以外的其它时间点开始和结束。0034起动时期在来自激励器16的DC激励通过二极管桥D1D6切换到DC场绕组13以为稳态运行提供恒定的同步扭矩时结束。晶闸管T3被DC电压触发而导通，并且场放电电阻器R被绕过。这可在起动时期的第三部分结束之后的某个时间延迟下执行。0035根据本发明的备选实施例，晶闸管T3在稳态运行期间被阻断，并且改为，与晶闸说明书CN104040872A5/6页8管T3并联连接的另一个晶闸管未示出被触。
26、发而导通，因而绕过场放电电阻器R。这个备选方案需要另一个晶闸管，但是将不会影响系统的整体性能。0036晶闸管T2和T3并且可选地，与晶闸管T3并联连接的晶闸管能以多个方式不仅通过频率触发，只要能如图3B3D中指示和上面描述的那样控制导通和非导通状态。0037起动时期的第二部分可在同步马达的转子的速度为马达的同步速度的至少大约50，优选至少大约70，更优选至少大约80，更优选至少大约85，并且最优选大约90时开始。0038起动时期的第二部分可在同步马达的转子的速度为马达的同步速度的至少大约90，优选至少大约95时结束。0039起动时期的第三部分可在同步马达的转子的速度为马达的同步速度的至少大约9。
27、0，优选至少大约95时结束，但是在起动时期的第二部分结束之后结束。起动时期的第三部分可在起动时期的第二部分结束并且第三部分已经开始之后的给定延迟时间结束。0040图4A和4B显示备选制系统11，用于控制穿过DC场绕组13的电流流。图4A的系统将本发明的原理引入控制系统中，如US3,959,702中公开的那样，该专利的内容通过引用而结合在本文。这里，晶闸管T1、T2和T3被触发，如图3AC中示出的那样。在起动时期的第一部分期间，获得的第六电流路径CP6在引起的电压的正半周期期间穿过二极管桥D1D6、晶闸管T3和DC场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，获得的第七电流路径CP7穿过晶闸管T1和T。
28、2以及DC场绕组13。0041在起动时期的第二部分期间，晶闸管T2和T3被阻断。在引起的电压的正半周期期间，获得的第八电流路径CP8参见图4B穿过场放电电阻器R、二极管D和DC场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，获得的第九电流路径CP9参见图4B穿过晶闸管T1、场放电电阻器R和DC场绕组13。0042在起动时期的第三部分期间，晶闸管T1被阻断，并且晶闸管T3可被触发而导通或被阻断。在前一种情况下，在引起的电压的正半周期期间提供电流路径来允许电流流过二极管桥D1D6、晶闸管T3和DC场绕组13。在后一种情况下，在引起的电压的正半周期期间，提供电流路径来允许电流流过场放电电阻器R、二极管D和D。
29、C场绕组13。在引起的电压的负半周期期间，二极管D和晶闸管T1和T3阻断电流。0043在稳态运行期间，来自激励器16的DC激励通过二极管桥D1D6被切换到DC场绕组13。晶闸管T3被DC电压触发而导通，并且场放电电阻器R被绕过。如前面的那样，这可在起动时期的第三部分结束之后的某个延迟时间执行。0044图4B的系统将本发明的原理引入控制系统中，如在US3,354,368中公开的那样，该专利的内容通过引用而结合在本文中。这个实施例不同于图4A的实施例，仅因为晶闸管T3和二极管桥的上部二极管D1D3代替到了三个晶闸管T3作为图4A的晶闸管T3被触发。这个实施例将类似于图4A的实施例那样运行。0045。
30、根据本发明的另外的备选实施例，图1AC的晶闸管T2和T3代替双向切换装置，诸如例如TRIAC，双向切换装置的运行将对应于晶闸管T2和T3的组合的运行。0046根据本发明的用于起动同步电动马达的方法能与又一个实施例一起实现，其中图1AC的晶闸管T2将被省略，并且仅在一个电流方向上进行场放电电阻器R的绕过。在这种说明书CN104040872A6/6页9情况下，在起动时期的选定部分期间，场放电电阻器R将在电方面被单向绕过。在起动时期的第一和第二部分期间当借助于晶闸管T1来使得能够在两个方向上有电流时，单向旁通将意味着在引起的电压的负半周期期间，电流将流过场放电电阻器R。在引起的电压的正半周期期间，电。
31、流将流过晶闸管T3，如果旁通被启动的话，并且流过场放电电阻器R，如果旁通被停用。在起动时期的第三部分期间当借助于晶闸管T1来在一个方向上停止电流时，电流将仅在引起的电压的正半周期期间流动。0047本发明不限于上面显示的实施例，而是本领域技术人员可在权利要求限定的本发明的范围内以多种方式修改实施例。说明书CN104040872A1/7页10图1A说明书附图CN104040872A102/7页11图1B说明书附图CN104040872A113/7页12图1C图2A说明书附图CN104040872A124/7页13图2B图3A图3B说明书附图CN104040872A135/7页14图3C图3D说明书附图CN104040872A146/7页15图4A说明书附图CN104040872A157/7页16图4B说明书附图CN104040872A16。