專利名稱：高速電動機(jī)的電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高速電動機(jī)的電源，并且特別涉及一種用于利用磁浮軸承的電動機(jī)的電源。
在國際專利申請WO 98/33260中描述了一種特別適合用做冷凍壓縮機(jī)電動機(jī)的高速電動機(jī)。所述電動機(jī)可以用于例如澳大利亞專利686174中所描述的壓縮機(jī)類型并且利用磁浮軸承來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部分的懸浮。
背景技術(shù)：
利用磁浮軸承的已知困難是在系統(tǒng)電源故障期間給軸承供電，在此期間電動機(jī)電源發(fā)生故障。雖然為系統(tǒng)使用輔助或備用電源是已知的，例如通過電池等，但是所述輔助電源相對來說比較貴，并且需要附加的開關(guān)控制以使當(dāng)主電源故障時切換到該輔助電源。此外，電池具有有限的貯存期，通常必須每兩年更換一次。這些都進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的成本。
因此希望為利用磁浮軸承的高速電動機(jī)提供一種改良的電源系統(tǒng)，其能夠在主電源故障時維持給軸承的供電。
還希望提供一種電源系統(tǒng)，以在主電源故障后為高速電動機(jī)的磁浮軸承連續(xù)供電，直到旋轉(zhuǎn)部分靜止。
還希望提為高速電動機(jī)提供一種改良的控制器，其能夠使旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(spinning rotor)在控制條件下使旋轉(zhuǎn)減慢。
希望為具有磁浮軸承的高速電動機(jī)提供一種電源控制器，該電源控制器相對便宜，其操作是高效的并且能為該磁浮軸承提供真正的故障-安全電源。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為具有至少一個磁浮軸承的電動機(jī)提供一種電源控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括DC/DC變流器，該變流器由與主電源相連的直流聯(lián)絡(luò)線母線提供，所述母線為電動機(jī)和軸承致動器(bearing actor)供電，所述變流器為電動機(jī)控制器、軸承控制器和監(jiān)控控制器提供低壓DC電源。所述監(jiān)控控制器監(jiān)測主電源并與所述電動機(jī)控制器和軸承控制器進(jìn)行通信，以便在主電源故障時使所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，因而向DC聯(lián)絡(luò)線母線供電以維持磁浮軸承的運行，其特征在于，電路開關(guān)元件與電動機(jī)繞組相連接，并且選擇性地以如下方式切換僅當(dāng)所述繞組電壓高于所述DC聯(lián)絡(luò)線母線中的電壓時，使所述電動機(jī)中產(chǎn)生的電流以一個方向流到所述DC聯(lián)絡(luò)線母線中。
本發(fā)明優(yōu)選地適用于高速電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子由磁浮軸承單獨地支持。本發(fā)明也可用在具有磁浮軸承和氣體軸承的組合的電動機(jī)中。
優(yōu)選地，所述DC聯(lián)絡(luò)線母線包含至少一個電容，其在正常使用下由主電源在充電條件下來維持。所述電容能夠提供充足的電量，這與所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行時所供給的電量一起，能夠使全速運行的電動機(jī)減速并且在減速階段期間維持所述磁浮軸承的運行。在所述減速階段期間使所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行提取了存儲在該電動機(jī)和其它旋轉(zhuǎn)部分的動能，構(gòu)成了電制動來快速安全地停止轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。在所述減速階段期間，作為發(fā)電機(jī)運行的電動機(jī)不斷向所述DC聯(lián)絡(luò)線母線供電，這在整個減速階段為所述DC/DC變流器、若干控制器以及所述磁浮軸承致動器提供了不間斷的供電。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，該方法在主電源故障時使以磁浮軸承運行的高速DC電動機(jī)減速。所述方法包括了以下步驟從與主電源相連接的高壓DC母線供電給所述電動機(jī)和磁浮軸承，提供DC/DC變流器來為磁浮軸承控制器和電動機(jī)控制器供給低壓DC電源，利用開關(guān)設(shè)備來控制電動機(jī)的運行，檢測到所述主電源故障并提供信號給電動機(jī)控制器，其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備在檢測到所述故障時被選擇性地控制，來將現(xiàn)存電動機(jī)電流開始供給所述母線，檢測到所述母線電壓降到預(yù)定值以下并短路所述電動機(jī)繞組，并且一旦由于短路而使所述繞組中有電流，則除掉所述短路由此所述繞組電壓上升到母線電壓之上，將因此產(chǎn)生的電流反饋到所述母線，并且如果必要重復(fù)上述選擇性控制直到所述電動機(jī)減速。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述電源控制系統(tǒng)包含許多開關(guān)，其可操作用于在所述DC母線的兩極和所述電動機(jī)繞組的每一端之間切換電源，以使電流流經(jīng)所述繞組。每一個開關(guān)都具有平行二極管。當(dāng)檢測到主電源故障時，例如通過測量電壓低于母線時，所述開關(guān)都被切換到“關(guān)”位置，并且電動機(jī)繞組中的現(xiàn)存電流被供給母線。只要所述母線電壓再次下降，則所述電動機(jī)繞組通過關(guān)閉適當(dāng)?shù)拈_關(guān)而被短路，并且然后再打開該開關(guān)使得通過短路該繞組而產(chǎn)生的電流能通過所述二極管重新流回所述母線。
所述控制方法使用現(xiàn)有的電動機(jī)控制IGBT開關(guān)來實現(xiàn)當(dāng)母線電壓下降時所述電動機(jī)的發(fā)電機(jī)功能。通過所述控制系統(tǒng)，沒有必要跟蹤所述轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制開關(guān)。所述二極管能使所述電動機(jī)作為所有開關(guān)處于打開位置的發(fā)電機(jī)并且所述電流流回母線，以輔助所安裝的電容來維持母線電壓直到所述電動機(jī)減速。


下面將參考附圖，描述本發(fā)明的一個實施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的電源控制系統(tǒng)的框圖；圖2是說明了用于單相電動機(jī)的控制開關(guān)的示意電路圖；和圖3是圖1和圖2中所示系統(tǒng)的控制算法的流程圖。
具體實施例方式
提到附圖并且首先是圖1，所述電源控制系統(tǒng)12通過橋式整流器16與三相AC電源14相連接。DC聯(lián)絡(luò)線母線17向DC/DC變流器18、磁浮軸承致動器19和電動機(jī)電源21提供DC電源。大電容器22或者電容組穿過聯(lián)絡(luò)線母線17被連接以為電動機(jī)減速提供存儲電源的緩沖器。在所述實施例中，所述DC聯(lián)絡(luò)線母線電壓是1000伏，并且所述電容器或者若干電容器將具有充足的容量，使得在不存在任何其它電源的情況下，電動機(jī)的減速時間大約在0.1秒到1.5秒之間。
所述DC/DC變流器18為電動機(jī)控制器23、軸承控制器24和監(jiān)控控制器提供低壓DC電源，該監(jiān)控控制器在所述實施例中采用了計算機(jī)26的形式。所述變流器18也為關(guān)聯(lián)于磁浮軸承的不同的傳感器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)(未示出)提供低壓電源，該IGBT被用于在所述磁浮軸承致動器19和電動機(jī)電源21上的控制。所述磁浮軸承致動器19及相關(guān)的IGBT和所述電動機(jī)電源21及其相關(guān)的IGBT在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，在此不作詳細(xì)描述。對于不同IGBT的門驅(qū)動信號(gate drive signal)由軸承控制器24和電動機(jī)控制器23分別產(chǎn)生，以為所述電動機(jī)軸承提供所希望的操作參數(shù)。
AC電源監(jiān)測器27在主AC電源14故障時向所述監(jiān)控計算機(jī)26提供信號?？蛇x地，所述監(jiān)控計算機(jī)26可以通過DC/DC變流器18來監(jiān)測所述母線電壓以檢測出導(dǎo)致所述電容22的電壓下降的電源故障。當(dāng)檢測到電源故障時，所述電動機(jī)控制器23控制所述IGBT來將現(xiàn)存電動機(jī)電流供給所述DC聯(lián)絡(luò)線母線，然后由此開始電動機(jī)繞組電流相對電動機(jī)磁場的反向，因此所述電動機(jī)轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)。
提到圖2，由所述電動機(jī)23所控制的IGBT開關(guān)28，根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置來連接所述電動機(jī)繞組29與DC母線17。在圖2中示出了四個開關(guān)28，在三相電動機(jī)結(jié)構(gòu)中將提供六個開關(guān)28。
每個開關(guān)28具有平行二極管31，該二極管的極性與所述電動機(jī)電流方向相反。當(dāng)檢測到電源故障，所有的開關(guān)都被關(guān)閉或者打開，所述電動機(jī)繞組29中的現(xiàn)存電流通過相關(guān)二極管31流到所述母線17，所述電源故障是通過電源監(jiān)測器27，或通過檢測所述電容22的電壓下降來被檢測的。這立即增加了所述母線電壓，并且一旦該母線電壓再次下降，兩個開關(guān)SW1和SW3或者SW2和SW4被閉合而使電動機(jī)繞組29短路，并且緊接著使電流流經(jīng)該電動機(jī)繞組。一旦由于短路電流開始流動，所述開關(guān)將再次被關(guān)閉，由此繞組電壓升到母線電壓以上，并且所產(chǎn)生的電流流回到所述電容22中。
通過所述安排，對于所述控制系統(tǒng)來說，不必知道所述電動機(jī)繞組29內(nèi)部的電壓或所述轉(zhuǎn)子的相對位置。僅當(dāng)所述繞組電壓高于所述DC母線17中的電壓時，所述電動機(jī)繞組29中所產(chǎn)生的電流只能從所述二極管31向DC母線一個方向流動。
可以知道，當(dāng)檢測到電源故障時，所述開關(guān)在所述電動機(jī)控制器23的控制下開啟，以確保在電源故障期間所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，直到電動機(jī)減速。
由所述電動機(jī)/發(fā)電機(jī)21所產(chǎn)生的電量將被送到所述DC聯(lián)絡(luò)線母線17中以維持所述利用磁浮軸承18的電源。通過從所述電動機(jī)21得到電量，所述轉(zhuǎn)子被電制動，因而使轉(zhuǎn)子軸遠(yuǎn)離了潛在的危險動能。在減速期間所產(chǎn)生的電量連同存儲在電容22中的電量一起對磁浮軸承18和控制器23和24維持充足時間的供電，以使所述電動機(jī)21和相關(guān)的旋轉(zhuǎn)部分能減速到停止。
圖3示出了圖1和2的系統(tǒng)中的監(jiān)控控制器26的程序的控制算法。所述程序開始于盒(box)32(“檢測到電源故障”)，通過所述電源檢測器27或者通過檢測所述電容22的電壓下降來檢測電源故障。在這點，所述開關(guān)28開啟并且所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)(發(fā)電機(jī)模式盒33)，并且所述電動機(jī)繞組29中的現(xiàn)存電流通過相關(guān)二極管31而流到所述母線17。程序盒34涉及控制所述(IGBT)開關(guān)28以使電流流回到母線17并且增加母線電壓。當(dāng)所述電流回流發(fā)生時(盒35)，所述開關(guān)28被打開。一旦所述母線電壓再次下降，則開關(guān)SW1和SW3或者SW2和SW4被閉合(盒36)而使所述電動機(jī)繞組29短路。如果所述繞組電流“高于預(yù)定值”(盒37)，則程序便會轉(zhuǎn)到出口盒40。如果所述繞組電流不高于所述預(yù)定值，則程序便會轉(zhuǎn)到盒38，這使得開關(guān)SW1和SW3或者SW2和SW4(不管哪對開關(guān)先前已被開啟)打開。下一個決定點是盒39，其中監(jiān)測到所述母線的電壓升高，并且如果所述電壓升高到預(yù)定值之上，則所述程序通過盒40退出。如果所述電壓升高低于所述預(yù)定值，則所述程序便會返回盒36并重復(fù)上述過程。
在本發(fā)明的一個特定形式中，當(dāng)所述電動機(jī)被用作驅(qū)動冷凍壓縮機(jī)時，檢測到電源故障的監(jiān)控計算機(jī)也將運行以卸載所述壓縮機(jī)。
由于所述電動機(jī)速度、關(guān)聯(lián)于該電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分的慣性和所述電動機(jī)上任何外部加載，可以達(dá)到介于2到3秒的減速時間。通過使所述電動機(jī)21作為發(fā)電機(jī)運行并且向所述DC聯(lián)絡(luò)線母線供電，可以在整個減速時間維持所述電容22中的電荷。通過在減速期間向所述磁浮軸承維持供電，避免了對該軸承的損害，并且所述電動機(jī)能夠安全地停止。
權(quán)利要求
1.一種用于具有至少一個磁浮軸承的電動機(jī)的電源控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括DC/DC變流器，該變流器被從與主電源相連的DC聯(lián)絡(luò)線母線供電，所述母線為所述電動機(jī)和軸承致動器供電，所述變流器為電動機(jī)控制器、軸承控制器和監(jiān)控控制器提供低壓DC電源，所述監(jiān)控控制器監(jiān)測所述主電源并且與所述電動機(jī)控制器和軸承控制器進(jìn)行通信，以便在該主電源故障時使所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，因而向所述DC聯(lián)絡(luò)線母線供電以維持該磁浮軸承的運行，其特征在于，電路開關(guān)元件與所述電動機(jī)繞組連接，并且選擇性地以這樣的方式切換僅當(dāng)所述繞組電壓高于所述DC聯(lián)絡(luò)線母線中的電壓時，使所述電動機(jī)中產(chǎn)生的電流以一個方向流至所述DC聯(lián)絡(luò)線母線中。
2.根據(jù)權(quán)利要求2的電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電路開關(guān)元件包含第一和第二開關(guān)、第三和第四開關(guān)以及平行二極管，所述第一和第二開關(guān)在所述電動機(jī)繞組的第一端和所述DC聯(lián)絡(luò)線母線的正負(fù)側(cè)之間被分別連接，所述第三和第四開關(guān)在所述電動機(jī)繞組的第二端和所述DC聯(lián)絡(luò)線母線的正負(fù)側(cè)之間被分別連接，所述平行二極管穿過每個開關(guān)被連接以使正常的電動機(jī)電流反向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電源控制系統(tǒng)，所述第一和第三或第二和第四開關(guān)被開啟以在所述電動機(jī)繞組中產(chǎn)生所述電流，并且所述開關(guān)緊接著所述電流產(chǎn)生后被關(guān)閉，由此所述繞組電壓上升到所述母線電壓以上，并且所述電流流入所述DC聯(lián)絡(luò)線母線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電源控制系統(tǒng)，所述開關(guān)是IGBT開關(guān)，當(dāng)檢測到電源故障時該開關(guān)能被打開，以使現(xiàn)存的電動機(jī)電流通過相關(guān)的所述二極管而流入所述DC聯(lián)絡(luò)線母線來增加所述母線電壓，并且當(dāng)所述母線電壓再次下降時，所述第一和第三或者所述第二和第四開關(guān)被閉合以使所述電動機(jī)繞組短路，并且緊接著使電流流經(jīng)該電動機(jī)繞組，因此所述開關(guān)被打開以使所述繞組電壓升高到所述母線電壓之上，并且所產(chǎn)生的電流被反饋到所述聯(lián)絡(luò)線母線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電源控制系統(tǒng)，在所述聯(lián)絡(luò)線母線的正負(fù)側(cè)之間連接了電容，以存儲從所述繞組反饋回的電量以使電動機(jī)減速。
6.一種方法，其在主電源故障時使利用磁浮軸承的高速DC電動機(jī)減速，所述方法包括以下步驟從與主電源連接的高壓DC母線為所述電動機(jī)和所述磁浮軸承供電，提供DC/DC變流器來給磁浮軸承控制器和電動機(jī)控制器供給低壓DC電源，利用開關(guān)設(shè)備來控制所述電動機(jī)的運行，檢測到所述主電源故障并且提供信號給所述電動機(jī)控制器，其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備在檢測到所述故障時被選擇性地控制以開始將現(xiàn)存電動機(jī)電流供給所述母線，當(dāng)所述母線電壓降低到預(yù)定值以下時檢測并且短路所述電動機(jī)繞組，并且一旦由于短路而使所述繞組中的電流開始流動就去除所述短路，由此所述繞組電壓增加到所述母線電壓以上，將因此而產(chǎn)生的電流反饋到所述母線，并且必須重復(fù)所述選擇性控制直到所述電動機(jī)減速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中的方法，其特征在于，穿過所述母線提供了電容，以為所述電動機(jī)減速而提供所存儲的電量的緩沖器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，通過檢測被反饋到所述母線的電流的反向，實現(xiàn)了當(dāng)所述母線電壓降低到預(yù)定值以下時的檢測步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備包括IGBT開關(guān)和二極管，所述IGBT開關(guān)在所述電動機(jī)繞組的每一端和所述母線的正負(fù)側(cè)之間被分別連接，所述二極管與每個開關(guān)平行連接，所述二極管能使所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)并且將電流供給所述母線，以輔助所述電容維持所述母線電壓，直到所述電動機(jī)減速。
全文摘要
一種用于具有至少一個磁浮軸承的電動機(jī)的電源控制系統(tǒng)(12)，該系統(tǒng)包括DC/DC變流器(18)，該變流器從連接到主電源(14)的DC聯(lián)絡(luò)線母線(17)被供電，所述母線(17)為所述電動機(jī)和軸承致動器供給電源，所述變流器(18)為電動機(jī)控制器(23)、軸承控制器(24)和監(jiān)控控制器(26)提供低壓DC電源，該監(jiān)控控制器監(jiān)測所述主電源并且與所述電動機(jī)控制器(23)和軸承控制器(24)進(jìn)行通信，以便在所述主電源(14)故障時使所述電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，因而向所述DC聯(lián)絡(luò)線母線(17)供電以維持所述磁浮軸承的運行。電路開關(guān)元件與所述電動機(jī)繞組連接，并且以這樣的方式被選擇性地切換僅當(dāng)所述繞組電壓高于所述DC聯(lián)絡(luò)線母線(17)電壓時，使所述電動機(jī)中產(chǎn)生的電流以一個方向流入所述DC聯(lián)絡(luò)線母線(17)中。
文檔編號H02P7/18GK1701503SQ03825384
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者Y·H·林 申請人:特伯考爾公司