本發(fā)明的實施例一般涉及交流(AC)電動機，并且更具體地涉及用于估計AC電動機的速度而無需編碼器的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

電動機軟啟動器是控制從AC電源到感應(yīng)電動機的電壓或電流的施加的裝置。軟啟動器被配置為在啟動期間限制涌入感應(yīng)電動機的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致“軟”電動機啟動而不影響電網(wǎng)的電力質(zhì)量。在操作中，來自AC電源的電力通過軟啟動器中的切換裝置(諸如以晶閘管或可控硅整流器(SCR)的形式的反并聯(lián)或背對背的固態(tài)開關(guān)對)，以控制電流流動并且轉(zhuǎn)而控制感應(yīng)電動機的端子電壓。

通常，軟啟動器經(jīng)由晶閘管的選擇性控制來暫時減少在啟動期間電動機中的電流，而沒有這種控制，電動機電流可達(dá)到6到8倍的額定電流。這種減小允許減小在電動機和電網(wǎng)上的應(yīng)力(stress)，這增加了系統(tǒng)的壽命。晶閘管在如當(dāng)電壓變?yōu)檎龝r測量的給定角度γ處“觸發(fā)(trigger)”或“擊發(fā)(fire)”(控制為導(dǎo)通)。所得的電流流過給定的相，直到它們達(dá)到零，在該點處晶閘管關(guān)斷。該模式創(chuàng)建在電壓中的“缺口(notch)”。缺口寬度越大，則施加到電動機的有效(rms)電壓越小。由于扭矩是有效電壓的平方的函數(shù)，所以缺口寬度越大，扭矩越小。如果缺口寬度為零，則向電動機施加全電壓。通常，軟啟動過程持續(xù)幾秒鐘，在該過程結(jié)束時，系統(tǒng)達(dá)到其最終速度，并且接觸器閉合以旁通SCR。

AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度的知識對于在電動機啟動過程期間和之后優(yōu)化AC電動機的電動機啟動控制和操作是有用的。用于AC電動機的現(xiàn)有電動機速度估計方法經(jīng)常取決于高頻電流注入，這對于由基于晶閘管的軟啟動器驅(qū)動的AC電動機是不可行的。其它已知的方法依賴于復(fù)雜的觀測器、電動機等效模型或兩者，這在基于晶閘管的軟啟動器系統(tǒng)，特別是僅在短時間段內(nèi)操作的軟啟動器中是非常不切實際的。例如，估計電動機速度的一種已知技術(shù)依賴于電流波形的快速傅里葉變換(FFT)分析，以及由于電機轉(zhuǎn)子繞組不對稱引起的電流波形中的輕微偏差是計算密集的并且缺乏一般性，因為電動機不對稱性對于不同的電機是不同的。估計速度的另一種已知方法使用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，該模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)對于從開始到標(biāo)稱速度的范圍的第一部分是基于扭矩的，并且對于速度范圍的剩余部分是基于通量的。這種基于模型的技術(shù)是計算密集的，并且取決于許多電機參數(shù)、電阻和電感的知識。另一種已知技術(shù)在一個相中跳過觸發(fā)事件以在電流和相位滯后中引入瞬變。然而，所得信號的小幅度難以監(jiān)視。

雖然上述技術(shù)中的一些技術(shù)跳過了SCR觸發(fā)或擊發(fā)事件，以便估計電動機速度，但是這些技術(shù)沒有在對正在旋轉(zhuǎn)的電機的某個中斷之后恢復(fù)SCR擊發(fā)時可能引起的危險電流瞬變做出任何規(guī)定(provision)。在斷開之后，電動機的速度降低，并且生成的反電動勢不再處于與電源電壓相同的頻率或相位。如果電源電壓和反電動勢在試圖進(jìn)行帶電重新閉合(live reclosing)時不同相，則高達(dá)電源電壓兩倍的電壓將施加到AC電機，導(dǎo)致高的和潛在的破壞性瞬態(tài)電流。

因此，期望具有能夠估計晶閘管驅(qū)動的AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度的無傳感器系統(tǒng)，其不依賴于對特定AC電動機的操作電機參數(shù)的知識或使用計算密集技術(shù)來操作。同樣期望這種軟啟動器系統(tǒng)獲取旋轉(zhuǎn)速度估計，而不在系統(tǒng)中引起潛在的破壞性瞬變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種估計由電動機軟啟動器控制的感應(yīng)電動機的操作特性的系統(tǒng)和方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種電動機控制裝置可電連接在AC電動機和AC電源之間，電動機控制裝置包括多個切換裝置，該多個切換裝置包括與AC電動機的相應(yīng)相對應(yīng)的至少一個晶閘管。電動機控制裝置同樣包括控制器，該控制器被編程為在AC電源的電源相電壓的第一多個周期(cycle)之后將AC電源從AC電動機斷開預(yù)定時間段(time period)?？刂破鬟M(jìn)一步被編程為在預(yù)定時間段期間測量反電動勢電壓，從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的操作特性，以及觸發(fā)多個切換裝置以將AC電源重新連接到AC電動機。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種估計具有軟啟動器的AC電動機的速度的方法包括：控制軟啟動器以將AC電動機從AC電源斷開一個斷開時段(period)，并且在該斷開時段期間測量AC電動機的反電動勢電壓。該方法同樣包括從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的速度，以及通過根據(jù)多步驟擊發(fā)序列觸發(fā)軟啟動器的晶閘管，控制軟啟動器將AC電動機重新連接到AC電源。晶閘管的一次擊發(fā)被定時為跟隨AC電源的電源相電壓的過零，并且晶閘管的隨后擊發(fā)被定時為跟隨晶閘管的電壓的過零。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種電動機軟啟動器包括具有可連接到AC電源的輸入和可連接到AC電動機的輸入端子的輸出的電路，該電路包括至少一個晶閘管。電動機軟啟動器同樣包括連接到電路的控制器。該控制器被編程為操作電動機軟啟動器以將AC電動機連接到AC電源，操作電動機軟啟動器以將AC電動機從AC電源斷開一個斷開時段，并且在斷開時段期間測量AC電動機的反電動勢電壓?？刂破鬟M(jìn)一步被編程為從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度，以及在斷開時段之后，操作電動機軟啟動器以將AC電動機重新連接到AC電源。

從下面的詳細(xì)描述和附圖中，本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見。

附圖說明

附圖示出了目前預(yù)期用于實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

在附圖中：

圖1是用于本發(fā)明的實施例的軟啟動器的透視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的結(jié)合軟啟動器的AC電動機系統(tǒng)的示意圖。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于估計由軟啟動器驅(qū)動的AC電動機的速度的技術(shù)的流程圖。

圖4示出可使用圖3的技術(shù)的示例性反電動勢電壓對速度輪廓。

圖5示出在啟動和正常操作模式期間根據(jù)圖3的技術(shù)操作的AC電動機的示例性電流、反電動勢和線電壓軌跡。

圖6是來自圖5的圖在給定的測量窗口上的示例性線電壓和反電動勢軌跡的詳細(xì)視圖。

圖7示出在圖3的技術(shù)的重新連接階段期間的示例性電流、SCR電壓和線電壓軌跡，其中切換裝置被擊發(fā)以將AC電動機重新連接到電源。

具體實施方式

在此闡述的本發(fā)明的實施例涉及用于在電動機啟動期間、當(dāng)電動機全速運行時以及在電動機關(guān)機期間(如電動機正斜坡下降到停止點)估計交流(AC)電動機的旋轉(zhuǎn)速度的系統(tǒng)和自動化方法。盡管在此將本發(fā)明的實施例描述為結(jié)合多相AC電源和多相AC電動機使用，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，本發(fā)明的實施例適用于單相AC電源和單相感應(yīng)電動機。

參考圖1，示出了可用于實施下面闡述的本發(fā)明的實施例的電動機控制裝置10。在本發(fā)明的示例性實施例中，電動機控制裝置10包括被配置成在電動機啟動期間限制到多相AC電動機的瞬態(tài)電壓和電流的軟啟動器，并且在此將被如此涉及。軟啟動器10包括遮蓋物組件12，其具有在電動機連接端或負(fù)載端16上的空氣入口14。類似的空氣出口18位于軟啟動器10的電源端或線路端20上。遮蓋物組件12同樣容納電子控制器22。軟啟動器10同樣包括容納開關(guān)組件26、28、30中的每一個開關(guān)組件的底座組件24。開關(guān)組件26-30中的每一個開關(guān)組件對于給定的軟啟動器10在構(gòu)造上是相同的，并且對應(yīng)于到多相AC電動機的多相輸入的給定相。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在圖1中所示的軟啟動器10僅是可用于實施本發(fā)明的實施例的軟啟動器架構(gòu)/結(jié)構(gòu)的示例，而用于或需要滿足特定應(yīng)用需求的其它各種軟啟動器架構(gòu)/結(jié)構(gòu)同樣應(yīng)被理解為包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，眾多的打開底盤的軟啟動器配置可用于實施本發(fā)明的實施例，而不是在圖1中示出的封裝的軟啟動器。

參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性示出結(jié)合三相感應(yīng)電動機或AC電動機40的AC電動機系統(tǒng)39。如傳統(tǒng)上所示，AC電動機40表示為三個定子繞組42、44、46。在該情況下，將AC電動機40示為以三角形(delta)布置來連接。應(yīng)理解，AC電動機40可以替代地并根據(jù)本發(fā)明的等價以Y型布置來連接，而不背離本發(fā)明的范圍。AC電動機40的定子繞組42-46在電動機端子56、58、60處通過相應(yīng)的多相電源線50、52、54操作性地連接到AC電源48。

在圖2中所示的實施例中，軟啟動器10包括具有連接到AC電源48的輸入和連接到AC電動機40的輸出的電路，并位于AC電動機40的外部(即，三角形外部)?？商娲兀泦悠?0可位于AC電動機40的內(nèi)部(即，三角形內(nèi)部)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識的，在此所述的實施例可適于這種配置。

將軟啟動器10配置成在啟動期間限制到AC電動機40的瞬態(tài)電壓和電流，產(chǎn)生“軟”電動機啟動。軟啟動器10的基本結(jié)構(gòu)(即，軟啟動器電路)在圖2中示為包括與電源的每一個電源線50、52、54或每一相對應(yīng)的旁路接觸器62、64、66。軟啟動器10同樣包括在每一個電源線50、52、54上的切換裝置68、70、72。在示例性實施例中，每一個切換裝置68、70、72由諸如以可控硅整流器(SCR)形式的固態(tài)開關(guān)或晶閘管的反并聯(lián)開關(guān)對形成，以控制電流并且轉(zhuǎn)而控制電動機40的端子電壓。雖然切換裝置68、70、72在此描述為SCR，但是替代實施例可包括其它晶閘管型裝置，諸如例如柵極可關(guān)斷晶閘管(GTO)。

如圖所示，開關(guān)對68包括兩個SCR 74、76，該SCR 74、76極性相反并且并聯(lián)連接，用于電源線50。同樣地，開關(guān)對70包括兩個SCR 78、80，該兩個SCR 78、80極性相反并且并聯(lián)連接，用于電源線52。最后，開關(guān)對72包括兩個SCR 82、84，該兩個SCR 82、84極性相反并且并聯(lián)連接，用于電源線54。在一個實施例中，SCR 74、78、82向前傳導(dǎo)并且SCR 76、80、84向后傳導(dǎo)。

雖然每一相被示為包括SCR對74-84，但是同樣設(shè)想到，軟啟動器10可具有在僅兩個電源線(例如，僅電源線50、52)上的SCR對。在上述的任何實施例中，如下所述，可控制在單個電源線上的SCR 74-84以控制由AC電動機40接收的輸入電壓和電流。

同樣在軟啟動器10中包括的是控制器或處理器86，其被編程為經(jīng)由到其中的柵極驅(qū)動信號的傳輸來控制單獨的SCR 74-84的操作，以及控制旁路接觸器62-66的打開和閉合。在AC電動機40的啟動/斜坡上升期間(以及同樣在斜坡下降期間)，軟啟動器10在“啟動”或“斜坡”模式中操作，在此期間控制器86使與電源線50-54對應(yīng)的接觸器62-66保持打開，以使得來自AC電源48的電力通過開關(guān)對68-72，從而控制施加于AC電動機40的電流(從而控制電壓)。

在該“啟動”或“斜坡”模式期間，控制器86在電源電壓的每一個半周期期間根據(jù)預(yù)定義的時序序列來向開關(guān)對68-72發(fā)送選通信號，以獨立地觸發(fā)每一個相中的開關(guān)對68-72的操作。該預(yù)定義的時序序列控制SCR 74-84保持導(dǎo)通的持續(xù)時間。一旦SCR 74-84被觸發(fā)或擊發(fā)，其保持在導(dǎo)通狀態(tài)，直到流過SCR 74-84的電流的過零。如果SCR74-84是非導(dǎo)通的，則每當(dāng)相關(guān)聯(lián)的線電流下降到零時，將具有寬度γ的缺口引入電源電壓。通過在“啟動”或“斜坡”模式期間改變選通信號的時序來控制缺口寬度γ的持續(xù)時間。隨著缺口寬度γ的持續(xù)時間減小，SCR 74-84導(dǎo)電持續(xù)更長的時間段，并且提供AC電動機40的端子電壓上的逐漸增加，直到AC電動機40加速到全速。在缺口γ的持續(xù)時間期間，將相應(yīng)的定子繞組42-46連接到AC電源48的給定的開關(guān)對68-72操作為開路，以使得不是在相應(yīng)的電動機端子56-60處觀察到正弦電源電壓，而是可觀察到內(nèi)部產(chǎn)生的電動機反電動勢電壓。

一旦AC電動機40達(dá)到全速，軟啟動器10進(jìn)入“旁路”模式，其中控制器86使在每一個電源線50-54上的旁路接觸器62-66閉合，以便旁通開關(guān)對68、70、72并且最小化功耗。旁路模式因此被視為當(dāng)AC電動機40以全速操作時用于軟啟動器10和AC電動機40的操作的“正?！蹦Ｊ?。

控制器86可操作地耦接到操作界面88，該操作界面88可體現(xiàn)在計算機工作站或操作面板中作為示例?？蓪⒉僮鹘缑?8配置為顯示由控制器86輸出的操作信息，和/或允許操作者根據(jù)各種實施例選擇性地控制控制器86的操作。

在軟啟動器10的操作期間，正在進(jìn)行的處理在軟啟動器10內(nèi)發(fā)生，其中執(zhí)行由AC電動機40作出的電流的測量和/或計算。用于這些測量和/或計算的數(shù)據(jù)從一組電流傳感器90獲得。在一個實施例中，在輸入線頻率的大約每半個周期處執(zhí)行這些測量和/或計算。然而，在替代實施例中這些測量和/或計算可更多或更少地頻繁執(zhí)行。在所示實施例中，該組電流傳感器90包括在三相中的兩相中的電流傳感器。替代實施例可包括用于三相中的每一相的相應(yīng)電流傳感器，或僅在相中的一相中使用的單個傳感器。

軟啟動器系統(tǒng)同樣配備有一個或多個線路側(cè)(line-side)電壓傳感器92與一個或多個負(fù)載側(cè)電壓傳感器94。雖然在圖2中僅示出一個線路側(cè)電壓傳感器92和一個負(fù)載側(cè)電壓傳感器，但是替代實施例可包括一個或多個附加的電壓傳感器。同樣提供了包括一個或多個溫度傳感器的可選溫度感測單元92(以虛線示出)以監(jiān)視軟啟動器10的溫度。電流傳感器、電壓傳感器和溫度感測單元(如果使用的話)一起形成向控制器86提供反饋的傳感器系統(tǒng)98。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在圖3中示出了用于估計由圖1和2的軟啟動器10驅(qū)動的電動機的操作特性的自動化技術(shù)100。雖然在下面的實施例中將由技術(shù)100估計的操作特性描述為AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度，但是可設(shè)想技術(shù)100可擴展到估計其它操作特性，包括AC電動機的扭矩負(fù)載，由AC電動機生成的電力，以及系統(tǒng)慣性。此外，由技術(shù)100輸出的操作特性可用于識別AC電動機是否處于電動機驅(qū)動模式或處于發(fā)電模式。技術(shù)100可進(jìn)一步擴展為監(jiān)視關(guān)于電動機健康的操作特性和用于識別故障的操作特性。

一般來說，技術(shù)100中斷其中在啟動模式期間擊發(fā)SCR的預(yù)定義時序序列，以通過關(guān)閉SCR來將電動機從電源斷開一個或多個線電力周期，測量當(dāng)電動機線電流為零時在這些時間間隔期間的電動機反電動勢，并且在測量反電動勢之后恢復(fù)正常操作。電動機到電源的重新連接通過以下方式擊發(fā)SCR來實現(xiàn)：提供電動機的平滑重啟，并且避免在重啟期間可能引起的高的和潛在的破壞性瞬態(tài)電流。

技術(shù)100在多個步驟中檢測AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度，這些步驟通?？煞譃槿齻€主要階段：AC電動機從電源電壓斷開期間的初始階段，其中測量電機反電動勢的中間階段，以及在將SCR的擊發(fā)恢復(fù)為將AC電動機重新連接到AC電源期間的最后階段。雖然在此將技術(shù)100的各種步驟描述為落入三個一般階段，但在此將技術(shù)100的步驟劃分成特定數(shù)量的定義階段以促進(jìn)在此公開的技術(shù)的解釋。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不偏離本發(fā)明的一般范圍的情況下，技術(shù)100的步驟可在替代實施例中分成多于或少于三個階段。

當(dāng)通過在預(yù)定時間段內(nèi)關(guān)閉到SCR的所有選通信號而將AC電動機從電源電壓斷開時，技術(shù)100的初始階段在步驟102處開始。根據(jù)替代實施例，SCR未被擊發(fā)的周期數(shù)量可以小到一個周期的一半(即，單次擊發(fā))或者多達(dá)多個周期。在該斷開時段期間，電動機電流為零。如在此所使用的，“周期”被定義為電源電壓的一個時段的時間跨度。在50Hz系統(tǒng)中，例如，周期持續(xù)20ms。在操作期間，軟啟動器系統(tǒng)對于每個相在每個周期中擊發(fā)兩次，在周期的正部分期間擊發(fā)一次，并且在周期的負(fù)部分期間擊發(fā)一次。在一個實施例中，實現(xiàn)相對小數(shù)量的周期中斷，諸如例如小于五(5)個周期，以便不干擾系統(tǒng)加速或操作并且促進(jìn)AC電動機的重新激勵(re-energizing)。在替代實施例中，可使用更大數(shù)量的周期中斷，諸如例如多于五(5)個周期，以允許隨時間推移的速度衰減的測量。

在電動機從電源電壓斷開之后，技術(shù)100進(jìn)入速度估計技術(shù)的中間階段，并且在步驟104處打開用于反電動勢的測量窗口。根據(jù)各種實施例，該測量窗口可在其中SCR擊發(fā)被斷開的周期的開始或在諸如半個周期或一個完整周期之后的給定時間處打開。因此，在替代實施例中，測量窗口的持續(xù)時間可等于電動機從電源電壓或其子部分?jǐn)嚅_期間的周期中斷的總數(shù)量。

在測量窗口期間并且當(dāng)?shù)紸C電動機40的輸入電流為零時，技術(shù)100在步驟106處測量一個或多個相的反電動勢電壓，并將測量的反電動勢電壓存儲在非易失性存儲器中，其可體現(xiàn)在控制器86內(nèi)或在替代實施例中在控制器86外部提供。在一個實施例中，反電動勢電壓通過使用傳感器系統(tǒng)98測量線到線電壓的峰值來確定。可通過監(jiān)視單相或多相的電壓來獲取峰值。在獲取來自多個相的電壓數(shù)據(jù)的情況下，可在步驟106處確定最大反電動勢電壓作為來自兩個或更多個相的峰值電壓值的平均值。此外，在測量窗口在AC電動機40以低速操作的時段期間發(fā)生的情況下，在斷開窗口期間反電動勢電壓的最大值或峰值可能不發(fā)生。如果技術(shù)100確定在測量窗口期間反電動勢電壓的實際峰值沒有發(fā)生，則技術(shù)100可在多個連續(xù)斷開時段上獲取電壓數(shù)據(jù)，并且使用在那些連續(xù)斷開時段期間獲取的電壓幅度的平均值作為用于速度估計的最大反電動勢電壓。

可選地，在108處(以虛線示出)對最大反電動勢電壓值進(jìn)行濾波或處理。在該步驟108期間，可基于給定應(yīng)用對最大反電動勢電壓進(jìn)行濾波以減少噪聲或以其它方式處理。另外，以高速率對電壓進(jìn)行采樣，并且可將數(shù)字或模擬濾波器用于測量電壓。此外，可將峰值電壓測量算法用于測量峰值電壓。

在步驟110處，基于最大反電動勢電壓值的分析和AC電動機40的速度輪廓來確定AC電動機40的旋轉(zhuǎn)速度的估計。使用測量的最大反電動勢電壓值，從反電動勢對速度輪廓(諸如在圖4中所示的輪廓112)來確定電動機速度估計。雖然在步驟110處確定的估計速度可能不反映AC電動機40的精確的實時速度，但是可將估計速度輸出到操作界面88，作為AC電動機40對當(dāng)前啟動序列的響應(yīng)的指示，從而允許操作者或自動控制來監(jiān)視在電動機啟動和后續(xù)操作期間AC電動機40沒有過供電或欠供電。上面關(guān)于步驟106-110描述的動作在下文中被稱為用于估計電動機速度的“峰值電壓方法”。

在本發(fā)明的一個實施例中，可進(jìn)一步改進(jìn)(refine)速度估計以對電動機從AC電源48斷開時發(fā)生的電動機速度的減小做出解釋。由于斷開之后的速度減小是瞬時的并且反電動勢電壓測量不與斷開同時發(fā)生，所以AC電動機40的估計旋轉(zhuǎn)速度小于斷開時的實際速度。由于斷開時的旋轉(zhuǎn)速度是關(guān)注的量，所以可針對在給定的測量窗口期間的兩個或更多個周期來測量反電動勢電壓，同時在這些周期期間出現(xiàn)峰值反電動勢電壓值的時間被記錄?？蓮倪@些峰值中提取線或指數(shù)，并將該線或指數(shù)用于外推回來(extrapolate back)并估計在斷開時的反電動勢電壓?？商娲?，或除了該改進(jìn)處理之外，來自多個相的峰值反電動勢電壓的平均值可用于獲得速度估計。在本發(fā)明的另一個實施例中，在給定測量窗口期間的兩個或更多個周期上的反電動勢電壓測量用于確定反電動勢電壓隨時間推移的衰減，以便提供系統(tǒng)負(fù)載扭矩、系統(tǒng)慣性或兩者的估計。

如在圖4中所示，反電動勢電壓對速度輪廓112表示針對示例性類型或種類的感應(yīng)電動機的在反電動勢電壓和旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系。該示例性電動機具有3,000rpm的同步速度，并且采用550V的電源電壓激勵，以使得圖4示出從靜止到全速的電動機速度的反電動勢輪廓。反電動勢電壓對速度輪廓112的斜率在拐點114處改變，以使得輪廓112包括兩個基本上線性的段116、118，其中第一段對應(yīng)于從開始起直到同步速度的速度增加的大約前三分之二，以及第二段118對應(yīng)于速度增加的大約最后三分之一。在低于拐點114的速度下，反電動勢電壓對速度輪廓112的斜率相對平坦，因為感應(yīng)電機等效電路在較低速度下由其磁化電感支配。在拐點114以上的速度下，反電動勢電壓支配電壓對電流的關(guān)系，從而導(dǎo)致在輪廓的該部分中反電動勢電壓對速度輪廓112的更陡的斜率。

雖然在圖4中所示的反電動勢電壓對速度輪廓112適用于示例性感應(yīng)電動機，但是在反電動勢電壓和旋轉(zhuǎn)速度之間的該關(guān)系的一般模式可假定為可適用于使用降低的電壓啟動的任何感應(yīng)電動機。然而，拐點的位置和在拐點114之前和之后的線段116、118的斜率可相對于不同的電機設(shè)計而變化。在一個實施例中，由技術(shù)100使用的反電動勢電壓對速度輪廓可以是對于一般類型的電動機設(shè)計的一般反電動勢電壓對速度輪廓?？商娲兀捎诓煌妱訖C之間的變化是可忽略的，所以反電動勢電壓對速度輪廓可在根據(jù)諸如例如滑差(slip)或額定速度的電動機銘牌信息的使用下，從實際系統(tǒng)獲得。

在替代實施例中，使用“旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法”來獲得電動機速度估計。在該實施例中，當(dāng)軟啟動器10從AC電源斷開時，傳感器系統(tǒng)98用于測量AC電動機40的相電壓。所測量的3相電壓轉(zhuǎn)換為2相d-q靜止坐標(biāo)系，從而生成旋轉(zhuǎn)電壓矢量。旋轉(zhuǎn)電壓矢量的幅度和頻率通過使用鎖相環(huán)(PLL)來獲得。使用PLL獲得的反電動勢電壓矢量的頻率可用于獲得比上述峰值電壓方法更精確的電動機速度估計。

使用旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法可測量反電動勢電壓的精度，該精度基于電動機速度而變化，當(dāng)電動機以高于例如額定速度一半的速度旋轉(zhuǎn)時獲得更精確的測量。因此，在替代實施例中，將技術(shù)100配置成使用混合電壓測量方法來估計電動機速度，其中在低速下使用上面關(guān)于步驟106-110描述的峰值電壓方法并且在高速下使用旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法來獲得速度估計。在本實施例中，當(dāng)電動機在高速(例如，高于大約50％的額定速度)下操作時，技術(shù)100從使用PLL獲取的反電動勢電壓矢量的頻率來估計電動機速度。另一方面，當(dāng)電動機在低速(例如，低于約50％的額定速度)下操作時，技術(shù)100使用反電動勢電壓對速度輪廓來估計電動機速度，其中從在一個斷開時段期間測量的峰值或在幾個連續(xù)斷開時段上測量的平均值來確定反電動勢電壓的幅度。

圖5示出了在一段時間段上，針對示例性AC電動機(諸如AC電動機40)的一相的反電動勢電壓120、線電壓122和電流124，在該時間段期間，技術(shù)100以在電動機啟動期間設(shè)定的時間間隔來啟動速度測量中斷。在AC電動機40是三相電動機的情況下，其它兩個相將簡單地移位120度。在所示的示例中，從啟動序列開始的SCR擊發(fā)的時序在啟動開始之后每隔一(1)秒中斷。圖6是在速度測量中斷中的一個速度測量中斷期間的反電動勢電壓120的詳細(xì)視圖。如在圖6中所示，AC電動機在時間＝2.25s處從AC電源48斷開(步驟102)，并保持?jǐn)嚅_三(3)個完整周期。測量窗口126在時間＝2.267s處打開(步驟104)，之后，技術(shù)100搜索反電動勢的最大值(步驟106)。

再次參考圖3，在反電動勢電壓和速度估計的測量完成之后，技術(shù)100進(jìn)入速度估計技術(shù)的最后階段，在此期間將AC電動機重新連接到電壓主線。如前所述，當(dāng)重新連接時必須特別小心，以便當(dāng)反電動勢與電源電壓異相時避免重新連接。因此，技術(shù)100以偏離在標(biāo)準(zhǔn)操作期間使用的時序序列(即，在斷開之前的適當(dāng)時序序列)的時序序列恢復(fù)SCR擊發(fā)。

在圖7中示出了在斷開之前、期間和之后的示例性電流128、SCR電壓130和線電壓132。如下面關(guān)于圖3和圖7所描述的，技術(shù)100在電源相電壓的過零之后觸發(fā)兩次SCR擊發(fā)，并且在橫跨SCR的電壓過零之后觸發(fā)第三次SCR擊發(fā)，其中針對前兩次和第三次擊發(fā)使用不同的等待時間。對于三相電動機實施例，下面對于三個相中的一個相描述技術(shù)100的最后階段的步驟。其它兩個相將在恢復(fù)正常操作之前遵循相同的模式。

在反電動勢測量完成之后，在圖7中的時間＝0.16s處進(jìn)入技術(shù)100的第三階段。在該點處，技術(shù)100在步驟134處開始監(jiān)視電源相電壓132以識別過零。如在圖7中所示，在該時段期間沒有電流流過SCR，并且SCR電壓130與電源相電壓132相同。在圖7中所示的示例中，該第一個過零發(fā)生在大約時間＝0.166s處。在過零之后，啟動‘設(shè)定時間’等待。在經(jīng)過‘設(shè)定時間’等待之后，在圖7中的時間＝0.17s處，技術(shù)100在步驟136處觸發(fā)第一次SCR擊發(fā)。

在一個實施例中，通過測量在電源相線到線電壓132的過零與在斷開之前相應(yīng)的相電流128的導(dǎo)通時段的開始或者過零之間的角度來確定“設(shè)定時間”等待的持續(xù)時間?？商娲?，“設(shè)定時間”等待可被設(shè)定為等于電壓和電流之間的相位滯后，如使用電機模型或觀測器算法離線測量的。

根據(jù)另一實施例，根據(jù)作為反電動勢電壓的函數(shù)的預(yù)設(shè)時間表，將‘設(shè)定時間’等待定義在90度和45度之間。在示例性實施例中，如果反電動勢電壓小于電源相電壓的百分之七十，則設(shè)定時間等待為90度，如果反電動勢電壓在電源相電壓的百分之七十與百分之八十之間則設(shè)定時間等待為80度，如果反電動勢電壓在電源相電壓的百分之八和百分之九十之間則設(shè)定時間等待為75度，如果反電動勢電壓在電源相電壓的百分之九十和百分之九十五之間則設(shè)定時間等待為70度，并且如果反電動勢電壓大于電源相電壓的百分之九十五(指示電動機以標(biāo)稱速度運行)則設(shè)定時間等待為45度。

在觸發(fā)第一次SCR擊發(fā)之后，在步驟138處針對在大約時間＝0.176s處發(fā)生的過零，技術(shù)100返回監(jiān)視電源相電壓132。在檢測到的過零之后，再次啟動“設(shè)定時間”等待。在經(jīng)過“設(shè)定時間”等待之后，技術(shù)100在步驟140處觸發(fā)第二次SCR擊發(fā)，對應(yīng)于圖7中的時間＝0.18s。

在第二次SCR擊發(fā)之后，技術(shù)100在步驟142處開始監(jiān)視橫跨SCR 130的電壓以檢測過零。如在圖7中所示，在時間＝0.187s處，達(dá)到過零。當(dāng)檢測到SCR電壓130的過零時，技術(shù)100啟動‘缺口輪廓’等待。該‘缺口輪廓’等待的持續(xù)時間根據(jù)軟啟動器在斷開之前使用的設(shè)計的缺口輪廓公式來確定。因此，該第三次SCR擊發(fā)的缺口寬度γ與緊接斷開之前的缺口寬度γ相同。在‘缺口輪廓’等待之后，技術(shù)100在步驟144處觸發(fā)第三次SCR擊發(fā)，對應(yīng)于圖7中的時間＝0.19s。在步驟146處，SCR擊發(fā)根據(jù)在斷開之前適當(dāng)?shù)臅r序序列來恢復(fù)操作。

在替代實施例中，可修改技術(shù)100以使用兩步驟擊發(fā)序列來將AC電動機重新連接到AC電源。在這種實施例中，在電源相電壓的過零和相關(guān)聯(lián)的‘設(shè)定時間’等待之后以與關(guān)于步驟134和136描述的相同的方式完成第一次SCR擊發(fā)。然后在SCR電壓的過零之后以與關(guān)于步驟142和144所描述的相同方式完成第二次SCR擊發(fā)。

雖然技術(shù)100在上面被描述為在電動機啟動期間操作，但是技術(shù)100可被擴展以提供在正常操作期間(即當(dāng)電動機以全速操作時，在軟啟動器的旁路接觸器通常處于閉合位置時)的電動機速度的估計。在正常操作期間，技術(shù)100被修改為在打開旁路接觸器之前觸發(fā)SCR。一旦旁路接觸器打開，電動機斷開短的時間段，諸如一個或兩個周期，并且觀察SCR缺口電壓以確認(rèn)SCR是關(guān)斷的并且沒有電流通過其傳導(dǎo)。然后使用峰值電壓方法或者上述旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法在斷開時段期間估計電動機速度。在測量的電壓用于估計電動機速度之后，當(dāng)擊發(fā)SCR時，旁路接觸器同時閉合，其中前兩個SCR在線電壓的過零處擊發(fā)，并且第三次SCR擊發(fā)的時序被選擇為使SCR中的電流瞬變最小化。

在軟啟動器耦接到一種類型的電動機的情況下，在該電動機中電壓可在向下滑行到停止點時下降，諸如在泵應(yīng)用中，例如在要避免流體中的突然壓降的情況下，技術(shù)100同樣可被擴展以估計電動機正被控制為進(jìn)入停止點時的電動機速度。在這種實施例中，如上所述，可應(yīng)用峰值電壓方法以基于用于電動機的反電動勢電壓對速度輪廓來確定電動機速度的估計?？商娲?，當(dāng)電動機保持以相對高的速度旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法可用于估計在緊隨斷開之后的一段時間內(nèi)的電動機速度。一旦電動機已經(jīng)減慢到較低速度(例如，低于大約50％的額定速度)，速度估計技術(shù)可轉(zhuǎn)換到使用峰值電壓方法，因為在該時段期間周期時間太大，以至于不能使用旋轉(zhuǎn)電壓矢量方法獲得精確的速度估計。

在一個實施例中，技術(shù)100可被實現(xiàn)到軟啟動器的自動調(diào)諧算法中作為測試子例程，其中電機的估計速度用于確定電動機啟動序列的質(zhì)量或者電動機向下滑行序列的質(zhì)量。如果估計速度不對應(yīng)于期望速度，則通過自動調(diào)諧算法可使用估計速度來修改當(dāng)前啟動序列和/或后續(xù)啟動內(nèi)隨后的SCR擊發(fā)的時序。基于估計速度和期望速度之間的偏差量，自動調(diào)諧算法同樣可被編程為中止當(dāng)前的啟動序列。

在另一個實施例中，技術(shù)100同樣可用于通過在啟動、正常操作或兩者期間監(jiān)視機器的速度以診斷機器或其負(fù)載的健康狀況來提供診斷。在這種實施例中，估計的電動機速度可輸出到操作者界面，諸如界面88。

技術(shù)100同樣可用于負(fù)載識別目的，如在啟動、正常操作期間或在斷開之后滑行時的電機速度，以提供用于負(fù)載扭矩和慣性的測量的關(guān)鍵信息。在這種實施例中，技術(shù)100將被修改為包括在步驟102處斷開之前計算電機扭矩并且此后在斷開之后觀察反電動勢多個步驟的步驟。如果在電機處于標(biāo)稱速度時發(fā)生斷開，則基于例如觀察電機滑差，電機扭矩計算對應(yīng)于負(fù)載扭矩。通過假設(shè)在斷開期間負(fù)載扭矩是恒定的，在斷開期間的速度上的衰減可用于使用已知的運動學(xué)方程來確定系統(tǒng)慣性。

在另一個實施例中，技術(shù)100可在發(fā)電系統(tǒng)或具有雙重用途的電動機驅(qū)動(motoring)/發(fā)電的系統(tǒng)中使用。在該情況下，技術(shù)100可確定電機是以超過或低于同步速度運行，其中低于同步速度的速度對應(yīng)于電動機驅(qū)動，并且超過同步的速度對應(yīng)于發(fā)電。此外，如果在例如風(fēng)力應(yīng)用中發(fā)電，并且由于反電動勢電壓的頻率確定輸出到電網(wǎng)中的功率，則技術(shù)100和所得到的速度估計可用于有功功率限制。

此外，技術(shù)100可被集成在多個其它算法和函數(shù)內(nèi)，或集成在其步驟內(nèi)，諸如該技術(shù)100可與其協(xié)作工作，或隨著信息交換等通過這種方法和步驟增強的診斷函數(shù)、保護函數(shù)、電流限制函數(shù)、能量監(jiān)視函數(shù)等。同樣，技術(shù)100可嵌入在較大或大得多的軟啟動器控制系統(tǒng)內(nèi)或包含較大或大得多的軟啟動器控制系統(tǒng)。

所公開的方法和設(shè)備的技術(shù)貢獻(xiàn)在于其提供了用于估計AC電動機的操作特性(諸如AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度)的控制器實現(xiàn)技術(shù)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的實施例可接口連接到具有存儲在其上的計算機程序的計算機可讀存儲介質(zhì)，并且受該計算機可讀存儲介質(zhì)控制。計算機可讀存儲介質(zhì)包括多個部件，諸如電子部件、硬件部件和/或計算機軟件部件中的一個或多個。這些部件可包括一個或多個計算機可讀存儲介質(zhì)，其一般存儲諸如軟件、固件和/或組件語言的指令，用于執(zhí)行序列的一個或多個實施方式或?qū)嵤├械囊粋€或多個部分。這些計算機可讀存儲介質(zhì)一般是非暫態(tài)的和/或有形的。這種計算機可讀存儲介質(zhì)的示例包括計算機和/或存儲裝置的可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。計算機可讀存儲介質(zhì)可利用例如磁、電、光、生物和/或原子數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)中的一個或多個。此外，這種介質(zhì)可采取例如軟盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、硬盤驅(qū)動器和/或電子存儲器的形式。未列出的非暫態(tài)和/或有形的計算機可讀存儲介質(zhì)的其它形式可用于本發(fā)明的實施例。

多個這種部件可在系統(tǒng)的實施方式中組合或分開。此外，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解的，這種部件可包括采用多種編程語言中的任何一種編程語言寫入或?qū)崿F(xiàn)的一組和/或一系列的計算機指令。另外，其它形式的計算機可讀介質(zhì)(諸如載波)可用于體現(xiàn)(embody)表示指令序列的計算機數(shù)據(jù)信號，該指令序列當(dāng)由一個或多個計算機執(zhí)行時使一個或多個計算機執(zhí)行序列的一個或多個實施方式或?qū)嵤├囊粋€或多個部分。

因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種電動機控制裝置可電連接在AC電動機和AC電源之間，電動機控制裝置包括多個切換裝置，該多個切換裝置包括與AC電動機的相應(yīng)相對應(yīng)的至少一個晶閘管。電動機控制裝置同樣包括控制器，該控制器被編程為在AC電源的電源相電壓的第一多個周期之后將AC電源從AC電動機斷開預(yù)定時間段?？刂破鬟M(jìn)一步被編程為在預(yù)定時間段期間測量反電動勢電壓，從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的操作特性，以及觸發(fā)多個切換裝置以將AC電源重新連接到AC電動機。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種估計具有軟啟動器的AC電動機的速度的方法包括：控制軟啟動器以將AC電動機從AC電源斷開一個斷開時段，并且在該斷開時段期間測量AC電動機的反電動勢電壓。該方法同樣包括從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的速度，以及通過根據(jù)多步驟擊發(fā)序列觸發(fā)軟啟動器的晶閘管，控制軟啟動器將AC電動機重新連接到AC電源。晶閘管的一次擊發(fā)被定時為跟隨AC電源的電源相電壓的過零，并且晶閘管的隨后擊發(fā)被定時為跟隨晶閘管的電壓的過零。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種電動機軟啟動器包括具有可連接到AC電源的輸入和可連接到AC電動機的輸入端子的輸出的電路，該電路包括至少一個晶閘管。電動機軟啟動器同樣包括連接到電路的控制器。該控制器被編程為操作電動機軟啟動器以將AC電動機連接到AC電源，操作電動機軟啟動器以將AC電動機從AC電源斷開一個斷開時段，并且在斷開時段期間測量AC電動機的反電動勢電壓?？刂破鬟M(jìn)一步被編程為從測量的反電動勢電壓估計AC電動機的旋轉(zhuǎn)速度，以及在斷開時段之后，操作電動機軟啟動器以將AC電動機重新連接到AC電源。

已經(jīng)依照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明的實施例，并且應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，除了那些明確陳述之外，等價、替代和變型是可能的并且處于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。