專利名稱：高速電動機的電源電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于高速電動機的電源，并且特別涉及一種用于利用磁浮軸承的電動機的電源。
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電動機的高速電動機。所述電動機可以用于例如澳大利亞專利686174中所描述的壓縮機類型并且利用磁浮軸承來實現旋轉部分的懸浮。
背景技術：
利用磁浮軸承的已知困難是在系統電源故障期間給軸承供電，在此期間電動機電源發生故障。雖然為系統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控制以使當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。這些都進一步增加了系統的成本。
因此希望為利用磁浮軸承的高速電動機提供一種改良的電源系統，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，以在主電源故障后為高速電動機的磁浮軸承連續供電，直到旋轉部分靜止。
還希望提為高速電動機提供一種改良的控制器，其能夠使旋轉轉子(spinning rotor)在控制條件下使旋轉減慢。
希望為具有磁浮軸承的高速電動機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。

發明內容
根據本發明的一個方面，為具有至少一個磁浮軸承的電動機提供一種電源控制系統，所述系統包括DC/DC變流器，該變流器由與主電源相連的直流聯絡線母線提供，所述母線為電動機和軸承致動器(bearing actor)供電，所述變流器為電動機控制器、軸承控制器和監控控制器提供低壓DC電源。所述監控控制器監測主電源并與所述電動機控制器和軸承控制器進行通信，以便在主電源故障時使所述電動機作為發電機運行，因而向DC聯絡線母線供電以維持磁浮軸承的運行，其特征在于，電路開關元件與電動機繞組相連接，并且選擇性地以如下方式切換僅當所述繞組電壓高于所述DC聯絡線母線中的電壓時，使所述電動機中產生的電流以一個方向流到所述DC聯絡線母線中。
本發明優選地適用于高速電動機，其轉子由磁浮軸承單獨地支持。本發明也可用在具有磁浮軸承和氣體軸承的組合的電動機中。
優選地，所述DC聯絡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，這與所述電動機作為發電機運行時所供給的電量一起，能夠使全速運行的電動機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作為發電機運行提取了存儲在該電動機和其它旋轉部分的動能，構成了電制動來快速安全地停止轉子的旋轉。在所述減速階段期間，作為發電機運行的電動機不斷向所述DC聯絡線母線供電，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。
根據本發明的另一方面，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控制器供給低壓DC電源，利用開關設備來控制電動機的運行，檢測到所述主電源故障并提供信號給電動機控制器，其特征在于，所述開關設備在檢測到所述故障時被選擇性地控制，來將現存電動機電流開始供給所述母線，檢測到所述母線電壓降到預定值以下并短路所述電動機繞組，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，將因此產生的電流反饋到所述母線，并且如果必要重復上述選擇性控制直到所述電動機減速。
根據本發明的一個實施例，所述電源控制系統包含許多開關，其可操作用于在所述DC母線的兩極和所述電動機繞組的每一端之間切換電源，以使電流流經所述繞組。每一個開關都具有平行二極管。當檢測到主電源故障時，例如通過測量電壓低于母線時，所述開關都被切換到“關”位置，并且電動機繞組中的現存電流被供給母線。只要所述母線電壓再次下降，則所述電動機繞組通過關閉適當的開關而被短路，并且然后再打開該開關使得通過短路該繞組而產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有的電動機控制IGBT開關來實現當母線電壓下降時所述電動機的發電機功能。通過所述控制系統，沒有必要跟蹤所述轉子的位置并根據轉子的位置來控制開關。所述二極管能使所述電動機作為所有開關處于打開位置的發電機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減速。


下面將參考附圖，描述本發明的一個實施例，其中圖1是根據本發明的電源控制系統的框圖；圖2是說明了用于單相電動機的控制開關的示意電路圖；和圖3是圖1和圖2中所示系統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12通過橋式整流器16與三相AC電源14相連接。DC聯絡線母線17向DC/DC變流器18、磁浮軸承致動器19和電動機電源21提供DC電源。大電容器22或者電容組穿過聯絡線母線17被連接以為電動機減速提供存儲電源的緩沖器。在所述實施例中，所述DC聯絡線母線電壓是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為電動機控制器23、軸承控制器24和監控控制器提供低壓DC電源，該監控控制器在所述實施例中采用了計算機26的形式。所述變流器18也為關聯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和電動機電源21上的控制。所述磁浮軸承致動器19及相關的IGBT和所述電動機電源21及其相關的IGBT在現有技術中是已知的，在此不作詳細描述。對于不同IGBT的門驅動信號(gate drive signal)由軸承控制器24和電動機控制器23分別產生，以為所述電動機軸承提供所希望的操作參數。
AC電源監測器27在主AC電源14故障時向所述監控計算機26提供信號。可選地，所述監控計算機26可以通過DC/DC變流器18來監測所述母線電壓以檢測出導致所述電容22的電壓下降的電源故障。當檢測到電源故障時，所述電動機控制器23控制所述IGBT來將現存電動機電流供給所述DC聯絡線母線，然后由此開始電動機繞組電流相對電動機磁場的反向，因此所述電動機轉變成發電機。
提到圖2，由所述電動機23所控制的IGBT開關28，根據所述轉子位置來連接所述電動機繞組29與DC母線17。在圖2中示出了四個開關28，在三相電動機結構中將提供六個開關28。
每個開關28具有平行二極管31，該二極管的極性與所述電動機電流方向相反。當檢測到電源故障，所有的開關都被關閉或者打開，所述電動機繞組29中的現存電流通過相關二極管31流到所述母線17，所述電源故障是通過電源監測器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SW1和SW3或者SW2和SW4被閉合而使電動機繞組29短路，并且緊接著使電流流經該電動機繞組。一旦由于短路電流開始流動，所述開關將再次被關閉，由此繞組電壓升到母線電壓以上，并且所產生的電流流回到所述電容22中。
通過所述安排，對于所述控制系統來說，不必知道所述電動機繞組29內部的電壓或所述轉子的相對位置。僅當所述繞組電壓高于所述DC母線17中的電壓時，所述電動機繞組29中所產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，當檢測到電源故障時，所述開關在所述電動機控制器23的控制下開啟，以確保在電源故障期間所述電動機作為發電機運行，直到電動機減速。
由所述電動機/發電機21所產生的電量將被送到所述DC聯絡線母線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21得到電量，所述轉子被電制動，因而使轉子軸遠離了潛在的危險動能。在減速期間所產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21和相關的旋轉部分能減速到停止。
圖3示出了圖1和2的系統中的監控控制器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28開啟并且所述電動機作為發電機(發電機模式盒33)，并且所述電動機繞組29中的現存電流通過相關二極管31而流到所述母線17。程序盒34涉及控制所述(IGBT)開關28以使電流流回到母線17并且增加母線電壓。當所述電流回流發生時(盒35)，所述開關28被打開。一旦所述母線電壓再次下降，則開關SW1和SW3或者SW2和SW4被閉合(盒36)而使所述電動機繞組29短路。如果所述繞組電流“高于預定值”(盒37)，則程序便會轉到出口盒40。如果所述繞組電流不高于所述預定值，則程序便會轉到盒38，這使得開關SW1和SW3或者SW2和SW4(不管哪對開關先前已被開啟)打開。下一個決定點是盒39，其中監測到所述母線的電壓升高，并且如果所述電壓升高到預定值之上，則所述程序通過盒40退出。如果所述電壓升高低于所述預定值，則所述程序便會返回盒36并重復上述過程。
在本發明的一個特定形式中，當所述電動機被用作驅動冷凍壓縮機時，檢測到電源故障的監控計算機也將運行以卸載所述壓縮機。
由于所述電動機速度、關聯于該電動機的旋轉部分的慣性和所述電動機上任何外部加載，可以達到介于2到3秒的減速時間。通過使所述電動機21作為發電機運行并且向所述DC聯絡線母線供電，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，并且所述電動機能夠安全地停止。
權利要求
1.一種用于具有至少一個磁浮軸承的電動機的電源控制系統，所述系統包括DC/DC變流器，該變流器被從與主電源相連的DC聯絡線母線供電，所述母線為所述電動機和軸承致動器供電，所述變流器為電動機控制器、軸承控制器和監控控制器提供低壓DC電源，所述監控控制器監測所述主電源并且與所述電動機控制器和軸承控制器進行通信，以便在該主電源故障時使所述電動機作為發電機運行，因而向所述DC聯絡線母線供電以維持該磁浮軸承的運行，其特征在于，電路開關元件與所述電動機繞組連接，并且選擇性地以這樣的方式切換僅當所述繞組電壓高于所述DC聯絡線母線中的電壓時，使所述電動機中產生的電流以一個方向流至所述DC聯絡線母線中。
2.根據權利要求2的電源控制系統，其特征在于，所述電路開關元件包含第一和第二開關、第三和第四開關以及平行二極管，所述第一和第二開關在所述電動機繞組的第一端和所述DC聯絡線母線的正負側之間被分別連接，所述第三和第四開關在所述電動機繞組的第二端和所述DC聯絡線母線的正負側之間被分別連接，所述平行二極管穿過每個開關被連接以使正常的電動機電流反向。
3.根據權利要求2的電源控制系統，所述第一和第三或第二和第四開關被開啟以在所述電動機繞組中產生所述電流，并且所述開關緊接著所述電流產生后被關閉，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聯絡線母線。
4.根據權利要求3的電源控制系統，所述開關是IGBT開關，當檢測到電源故障時該開關能被打開，以使現存的電動機電流通過相關的所述二極管而流入所述DC聯絡線母線來增加所述母線電壓，并且當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被閉合以使所述電動機繞組短路，并且緊接著使電流流經該電動機繞組，因此所述開關被打開以使所述繞組電壓升高到所述母線電壓之上，并且所產生的電流被反饋到所述聯絡線母線。
5.根據權利要求4的電源控制系統，在所述聯絡線母線的正負側之間連接了電容，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控制器供給低壓DC電源，利用開關設備來控制所述電動機的運行，檢測到所述主電源故障并且提供信號給所述電動機控制器，其特征在于，所述開關設備在檢測到所述故障時被選擇性地控制以開始將現存電動機電流供給所述母線，當所述母線電壓降低到預定值以下時檢測并且短路所述電動機繞組，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，將因此而產生的電流反饋到所述母線，并且必須重復所述選擇性控制直到所述電動機減速。
7.根據權利要求6中的方法，其特征在于，穿過所述母線提供了電容，以為所述電動機減速而提供所存儲的電量的緩沖器。
8.根據權利要求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，實現了當所述母線電壓降低到預定值以下時的檢測步驟。
9.根據權利要求7的方法，其特征在于，所述開關設備包括IGBT開關和二極管，所述IGBT開關在所述電動機繞組的每一端和所述母線的正負側之間被分別連接，所述二極管與每個開關平行連接，所述二極管能使所述電動機作為發電機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，直到所述電動機減速。
全文摘要
一種用于具有至少一個磁浮軸承的電動機的電源控制系統(12)，該系統包括DC/DC變流器(18)，該變流器從連接到主電源(14)的DC聯絡線母線(17)被供電，所述母線(17)為所述電動機和軸承致動器供給電源，所述變流器(18)為電動機控制器(23)、軸承控制器(24)和監控控制器(26)提供低壓DC電源，該監控控制器監測所述主電源并且與所述電動機控制器(23)和軸承控制器(24)進行通信，以便在所述主電源(14)故障時使所述電動機作為發電機運行，因而向所述DC聯絡線母線(17)供電以維持所述磁浮軸承的運行。電路開關元件與所述電動機繞組連接，并且以這樣的方式被選擇性地切換僅當所述繞組電壓高于所述DC聯絡線母線(17)電壓時，使所述電動機中產生的電流以一個方向流入所述DC聯絡線母線(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 優先權日2002年11月25日
發明者Y·H·林 申請人:特伯考爾公司