专利名称：为感性负载供电的方法和实施该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种给感性负载，例如象一台电动机供电的方法，以及实施该方法向这个负载供电的控制装置，并且优化该负载和该装置的效率。
利用变频和变幅的交流电压波为电动机这样的感性负载供电的原理是公知的。为了在电机接线端子上获得所要求的波形以便使电机供电电压适应其负载转矩需切换一直流电压源。当电压源是交变的，例如取自电网时，为了产生一个直流电压波，插入一个中间组件，上述直流电压波利用PWM(脉冲宽度调制)法来进行切换，以使所要求的电压波形能被施加到电机接线端子上。如果电压源已经是直流的，它能直接利用PWM法来切换。这种对专家来讲公知的技术被Yvon PEERS描述在一本书中，该书由HERMES出版，名为“Variation de vitesse”(速度变换)。
用这种方法引起许多问题，这些问题存在于两个方面，第一个有关于“低”频，换句话讲是和电机电压的基波固有频率及其谐波同一数量级的频率，另一个在“高”频，换句话讲是和PWM的基波频率及其谐波同一数量级的频率。
从“低”频的观点上讲，所遇到的问题是输出转矩的非均一性，因为在电机中产生的气隙磁通不是完整的正弦形，电压谐波的发生产生了转矩谐波，该转矩谐波干扰转矩。这些转矩脉动具有两类结果，即听觉上的和机械上的。电压谐波产生转矩谐波，转矩谐波导致脉动，该脉动令使用者厌烦，并可对电机环境有害，而且降低电机的效率。
从“高”频的观点来讲，PWM切换和其谐波频率出现在电机的有声和脉动波段上。由切换所产生的频率当它们在可听得见的频率范围上时比较令人厌烦，为了衰减这些噪扰，使用隔音装置，这些隔音装置形成了对电机和其环境之间基本散热的障碍。
此外，在电机电压基波上迭加PWM法的现实具有降低电机效率并进一步增加温度的结果，尤其是在开关频率低时，切换直流电压波会以切换频率把一串上斜的和下斜的斜斜坡强加在感应回路上。由于由层迭板(plate)构成的非线性放大器特性，这个锯齿波形以磁场波的形式被放大。在切换期间，在引起铁损的正弦场的正常磁滞回线上迭加了附属的回线，该铁损降低效率并增加层迭板的温度，因此在电机的工作范围上强加了限制。
PWM切换法必然要求电力开关器件的控制装置的转换，这肯定伴有切换损失和电力电子线路效率的降低。为了限制这些电力开关器件上的温升，必须增加散热装置的尺寸，如果要保持装置的可靠性的话，则要增加成本和尺寸。
改变脉冲的宽度意味着改变电力开关器件的开断和闭合时间。由于它们的加工原因，这些电力开关器件具有较低的闭合时限(ton)和开断时限(toff)，在这些时限以下开关件将不能正确地工作。由于这些限制，当切换直流电压E时，决不可能获得等于E的合成电压峰值，偏差值是由最小ton和toff值所导致的。
特别是这样一种情况，在使用正弦型PWM时，要求ton和toff值短得足以顾及到接近峰值的正弦波形。因此可能的是，或者顾及到正弦波形，上述正弦波形的情况中峰值不等于E，或者获得峰值E，而波形被破坏成为接近其最大值的平台形。使用正弦型PWM能获得电压E的90～95%，上述正弦型PWM具有20KHz级的切换频率和所谓的快速电力三极管和二极管。比较接近E的峰值仅能用降低切换频率来达到，但这导致上述的磁滞损失和脉动现象。因此，对于恒定的电机功率拟定两种解决方案，即或者为了对偏差补偿来以较高的电压E工作，但要求电力开关工作在较高的电压上，或者为了在更可靠的电压上工作修改电机绕组，但在这种情况下，绕组要吸取更多的电流，这些电流是通过电力开关器件传输的。在这两种情况中，所拟定的解决方案都对电力开关有害。
通过利用一种电压波的巧妙特性，本发明能克服所有这些缺点，上述电压波通过切换直流电压获得，施加到感生负载的接线端子上。
本发明的目的是提供一种给感性负载的供电方法，其中施加到感性负载接线端子上的电压通过把一个直流波切换成一个这样的波形来获得，在该电压波形上至少半周包括一个平稳段，本发明的特殊特征是给感性负载接线柱施加一个交变电压，该电压具有这样的一种半周，该半周具有等腰的梯形形状，在该梯形上，平稳段的延续时间为T/6，在此，T是负载接线端子上的合成电压周期的延续时间。
本发明的另外目的是实施这个方法的装置。
通过阅读由下列附解的说明，将可较好地理解本发明，而且附加的优点将会变得明了清楚
图1表示根据本发明的方法的一个最佳形式的输出给电机的波形。
图2表示用来实施根据本发明的方法的一个装置。
在以下的说明中，感性负载被看成一台电机，施加到该电机接线端子上的电压Um具有一个这样的组份，UmLF，即电机接线端子上的低频电压，换句话讲是和电机电压的基波频率或其谐波同一数量级的频率，和另一组份UmHF，即电机接线端子上的高频电压，换句话讲是和PWM切换的基波频率或其谐波同一数量级的频率。
图1中的图以时间t为横座标，以施加给电机接线端子8上的合成电压波UmLF值为纵座标。本发明包括在电机接线端子8上产生一个电压波Um，该电压波由一个直流电压E切换得来，该电压波至少在一个半周上，最好在这个半周的峰位上有一个平稳段4。根据本发明，该电压波可以是交变的，在每个平稳段之间可以有意的形状，例如它可以是一个斜坡、一个正弦曲线、指数或正切曲线，或者正弦曲线、指数或正切曲线的任何种类的演变的形状。最好所选择的波形类似于图1所示的形状，其中根据本发明在半周上选择一特别有趣的形状1，即梯形。上斜2和下斜3的斜坡是通过利用公知的脉冲宽度调制(PWM)型装置将一个直流电压E切换得来的。
因为UmLF电压波的这种梯形形状要求仅在斜坡2和3期间切换直流电压源电压E，所以在平稳段4期间通过在电机接线端子上获得同一电压源电压E来进行电压源E的最佳利用。我们已经明白利用PWM的持续的切换，在有限的电力开关闭合时间ton和开断时间toff内，不能达到等于E的合成电压峰值。假设对于关闭接近最高值的波形，电压偏差值为7%的数量级的话，对于同样电机功率来讲，UmLF电压波的形状有在现存解决方案之上的两类优点。第一是使用比例如用正弦PWM切换所获得的波形时低约7%的变换器输入电压，使得施加给电力组件的电压也较低，第二是如果变换器输入电压保持恒定，在切换的电压波形增加吸收的电流约7%，并因此增加流过电力组件的电流的情况下，能给电动机限定一个较低的电压。
同样，这个梯形形状1能降低由于该装置中电力开关件的切换损失，这是因为在整个平稳段4的延续时间期间它们不被切换，使得该装置的效率增加，所联接的散热装置的表面积和装置的成本也被降低。
图1表示该梯形波半周的一种最佳形状，即等腰梯形。
本发明另一个重要的特征是所使用的频率值。在本发明的最佳方式中，整个斜坡延续时间内的切换频率大于20KHz。在这些斜坡期间可以使用全部频率值，但是对于较高的切换频率，尤其是在10KHz等级的值以上的切换频率可增加潜在的优势。
从这些“高”频的观点来讲，切换输出频率产生较小的脉动波，这些脉动波变得较容易以一较高的频率滤波。在高于20KHz的频率上运行时，电压波切换装置能够避免附加隔音装置，该隔音装置会降低电机和其环境之间的热交换。因此增加了电机可靠性，使之能在一个较宽的工作范围内使用。同样由于脉动比较容易以一较高的频率滤去，耦合元件的设计可以简化，该耦合元件在电机和其支撑件之间起阻尼作用。
此外，上述有关的磁滞回线的幅值在这些切换频率上比较小，也可以降低电机磁芯中的铁损，这种铁损会使层迭板温度的升高。因此该电机效率比使用较低切换频率时高。
虽然在此没有限制斜坡2和3或平稳段4的延续时间，但本发明的另一个重要性质是施加到电机接线端子8上的电压波UmLF的平稳段相对于其周期的延续时间，可以是等腰的梯形波没有谐波，其中平稳段具有T/6的延续时间，在此，T是电压波UmLF的基波周期。上述谐波是指占总有效值3%以上的谐波，实际上三次谐波在实践中不存在。
这种具有T/6平稳段的等腰梯形不附加任何上述那些磁气隙电压谐波，这些谐波是当以一纯正弦波给电机供电时获得的。
象上述的具有平稳段的波形的这种特殊梯形能限制由于电机内谐波损失导致的转矩脉动，这些谐波损失是造成上述“低”频上有害的机械振动和音频脉动的主要原因。通过产生气隙磁通获得一个均匀正常的转矩。利用电机供电电压该气隙磁通尽可能地接近正弦曲线，电机供电电压尽可能地接近其傅里叶级数展开的基波。这些特殊的特征避免增加谐波损失，从而降低由于电力开关器件的切换导致的功耗。
本发明也涉及到实施上述方法的一个装置。这个装置被表示在图2中。
如果电压源U是交变的而不是直流的，一个整流装置5把交变电压Ue切换成直流电压E。这个整流装置5可以是一种普通的桥式二极管整流器或任何公知的装置，在此施加交变电源电压U，而整流器最好通过一滤波器输出一直流电压，该滤波器由一个电感L和一个电容C构成，电感L限制电流峰值，电容C对整流后的电压进行滤液。
所获得的直流电压E被施加到一个切换装置6和由直流电压E切换组件7控制的功率二极管上，这个组件7可以是一PWM型组件。借助于一套对本领域专家公知的可控的切换装置6，该组件输出电压UmLF给电机接线端子8，该电压的特性如图1所示。换句话讲，这种电压波UmLF的半周形状具有一平稳段，该平稳段最好位于其波峰上，它可以是梯形、等腰的，或上述方法说明中的任何其它形状，该波形由以在合成波的斜坡延续时间期间最好在10KHz以上的频率切换直流电压E而获得。其平稳段的延续时间为T/6;在此T是合成电压UmLF的周期。
本发明适用于各种类型的感性负载，如变压器和交流电动机，有或没有换向器的电动机，尤其是单相或多相的异步电动机。
权利要求
1.用于感性负载的供电方法，其中施加给该负载接线端子上的电压通过切换一个直流电压(E)来获得，为了作为结果获得一低电压频率(UmLF)利用一低频组份和一高频组份(UmHF)，其中UmLF至少在半个周期内包括一平稳段。
2.根据权利要求1的方法，其中所获得的波(Um)是一交变的波。
3.根据权利要求1或2的方法，其中平稳段在半周的波峰处。
4.根据权利要求3的方法，其中该半周具有梯形形状，该梯形形状包含一个上斜的斜坡，一个平稳段和一个下斜的斜坡。
5.根据权利要求4的方法，其中在斜坡阶段期间直流电压(E)的切换频率大于10KHz。
6.根据权利要求4和5的方法，其中施加给感性负载的波(UmLF)具有等腰梯形的形状。
7.根据前述任一权利要求的方法，其中每一个平稳段的延续时间为T/6，其中T是施加到感性负载接线端子上的波(UmLF)的基波周期。
8.电机供电控制装置，其中它包括一个切换装置，该切换装置由一组件控制，为了把电压波(UmLF)施加到感性负载的接线端子上，如上任一权利要求所要求保护的，该切换装置用来切换一直流电压(E)。
9.根据权利要求8的装置，其中直流电压(E)是利用一整流器从一交变电源电压Ve获得的。
10.根据权利要求9的装置，其中整流器是二极管桥式整流器。
全文摘要
本发明涉及到一种用来给一感性负载供电的方法，例如一台电动机，以及实施该方法给该负载供电的控制装置，并优化该负载和该装置的效率。在用于给感性负载供电的方法中，施加给该负载的接线柱上的电压(UmLF)通过把一直流电压(E)转换成这样的电压波来获得，即至少半个周期内有一平稳段。本发明适用于各种类型的感性负载，如变压器和交流电动机，有或没有换向器的电动机，尤其是单相或多相的异步电动机。
文档编号H02M5/00GK1114087SQ9410572
公开日1995年12月27日 申请日期1994年5月17日 优先权日1994年5月17日
发明者弗郎西斯·比多, 西尔万·伯努瓦, 雅克·普利索思, 热拉尔·里利, 热拉尔·莫利佐, 阿拉德·罗蒂 申请人:埃尔麦蒂克联合体