磁轴承控制系统的电源控制方法与流程

本发明涉及用于向磁轴承控制系统供应电力的dc/dc电压转换器、这种磁轴承控制系统，以及控制这种dc/dc电压转换器和这种磁轴承控制系统的方法。

背景技术：

1、磁轴承是通过施加电磁场来减少或避免与轴的机械摩擦的轴承。在安装有轴承的轴有磁轴承辅助的情况下，可以说轴因此漂浮于由围绕轴的线圈产生的磁场。因此，磁轴承不需要被润滑，因此不需要油和油脂。

2、有源的电磁轴承将使轴在磁场作用下漂浮并且基本上无摩擦地旋转。

3、为了确保正常操作，传感器应该测量轴相对于参考位置的偏差。经由控制和电力电子器件将轴带到期望位置并保持在期望位置。该控制和电力电子器件可以由各种组件组成，诸如dc/dc电压转换器和磁轴承控制系统。

4、dc/dc电压转换器为磁轴承控制系统提供稳定的dc电压供应。然后，磁轴承控制系统进一步为产生磁场的线圈提供励磁电流。基于经由传感器的测量以及通过改变该励磁电流的调节和控制算法来吸收轴参照期望位置的可能偏差。

5、在旋转机器启动期间可能出现第一偏差，其中转子设置有一个或多个磁轴承。在启动时，转子将从静止开始加速，直到转子达到它的标称旋转速度。在该瞬时或过渡现象期间，可能发生使轴偏离期望位置的进一步振动。然后，磁轴承控制系统将以使该偏差最小化并且使轴被带到其期望位置的方式经由调节和控制算法使线圈励磁。

6、在旋转机器操作期间，例如，如果旋转机器连接到用于向其供应机械转矩的另一机器(诸如压缩机)，也可能出现偏差。当由于空气动力学不稳定而引起压缩机喘振时，这将对驱动机器有影响，因此也对磁轴承有影响。在此同样地，通过调节，磁轴承控制系统随后将使轴保持在期望位置。

7、当驱动机器和与其耦接的机器出于与启动期间类似的原因而停止时，也可能引起另一偏差。

8、利用这些偏差，用于将磁轴承保持在期望位置的线圈的励磁电流的幅值也将表现出瞬态行为。换句话说，在稳态操作中，轴将能够因同样稳定的励磁电流而保持在参考位置，而励磁电流的幅值将改变从而预期到偏差，随后在达到稳态时重新收敛至稳定值。

9、为了确保磁轴承控制系统正常运转，根据最新技术，利用dc电压源为该系统供电。利用以上提到的偏差，控制该电源包括将dc电压源的输出dc电压尽可能保持恒定。因此，作为励磁电流值高的结果，从电源中提取的直流电流的值也可能变高。为避免由于该直流电流值过高而可能导致的失效，dc/dc电压转换器作为磁轴承控制系统的电源而言尺寸过大。从经济和技术角度二者来看，这都是有缺点的，因为尺寸过大造成使用更昂贵的材料，而另一方面，有可能磁轴承控制系统在技术上不需要这种过大尺寸，或者仅在非常特殊的情况下需要。

10、因此，本发明的目的是提供克服了现有技术中的解决方案所描述的缺点中的一个或多个的用于控制被配置为磁轴承控制系统的电源的dc/dc电压转换器的方法和装置。另一目的是提供用于控制由这种dc/dc电压转换器供电的磁轴承控制系统的方法和装置以及包括所述dc/dc转换器和所述磁轴承控制系统的电机控制器。

技术实现思路

1、根据本发明，通过提供根据本发明的第一方面的根据权利要求1所述的一种调节dc/dc电压转换器的方法来实现上述目的，所述dc/dc电压转换器被配置为磁轴承控制系统的电源，所述方法包括以下步骤：

2、-将来自所述dc/dc电压转换器的输入dc电压转换成适用作所述电源的输出dc电压；

3、-用所述输出dc电压为所述磁轴承控制系统供电，由此在启用时产生输出dc；和

4、-监视所述输出dc；

5、其中，所述方法还包括以下步骤：

6、-基于所述dc/dc电压转换器的热模型来确定指示所述dc/dc电压转换器的过热极限的裕度的时间相关临界温度；

7、-基于所述时间相关临界温度来确定预定义时间段内的时间相关电流饱和极限，由此获得所述输出dc的时间相关极限值，所述电流饱和极限指示所述dc/dc电压转换器在该预定义时间段内的预热；和

8、当所述输出dc超过所述时间相关极限值时，所述方法还包括以下步骤：

9、-将所述输出dc限制于该极限值。

10、所述dc/dc电压转换器通过提供dc电压源而用作所述磁轴承控制系统的电源。其值被称为输出dc电压的该dc电压源用作所述磁轴承控制系统的输入电压。通过转换来自dc电压轨上存在的dc/dc电压转换器的输入dc电压来建立输出dc电压。该值也适用作磁轴承控制系统的输入电压的值。

11、磁轴承控制系统在其操作期间(因此在启用时)被供电，使得电流将从dc/dc电压转换器流向磁轴承控制系统。从dc/dc电压转换器的角度来看，该电流还被称为输出dc。

12、此外，确定时间相关临界温度，其指示dc/dc电压转换器的过热极限的裕度。临界温度是使dc/dc电压转换器在没有过热的情况下能够达到的温度，因此是避免过热的极限值。因此，过热意味着dc/dc电压转换器的温度过高，以致于无法确保其正常操作。这是因为，dc/dc电压转换器中的一个或多个组件(诸如电子组件)将表现出不可预测或不可靠的行为，甚至失效(如果温度太高)。

13、该时间相关临界温度是基于热模型来确定的。该热模型包括测得的量，诸如优选地为输出dc和环境温度，并且还可选地为输出dc电压、输入dc电压、输入dc和一个或多个内部温度。

14、此外，热模型包括热损耗参数，所述热损耗参数指示当dc/dc电压转换器启用时，因此当输出dc从所述dc/dc电压转换器流向磁轴承控制系统时，dc/dc电压转换器的热损耗。如本领域的技术人员已知的，电气设备将总是有其不希望的热形式的损耗。因此，热损耗参数是焦耳损耗的表示，焦耳损耗是所述dc/dc电压转换器的导体中由于其中的欧姆电阻而导致的电损耗。此外，该热损耗参数还可以包括可能发生在所述dc/dc电压转换器的电子组件中的其他损耗。因此，热损耗参数表示所述dc/dc电压转换器的电损耗，这些电损耗被转换成不希望的热量，因此造成dc/dc电压转换器在启用时升温。

15、可选地，热模型可以包括指示dc/dc电压转换器的主动和/或被动冷却能力的冷却能力参数。冷却能力参数表示所述dc/dc电压转换器被设计为能够在操作期间冷却的程度。例如，主动冷却能力是可控的风扇，而被动冷却能力是例如安装在dc/dc电压转换器上的冷却板。

16、另外，热模型包括平衡电流值，平衡电流值指示当输出dc等于该平衡电流值时dc/dc电压转换器的热平衡。平衡电流是dc/dc电压转换器的热损耗等于主动和/或被动冷却能力的电流，因此，当输出电流等于该平衡电流时，dc/dc电压转换器的温度将保持恒定。然而，注意的是，其值不能被先验地确定，并且除了主动和/或被动冷却能力之外，该值还取决于各种参数，诸如安装有dc/dc电压转换器的环境温度，以及其他环境参数，诸如外部通风、加热和/或冷却的存在。

17、因此，平衡电流是dc/dc电压转换器能够在其没有过热的情况下在不受限制时间段内供应的电流，因为恰恰该电流不会造成进一步升温。针对本发明所理解的，过载是dc/dc电压转换器必须供应比以上讨论的平衡电流高的输出电流的情形，因此是其内部开始升温的情形。

18、如本领域的技术人员已知的，发生这种情形时可能伴随有偏差，诸如启动时的速度转换、其轴安装有磁轴承的电机上的突发外部负载、驱动该电机的机器上的突发负载，或者使轴相对于期望位置偏离的其他因素。

19、基于以上讨论的热模型而确定时间相关临界温度，此后，基于先前确定的该时间相关临界温度来确定时间相关电流饱和极限。那么，基于同一热模型确定的该电流饱和极限表示dc/dc电压转换器在没有过热的情况下在预定义时间内能够传送的最大可能的恒定输出dc。由此可见，将输出dc限制于等于该时间相关电流饱和极限的时间相关极限值是保证在整个预定义时间段期间将不超过dc/dc电压转换器的过热极限的充分条件。注意的是，该值可能高于平衡电流，因为根据dc/dc电压转换器的热状况，预热是允许的并且取决于时间相关临界温度。换句话说，如果dc/dc电压转换器的临界温度在给定时间低于过热极限，则允许比平衡电流高的电流。

20、最后，根据本发明的新颖且创新的方面，作为仅仅调节电压的替代，还监视输出dc，从而将其限制于其时间相关极限值。那么，在一定的时间间隔期间，可以许可比平衡电流高的电流，预期避免过热。因此，该方法的优点在于，对输出dc的限制不太严格，使得输出dc电压更缓慢地减小，使得在短期过载的情况下，磁轴承控制系统一直正确地运转，或者在长期过载的情况下，在(一方面)通过磁轴承控制系统关断电机与(另一方面)关断磁轴承控制系统本身之间存在更多的时间，从而使转子以低得多的速度下落到应急轴承中。

21、根据实施例，所述方法还包括以下步骤：

22、-控制所述输出dc电压。

23、根据本发明的实施例，所述方法还包括以下步骤：当所述输出dc电压超过预定义下限时：

24、-向所述磁轴承控制系统发送控制信号，所述控制信号包括用于关断所述磁轴承控制系统的指令。

25、作为额外的安全性，该方法还可以通过向磁轴承控制系统发送指令来确保在dc/dc电压转换器关断之前首先关断磁轴承控制系统。如果输出dc电压降低至低于预定义下限，则可以发送该指令。换句话说，磁轴承控制系统对来自dc/dc电压转换器的控制信号的响应将不关断其自身，而是向受控的电机驱动器发送信号以使电机停止。随后，磁轴承控制系统将尽可能长地保持转子悬浮。磁轴承控制系统的响应也可以由来自磁轴承控制系统本身的控制信号引起，因为该系统自身也监视其电源电压。

26、这样的优点在于，可以使轴承安装机器安全地停下，而不是突然停止。以这种方式，避免了机器尤其是其轴损坏。

27、根据本发明的第二方面，公开了一种控制磁轴承控制系统的方法，所述磁轴承控制系统包括可连接到dc电压源的输入连接、电容器组和可连接到一个或多个磁轴承的输出连接，所述方法包括以下步骤：

28、-利用根据本发明的第一方面所述的方法而获得的所述输出dc电压通过所述输入连接为所述磁轴承控制系统供电；

29、-经由根据本发明的第一方面所述的方法而获得的所述输出dc，将电能储存在所述电容器组中；

30、-通过所述输出连接利用励磁电流将一个或多个磁轴承励磁；

31、其中，当按照根据本发明的第一方面所述的方法中的步骤限制所述输出dc时：

32、-使用所述电容器组补充所述励磁电流。

33、所述方法包括利用根据本发明的第一方面所述的方法控制的dc/dc电压转换器为所述磁轴承控制系统供电。经由该电源，随后利用励磁电流将一个或多个磁轴承励磁。此外，使用电源对磁轴承控制系统的电容器组进行充电。当例如因为dc/dc电压转换器的输出dc受以上讨论的步骤之一的限制，所以dc/dc电压转换器的电力供应不足时，将借助于电容器组来补充励磁电流。这意味着，那么，励磁电流部分地由dc/dc电压转换器的经转换的输出dc组成，并且部分地由源自电容器组的电流组成。

34、这样的优点在于，当由于dc/dc电压转换器的输出dc的限制，对磁轴承控制系统的电力供应不足时，可以避免突然失效。

35、当随后dc/dc电压转换器的输出dc的限制在稍后时间被去除时，电容器组可以被重新充电，以便能够在稍后时间预期有该输出dc的新限制。

36、根据本发明的第三方面，公开了一种dc/dc电压转换器，所述dc/dc电压转换器被配置为磁轴承控制系统的电源，所述磁轴承控制系统包括调节单元，所述调节单元被配置为控制根据本发明的第一方面的所述dc/dc电压转换器。

37、根据第四方面，公开了一种磁轴承控制系统，所述磁轴承控制系统被配置为使一个或多个磁轴承励磁，所述磁轴承控制系统包括被配置为执行本发明的第二方面所述的方法的调节单元。

38、根据本发明的第五方面，公开了一种用于驱动电动机的电机控制器，其包括：

39、-整流器，所述整流器用于对输入交流电流进行整流；

40、-dc电压轨，所述dc电压轨用于传导经整流的输入dc；

41、-变频器，所述变频器连接到所述dc电压轨，用于对作为所述电动机的电源的经整流的输入交流电流进行整流；和

42、-根据本发明第三方面所述的dc/dc电压转换器，所述dc/dc电压转换器连接到所述dc电压轨。

43、根据第五方面的所述电机控制器还可以包括连接到所述dc/dc电压转换器的根据本发明的第四方面所述的磁轴承控制系统。