CN101013877A - 交流异步电机转差或转差率的控制方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流异步电机转差或转差率的控制方法以及应用该方法来控制交流异步电机输出转矩的方法，通过改变电机电源的频率，令电机的同步转速与转子转速实时达到需要的差值或差率，重点是改变电源的频率而非电压，控制转差或转差率而非控制转速，使得异步电机在从动或协调运行时，能够对转差或转差率进行控制，在调频电源工况下用以交流异步电机在从动或协动的情况下实现速度跟踪以及各种工况控制。而异步电机的输出转矩控制则是转差或转差率控制的进一步应用，通过转差或转差率的控制使电机在从动或协调运行的情况下达到速度跟踪，并与其负载间产生一定转矩，实现大扭矩、高响应、高精度的张力控制。

Description

交流异步电机转差或转差率的控制方法以及应用

技术领域

本发明涉及一种交流异步电机转差或转差率的控制方法以及应用该方法来控制交流异步电机输出转矩的方法。

背景技术

现在调频电源在异步电机上的使用都作为调速之用，以追求稳定的转速以及强大的驱动力，因而人们往往会千方百计去消除转差，或者在频率不变的情况下通过改变电压来稳定转差以稳定转速，又或者通过改变频率，补偿转差来稳定转速，这些技术手段都是为了使电机在主动运行的情况下实现稳定速度的目的。

目前，在实际工况中控制输出转矩的方法主要应用于张力控制，它是通过磁粉离合器、磁粉刹车、力矩电机等来实现，其中磁粉离合器、磁粉刹车可实现的转矩大小有限，且维护比较困难；而力矩电机控制的响应以及精度较低，并不能完全满足于交流异步电机在从动或者协调运行情况下的使用需要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种转差或转差率的控制方法，使电机在调频电源工况下从动或协调运行时，实现交流异步电机速度跟踪以及转矩、电流、功率、效率、转速、电机起动及制动等工况控制。

通过控制转差或转差率控制电机输出转矩这一发明，适用于异步电动机驱动和异步发电机发电工况控制。该方法控制范围大，维护简单，具有高精度、高响应的特点。

本发明所采用的技术方案是：

一种交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和所需要的转差或者转差率数据，与电机的极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电机，异步电机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率。

一种应用上述方法来控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于：电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和按所需转距而定的转差或转差率数据，与电机的极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，通过电源频率控制信号形成装置转化为频率设定信号输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电动机，异步电动机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率，就可得到所需要的输出转矩。

本发明创造通过实时改变电机电源的频率，令电机的同步转速(定子磁场转速)与转子转速实时达到需要的差值即转差(或达到所需的转差率)，重点是改变电源的频率而非电压，控制转差或转差率而非控制转速。

本发明的有益效果是：本发明的转差或转差率控制方法使得异步电机在从动或协调运行时，能够对转差或转差率进行控制，在调频电源工况下用以实现交流异步电机在从动或协动情况下的速度跟踪以及转矩、电流、功率、效率、转速、电机起动及制动过程等工况控制。

而本发明中异步电机的输出转矩控制则是转差或转差率控制的进一步应用，控制转差或转差率的大小就可控制电机输出的转矩的大小，其输出转矩的控制范围可以很大，使交流异步电机在从动或协调运行的情况下，得到所需要的输出转矩，系统维护简单，可实现高精度、高响应。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明的交流异步电机转差或转差率控制方法的

原理框图；

图2是本发明的交流异步电机的输出转矩控制方法的原理框图；

图3是本发明的交流异步电机转矩—转差曲线(T-S)曲线；

图4是本发明的交流异步电机的应用实施例图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明的控制方法所用装置包括电源频率控制信号形成装置、调频电源装置和转速检测装置。其中，电源频率控制信号形成装置(下称信号形成装置)可以用市场上现成的单片机、工控机等设备充当。调频电源装置可用市场上现成的可调频逆变电源充当。转速检测装置可为测速发电机、编码器、光电开关等充当。

其中，转差或转差率的数据设定信号可来源于转矩控制器、张力控制器等，又或者直接在信号形成装置上预先设置。

异步电机与转速检测装置之间可以用机械连接或光电感应等方式取得转速信号。

而转速检测装置到信号形成装置，再到调频电源装置都可以用模拟信号、脉冲信号或通信等方式传输。转差或转差率设定信号同样可以用以上方式传输，或直接在控制信号形成装置预先写入。

参照图1，本发明的交流异步电机转差或转差率的控制方法，由电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和以光信号或者电信号等形式输送的转差或者转差率数据，与预先设定的电机极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，通过电源频率控制信号形成装置转化为频率设定电信号输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电机，异步电机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率。

其中，电机转速数据是通过转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得。所述的电源频率控制信号形成装置可以采用直接读取由转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得的转速数据的方式，并将该转速数据和所设定的转差或者转差率信号数据，与电机的极对数进行运算。

另外，所需要的转差或者转差率数据可以是以信号形式转送到电源频率控制信号形成装置，如以电流、电压、脉冲信号等方式传输。当然，该所需要的转差或者转差率数据也可以直接输入到电源频率控制信号形成装置。

相关原理：

转差是交流异步电机的同步转速(定子磁场转速)和转子转速的差。转差的计算公式为n₁-n，式中n₁为同步转速，n为转子转速。以上两个参量无论改变那个都可以改变交流异步电机的转差。而电机的同步转速是和频率成正比的，其

关系方程式为：

$n_1=\frac{60f}{p}$

公式中n₁为同步转速，f为频率，p为电机极对数，60为系数(1分钟为60秒)。

转差率为

定子磁场方向和转子转向相同时：

$S=\frac{n_1-n}{n_1}$

定子磁场方向和转子转向相反时：

$S=\frac{n_1-n}{n_1}$

式中s为转差率，n₁为同步转速，n为转子转速。由以上算式可见，可以通过控制电源频率来控制转差或转差率。

例：如果需要让异步电机在某一时刻的转差为n₂，可给信号形成装置输入一个相应的电压信号v₂。转速检测装置测得电机转速为n₁，并把转速信号转化为相应电信号，假设为电压信号v，信号形成装置读取转速n和转差n₂后，进行运算，得出电机所需的同步转速为n₁＝n+n₂，加上预先已在信号形成装置写入的电机极对数p算出所需的频率为

$n_1=\frac{60f}{p}$

$f=\frac{(n+n_2)p}{60}$

信号形成装置输出一个与f相应的电压信号v₁到调频电源装置。调频电源装置把电压信号v₁还原成频率信号f，产生频率为f的交流电输出给异步电机。那么电机这时的转差为所设定的n₂。

假如：在另一个时刻电机的转速变为n′。这时设定的转差为n₂′，那么电源产生的频率为

$f\text{'}=\frac{(n\text{'}+{n\text{'}}_2)p}{60}$

异步电机的转差就被控制在n₂′。

从异步电机固有特性可知，通过转差或转差率的控制可实现交流异步电机速度跟踪以及转矩、电流、功率、效率、转速等工况的控制，特别适合电机在从动或协调运行时的控制。

参照图2，作为上述转差或转差率控制方法的其中一种应用，通过上述方法来对交流异步电机输出转矩的控制方法，同样，电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和按所需转距而定的转差或转差率数据，与电机的极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，通过电源频率控制信号形成装置转化为频率设定信号(同样可以为电信号或者光信号等形式)输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电机，异步电机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率，就可得到所需要的输出转矩。

同样，其中的电机转速数据可以是通过转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得。所述的电源频率控制信号形成装置直接读取由转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得的转速数据，并将该转速数据和所设定的转差或者转差率信号数据，与电机的极对数进行运算。

相关原理：本发明输出转矩控制方法的实现可通过两个过程：

(1)通过控制电源频率控制异步电机的转差或转差率；

(2)通过控制异步电机的转差或转差率控制异步电机的转矩。

其中，控制过程(1)的工作原理与转差或转差率控制方法中的原理一样，由所述算式可见，可以通过控制电源频率来控制转差或转差率。

而输出转矩的控制是：如图3所示的异步电机转差—转矩特性曲线，当转差或转差率为零时，异步电机输出的转矩为零，在一定区间内随着转差或转差率的增加，输出转矩相应增加，因此在这区间内控制转差或转差率的大小就可控制电机输出的转矩的大小。

例：如果需要让异步电机在某一时刻的转差为n₂，可给信号形成装置输入一个相应的电压信号v₂。转速检测装置测得电机此刻转速为n₁，并把转速信号转化为相应电信号。假设为电压信号v，信号形成装置读取转速n和转差n₂后，进行运算，得出电机所需的同步转速为n₁＝n+n₂，加上预先已在信号形成装置写入的电机极对数p算出所需的频率为

$n_1=\frac{60f}{p}$

$f=\frac{(n+n_2)p}{60}$

频率信号形成装置输出一个与f相应的电压信号v₁到调频电源装置。调频电源装置把电压信号v₁还原成频率信号f，产生频率为f的交流电输出给异步电机。那么电机这时的转差为所设定的n₂。

假如：在另一个时刻电机的转速变为n′。这时设定的转差为n₂′，那么电源产生的频率为

$f\text{'}=\frac{(n\text{'}+{n\text{'}}_2)p}{60}$

异步电机的转差就被控制在n₂′。

当异步电机的转差或转差率被控制后，根据如图3所示的转矩—转差(T-S)特性曲线，在其它有关工况不变的情况下选择相应的转差率就可得到需要的转矩，达到无论电机转速如何改变，电机轴与负载间的扭矩都受到控制，其系统维护简单，可实现高精度、高响应。

图4为所示具体实施例：其中，电源频率控制信号形成装置由工控机构成、转速检测装置可以由电位器以及测速电机组成，负载连接受控电机以及连接其它动力机构。

在本系统中可以根据人工观测的实际工况来判断所需转矩，调整转差，另外，还可以在受控电机的输出轴与负载间加装转矩测试装置，用于监视电机输出转矩，使操作人员更为直观的根据所需转矩调整转差。

本系统的工作过程为：根据具体应用场合由工控机按所需转矩数据得出相应的转差(根据曲线特性图结合经验来输入大概值)与转速测试装置测定的转速数据及电机极对数进行运算得出相应的频率控制信号，输送到调频电源，调频电源产生相应频率的交流电，供给受控电机在设定转差的工况下工作产生相应的转矩。此时在转矩测试装置中读出转矩值，与所需的转矩值作出比较，用以调整转差，就可得到所需的转矩。

例如，钢板收卷通常需要几千牛顿甚至几十万牛顿张力，传统的张力控制方式很难实现，因此现在大多数场合都不采用张力控制方式，但利用本发明的技术只要选择适当功率的电机就可以轻松实现张力控制收卷，达到控制转矩进而实现张力控制的目的。

Claims (10)

1、一种交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和所需要的转差或者转差率数据，与电机的极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电机，异步电机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率。

2、根据权利要求1所述的一种交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：电机转速数据是通过转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得。

3、根据权利要求2所述的一种交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得的转速数据由所述的电源频率控制信号形成装置直接读取。

4、根据权利要求1～3中的任一权利要求所述的交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：所述的电机为电动机。

5、根据权利要求1～3中的任一权利要求所述的交流异步电机转差或转差率的控制方法，其特征在于：所述的电机为发电机。

6、一种应用权利要求1所述的方法来控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于：电源频率控制信号形成装置将电机转速数据和按所需转距而定的转差或转差率数据，与电机的极对数进行运算，得出所需要的电源频率后，通过电源频率控制信号形成装置转化为频率设定信号输出到调频电源装置，调频电源装置按照上述设定信号产生相应频率的交流电供给异步电机，异步电机在调频电源下工作，产生相应的转差或转差率，就可得到所需要的输出转矩。

7、根据权利要求6所述的一种控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于：电机转速数据是通过转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得。

8、根据权利要求6所述的一种控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于转速检测装置对电机转速进行实时测定而获得的转速数据由所述的电源频率控制信号形成装置直接读取。

9、根据权利要求6～8中的任一权利要求所述的一种控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于：所述的异步电机为电动机。

10、根据权利要求6～8中的任一权利要求所述的一种控制交流异步电机输出转矩的方法，其特征在于：所述的异步电机为发电机。

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