CN101051812B - 交流异步电机输出转矩的控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了交流异步电机输出转矩的控制方法及其应用。其转矩控制依赖于转差控制，通过调节电源频率即可调节该转差。本发明的实现过程是根据电机转速和电机极对数，调节电源频率，调节同步转速进而调节转差，同时调节电压，实现转矩的调节。在电动控制方面，通过调节转矩，可以调节张力速度等；在发电方面可以调节励磁。无论是电动状态还是发电状态，因为转矩始终受控，所以在电动上可以与负载很好的协调，在发电上可以与动力很好的协调。同时由于在控制过程中电机的转差也是受控的，因此无论是电动状态还是发电状态，都可以通过调节转差控制电机效率，使电动机电能转变成机械能的效率更高，使发电机机械能转变成电能的效率更高。

Description

交流异步电机输出转矩的控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及交流异步电机转矩的控制方法及应用，包括用这些方法控制张力、转速、效率等工况的方法和在具体设备的应用。本文所述的电机为交流异步电机，包括电动机和发电机。 

背景技术

在现有技术中，电机用转矩控制方式运行的主要是力矩电机，其原理是通过调节电机的电压，调节转矩。虽然在调节中转差有可能变化，但转差的变化是被动的，不是主动调节电压和转差，力矩电机在控制转矩时，其转矩和效率等性能都不太好，而其他电机都以调速方式控制且过程中并无单独控制输出转矩，其他用于转矩控制的设备如磁粉离合器，磁粉刹车等，都有各种缺点不能满足各种不同场合的要求。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种控制更为合理，并且在协调其他动力方面产生很好效果的交流异步电机输出转矩的控制方法及其应用。 

本发明所采用的技术方案是： 

一种交流异步电机输出转矩的控制方法，通过协调控制电机转差和电机的电源电压，电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的 转差/转速和电压/转速曲线，控制电机的输出转矩，其中，所述电机转差的控制是根据转子转速，及电机极对数，调节电机电源频率，控制电机同步转速实现的。 

电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的转差/转速曲线，并通过调节电压/转速曲线调节转矩，控制电机的输出转矩。 

在调节电机转矩时，同时调节电压/转速曲线和转差/转速曲线，达到调节转矩/转速曲线的目的。 

电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的令电机输出恒转矩的转差/转速和电压/转速曲线，令电机的转矩在每一转速点都是恒定的。 

应用所述输出转矩的控制方法，一种交流异步电机在大惯量负载下启动和制动的控制方法，令电机处于转矩控制方式，其转矩的控制方法为：用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线。 

应用权利要求所述转矩控制方法，一种用多个电机驱动或制动同一负载的方法，多个电机转矩作用于同一负载，各电机以控制输出转矩的方式运行，或其中有一个以转速控制方式运行，其余的均以转矩控制方式运行，共同驱动或制动负载产生合转矩。 

所述多个电机驱动或制动同一负载的方法在收放卷设备上的应用，用多个电机经不同变速比的变速箱或不同额定转速的电机共同作用于同一动力轴，各电机处于转矩控制方法运行，由控制设备控制动力轴的总转矩，分配各电机在不同工况下输出转矩的比例，从而达到 控制张力的目的。 

本发明的有益效果是：本专利方法在控制电机输出转矩过程中，控制更为合理，并且，由于控制了输出转矩，因此在协调其他动力方面产生了很好的效果。同时，由于本专利方法在不同负载的工况下都可控制转差，因此可以控制电机在不同负载时的效率。综上所述，由于本方法在控制转矩过程中的有益效果，那么应用这种转矩控制方法控制转速、张力等，也具有以上的有益效果。 

其转矩控制依赖于转差控制，这里的转差是根据电机转子转速调节同步转速实现的，也就是通过调节电源频率调节转差。本发明的实现过程是通过测量电机转速调节电源频率调节同步转速进而调节转差，同时调节电压，实现转矩的调节。在电动控制方面，通过调节转矩，可以调节张力速度等；在发电方面可以调节励磁。无论是电动状态还是发电状态，因为转矩始终受控，所以在电动上可以与负载很好的协调，在发电上可以与动力很好的协调。同时由于在控制过程中电机的转差也是受控的，因此无论是电动状态还是发电状态，都可以通过调节转差控制电机效率，使电动机电能转变成机械能的效率更高，使发电机机械能转变成电能的效率更高。 

具体实施方式

本发明的一种交流异步电机输出转矩的控制方法，对于特定交流异步电机，因为确定电机每一不同转速点的电压和转差，就可以确定电机每一速度点的转矩，因此本发明通过调节电压与转差，控制电机转矩，其中转差的控制是根据电机转子的转速及电机极对数，调节电 源频率，调节电机同步转速实现的。 

(一)转矩控制具体方法如下： 

1.设定转差/转速、电压/转速曲线，控制转矩： 

对于指定电机不同转速的每一点如果它的电压和转差都是分别确定的，那么，此时电机每点的转矩是确定的，如果电机的电压/转速和转差/转速曲线是确定的，那么电机的每一转速点的转矩都是确定的，即电机的转矩/转速曲线也是确定的。反之，如果要设定电机的转矩/转速曲线，只需先设定与之对应的电压/转速和转差/转速曲线。一条转矩/转速曲线可由无数转差/转速曲线与电压/转速曲线的组合产生。 

将确定了电压与转速曲线及转差与转速曲线的交流电源供给交流异步电机，在电压和转差的共同作用下，电机产生转矩，当电机产生的转矩大于阻力力矩时，电机开始旋转。随着转速增加，电源频率将按照转差/转速曲线增加。 

综上所述，方法1所控制的转矩对于每一转速都是预先设定的。如果转矩需要随时改变，就必须随时改变电压和转差的组合，因此产生了以下2、3、4三种方法。 

2.预先设定转差/转速曲线，电机转差和电机电源电压的控制遵循该预先设定的转差/转速曲线，并通过调节电压或者电压/转速曲线，调节转矩。 

3.预先设定电压/转速曲线，电机转差和电机电源电压的控制遵循该预先设定的电压/转速曲线，并调节转差或转差/转速曲线，调节转矩。 

4.在调节电机转矩时，同时调节电压/转速曲线和转差/转速曲线，达到调节转矩/转速曲线的目的。 

对于特定电机，如果确定了电机的转速和转差，就确定了电机的同步转速和电源的频率，确定了电机的电压/转速曲线、转差/转速曲线、即电压/频率曲线、转差/频率曲线、转差/同步转速曲线(即转差率曲线)都是确定的。因此可用控制电压/频率曲线代替控制电压/转速曲线，用控制转差/频率曲线代替控制转差/转速曲线。 

(二)典型转矩曲线： 

1.恒转矩曲线： 

对于特定电机，在一定区域内，不同转速工作点，通过调节电压和转差可以得到所需要的转矩。设定一组电压/转速和转差/转速曲线，令这组曲线所产生的转矩/转速曲线为一条转矩值恒定的曲线，这组电压/转速和转差/转速曲线即恒转矩曲线组合。 

在开环控制下，通过一组可产生恒转矩的电压/转速和转差/转速曲线，实现恒转矩控制。 

在闭环控制下，通过测定转矩实现恒转矩控制一在每一转速工作点，当转矩小于设定转矩时，增加转矩；当转矩大于设定转矩时，减小转矩。 

2.最大转矩的转差/转速曲线： 

对于特定电机的每一个转速，都有一个转差使电机转矩最大，根据这些转差绘制的转差/转速曲线就是最大转矩的转差/转速曲线。 

3.在特定条件下产生最大转矩的方法： 

电机及其相关设备如电源设备等都会受到其自身相关参数的制约，如电流电压值等，因此，电机在运行时也会受到这些条件的制约。如何在这些制约下令电机尽可能输出所需的转矩呢本方案是先根据以上条件设定一组电压/转速曲线和转差/转速曲线，这组曲线在以上条件下令电机输出最大的转矩。在需要输出最大转矩时，令电压和转差的控制遵循这组曲线，在其他情况下，令电压和转差的值不能超过这组曲线。 

4.转矩/状态参数曲线： 

根据电机负载在不同位置每一点的要求，分别设定能满足其要求的转矩恒定的转矩/转速曲线，根据恒转矩/转速曲线与位移对应关系绘制的曲线即为本文的转矩/位移曲线。由此推广，可以根据电机负载在不同时间、长度、高度等状态参数，设定满足其要求的转矩，根据这些转矩，绘制出转矩/时间、转矩/长度、转矩/高度等转矩/状态参数曲线。 

三.通过转矩控制，控制电机运行过程的方法 

(一).原理概述 

1.转速控制原理 

转速控制就是控制电机转矩和外力转矩的矢量和，分为加减速控制、匀速控制。 

(1).加减速控制： 

当电机转矩和外力转矩矢量和大于零时电机加速运行；矢量和小于零时减速运行，加速度大小由矢量和绝对值大小决定。 

(2).匀速控制： 

根据电机负载的阻力转矩，设定电机的转矩，使其与阻力转矩大小相等，方向相反，令电机负载所受的力的矢量和为零，使交流异步电机匀速运行。若在足够短的时间内，加、减速度造成的速度变化的和为零，亦认为电机处于匀速运行状态。 

一种按设定速度运行的控制方法：当转速高于或趋向高于设定转速时，减少驱动转矩；当转速低于或趋向低于设定转速时，增加驱动转矩，使电机按设定速度运行(注：可采用PID控制)。 

转矩除以作用力半径就是张力。在开环控制时，可以先用所需的张力数值乘以作用力半径作为转矩设定值，通过控制电机的输出转矩达到该转矩设定值，从而使张力得到控制。在闭环控制时，测量张力值，将测得的张力值与所需的张力设定值比较，若测量值大于或趋向大于设定值，则用上述交流异步电机输出转矩的控制方法来减少电机的输出转矩；若测量值小于或趋向小于设定值，则用上述交流异步电机输出转矩的控制方法来增加电机的输出转矩，张力得以控制。 

3.加设上下限方法： 

本发明中频率、转差、电压、转矩、转速均在控制中，因此，可以通过设定某一个参数的上下限或几个参数的上下限，并设定参数上下限实现的优先权，以适应不同工况要求。例如： 

(1).在转矩或张力控制状态下加设转速上下限： 

当上限转速所需要的转矩小于设定转矩或张力需要的转矩时，按转速所需转矩执行。 

当下限转速所需要的转矩大于设定转矩或张力需要的转矩时，按转速所需转矩执行。 

(2).在转矩或张力控制状态下加设频率上下限控制： 

当上限频率小于转矩或张力设定需要的频率时，按上限频率执行。 

当下限频率大于转矩或张力设定需要的频率时，按下限频率执行。 

(二).在不同状态下电机运行过程的控制方法 

1.驱动状态下电机运行过程的控制方法： 

使电机处于驱动状态的方法：令同步转速大于转子转速。当电机的驱动转矩和外力转矩矢量和大于零，电机加速运行；当电机的驱动转矩大小与外力转矩大小相同，方向相反，此时，外力转矩方向一定和转速方向相反，电机匀速运行；当电机驱动转矩的大小小于外力转矩且方向相反，此时外力转矩方向一定和转速方向相反，电机减速运行。 

2.空转状态下电机运行过程的控制方法： 

令电机的转差或电压等于零，电机处于空转状态。 

3.制动状态下电机运行过程控制方法： 

使电机处于制动状态的方法：令电机的同步转速小于转子转速，或令电机同步转速和转子转速的方向相反。无论哪种方式，当电机和外力转矩的矢量和大于零时，电机加速运行，矢量和等于零时，电机匀速运行，矢量和小于零时，电机减速运行。 

说明：无论电机在何种运动状态下制动，电机都处于发电状态。 

四.效率控制 

1、驱动效率控制 

在驱动时，对于特定电机的每一个转速，可用不同电压与转差的组合产生相同的转矩，其中一个组合使电机电能转化为动能的效率最高，并且其余组合数值越接近，此组合就使电机的效率越高。 

特定电机同一转速在一定转矩区域内，对于不同的转矩，其最高效率组合中的转差基本相同，因此固定该最高效率转差，通过调节电压控制转矩，使电机效率最高。在不同转速固定转差/转速曲线，调节电压/转速曲线，使电机效率最高。 

特定电机不同转速的最高效率转差不同，但在一定转速区域内其最高效率转差率是基本相同的，因此固定该最高效率转差率，通过调节电压控制转矩，使电机效率最高。 

2、电机(发电机)制动时发电效率控制 

在电机制动时，对于特定电机的每一个转速，同一制动转矩可由不同的电压与转差的组合产生，其中一个组合使电机(发电机)动能转化电能的效率最高，并且其余组合数值越接近，此组合就使电机(发电机)的效率越高。 

特定电机(发电机)同一转速在一定转矩区域内，对于不同的转矩，其最高发电效率组合中的转差基本相同，因此固定该最高效率转差，通过调节电压控制转矩，使电机(发电机)发电效率最高。 

特定电机不同转速的最高效率转差不同，但在一定转速区域内其最高效率转差率是基本相同的，因此固定该最高效率转差率，通过调节电压控制转矩，使电机(发电机)发电效率最高。(以上所述发电机 为交流异步发电机) 

五.本文所述方法的具体应用 

1.大惯性设备的控制方法： 

大惯量设备的启动和制动由于在不同的转速都有大功率的动能和电能转化过程，因此是现有技术中一个较为头痛的问题。 

一种交流异步电机在大惯量负载下启动和制动的控制方法，令电机处于转矩控制方式，其转矩的控制方法为：用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线，其转差控制是通过根据转子转速，调节电机电源频率控制转差实现的。 

在制动工况下，当电机转速小于设定的转差时，令同步转速反向，同步转速加转子转速大小等于设定转差。 

用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线，其转差控制是通过根据转子转速，调节电机电源频率控制转差实现的，在启动和匀速运行时，采用转矩控制加上限转速或上限频率的方式运行，制动时，当电机转速小于设定的转差时，令同步转速反向，同步转速加转子转速大小等于设定转差。 

用转矩控制方式是一个较好的方法，本发明以脱水机为例，公开其方法。 

一种交流异步电机在脱水机中的应用方法，电机处于转矩控制方式，其转矩的控制方法为：用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线，其转差控制是通过根据转子转速，调节电机电源频率控制转差实现的，在启动和匀速运行 时，采用转矩控制加上限转速或上限频率的方式运行，制动时，当电机转速小于设定的转差时，令同步转速反向，同步转速加转子转速大小等于设定转差。 

脱水机工作过程：将需要脱水的物品(如衣物)放置在缸体内，令缸体加速旋转，到达某一转速后，匀速运行，利用离心力使水分脱离物品(如衣物)，再制动令缸体停止转动。 

脱水机启动和匀速运行的工作过程可采用本文所述“通过转矩控制，设定上限转速或设上限频率”方法实现，而转矩控制可用设定电压/转速和转差/转速曲线，控制转矩/转速曲线的方法，现将转矩控制设上限具体操作方法阐述如下： 

脱水机启动时，电机处于驱动状态，这时电机的转速很低。由于本方案中电机的转差是受到控制的，所以当脱水机启动时电源的频率很低未达到上限，电机按设定转矩运行，随着电机加速，电源的频率也将提高(本方案转矩控制的结果)，当频率达到上限频率时，频率不再增加，电机也将不按设定转矩运行，保持匀速运行。 

脱水机制动时，电机处于制动状态下减速，即此时同步转速低于转子转速，当电机转速减少到小于控制设定的转差时，令同步转速反向，同时令同步转速加转子转速大小等于设定转差，直到电机停止，电机断电。 

2.本方法在收卷、放卷设备上的应用 

收卷、放卷是把其它生产过程产生的物料卷起来或为其它生产过程提供物料，一般都是在控制张力的状态下运行，其不同之处在于， 对于收放卷设备，收卷一般为驱动状态，放卷为一般制动状态，工作过程基本是协同工作。收卷、放卷的理想工作状态是尽可能不影响被协同设备，保持物料在工作中的张力，速度处于被动状态。因此，在收卷和放卷过程中，张力的大小方向可由收放卷设备自身决定，速度的大小和方向由被协同设备决定。 

收放卷的特性决定，对于收放卷设备，无论收卷还是放卷其张力方向是一样的，都是把物料拉向本设备方向，也就是说动力(交流异步电动机)的转矩方向一样，但收卷和放卷的过程中转速的方向相反，收卷时转速方向和转矩相同，放卷时转速方向和转矩方向相反。设备处于收卷或放卷状态是由被协同设备决定的。针对上述特点，令电机处于转矩控制方式运行，为收放卷动力设备的电机设定一条转矩/转速曲线：无论电机处于正转还是反转，转矩方向不变，即收卷时电机处于驱动状态，放卷时电机处于制动状态，转矩的大小由当时所需的张力决定。 

用多个电机产生同一个动力：在收放卷过程中，物料半径的大小对需要张力和线速的大小影响不会太大。对于中心收放卷来说，由于半径的不同，动力的转速和转矩就有一种相反的特性，半径小时，转速大，转矩小；半径大时，转速小，转矩大。这样，同一电机难以实现。本方案可采用多电机经不同变速比的变速箱后共同作用于同一动力轴上，各电机都处于转矩控制方式运行，由控制设备分配各电机在不同工况下输出的转矩，各电机分别经变速箱输出转矩合成一个合转矩，使电机都在自己适合的转速段输出较大转矩的比例。由此推广， 在其他场合，可用多个电机驱动同一负载，各电机以控制转矩的方式运行或其中有一个电机以转速控制方式运行，共同驱动负载。 

以上关于收放卷的技术适用于单收或单放以及收放一体的设备。 

本发明的电机驱动或制动过程是电机产生的转矩克服阻力使负载产生加速度，形成运动的过程，电机的运动状态由电动机转矩和所有外力转矩矢量和决定。本专利是一种控制电机转矩的方法，及控制电机运行过程的方法及具体应用。本发明的控制过程(包括各种曲线设定)通过计算机控制，应用现有技术都可实现。 

Claims (13)

1.一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：通过协调控制电机转差和电机的电源电压，电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的转差/转速和电压/转速曲线，控制电机的输出转矩，其中，所述电机转差的控制是根据转子转速，及电机极对数，调节电机电源频率，控制电机同步转速实现的。

2.根据权利要求1所述的一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的令电机输出恒转矩的转差/转速和电压/转速曲线，令电机的转矩在每一转速点都是恒定的。

3.一种交流异步电机在大惯量负载下启动和制动的控制方法，应用权利要求1所述控制方法对所述电机的输出转矩进行控制，其特征在于：令电机处于转矩控制方式，其转矩的控制方法为：用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线。

4.根据权利要求3所述的一种交流异步电机在大惯量负载下启动和制动的控制方法，其特征在于：在制动工况下，当电机转速小于设定的转差时，令同步转速反向，同步转速加转子转速大小等于设定转差。

5.一种权利要求4所述交流异步电机在大惯量负载下启动和制动的控制方法在脱水机中的应用，其特征在于：令电机处于转矩控制方式，其转矩的控制方法为：用转差与电压协同控制，电压与转差的控制遵循预先设定的电压/转速和转差/转速曲线，在启动和匀速运行时，采用转矩控制加上限转速或上限频率的方式运行，制动时，当电机转速小于设定的转差时，令同步转速反向，同步转速加转子转速大小等于设定转差。

6.一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：通过协调控制电机转差和电机的电源电压，电机转差和电机电源电压的控制遵循预先设定的转差/转速曲线，并通过调节电压/转速曲线调节转矩，控制电机的输出转矩，其中，所述电机转差的控制是根据转子转速，及电机极对数，调节电机电源频率，控制电机同步转速实现的。

7.根据权利要求6所述的一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：测量电机转子转速并与设定转速比较，当电机转速小于或趋向小于设定转速时，增大电机的输出转矩，令电机加速；当电机转速大于或趋向大于设定转速时，减少电机的输出转矩，使交流异步电机按设定速度运行。

8.一种应用权利要求6所述交流异步电机输出转矩的控制方法而使电机具有最高效率的控制方法，其特征在于：对于特定电机，预先设定一条使电机效率最高的转差/转速曲线，通过调节电压/转速曲线，控制转矩，使电机效率最高。

9.一种应用权利要求6所述交流异步电机输出转矩的控制方法而使电机具有最高发电效率的控制方法，其特征在于：对于特定电机，预先设定一条使电机发电效率最高的转差/转速曲线，通过调节电压/转速曲线，控制转矩，使电机发电效率最高。

10.一种用多个电机驱动或制动同一负载的方法，应用权利要求6所述交流异步电机输出转矩的控制方法对所述电机的输出转矩进行控制，其特征在于：多个电机转矩作用于同一负载，各电机以控制输出转矩的方式运行，或其中有一个以转速控制方式运行，其余的均以转矩控制方式运行，共同驱动或制动负载产生合转矩。

11.一种权利要求10所述多个电机驱动或制动同一负载的方法在收放卷设备上的应用，其特征在于：用多个电机经不同变速比的变速箱或不同额定转速的电机共同作用于同一动力轴，各电机处于转矩控制方法运行，由控制设备控制动力轴的总转矩，分配各电机在不同工况下输出转矩的比例，从而达到控制张力的目的。

12.一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：通过协调控制电机转差和电机的电源电压，控制电机的输出转矩，电机转差和电机电源电压的控制遵循在调节电机转矩时，同时调节电压/转速曲线和转差/转速曲线，达到调节转矩/转速曲线的目的，其中，所述电机转差的控制是根据转子转速，及电机极对数，调节电机电源频率，控制电机同步转速实现的。

13.根据权利要求12所述的一种交流异步电机输出转矩的控制方法，其特征在于：测量电机转子转速并与设定转速比较，当电机转速小于或趋向小于设定转速时，增大电机的输出转矩，令电机加速；当电机转速大于或趋向大于设定转速时，减少电机的输出转矩，使交流异步电机按设定速度运行。