CN101796714B - 异步电机的减速控制方法 - Google Patents

Abstract

一种对一异步电机(101)进行减速控制的方法，其中，在所述异步电机(101)从停机状态加速至工作转速的过程中对一启动能量(E_start)的值进行测定和存储。用一制动能量(E_stop)在反转工作模式下对所述异步电机(101)进行制动，所述制动能量相当于所述启动能量(E_start)乘以一校正因数(δ)，其中，所述校正因数(δ)的值介于0和1之间。完成反转工作模式下的制动后，通过DC制动来进一步对所述异步电机(101)进行制动。

Description

异步电机的减速控制方法

技术领域

本发明涉及一种对一异步电机进行减速控制的方法。

背景技术

异步电机广泛用于达成各种驱动目的。启动异步电机时，有利做法是对异步电机的启动电流和启动转矩进行限制，确切而言是使其随着异步电机转速的提高而逐渐上升。这样一种软启动对于各个技术领域而言都是有利的。通过为异步电机定量提供电功率，可以实现软启动。对电功率的控制则可通过(例如)相角控制而实现。

异步电机特别可用于驱动质量惯性矩较大的工具或机器。这样的机器例如可以是木材加工业中的刨床、铣刀、圆锯等等。出于安全考虑，这类机器要求电机被切断电源后的减速过程尽可能地短。一般情况下，要求的减速时间介于10秒和20秒之间。异步电机的减速时间至少不得长于其加速时间。

已知的异步电机制动法是为电机的两个相加载直流电压或经整流的交流电压，以达到制动效果。但这种所谓的DC制动法在很多方面存在技术上的不足。如果纯粹用直流电来实现电机的DC制动过程，则需为此设置一直流电源。这样做实现起来技术复杂程度较高。如果用经整流的交流电压在相角控制范围内进行这种DC制动过程，每次仅使用该整流电压的一个半波来实现DC制动(基本上相当于半波整流)，则由于通电时间较短而只能产生较小的制动力矩。此外，电流的不对称分布会在异步电机内部引起损耗。因此对于质量惯性矩极大的机器或工具而言，仅靠DC制动往往不能达到所要求的较短减速时间。

为达到所要求的制动时间，通常情况下必须使用变频器来实现制动过程。但变频器需占用极大安装空间且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种对一异步电机进行减速控制的方法，这种方法至少在以较简单的技术方案实现异步电机的有效制动这一方面优于现有技术。

这个目的通过权利要求1所述的措施而达成。

本发明基于以下考虑，即制动过程的实现方式是，运行中的异步电机的大部分动能(转动能)通过该异步电机在反转工作模式下的制动而消除。完成异步电机在反转工作模式下的制动后，剩余动能(转动能)则通过异步电机的DC制动而消除。当相位反转时，相对于异步电机的正常工作状态而言，三个相中的两个相发生互换。相位的这种反转使得异步电机的定子产生一旋转磁场，这个旋转磁场具有与转子当前旋转方向相反的旋转方向。当异步电机处于反转工作模式时，异步电机的转子受到一较大制动力矩的作用。但这种制动过程会产生如下技术问题，即：在反转工作模式下输入异步电机的电能应尽量刚好使得异步电机和可能的其他受驱动组件完全达到停机状态。如果在反转工作模式下输入异步电机的电能大于异步电机包括受驱动组件在内的转动能，异步电机就会在反转工作模式结束时反向于原有运行方向进行运动。如果在反转工作模式下输入异步电机的电能小于异步电机包括受驱动组件在内的转动能，则当反转工作模式结束时，异步电机无法实现完全停机。这两种情况都是技术上希望避免的。特定而言，这两种情况都无法满足规定的安全要求。

根据本发明的以上考虑，因而在异步电机启动加速至其工作转速的这段时间内对所消耗的能量进行测量。工作转速在此指的是一种异步电机实现工作所需的预定的固定转速，尤指异步电机的额定转速。相应地，之后对处于反转工作模式的异步电机进行制动时，输入异步电机的电能应小于等于启动异步电机所消耗的能量。通过这种方式可避免异步电机在反转工作模式结束时转入反向运行。

完成异步电机在反转工作模式下的制动后，通过DC制动来消除异步电机所具有的剩余转速(剩余转动能)。此时为异步电机三个相中的两个相加载经整流的交流电。

根据本发明，所述对一异步电机进行减速控制的方法包括下列步骤：

-在异步电机从停机状态加速至其工作转速的过程中测定并存储一启动能量(E_start)的值。用一制动能量(E_stop)在反转工作模式下对异步电机进行制动，该制动能量相当于启动能量(E_start)乘以一校正因数(δ)，其中，所述校正因数(δ)的值介于0和1之间。完成反转工作模式下的制动后，通过DC制动来进一步对所述异步电机进行制动。

本发明的方法尤其具有以下优势。

应用本发明的方法可在规定时间内可靠地实现异步电机的制动。特别是可以可靠地对用于驱动高质量惯性矩部件的异步电机进行制动。其优点在于，借此可省去用于对异步电机进行减速控制的变换器。

本发明所述方法的有利设计方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。其中，根据权利要求1所述的方法可与其中一项从属权利要求的特征，尤其是与多项从属权利要求的特征相结合。

据此，本发明用于对一异步电机进行减速控制的方法还具有以下特征：

-所述校正因数的值可介于0.5和0.8之间(0.5＜δ＜0.8)。值介于0.5和0.8之间的校正因数已将异步电机中的常见摩擦损耗考虑在内。因此，从上述区间选定校正因数(δ)是特别有利的。

-所述DC制动可在经过一预定时段后中止。通过在经过一预定时段后中止DC制动，可防止DC制动用时过长。所述DC制动尤其可以在经过一段极可能已使异步电机完全停机的时间后中止。

-所述DC制动可根据在DC制动过程中检测到的电动机电流上升情况而中止。对电动机电流的电流上升情况进行检测，是一种检测异步电机停机状况的简单方法。通过这种方法可确保所述DC制动只有在异步电机完全停机后方才中止。

-在从停机状态加速至其工作转速或一所需转速的过程中，所述异步电机可通过一控制设备和一电力接触器与一电源相连。在制动过程中，所述异步电机可通过一控制设备和一可逆接触器与所述电源相连。制动过程开始时，所述异步电机可通过该控制设备与电源断开。此外，上述电连接可从电力接触器切换至可逆接触器，接着可用一逐渐升高的相角控制电动机电流对处于反转工作模式且受所述控制设备控制的异步电机进行制动。

-通过对所述异步电机的启动时间(t_start)内的气隙功率(P_LSP)进行积分，可测定启动能量(E_start)的值。作为替代方案，可以通过对一定数量用于启动所述异步电机的电网周期(L_start)内的气隙功率(P_LSP)求和来测定启动能量(E_start)的值。启动能量(E_start)值的前一种测定方法特别简单、有效和准确。

-通过对所述异步电机的制动时间(E_stop)内的气隙功率(P_LSP)进行积分，可测定制动能量(E_stop)。作为替代方案，可以通过对一定数量用于制动所述异步电机的电网周期(L_stop)内的气隙功率求和来测定制动能量(E_stop)。制动能量(E_stop)的前一种测定方法特别简单、有效和准确。

本发明的方法的其他有利设计方案可从上文未提及的从属权利要求中获得，特别是可以从附图中获得。

附图说明

下面借助附图及其所示的优选实施方式对本发明作进一步说明，其中：

图1为包括一减速控制装置的异步电机；以及

图2为所述异步电机在其启动阶段和制动阶段的电流特性曲线。

具体实施方式

图1显示的是一用于对一异步电机101进行减速控制的装置100。减速控制装置100包括一控制设备102、一电力接触器103和一可逆接触器104。电力接触器103以其输入端与一电源105相连或可与之相连。电力接触器103以其输出端与控制设备102相连，这个控制设备又与异步电机101相连。将电力接触器103跨接的可逆接触器104以其输入端与电源104相连或可与之相连，这个可逆接触器的输出端同样与控制设备102相连。电力接触器103和可逆接触器105通过控制线106与控制设备102相连。电力接触器103和可逆接触器104由控制设备102实施通断操作。

控制设备102尤其可具有软启动器的功能。通过软启动器可以限制异步电机101的启动电流和启动转矩。如此就可使异步电机101从停机状态逐渐加速至所需工作转速，尤其是额定转速。这样一种软启动器尤其可按相角控制原理进行工作。控制设备102还适用于对一启动电能(E_start)进行测量和存储。此外，控制设备102还适用于控制异步电机101的DC制动过程。此时须为异步电机101三个极中的两个极加载经整流的交流电。为了实现一平缓开始的DC制动过程，可按相角控制的方法对该过程进行控制。

异步电机101尤其可用于驱动质量惯性矩较大的工具或机器。举例而言，异步电机101可驱动木材加工业中的刨床、铣刀或圆锯。

异步电机101在启动过程中通过电力接触器103和控制设备102与电源105相连。在异步电机101加速至其工作转速的过程中，测量并存储输送给异步电机101的启动电能(E_start)。借助于控制设备102实施这种对启动能量(E_start)的测量和存储。

通过对启动时间(t_start)内被输入异步电机101的气隙功率P_LSP进行积分，即可计算出启动能量(E_start)(参见方程式1)。

$E_{\mathrm{start}}=\underset{t_{\mathrm{start}}}{\∫}{P}_{\mathrm{LSP}}---\left(1\right)$

由于不容易对机械功率值进行测量，因而在此情况下使用的是气隙功率(P_LSP)。电功率和机械功率之间存在由各种损耗引起的差值。这些损耗中起主要作用的是异步电机中定子和转子的摩擦损耗、欧姆损耗和电感损耗。由于定子的损耗在一般情况下是已知的，所以定子和转子之间的气隙中的功率(气隙功率，P_LSP)很好计算，下文就将气隙功率用作参考值。

也就是说，输入异步电机101的电功率(P_el)减去异步电机101定子中的损耗功率(P_v)所得到的差值就是输入异步电机101的气隙功率(P_LSP)(参见方程式2)。

P_LSP＝P_el-P_v    (2)

方程式3描述的是气隙功率(P_LSP)的计算方式，其中，分别对一个电网周期内的电功率(P_el)和异步电机101定子上的损耗功率(P_v)求和。(S_p)表示每电网周期的采样值数量。

$P_{\mathrm{LSP}}=\sqrt{3}\frac{1}{S_p}\underset{i=l}{\overset{S_p}{\mathrm{\Σ}}}(U_{i}I-I_i^{2}R)---\left(3\right)$

方程式1描述的是对启动时间(t_start)内的气隙功率(P_LSP)进行积分的方法，作为替代方案，可以通过对一定数量用于启动异步电机101的电网周期(L_start)内的气隙功率求和来计算启动能量(E_start)(参见方程式4)。

$E_{\mathrm{start}}=\underset{p=1}{\overset{L_{\mathrm{start}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\sqrt{3}\frac{1}{S_p}\underset{i=l}{\overset{S_p}{\mathrm{\Σ}}}(U_{i}I-I_i^{2}R)\right)---\left(4\right)$

在异步电机101加速至所需转速后，由控制设备102将启动能量(E_start)的测定值存储下来。

在异步电机101实施真正意义上的制动前，由控制设备102将其从电源上断开。这一点例如可以通过一个由控制设备102控制的晶闸管电路而实现。随后将控制设备102和三相电源104之间的电连接从电力接触器103切换至可逆接触器105。切换后，可逆接触器105将电力接触器103跨接。

在反转工作模式下，异步电机101上的相序发生互换。通过这种相位反转在异步电机101的定子中产生一旋转场，该旋转场具有与异步电机101转子当前旋转方向相反的旋转方向。异步电机101定子和转子的这两种方向相反的旋转场会在异步电机101的转子上引起较大的制动力矩。相对于用经整流的交流电实现的DC制动而言，以上述方法实现的反转制动具有完整的电流分布，从而可实现大得多的制动力矩。异步电机101在反转工作模式下进行制动的同时，存在异步电机101因DC制动过程而重新加速而非制动这一风险。当异步电机101以一经整流的交流电作为DC制动电流进行制动时，该异步电机会存在重新加速的危险。反转工作模式下的输入制动能量(E_stop)应如此选定，使得异步电机101在制动过程结束时仍可做轻微的惯性运转，但绝不会反向于原有旋转方向进行旋转(反向运行)。

对制动能量(E_stop)的测定可用与测定启动能量(E_start)相同的方式进行(参见方程式4)。方程式5提供了一种用于测定制动能量(E_stop)的类似方法：

$E_{\mathrm{stop}}=\underset{p=1}{\overset{L_{\mathrm{sstop}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\sqrt{3}\frac{1}{S_p}\underset{i}{\overset{S_p}{\mathrm{\Σ}}}(U_{i}I-I_i^{2}R)\right)---\left(5\right)$

制动能量(E_stop)在理想情况下与启动能量(E_start)相等。在此情况下，处于反转工作模式下的异步电机101会在制动过程结束时准点停机。然而由于多种影响因素的存在，例如摩擦损耗、逼近误差、采样误差或温度引起的定子电阻变化，所需制动能量(E_stop)很可能与启动能量(E_start)不相等。因此须根据公式6来计算制动异步电机101所用的制动能量(E_stop)。

E_stop＝δ·E_start    (6)

制动能量(E_stop)由启动能量(E_start)乘以一个介于0和1之间、理想情况下大于等于0.5小于等于0.8的因数(0＜δ＜1；0.5≤δ≤0.8)而得出。δ的最佳范围或最佳值可通过具体场合下的试验或校准过程而测定。

在为异步电机101加载一个根据公式6算得的制动能量(E_stop)后，须在该异步电机的进一步制动过程中为它的两个相加载经整流的交流电，通过DC制动来消除异步电机101的剩余转速，直至电机最终停机。

图2显示的是作为时间t的函数的启动能量(E_start)、启动电流(I_start)和相角

的时间特性曲线。在图2中，时间t为横坐标，上述变量的值为纵坐标，单位任意。E_start、I_start和

的时间特性曲线既包括了异步电机101的启动阶段201，也包括了异步电机101以其工作转速运行的阶段202。

从停机状态启动异步电机101时，须由控制设备102对相角

进行控制，使得电动机电流(I_start)在启动阶段201逐渐上升至一规定的限制值。一般情况下，这样的限制值是异步电机101额定负载的三至五倍，这从图2中电动机电流(I_start)的平稳阶段可以看出。当异步电机101达到其工作转速时，相角

下降至零，电动机电流(I_start)达到平稳值(I_N)，而此时异步电机101以工作转速进行工作。

所述异步电机的启动还可通过线性相角斜坡(Phasenanschnittsrampe)而实现，电动机电流在此情况下并不限制于一固定的平稳值。这一点也适用于电机可能的制动。所述异步电机总是可以通过这两种可行的方法(即，将电动机电流限制在一预定值上的方法和线性相角斜坡法)既进行启动也进行制动。

在异步电机101的启动阶段201，由控制设备102持续测量使异步电机101加速至工作转速所消耗的能量。异步电机101达到其工作转速后，经累计或积分的启动能量(E_start)最大值由控制设备102进行存储。

制动异步电机101时，先由控制设备102将其从电源105上断开。成功将电源105和控制设备102之间的连接从电力接触器103切换至可逆接触器104后，为处于反转工作模式下的异步电机101加载一逐渐上升的电动机电流(I_stop)。在此情况下，对相角

例如可进行如下控制，使得电动机电流(I_stop)在反转工作阶段203逐渐上升至异步电机101额定负载的三至五倍。

在反转工作阶段为异步电机101提供小于启动能量(E_start)的电能(E_stop)。此时为异步电机101加载的制动能量(E_stop)特定而言大致相当于启动能量(E_start)的50％至80％。根据方程式6，δ大约介于0.5和0.8之间。

反转工作阶段结束后，异步电机101具有剩余转速形式的剩余动能。因此，理想情况下是在反转工作阶段结束后立即开始DC制动阶段204。进行DC制动时为异步电机101的两个相加载经整流的交流电压。为了使DC制动过程以平缓的方式开始，进行DC制动时也须使相角(Φ_DC)从最初的较大值下降至一预定值，极端情况下是下降至零。其结果是异步电机101上的制动电流(I_Dc)逐渐上升。

异步电机101上的DC制动电流(I_DC)会在异步电机101停机时经历一上升阶段205。根据异步电机101上的DC制动电流(I_DC)的上升情况205，可对异步电机101的停机状况进行检测。

Claims (9)

1.一种对一异步电机(101)进行减速控制的方法，包括下列步骤：

在所述异步电机(101)从停机状态加速至工作转速的过程中，测定并存储一启动能量(E_start)的值，

用一制动能量(E_stop)在反转工作模式下对所述异步电机(101)进行制动，所述制动能量相当于所述启动能量(E_start)乘以一校正因数(δ)(E_stop＝δE_start)，其中，所述校正因数(δ)的值介于0和1之间(0＜δ＜1)，以及

完成反转工作模式下的制动后，通过DC制动来进一步对所述异步电机(101)进行制动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述校正因数(δ)的值介于0.5和0.8之间(0.5＜δ＜0.8)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述DC制动在经过一预定时段后被终止。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述DC制动根据检测到的一个DC制动电流的电流上升情况而被终止。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述异步电机在启动过程中通过一电力接触器(103)和一控制设备(102)连接到一电源(104)，在制动过程中通过一可逆接触器(105)和所述控制设备(102)连接到所述电源(104)，所述方法此外还包括下列步骤：

制动开始时，由所述控制设备(102)将所述异步电机(101)从所述电源上断开，

将所述电源(104)和所述控制设备(102)之间的连接从所述电力接触器(103)切换至所述可逆接触器(105)，

在反转工作模式下以及在所述控制设备(102)的控制下，用一由相角控制且上升至一预定值的电动机电流来对所述异步电机(101)进行制动。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于， 

通过对所述异步电机(101)的启动时间(t_start)内的气隙功率(P_LSP)进行积分来测定所述启动能量(E_start)的值。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

通过对一定数量用于启动所述异步电机(101)的电网周期(L_start)内的气隙功率(P_LSP)求和来测定所述启动能量(E_start)的值。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

通过对所述异步电机(101)的制动时间(t_stop)内的气隙功率(P_LSP)进行积分来测定所述制动能量(E_stop)。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

通过对一定数量用于制动所述异步电机(101)的电网周期(L_stop)内的气隙功率(P_LSP)求和来测定所述制动能量(E_stop)。