CN101989831A - 感应电动机控制装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感应电动机的控制装置，包括：三相整流桥堆，功率模块，感应电动机，电流互感器，编码器，PWM驱动器；驱动运算系统采用矢量控制方式，其包括一滤波电路，连接在驱动运算系统的速度环PI控制器及励磁电流指令运算单元之间，对力矩电流指令值进行滤波后输入至励磁电流指令运算单元；励磁电流指令运算单元依据滤波后的力矩电流指令值对感应电动机的励磁电流指令值Ids进行修正，使感应电动机在同样负载条件下总电流最小。本发明还公开了一种感应电动机控制装置的应用。本发明使自动扶梯和自动人行道在不减弱重载驱动能力的情况下，使电动机在中、轻负载条件下均能以最小电流稳定运行，实现节能。

Description

感应电动机控制装置及应用
技术领域
本发明涉及一种用于自动扶梯和自动人行道系统的驱动控制系统；特别是涉及一种能实现节能的感应电动机节能控制装置。本发明还涉及所述感应电动机控制装置的应用。
背景技术
自动扶梯和自动人行道的运行可能处于多种状态，如无人条件下的空载状态，或满载状态。同时自动扶梯上行时，电动机克服扶梯摩擦力及行人势能做功，处于电动状态；而扶梯下行时，行人势能拖动电动机运行，使电动机处于再生状态。因此用于自动扶梯和自动人行道的感应电动机驱动系统，加在感应电动机上的负载有很宽的变化范围。一般情况下自动扶梯和自动人行道的驱动系统需要首要考虑的问题是能够驱动满载行人的负载。然而经过统计，自动扶梯和自动人行道在整个运行周期内大部分时间是处于轻载运行状态，此时将能够驱动满载负载的驱动参数加在感应电动机上，感应电动机的效率是很低的。因此考虑自动扶梯和自动人行道在轻载条件下的节能具有现实的重要意义。
作为公知技术的感应电动机的矢量控制变频变压调速系统，其通常的做法是将感应电动机的励磁电流Id固定，则感应电动机的力矩电流Iq将与感应电动机的输出力矩T成正比，这样就可以利用线性控制理论对感应电动机实现解耦控制了。这种固定励磁电流Id的方法因为要兼顾到满载负载的驱动能力，Id的选取一般为感应电动机空载电流Io(在感应电动机上施加额定电压Un以额定频率Fn运行时的感应电动机电流)。因此即使感应电动机正在驱动一个极轻的负载电流仍然较大，造成了自动扶梯在轻载条件下感应电动机侧电流偏大、功率因数低及感应电动机仍然发热等缺点。如果将励磁电流Id减小，在感应电动机负载忽然变大的情况下，有可能导致停车或运行不稳定，这在自动扶梯和自动人行道的运行过程中是不允许的。
中国发明专利说明书CN1032724C(专利号：ZL92111351.X，授权公告日：1996年9月4日)提供了一种控制感应电动机在一个较宽的电动机负载量范围内高效率运转控制装置及控制方法。通过按电动机的被测功率因数与相对电动机负载为最佳的功率因数之间的比较结果来控制电动机的电源电压，使电动机工作在轻负载状态时也能达到稳定的运行与最小的功耗。但是它首先需要确定电动机的最佳功率因数曲线；其次要确定电动机运行的负载条件才能实现控制。另外它未涉及到当电动机处于再生状态时的运行情况。因此现有的控制方法并没有很好地解决自动扶梯和自动人行道轻载节能的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种感应电动机控制装置，使自动扶梯和自动人行道在不减弱重载驱动能力的情况下，使感应电动机在中等负载或轻负载条件下均能以最小电流稳定运行，实现节能；为此，本发明还要提供一种所述感应电动机控制装置的应用。
为解决上述技术问题，本发明的感应电动机控制装置包括：
三相整流桥堆，实现AC-DC的变换；
IGBT或IPM功率模块，与所述三相整流桥堆连接，实现DC-AC变换，为感应电动机提供驱动电源电压；
感应电动机，与所述功率模块相连接，驱动负载运行；
两路电流互感器，分别测量所述感应电动机的U相和V相相电流，并输入至驱动运算系统；
编码器，与所述感应电动机同轴连接，用于测量感应电动机的转速，并将测量值输入至所述驱动运算系统；
PWM驱动器，连接在所述驱动运算系统和功率模块之间，在驱动运算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发；
所述驱动运算系统由微处理器构成，采用矢量控制方式，实现对所述感应电动机的控制，其中：该驱动运算系统包括一滤波电路，连接在驱动运算系统的速度环PI控制器及励磁电流指令运算单元之间，对速度环PI控制器输出的力矩电流指令值进行滤波后输入至励磁电流指令运算单元；
所述励磁电流指令运算单元，依据滤波后的力矩电流指令值实时调节最终输出的励磁电流指令值Ids，使所述感应电动机的总电流最小。
上面所述的感应电动机控制装置用于驱动控制自动扶梯或自动人行道。
由于采用本发明的控制装置，保证了感应电动机在中低负载情况下的总电流最小，实现节约能源的目的。同时，由于电流的减小，相应的逆变器的散热功率也可减小，改善了逆变器的工作条件。
本发明能使感应电动机在电动模式和发电模式下的宽范围内运行，特别适合于负载量变化大的自动扶梯实现节能控制。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是感应电动机控制装置的一实施例结构图；
图2是感应电动机电流分解矢量图。
具体实施方式
参见图1所示，所述的感应电动机的节能控制装置包括：
三相整流桥堆3，与市电三相电源相连，实现AC(交流)-DC(直流)的变换。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)功率模块2，通过直流母线4与三相整流桥堆3连接，实现实现DC-AC变换，为感应电动机1提供驱动电源电压。
感应电动机1，与功率模块2相连，用于驱动自动扶梯和/或自动人行道。
两路电流互感器7、8，分别测量感应电动机1的U相和V相相电流，并输入至由微处理器构成的驱动运算系统6。
编码器9，与感应电动机1同轴连接，用于测量感应电动机1的转速，并将测量值输入至驱动运算系统6。
PWM驱动器5，连接在驱动运算系统6和功率模块2之间，在驱动运算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发。
所述驱动运算系统6是感应电动机控制装置的核心部分，采用矢量控制方式，实现对感应电动机1的控制。
所述驱动运算系统6包括：
反馈转速运算单元18，其输入端与编码器9连接，用于计算感应电动机1的反馈转速。
3相/2相及旋转变换单元16，根据两路电流互感器7、8的输入进行3相至2相的变换，再根据转差率及磁场角度运算单元17的相位角度运算结果进行旋转变换，最终将感应电动机1电流分解为励磁电流分量Id及力矩电流分量Iq。
转差率及磁场角度运算单元17，根据编码器9的输入、3相/2相及旋转变换单元16输出的励磁电流分量Id及力矩电流分量Iq，计算转差率及相位角度。
速度指令运算单元11，用于产生感应电动机1的速度控制指令值。
速度环PI控制器12，与速度指令运算单元11及反馈转速运算单元18相连接，对感应电动机1的转速进行PI(比例积分)调节。
力矩电流PI控制器13，与速度环PI控制器12及3相/2相及旋转变换单元16相连接，对感应电动机1的力矩电流进行PI调节。
励磁电流指令运算单元19，用于产生感应电动机1的励磁电流控制指令值。
励磁电流PI控制器14，与励磁电流指令运算单元19及及3相/2相及旋转变换单元16相连接，对感应电动机1的励磁电流进行PI调节。
2相/3相及旋转变换单元15，与力矩电流PI控制器13及励磁电流PI控制器14相连接，用于产生U、V、W三相电压输出值并将其输入至PWM驱动器5。
由图1可以看出，所述驱动运算系统6所包括的上述控制单元与现有的矢量控制变频变压调速系统所包括的控制单元在功能和结构上完全一致。所不同的是所述驱动运算系统6还包括一由软件实现的滤波电路20，连接在速度环PI控制器12及励磁电流指令运算单元19之间，对速度环PI控制器12输出的力矩电流指令值进行滤波后输入至励磁电流指令运算单元19。励磁电流指令运算单元19产生的励磁电流指令值Ids并非恒定，而是根据速度环PI控制器12的输出结果(力矩电流指令值Iqs)而变化。
根据矢量控制原理，编码器9反馈的角度值经反馈转速运算单元18运算后得到感应电动机1的反馈转速，并与速度指令运算单元11形成闭环，再经速度环PI控制器12得到感应电动机1的力矩电流指令值Iqs。由两路电流互感器7、8分别测量的感应电动机1的U相和V相电流，反馈给3相/2相及旋转变换单元16，可将感应电动机1的电流分解为励磁电流分量Id(即图1中的励磁电流反馈)及力矩电流分量Iq(即图1中的力矩电流反馈)；其中，励磁电流分量Id为产生感应电动机1旋转磁场的分量，其矢量方向与感应电动机1旋转磁场一致；力矩电流分量Iq为与感应电动机1旋转磁场垂直的分量，其切割磁力线使感应电动机1产生力矩。力矩电流分量Iq和励磁电流分量Id分别与力矩电流指令值Iqs(由速度环PI控制器12产生)和励磁电流指令值Ids(由励磁电流指令运算单元19产生)构成闭环，并分别经力矩电流PI控制器13和励磁电流PI控制器14调节控制，计算出力矩电压分量Vq和励磁电压分量Vd，再经2相/3相及旋转变换系统15得到U、V、W三相电压输出值。所述的U、V、W三相电压输出值输入至给PWM驱动器5，由其控制IGBT或IPM功率模块2的触发，产生频率和电压可变的电源，最终实现感应电动机1的矢量控制。
滤波电路20的功能主要是消除力矩电流指令Iqs的毛刺。滤波电路20的输出值为力矩电流滤波值Iqm。对于自动扶梯系统，其外负载由空载到满载或由满载到空载的变化周期不是迅速的，一般至少需要10多秒时间，因此滤波电路20的合适的滤波时间常数为200ms～1s之间。
励磁电流指令运算19单元根据力矩电流滤波值Iqm按以下方式对励磁电流指令值Ids进行修正：
1、当|Iqm|＞I0时，励磁电流指令值Ids＝I0；
2、当|Iqm|＜k×I0时，励磁电流指令值Ids＝k×I0；
3、当k×I0＜|Iqm|＜I0时，励磁电流指令值Ids＝|Iqm|。
其中，I0为感应电动机1的空载电流，即在感应电动机1上施加额定电压Un以额定频率Fn运行时的感应电动机1的电流值；k×I0为事先指定的感应电动机1最小励磁电流，k为小于1的系数，以防止感应电动机1驱动力矩不足。
对于控制方式1，能够限制励磁电流的最大值，防止感应电动机1出现过励磁现象，同时由于此时感应电动机1需要输出的力矩较大，将励磁电流设定在正常值，保证感应电动机1的输出能力。
对于控制方式2，能够限制励磁电流的最小值，防止电动机因力矩不足而导致堵转或速度不稳。
对于控制方式3，可使电动机在中低负载时的电流最小。
对于自动扶梯系统来说，扶梯空载时由于扶手带等机械系统的摩擦力，电动机需要输出的力矩约为额定力矩的20％，为自动扶梯最小电动负载；按照输出力矩与电流平方成正比的关系，选取
Figure B2009100576852D0000081
即k＝0.4～0.5是合适的。
根据电机原理，电动机的输出力矩为：
T＝Km×Id×Iq
其中Km为电动机的常数，而Id与Iq分别为相互垂直的励磁电流和力矩电流分量，其矢量和即为电动机的电流。根据上式，在电机输出力矩一定的条件下，要使电动机的电流最小必须使Id＝Iq。
图2是感应电动机电流分解矢量图。其横坐标为力矩电流Iq，纵坐标为励磁电流Id，在坐标上的任一点即为感应电动机1的电流的矢量图。如点A代表感应电动机1的总电流为|OA|，力矩电流分量为|OD|，励磁电流分量|OI|。曲线ABC为感应电动机1的负载条件特定而力矩电流和励磁电流分量变化时的电机电流矢量曲线。射线OF为与横坐标成45度夹角的线，在该条线上，感应电动机1的励磁电流与力矩电流相等。显然在特定负载条件下的ABC曲线上坐标点B表示，当力矩电流分量和励磁电流分量相等时，感应电动机1的总电流|OB |为最小值。
因此上述三种对励磁电流指令值Ids进行修正的方式，在感应电动机1处于中低负载的条件下使励磁电流指令等于力矩电流指令，最终可使感应电动机1在该负载条件下的总电流最小。
显然以上的三种修正方式不仅能够使感应电动机1适用于电动工作状态，而且也适用于发电工作状态。当Iqm＜0时，即感应电动机1工作在发电状态，此时对应图2的工作点相应地处于第2象限。应用第3种修正方式能够使感应电动机1工作于射线OF’的工作点上，此时相应地感应电动机1的总电流最小。
以上通过实施例对本发明进行了详细的说明，但是这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下本领域的技术人员还可做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种感应电动机的控制装置，包括：
三相整流桥堆，实现AC-DC的变换；
IGBT或IPM功率模块，与所述三相整流桥堆连接，实现DC-AC变换，为感应电动机提供驱动电源电压；
感应电动机，与所述功率模块相连接，驱动负载运行；
两路电流互感器，分别测量所述感应电动机的U相和V相相电流，并输入至驱动运算系统；
编码器，与所述感应电动机同轴连接，用于测量感应电动机的转速，并将测量值输入至所述驱动运算系统；
PWM驱动器，连接在所述驱动运算系统和功率模块之间，在驱动运算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发；
所述驱动运算系统由微处理器构成，采用矢量控制方式，实现对所述感应电动机的控制，其特征在于：该驱动运算系统包括一滤波电路，连接在驱动运算系统的速度环PI控制器及励磁电流指令运算单元之间，对速度环PI控制器输出的力矩电流指令值进行滤波后输入至励磁电流指令运算单元；
所述励磁电流指令运算单元，依据滤波后的力矩电流指令值实时调节最终输出的励磁电流指令值Ids，使所述感应电动机的总电流最小。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述励磁电流指令运算单元按以下方式对励磁电流指令值Ids进行实时调节：
当|Iqm≥I0时，励磁电流指令值Ids＝I0；
当|Iqm|＜k×I0时，励磁电流指令值Ids＝k×I0；
当k×I0＜Iqm|＜I0时，励磁电流指令值Ids＝|Iqm|。
其中，I0为感应电动机1的空载电流，k为小于1的系数，Iqm为滤波后的力矩电流指令值。
3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于：所述系数k的取值为0.4～0.5。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述滤波电路的滤波时间常数为200ms～1s。
5.权利要求1-4所述感应电动机的控制装置在自动扶梯和/或自动人行道的应用，用于驱动控制自动扶梯和/或自动人行道。
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