CN102006008A - 家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法 - Google Patents

家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法 Download PDF

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张炳义
冯桂宏
齐雯
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家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法，系统包括整流装置连接平波回路，平波回路连接逆变装置，逆变装置连接家电用三相变频调速永磁电机的接线盒，通过接线盒与定子绕组、电流及电压检测单元连接，电流及电压检测单元连接变频器控制单元，变频器控制单元连接逆变装置。本发明实现了单相电源供电条件下应用三相电动机的目的，同时提出了一种基于反电动势自动跟踪的变频调速技术，实现电动机的无位置传感器开环控制，采用了最小电流控制方法，达到减少损耗的，提高系统性能的目的。

Description

家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电动机领域，涉及一种家电用单相电源供电的三相永磁电机变频控制系统及控制方法。
背景技术
现代家用电器一般由单相电源（220V，50Hz）供电。电机作为各类家用电器中的核心部件，得到了广泛的应用。然而现有家用电器中，大量使用的单相异步电动机存在着效率和功率因数都较低的缺点，其效率仅为30%左右，造成电能的大量浪费。相比而言，单相永磁电机，电容姴相的驱动模式，可将其效率提高，但也仅为50%左右。此外，单相电机的副绕组在电机正常运行时几乎不起作用，因此造成了电机材料利用率低的问题。单相电机与相同功率等级的三相电动机相比，材料利用率至少差30%，效率要相差一倍左右，其性能也与三相电动机相差较大。
另一方面，现有大部分家用电器属于定速运行，而定速运行的家电是依靠不断地起、停电动机来实现运转的，一旦开启即按照最大功率运行。这样势必会带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温升高及能耗高等一系列问题。随着电力电子技术的发展，变频家电得到了迅速的发展，但现有变频家电一般仍然使用单相异步电动机或单相永磁电动机，仅通过改变供电电源的频率，使电动机变速运行来达到变频家电效率的提高。同时，通过采用一套位置传感器来获得转子位置信息，从而控制电机运行，但使用位置传感器会增大电机体积，不利于电机小型化，也受到安装工艺，周围环境等多种因素的限制，这些因素使得家用电器的性能受到一定影响。
发明内容
本发明公开一种家电用单/三相永磁电机变频控制系统及控制方法，实现了在单相电源供电条件下，使用三相永磁电动机目的，同时采用最小电流控制方法，提出一种基于反电动势自动跟踪的调速方式，实现了电动机无位置传感器的开环调速控制，达到较小损耗、提高系统性能的效果。
本发明是通过以下技术方案实施的：
家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于：所述系统由单相交流电源供电，整流装置连接平波回路，平波回路连接逆变装置，逆变装置连接家电用三相永磁电机的接线盒，接线盒与定子绕组、电流及电压检测单元连接，电流及电压检测单元连接变频器控制单元，变频器控制单元连接逆变装置。
家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于：所述方法为： 
系统由单相电源(220V,50Hz)供电，单相交流电流经过整流装置中的二极管整流器、平波回路、逆变装置将单相交流电（220V,50Hz）变换为适用于家用电器中驱动电机使用的三相交流电；
通过电流及电压检测单元检测三相永磁电机定子绕组中的电流、电压信号，经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元实现对逆变装置中电力电子开关通断的控制，通过改变通断比例，控制三相永磁电机的供电电压，从而实现三相永磁电机的无位置传感器开环变频调速控制。
家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：变频调速时，电机的三相电源来源于逆变电路的输出量,经过CPU运算、处理得到定子绕组相电流的最小值，调整逆变装置中脉冲通断比例，从而调整逆变器输出电压，就可以在电机定子绕组的输入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电动势的输入电压，实现效率最优化。
家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：采用基于反电势自动跟踪的调速方法，当电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组端电压，利用CPU内部最小电流法计算程序,得到对应最小电流值的电压。
家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：当电机处于稳态过程中，应用动态初值，增大定子绕组电压，连续检测定子相电流的变化，将前一次的斜率                                                
Figure 625556DEST_PATH_IMAGE001
与后一次的斜率比较，由具有CPU处理功能的器件进行存储、判断，找到最小电流值。
是一种电动机的无位置传感器的开环控制。
本发明的有益效果是：采用单/三相永磁电动机变频控制技术及控制方法，可以在单相交流电源供电条件下应用三相电动机，适应了家用电器由单相电源（220V、50Hz）供电的需要。在家用电器中选用三相电动机，明显提高了电机的效率、功率因数、材料的利用率。在节约能源，节省材料等方面都有显著效果。同时采用最小电流控制方法，减小了电机损耗。并实现了电动机无位置传感器的变频调速控制，在减小电机体积、避免工艺复杂等方面有一定的有益效果。同时，提高了系统的效率及控制性能，可以更好的适应于家用电器领域。
附图说明：
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是三相永磁同步电动机结构示意图；
图3是三相永磁同步电动机转子结构示意图；
附图标记说明：
2.定子绕组、3.转轴、8.定子铁心、9.转子、10.永磁体、11.接线盒、17.整流装置、18.平波回路、19.逆变装置、20.电流及电压检测单元、21.变频控制单元。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步描述： 
图1是本发明的系统结构示意图，如图所示，整流装置17连接平波回路18，平波回路18连接逆变装置19，逆变装置19连接家电用三相永磁电机的接线盒11，接线盒11与定子绕组2、电流及电压检测单元20连接，电流及电压检测单元20连接变频器控制单元21，变频器控制单元21连接逆变装置19。系统由单相交流电源供电，单相交流电流经过整流装置17中的二极管整流器、平波回路18、逆变装置19将单相交流电（220V,50Hz）变换为适用于家用电器中驱动电机使用的三相交流电；通过电流及电压检测单元20检测永磁电机定子绕组2中的电流、电压信号，经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元21实现对逆变装置19中电力电子开关通断的控制，通过改变通断比例，从而控制永磁电机的供电电压。
整流装置17采用单相桥式整流电路。交流电流经过二极管整流器，为电压源型可控逆变电路提供直流电源。当系统工作时，全电流向电容器组组成的平波回路18充电。逆变装置19是由IGBT构成的逆变器部分，采用正弦波脉宽调制（SPWM）三相桥式逆变电路的线电压控制方式。将U，V，W三相连接到家电用三相永磁电机定子铁心8的三相对称定子绕组2上。此时，三相交流电大小相等，相位相差120°，电机的三相绕组在空间上产生一个圆形旋转磁场。逆变电路U，V，W之间的相位差，逆变器输出电压的幅值和频率，可以通过控制IGBT的脉冲来实现。
变频器控制单元21所产生的SPWM脉宽调制波由正弦波和三角波经过电压比较器比较后产生。正弦波发生器由v/f转换器、分频电路、波形形成电路组成。工作时通过v/f转换器产生计数寻址脉冲，按顺序读出事先写入EPROM中相互差120°的正弦波数值，再经过数模转换器，转换正弦波模拟电压信号，其正弦波的幅值由给定电压控制。产生的SPWM信号不足以驱动IGBT，需要驱动电路来实现。驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口电路，是电力电子装置的重要环节，对主电路和控制电路有电气隔离的作用。并且具有较强的抗干扰能力。
本发明由单相电源（220V，50Hz）输入，变频器三相对称输出，电机选用三相低压（线电压低于150V）永磁电动机，利用交流－直流－交流的控制思想，将民用单相交流电（220V，50Hz）经过整流，逆变后，以逆变器输出不高于150V的线电压来控制三相永磁同步电动机。由于在利用调节供电电压的方法调节电动机转速的调速方法中，只要通过控制电动机反电动势就可以间接的控制电机转速。进而采用基于反电势自动跟踪的调速方法，当电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组2端电压，利用CPU内部最小电流法计算程序，得到对应最小电流值的电压。通过改变脉冲通断比例，调整逆变器输出电压，从而调整电机的定子电压，就可以在电机定子绕组2的输入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电动势的输入电压，依据最小电流控制方法，连续检测定子相电流的变化，由前一次的斜率
Figure 435566DEST_PATH_IMAGE001
与后一次的斜率
Figure 748078DEST_PATH_IMAGE002
比较，经过CPU运算、处理，得到定子相电流的最小值，从而使电流保持为最小电流值。实现效率最优化。采用SPWM反馈控制方式，由SPWM控制器产生三相桥式逆变器主开关的控制信号，由主开关完成对三相永磁电机定子电流的通断。实现永磁电动机无位置传感器的开环变频调速，提高了系统性能。
图2是三相永磁同步电动机结构示意图，如图所示，电机选用三相低压（线电压低于150V）永磁电动机，由单/三相变频器供电，电机的定子绕组2与接线盒11连接，在转轴3中部沿径向从内到外依次安装有转子9、永磁体10和定子铁心8，定子绕组2设置在定子铁心8上。
图3是三相永磁同步电动机转子结构示意图，如图所示，转子9采用内置V型磁路结构，能够变频调速；转子9两端放有铜连接片，并用铜螺杆将铜连接片与转子铁心固定，铜螺杆又是阻尼绕组，改善电机起动性能。

Claims (6)

1.家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于：所述系统由单相交流电源供电，整流装置（17）连接平波回路（18），平波回路（18）连接逆变装置（19），逆变装置（19）连接家电用三相永磁电机的接线盒（11），接线盒（11）与定子绕组（2）、电流及电压检测单元（20）连接，电流及电压检测单元（20）连接变频器控制单元（21），变频器控制单元（21）连接逆变装置（19）。
2.如权利要求1所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法为：
系统由单相交流电源供电，单相交流电经过整流装置（17）中的二极管整流器、平波回路（18）、逆变装置（19）将单相交流电（220V,50Hz）变换为适用于家用电器中驱动电机使用的三相交流电；
通过电流及电压检测单元（20）检测三相永磁电机定子绕组（2）中的电流、电压信号，经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元（21）实现对逆变装置（19）中电力电子开关通断的控制，通过改变通断比例，控制三相永磁电机的供电电压，从而实现三相永磁电机的无位置传感器开环变频调速控制。
3.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：变频调速时，电机的三相电源来源于逆变电路（19）的输出量,经过CPU运算、处理得到定子绕组（2）相电流的最小值，调整逆变装置（19）中脉冲通断比例，从而调整逆变器输出电压，就可以在电机定子绕组（2）的输入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电动势的输入电压，实现效率最优化。
4.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：采用基于反电势自动跟踪的调速方法，当电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组（2）端电压，利用CPU内部最小电流法计算程序,得到对应最小电流值的电压。
5.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：当电机处于稳态过程中，应用动态初值，增大定子绕组（2）电压，连续检测定子绕组（2）相电流的变化，将前一次的斜率                                                
Figure 82423DEST_PATH_IMAGE001
与后一次的斜率
Figure 343640DEST_PATH_IMAGE002
比较，由具有CPU处理功能的器件进行存储、判断，找到最小电流值。
6.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于：是一种电动机的无位置传感器控制。
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