CN103840734B - 使电驱动系统的能量效率最大化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种使包括电动机和负载的电驱动系统的能量效率最大化的方法和一种实施该方法的设备。在该方法中，系统的转矩特性可以选自两种类型的行为：电动机转矩的相对于电动机旋转速度的线性行为或平方行为。该方法收集多个数据点以及确定这些数据点与哪个行为最相关。基于相关性确定要使用的转矩特性，基于确定的转矩特性控制电动机。

Description

使电驱动系统的能量效率最大化的方法和设备
技术领域
本发明涉及电驱动系统，特别是涉及使电驱动系统的能量效率最大化。
背景技术
现在的变频器的制造商可以使用各种技术用于控制电驱动应用中电动机转矩的相对于电动机旋转速度的行为。
可以例如基于负载的行为将应用分成两组：线性转矩/速度比应用和平方转矩/速度比应用。在线性（转矩/速度比）应用中，施加到负载的转矩与旋转速度成比例。在平方（转矩/速度比）应用中，转矩与旋转速度的平方成比例。
一些线性应用，例如通常在工业应用中发现的恒转矩负载，可能要求高的动态性能。为了能够维持电动机在各种电动机速度的满转矩输出，驱动器给电动机提供额定磁通。
然而，在一些平方应用中，例如泵或风扇应用，动态性能要求可以不如线性应用那样苛刻。在这样的应用中，可以限制驱动器应用的磁通，从而允许更经济的性能。另一方面，该方法可能导致驱动器的动态性能下降，因为可用的磁通能力比额定磁通更有限。
在一些变频器中，可以选择上面的方法中的一种（即动态性能更好或经济性能更好）作为默认性能的方法，另外的方法可以由用户选择。然而，用户不总是为所讨论的应用选择更合适的方法。
发明内容
本发明的目的是提供克服上面的缺点的方法和实施该方法的设备。通过在独立权利要求中陈述特征的方法和布置来达到本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
本公开的方法允许自动选择运行模式，即使用额定磁通的动态性能模式或限制磁通从而实现节能的经济性能模式。
本公开的方法首先收集一组在不同旋转速度时的转矩的数据点。然后，该方法计算数据点与负载的哪一个行为（即线性行为或平方行为）有更好的相关性。根据这个计算的结果，选择两个转矩/速度行为中的一个行为来表示系统的转矩特性，根据选择的行为控制电动机。由于行为被自动确定，所以选择更合适的运行模式不必依赖用户输入。
附图说明
下面，参照附图，通过优选实施方式，将更详细地描述本发明，其中，
图1示出了转矩的相对于旋转速度的线性和平方行为；
图2示出了本公开方法的示例性实施方式的流程图；以及
图3示出了使包括电动机和负载的电驱动系统的能量效率最大化的设备。
具体实施方式
本文公开了使包括电动机和负载的电驱动系统的能量效率最大化的方法。本公开的方法允许自动检测电动机转矩的相对于电动机旋转速度的不同行为，即不同转矩/速度比的检测。
在本公开的方法中，系统的转矩特性可以选自两种类型的行为：转矩的相对于旋转速度的线性行为或平方行为。
图1示出了转矩的相对于旋转速度的线性和平方系统行为。线性行为（点线）表示转矩T与旋转速度f成比例的情形。
T=af+b， （1）
其中，a是表示转矩和旋转速度之间关系的系数，b表示与旋转速度无关的恒定转矩。
平方行为（虚线）表示转矩与旋转速度f的平方成比例的情形。
T=af2+b， （2）
同样，a表示转矩和旋转速度之间的关系，b表示与旋转速度无关的恒定转矩。
为了能够使能量效率最大化，本公开的方法自动确定所讨论系统的转矩特性，即方程（1）和（2）哪一个更好地描述了系统。然后可以根据确定的转矩特性控制电动机。
确定转矩特性可以例如包括首先确定电动机的转矩和电动机的旋转速度。转矩和旋转速度可以被直接测量，或者也可以例如由控制电动机的变频器来估计电动机的转矩和电动机的旋转速度。如果关于多少功率供应到电动机的信息是可用的，那么可以从该功率计算出转矩。从变频器的输出频率可以确定旋转速度。
本公开的方法然后可以收集多个数据点，每一个数据点表示在电动机旋转速度时的电动机转矩。
基于数据点可以计算第一参数的值。第一参数表示数据点偏离平方行为的程度。基于数据点也可以计算第二参数的值。而第二参数表示数据点偏离线性行为的程度。然后，第一参数可以与第二参数进行比较，基于所述比较可以确定转矩特性。
确定了转矩特性后，基于确定的转矩特性，可以控制电动机。基于转矩特性，可以选择运行模式，即不限制磁通的动态性能模式或限制磁通的经济性能模式，从而提高能量效率。
如果基于转矩参考值来控制电驱动系统，并且如果电驱动可以最初被设为经济性能模式，那么通过监控转矩参考值的变化率或转矩参考值和实际转矩之间的差值，也可以完成转矩特性的确定。
例如，可以首先确定转矩参考值的变化率的大小。然后可以将所述大小与设定界限进行比较，如果所述大小超过了所述设定界限，那么电驱动被设为动态性能模式。
或者，可以首先确定电动机的转矩。然后可以确定转矩参考值和确定的转矩之间的差值，该差值与设定界限进行比较。如果差值超过了设定限制，那么电驱动被设为动态性能模式。
图2示出了本公开方法的示例性实施方式的流程图。在第一步骤21中，测量转矩和旋转速度，收集数据点。
在第二步骤22中，计算第一参数的值。基于两个数据点，例如（T1，f1）和（T2，f2），形成两个方程。对于每一个数据点，转矩由旋转速度的平方乘以第一系数再加上第二系数表示。两个数据点（T1，f1）和（T2，f2）的方程具有相同的系数asq和bsq：
T1=asqf1 2+bsq， （3）
T2=asqf2 2+bsq， （4）
系数asq和bsq的值然后可以如下解出：
asq=（T1-T2）/（f1 2-f2 2）， （5）
bsq=（T2f1 2-T1f2 2）/（f1 2-f2 2）， （6）
基于系数asq和bsq以及第三数据点的旋转速度f3，可以计算第三数据点中旋转速度的预期转矩T3sq。
T3sq=asqf3 2+bsq， （7）
然后可以计算第三数据点的预期转矩T3sq和转矩T3之间的差值，差值的大小|T3-T3sq|可以被用作第一参数的值。
在第三步骤23中，计算第二参数的值。在第三步骤23中计算第二参数的值可以用与第二步骤22中计算参数值类似的方式进行。根据两个数据点，例如（T1，f1）和（T2，f2），形成两个方程。对于两个数据点，转矩由旋转速度乘以第一系数再加上第二系数表示。两个数据点（T1，f1）和（T2，f2）的方程具有相同的系数alin和blin：
T1=alinf1+blin， （8）
T2=alinf2+blin， （9）
系数alin和blin的值可以如下解出：
alin=（T1-T2）/（f1-f2）， （10）
blin=（T2f1-T1f2）/（f1-f2）， （11）
根据系数alin和blin以及第三数据点的旋转速度f3，计算第三数据点的旋转速度的预期转矩T3lin：
T3lin=alinf3+blin （12）
然后可以计算第三数据点的预期转矩T3lin和转矩T3之间的差值，差值的大小|T3-T3lin|可以被用作第二参数的值。
在图1的第四步骤24中，第一参数与第二参数进行比较，基于所述比较确定系统的转矩特性。可以选择更适合数据点的行为，即线性或平方转矩/速度比行为，作为系统转矩特性。
最后，在第五步骤25中，基于确定的转矩特性控制电动机。
然而，第一参数和第二参数的计算不限于上面的例子。在一些不容易获得精确测量的应用中，例如可以使用最小二乘方法。例如，通过使用最小二乘方法，数据点可以拟合到方程（1）和（2），并且然后可以基于最佳拟合选择要使用的转矩特性。另一方面，最小二乘方法与方程（3）到（12）公开的三点曲线拟合相比，在计算上稍微更复杂。
图3示出了使包括电动机32和负载33的电驱动系统的能量效率最大化的设备31。图3中的负载33是由电动机旋转的风扇。图3中的设备31是控制电动机32和实施本公开方法的变频器。取决于应用，变频器31自动选择要使用的合适的转矩特性。变频器31中的转矩特性可以选自两种类型的行为：电动机转矩的相对于电动机旋转速度的线性行为或平方行为。
变频器31充当用于确定电动机转矩和电动机旋转速度的装置。在图3中，它具有所述变量的内部估计。变频器31收集多个数据点到它的内部存储器。每一个数据点表示在电动机的旋转速度时的电动机转矩。
图3中的变频器31包括计算装置，例如微处理器、DSP（数字信号处理）、FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路），它们用于基于数据点计算第一参数和第二参数的值。第一参数表示数据点偏离转矩的平方行为的程度，第二参数表示数据点偏离转矩的线性行为的程度。例如，可以如图2的示例性实施方式中公开的那样进行第一参数和第二参数的值的计算。
在计算第一参数和第二参数之后，变频器31的计算装置将第一参数和第二参数进行比较，并且基于所述比较确定转矩特性。然后变频器31通过使用确定的转矩特性来控制电动机。
使能量效率最大化的设备也可以是连接到变频器的外部装置。该设备可以如上所述确定系统的行为，并且然后可以将变频器设定为合适的运行模式，即动态性能模式或经济性能模式。
对本领域的技术人员明显的是可以用各种方式实施本发明的构思。本发明及其实施方式并不限于上述示例，而是在权利要求范围之内可以变化。

Claims (8)

1.一种使包括电动机、负载以及控制所述电动机的变频器的电驱动系统的能量效率最大化的方法，其中，所述方法包括：
使用所述变频器来确定所述系统的转矩特性，其中，从以下两种类型的行为中选择所述转矩特性：电动机转矩的相对于电动机旋转速度的线性行为或平方行为，
基于所述确定的转矩特性来选择操作模式，以及
在选择的操作模式下控制所述电动机。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述转矩特性包括：
确定电动机的转矩和电动机的旋转速度，
收集多个数据点，其中，每一个数据点表示在电动机旋转速度时的电动机转矩，
基于所述数据点计算第一参数的值，其中，所述第一参数表示数据点偏离转矩的平方行为的程度，
基于所述数据点计算第二参数的值，其中，所述第二参数表示数据点偏离转矩的线性行为的程度，
将所述第一参数和所述第二参数进行比较，以及
基于所述比较确定所述转矩特性。
3.如权利要求2所述的方法，其中，计算所述第一参数的值包括：
基于两个数据点，形成两个方程，其中，对于每一个数据点，所述转矩是所述旋转速度的平方乘以第一系数再加上第二系数，其中，两个方程具有相同的系数，
解出所述系数的值，
基于所述系数和第三数据点的旋转速度，计算针对第三数据点的旋转速度的预期转矩，
计算所述第三数据点的预期转矩和转矩之间的差值，以及
使用所述差值作为所述第一参数的值，
其中，计算所述第二参数的值包括：
基于两个数据点形成两个方程，其中，对于每一个数据点，所述转矩是所述旋转速度乘以第一系数再加上第二系数，其中，两个方程具有相同的系数，
解出所述系数，
基于所述系数和第三数据点的旋转速度，计算针对第三数据点的旋转速度的预期转矩，
计算所述第三数据点的预期转矩和转矩之间的差值，以及
使用所述差值作为所述第二参数的值。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中，根据供应到所述电动机的确定的功率，计算所述转矩。
5.如权利要求1所述的方法，其中，基于转矩参考值控制所述电驱动系统，其中，所述电驱动最初设为限制磁通的经济性能模式以实现节能，其中，确定所述转矩特性包括：
确定所述转矩参考值的变化率的大小，
将所述大小与设定界限进行比较，如果所述大小超过所述设定界限，
将所述电驱动设为不限制磁通的动态性能模式。
6.如权利要求1所述的方法，其中，基于转矩参考值控制所述电驱动系统，其中，所述电驱动最初设为限制磁通的经济性能模式以提高能量效率，其中，确定所述转矩特性包括：
确定所述电动机的转矩，
确定所述转矩参考值和所述确定的转矩之间的差值，
将所述差值与设定界限进行比较，如果所述差值超过所述设定界限，
将所述电驱动设为不限制磁通的动态性能模式。
7.一种使包括电动机、负载以及控制所述电动机的变频器的电驱动系统的能量效率最大化的设备，其中，所述设备包括：
用于通过使用所述变频器来确定所述系统的转矩特性的装置，其中，从以下两种类型的行为中选择所述系统的转矩特性：电动机转矩的相对于电动机旋转速度的线性行为或平方行为，以及
用于基于所述确定的转矩特性来选择操作模式的装置。
8.如权利要求7所述的设备，其中，用于确定所述转矩特性的装置包括：
确定电动机转矩和电动机旋转速度的部件，
收集多个数据点的部件，其中，每一个数据点表示在电动机旋转速度时的电动机转矩，
基于所述数据点计算第一参数的值的部件，其中，所述第一参数表示数据点偏离转矩的平方行为的程度，
基于所述数据点计算第二参数的值的部件，其中，所述第二参数表示数据点偏离转矩的线性行为的程度，
将所述第一参数和所述第二参数进行比较的部件，
基于所述比较确定所述转矩特性的部件，以及
基于所述确定的转矩特性控制所述电动机的部件。
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