CN1041680C - 控制感应电动机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制由逆变器驱动的三相感应电动机的装置。设置逆变器在于利用经全波整流的电网交流电压(U)供电，并利用具有一般方式形成相位移的各驱动电压向电动机的各相(R、S、T)供电，该驱动电压主要由相对一假设的参考电平具有正负半周期的方波形成。它们按照与所需转速相对应的固定或可调的驱动电压频率交替变化。配置提供到逆变器上的经全波整流的电网交流电压(U)，以便经过电子开关装置(TR_1H，TR_1L；TR_2H，TR_2L；TR_3H，TR_3L)提供到电动机的各相(R、S、T)，它们的接通和关闭时间由震荡装置(15，25)产生的驱动电压频率确定。为了利用一代表经整流的电网交流电压的幅值变化的信号对驱动电压频率进行调制，要提供一个直接或间接代表经整流的电网交流电压(U)的电压(Um)。本发明还包含某些类型的感应电动机的控制方法。

Description

控制感应电动机的方法和装置

本发明涉及感应电动机，更确切地说涉及一种用于利用逆变器驱动的三相感应电动机的控制方法和装置，该逆变器连接线路由对电网交流电压经过全波整流的电压供电，向电动机的各相提供主要由方波构成的驱动电压，该驱动电压相对于设想的零参考电平含正负半周期，按照与所需转速相对应的固定的或可调的驱动频率交替变化。

首先，感应电动机的转速是由所加的供电交流电压的频率决定的。为了按照比利用原来的电网频率所能实现的转速更高的转速来驱动这样一种电动机，通常采用一种逆变器连接线路，借助于逆变器，可以对电动机进行频率控制，使其能运行在所需的转速下，为了大幅度地简化电动机的控制装置，希望用方波电压脉冲来驱动电动机。在功率等级约超过300W时，由于电动机的损耗很大以及电动机的噪声电平很高，不便采用这种方式。在功率等级约高于300W的感应电动机的逆变器的运行中，一般要设计逆变器使得其输出类似正弦波的电压。假如转速要改变或者对或大或小的滑差进行补偿，只有改变供电交流电压的频率。此外一般情况是改变供电交流电压的幅值，使其随频率的增加而增加。

所述类型的逆变器经常会变得很复杂并且制造费用高，从而导致即使它们能提供完美的技术优点，逆变器控制的感应电动机不宜结合各种类型的家用机械加以采用。

对于功率约超过300W的用逆变器驱动的感应电动机带来的另一问题是它们能够引起相当大的电网波形畸变。形成的原因是典型的逆变装置由对电网交流电压进行整流滤波的电压供电，其含意是，当在该装置中包含的充电储能电容充电时，从电网侧看，仅在电网交流电压峰值的区域的短的时间过程中才有电流流向逆变器。由于向电动机负载馈送的能量利用仅在很短时间内流过的电流从电网汲取，产生电流的瞬变，引起上述电网波形的畸变。在较高的功率下，这种畸变会达到不能接受的程度，因此必须提供各种类型的滤波器，这又进一步增加装置的费用。

首先，本发明预计与小尺寸并且具有很高转速，如超过50000转／分特别是转速范围约为100000转／分的感应电动机结合使用。在这些高转速下，由于电动机具有小的物理尺寸，在电动机中的漏电感取较高的数值。这一漏电抗首先集中在转子和定子之间的气隙。假如利用方波电压驱动电动机，该漏电感将影响电流，使得它或多或少地接近正弦波形。这样没有提供呈正弦波形的供电电压，就能实现电流的所希望产生的波形。

假如为了得到一种价廉和简单的逆变器以及避免电网波形的畸变，利用对电网的交流电压经过全波整流的非平滑电压向电动机供电，利用一为电网交流电压频率2倍的频率对较高的驱动电压频率进行调制。驱动电压频率的这种低频调制导致假如由于负载使转子被制动使转子按照100HZ的频率向上和向下改变它的速度(在电网频率为50HZ时)。假如电动机的转子譬如说按90000转／分旋转，将导致当驱动电压低时由于转子质量小使转速有相当大的降低。这种转速的波动将增加转子的滑差，引起转子损耗的增加。

1983年8月10日公开的欧洲专利申请No．EP0085203A1公开了一种常规逆变器耦连装置，其包括一个DC中间环节，但它主要用来调节电动机转矩，以使之稳定或给出另一种期望的波形。

本发明的一个目的是提供一种控制逆变器驱动的感应电动机的方法，以及用于控制这种电动机的装置，其能使电动机具有更稳定和更小的滑差，不受非平滑电网交流供电电压的幅值变化的影响，并且价格低。

为此，本发明提供一种用于控制由逆变器耦接装置驱动的三相感应电动机的方法，该逆变器耦接装置利用对电网交流电压经过全波整流的电压供电，以向电动机的各个相提供的驱动电压主要由相对于一假设的零参考电平具有正负半周期的方波构成，该驱动电压的半周期按照与所需转速相对应的固定的或可调的驱动频率交替变化，其特征在于，所述方法包括如下步骤：提供一个表示经全波整流后的电网交流电压的幅值变化的信号，以及用所述信号调制所述驱动频率，所述驱动频率随所述全波整流电压的增加而增大，随所述全波整流电压的降低而减小，从而使电动机的滑差损失最小。

此外，本发明还提供一种用于控制三相感应电动机的装置，包括一个逆变器耦接装置，与交流电网相连并向逆变器耦接装置提供全波整流的未经平波的交流电压的整流装置，所述逆变器耦接装置向电动机的各相提供驱动电压，驱动电压的各相互差120°，并且主要由方波组成，相对于零参考电平，其正和负半周期以固定频率或与所要求的速度相对应的可变驱动频率变化，其特征在于，供到逆变器耦接装置的经全波整流的电网交流电压也经电子开关耦接装置提供到各电动机相，电子开关耦接装置的通断周期分别由振荡器装置产生的驱动频率来确定，所述振荡器装置具有一输入端，其上加有一个表示整流后的电网交流电压的电压，施加于振荡器装置的所述电压作为调制信号，叠加于驱动频率上，所述电压是一表示整流后的电网交流电压幅值的变化的信号，所述驱动频率随所述全波整流电压升高而增大，所述驱动频率随所述全波整流的电压的降低而减小，从而电动机的滑差损失最小。

根据本发明，可以获得价廉的感应电动机控制装置，并且在电压波动的情况下能保持电动机速度基本恒定。

通过参照如下附图对一个设计实例的顺序详细介绍，使本发明的其它目的和优点将会变得更加明显，其中：

图1是本发明的控制装置的概略接线图；

图2是实际控制装置的详细接线图；

图3是表示各种脉冲波形的示意图，其相关于在图2所示装置中采用的为控制电动机所需要的某些驱动脉冲；

图4是表示各种脉冲波形的示意图，其用于补充在图3中所示驱动脉冲，以及

图5是表示施加到电动机一相绕组上的驱动电压的波形曲线。

图1表示本发明的控制装置的基本结构，所需的元器件以方块图的形式表示。在图中右方所示的三相感应电动机示有三个定子绕组L_R、L_S、和L_T。各绕组在一端连接在一起，各单个独立端连接到连接端R、S和T。向各连接端提供驱动电压，在正常状态下各驱动电压在时间上彼此之间有120°的相位移。各连接端R、S和T连接到各对晶体管TR_1H，TR_1L；TR_2H，TR_2L；TR_3H；TR_3L上。每对晶体管彼此串联，各个连接端R、S和T连接到在每对两个晶体管之间的连接点上。在这一实例的晶体管示为双极型晶体管，但是很明显可以为其它类型例如MOSFET或IGBT型。

晶体管TR_1H、TR_2H和TR_3H的集电极连接在一起，并经导线(10)连接到非平滑的全波整流电网交流电压(U)上。该导线端由通常类型的全波整流器(11)供电，各晶体管相反的电极连接到导线(12)上，其构成为装置的公共的参考电位(中性点、电源或接地点)。全波整流器(11)具有两个接线端(13，14)其连接到电网交流电压(UN)，例如有效值为230V，频率为50HZ。利用这些数值，得到幅值为325V的全波整流电压(U)。电容(C)连接在导线(10，12)之间，不过其并不是构成一储能电容器，而是仅试图使高频干扰信号通过。

为了驱动TR_1H，TR_1L、TR_2H、TR_2L、TR_3H、TR_3L，需要提供3个驱动脉冲，或者在所有6个方形脉冲系列中在时间上相互之间具有适当的位移。为了产生这些脉冲系列，配置一个压控振荡器形式的振荡器(15)，其输出频率可按照一与电动机的所需转速相对应的数值进行设定。为此目的，使用一电位器(16)。压控振荡器(15)的输出信号经过导线(17)传输到驱动电路(33)，其可以是常用类型的装置，(例如标准集成电路制成)并产生六个脉冲系列，经过各导线(18，19，20，21，22和23)送到各个晶体管TR_1H，TR_1L-TR_3H，TR_3L的基极。下面将结合如在图2中所示实际线路连接进行更详细的介绍，将电压(U_M)进一步提供到压控振荡器(15)，这一电压是通过对电网交流电压进行全波整流得到的，经过电阻(R₁)引到振荡器的输入端。

指定电压(U_M)用于实现对振荡器频率的调制，该频率取决于电网交流电压经过全波整流的幅值变化。

图2表示本发明的实际控制装置接线图。该控制装置是逆变器的一个实例，其产生固定的或可调的驱动频率，该驱动频率提供到多个开关晶体管，用于控制它们的导通和关断时间。开关晶体管的任务是经过连接端R、S和T向电动机定子绕组提供方形驱动电压，其是由电网交流电压经全波整流派生的。在图2中没有表示电动机，该具有鼠笼转子的三相感应电动机其为小型结构，试图用于高速驱动，超过每分钟50000转，特别是适用在100000转／分的转速范围内。

为了产生电动机驱动频率，配置一振荡器(24)，通常其为555型。振荡器的频率(F_osc)是由电阻R₂、R₃、R₄一起与电容(C_o)的综合值决定的。利用作为电位器的电阻R₄在一定范围内调节频率。来自振荡器(24)的输出频率(F_osc)信号引到74175型分频器(25)上，其具有6个输出端，在输出端上产生6个具有适当时间相位移的脉冲串。来自分频器(25)的输出被成对连到556型的各自定时器电路(26，27和28)。各定时器电路的形成须使得当一个输入端接收高电平信号时，在对应的输出端上产生相应的高电平，这一高电平持续由该定时器本身确定的某一固定时间。不过，根据振荡器的频率可以改变在输出端处在顺序的各高电平状态之间的时间。在所示定时器电路(26)的连接线路中具有用于脉冲串H_in3和H_in1的两个输出端，以及最后，定时器电路(28)具有用于脉冲串L_in2和L_in3的两个输出端。这6个脉冲串H_in1-H_in3被导向2130型驱动电路(29)的对应输入端，该电路的配置增强了各输入信号，并且以适当的方式，6个输出端提供用于控制对应的开关晶体管TR_1H，TR_2H，TR_3H；TR_1L，TR_2L，TR_3L的控制脉冲H₁，H₂，H₃；L₁，L₂，L₃。在该图上没有表示向驱动电路(29)提供的脉冲串或输出信号(H_in1- L_in3)，而将来自驱动电路(29)的输出信号表示在图3和图4中，其中还示有振荡器输出频率(Fosc)。

各开关晶体管(TR_1H-TR_3L)在连接到电网交流电压经全波整流的电压(U)上的导线(30)以及连接到公共参考电位(中性点，带电点或接地点)上的导线(31)之间彼此成对串联。图5表示在连接端R处的驱动电压，对应的关系适用于在连接端S和T处的驱动电压。这些驱动电压在时间上彼此之间具有相对相位移，以便使所连接的感应电动机以三相方式被驱动。在输出端R处如图5所示的驱动电压围绕着假设的参照电位(V／2)产生正负变化。该参考电位在供电电压(U)和参考电位(OV)之间。

如图3和图4所示，在脉冲串中的高电平持续时间为t₀，其是固定的，由各自的定时器电路(26，27和28)决定。不过，另一方面，将各高电平时间段分开的低电平时间段持续时间为t₁，它是可以变化的。该变化具有两个组成部分，其中之一通过利用电位器(R₄)调节设定振荡器频率(Fosc)来加以确定。第二个组成部分是在振荡器频率方面的变化。那需通过利用由对电网交流电压进行全波整流所得到的电压进行调制所形成的变化。这种调制的目的在于考虑这一因素，即利用未经平波的电压向电动机供电，其含意是其幅值不是恒定而是变化的。通过进行调制，使得当电网交流电压经全波整流的电压的幅值增加时，振荡器频率增加，这样就能够随着电网交流电压的变化同步地降低电动机速度变化的趋势。通过参照图3和图4所示示意图，这可以利用当所述电压的幅值增加时的时间(t₁)的降低来表达。采用这种方式不管上述供电电压的变化如何，能够维持近乎恒定的滑差。当降低滑差时，电动机损耗下降，因此提高了电动机的效率。如图2所示，振荡器(24)具有一特定的输入器(32)，其经过电阻R₁可以连接到产生对电网交流电压经过全波整流的电压的某一点上，例如与图1中的点M相对应的一点上。

在图5中还表示了根据所述方法进行振荡器频率调制产生的作用，其中，可以看出，在连接端R处的电压由正负方形半周期构成。每半周期包含持续固定时间t₀的第一部分。然后跟着是时间Δt，它是由振荡器频率决定的，并且还取决于在振荡器(24)中所进行的调制。应当强调指出，要使驱动电路防止在每一对例如TR_1H，TR_1L中的两个晶体管的可能同时导通因而引起短路，接着损坏晶体管和其它元件。

在图2中已经标明某些电源电压，例如+5V和+15V。这些电压利用电源装置以一般的方式产生，例如由图1所指示的。

虽然与小尺寸的高速感应电动机相结合，本发明能具有特殊的优点，但其并不限于这些电动机，与其它用途的感应电动机相结合使用，例如洗衣机，其在较低转速范围运行以及负载在宽范围变化且很重，也是有益的。

结合利用标准形式的逻辑电路形成控制装置的实例已经对本发明进行了介绍。很明显，在本发明的框架范围内还可以利用与存储器电路，时钟脉冲发生器之类相结合的微处理器来实现该控制装置。在这种情况下由为微处理器开发的软件来决定控制装置的工作方式。

Claims (12)

1．一种用于控制由逆变器耦接装置驱动的三相感应电动机的方法，该逆变器耦接装置利用对电网交流电压经过全波整流的电压供电，以向电动机的各个相(R、S、T)提供的驱动电压主要由相对于一假设的零参考电平具有正负半周期的方波构成，该驱动电压的半周期按照与所需转速相对应的固定的或可调的驱动频率交替变化，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

提供一个表示经全波整流后的电网交流电压的幅值变化的信号(U_M)，以及

用所述信号(U_M)调制所述驱动频率，所述驱动频率随所述全波整流电压的增加而增大，随所述全波整流电压的降低而减小，从而使电动机的滑差损失最小。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法包括产生一驱动频率的步骤，驱动频率是由一压控振荡器(15；25)产生的，而该压控振荡器由代表经全波整流的电网电压(U)的电压(U_M)进行控制。

3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法包括布置驱动电压的正、负半周期的步骤，驱动电压的正负半周期由具有固定的脉冲持续时间(t₀)的第一部分和其后的其持续时间Δt变化的第二部分组成，使得它随经全波整流的电网电压(U)的瞬时幅值增加而减小，持续时间Δt随全波整流的电网电压的瞬时幅值降低而增大。

4．一种用于控制三相感应电动机的装置，包括一个逆变器耦接装置，与交流电网相连并向逆变器耦接装置提供全波整流的未经平波的交流电压(U)的整流装置，所述逆变器耦接装置向电动机的各相(R，S，T)提供驱动电压，驱动电压的各相互差120°，并且主要由方波组成，相对于零参考电平，其正和负半周期以固定频率或与所要求的速度相对应的可变驱动频率变化，其特征在于，供到逆变器耦接装置的经全波整流的电网交流电压(U)也经电子开关耦接装置(TR_1H，TR_1L；TR_2H，TR_2L；TR_3H，TR_3L)提供到各电动机相(R，S，T)，电子开关耦接装置的通断周期分别由振荡器装置(15；25)产生的驱动频率来确定，所述振荡器装置具有一输入端，其上加有一个表示整流后的电网交流电压(U)的电压(U_M)，施加于振荡器装置的所述电压(U_M)作为调制信号，叠加于驱动频率上，所述电压(U_M)是一表示整流后的电网交流电压幅值的变化的信号，所述驱动频率随所述全波整流电压升高而增大，所述驱动频率随所述全波整流的电压的降低而减小，从而电动机的滑差损失最小。

5．如权利要求4所述的装置，其特征在于驱动电压的正负半周是由具有固定的脉冲持续时间(t₀)的第一部分以及其后的持续时间变化的第二部分Δt构成，使得驱动电压随经全波整流的电网电压(U)的瞬时幅值的增加而减小，持续时间(Δt)随经全波整流的电网电压(U)的瞬时幅值的减小而增大。

6．根据权利要求5所述的装置，其特征在于，由定时器电路(26、27、28、29)决定的正负半周期的脉冲持续时间用来提供具有由振荡器装置(24)确定的频率的正的方形脉冲(H₁，H₂，H₃，L₁，L₂，L₃)，它的持续时间(t₀)由定时器决定，并由时间段(t₁)所分开，该时间段(t₁)的持续时间随经全波整流的电网交流电压(U)的瞬时幅值而变化。

7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于，通过调节振荡器的输出频率(Fosc)可调节电动机的转速，在该频率下将各正的方形脉冲分开的时间段(t₁)的持续时间也取决于如此调节的振荡器频率(Fosc)。

8．根据权利要求4-7中任一项所述的装置，其特征在于，由压控振荡器(24)构成的振荡器装置具有一连接到经全波整流的电网交流电压(U)上的输入端(32)。

9．根据权利要求8所述的装置，其特征在于，振荡器(24)具有一个输出端连接到一分频器(25)，其配置用于产生6个具有与驱动频率相对应的周期时间的方形波形信号。

10．根据权利要求4所述的装置，其特征在于，用于电动机各相(R)的开关耦接装置由两个串联的晶体管(TR_1H，TR_1L)组成，在各晶体管之间的连接点连接到电动机的各自相上，并且晶体管这样配置使得在正半周期中，由具有经整流的电网交流电压(U)的连线(30)向电动机相(R)提供电流通道，以及在负半周期中，提供由电动机相(R)到具有公共参考电位的连线(31)的电流通道。

11．根据权利要求10所述的装置，其特征在于，分频器(25)具有6个连接到3个定时器电路(26、27和28)的输出端，其配置用于产生三对信号(Hin₁，Lin₁；Hin₂；Lin₂；Hin₃；Lin₃)，以便经过驱动电路(29)提供到各对晶体管(TR_1H，TR_1L；TR_2H，TR_2L；TR_3H，TR_3L)，用以对提供到各个电动机相(R、S、T)的电流进行控制。

12．根据权利要求11所述的装置，其特征在于，设计驱动电路(29)以便防止在每对晶体管(TR_1H，TR_1L；TR_2H，TR_2L；TR_3H，TR_3L)之中的两个晶体管发生同时连通。

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