CN104682824A - 用于控制感应电动机的设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于控制感应式电机的设备，其中，由所述设备来确定从逆变器输出至感应式电机的电流的大小，从而响应于所述电流大小而确定补偿命令电压的电压量，且电压补偿量与根据相关的电压补偿量从电压-频率关系所确定的命令电压相加，从而输出最终命令电压。

Description

用于控制感应电动机的设备

技术领域

根据本公开的示例性实施例的教导一般涉及用于控制感应式电机的设备。

背景技术

通常，感应式电机是指用于各个领域的电动机，其领域范围从包括风机和泵的领域至包括起重机和升降机的吊装领域。同时，作为被配置为启用VVVF(变压变频)操作的装置的逆变器，能够采用恒磁通操作：V/f)或矢量控制，来控制电动机的转矩和转速。

图1是示出了根据现有技术的逆变器系统的结构图，在图中，被配置为从3相电源1接收电力的逆变器2通过将所接收到的电源转换成预定电压和频率来驱动感应电动机3。例如，逆变器2可以是2电平逆变器或3电平以上的多电平逆变器。

图2是示出了根据现有技术的逆变器驱动系统的结构的示意图，在图中显示出，当没有为感应电动机3设置转子位置传感器时的恒磁通操作方法。

参照图2，命令电压产生单元210用来采用命令频率确定同步坐标系上的逆变器输出电压，而转换单元220起通过转换命令电压产生单元210的输出来给逆变器2提供命令电压产生单元210的输出的作用。

逆变器2可以通过接收在静止坐标系上的命令电压来给感应电动机3施加3相电压，而转换单元240从电流检测单元230a、230b、230c接收逆变器2和感应电动机3之间的相电流并将所接收到的相电流转换成在同步坐标系上的d轴电流和q轴电流。转换单元240的输出可以用作逆变器系统的其他控制的输入。

命令电压产生单元210响应于所给定的命令频率来确定输出电压的大小。此时，可以通过控制器(未显示)来预定或通过用户来限定基于频率的输出电压的模式。

图3是根据现有技术的用于恒磁通操作的基于频率的输出电压的示例。

也就是，通过响应于所给定的命令频率而根据图3中所示的预定的电压和频率之间的关系来确定命令电压，命令电压产生单元210可以输出命令电压。恒磁通操作是输出与由预定电压-频率比所要求的频率对应的电压。然而，会产生这样的问题，即当由于频率-电压关系或处于要求高转矩低转速的领域而导致负载变化很大时，电动机运转故障。

发明内容

本公开提供一种用于控制感应式电机的设备(在下文中，也称为“感应电动机控制设备”或简称为“设备”)，其被配置为即使当需要大起动转矩或负载变化很大时也能通过在感应电动机的恒磁通操作过程中响应于负载情况而改变电压的大小以及通过防止电动机停止或电动机起动故障来使感应电动机稳定地运转。

在本公开的一个总体方案中，提供了一种用于控制系统中的感应式电机的设备，包括：第一确定单元，其被配置为根据预定的电压-频率关系响应于命令频率来确定命令电压；以及逆变器，其被配置为响应于命令电压来驱动感应电动机，所述设备包括：

第二确定单元，其被配置为确定从逆变器输出至感应电动机的电流的大小；以及

第三确定单元，其被配置为响应于从逆变器输出至感应电动机的电流的大小来确定用于补偿(偏移)命令电压的电压补偿量，其中，第一确定单元输出最终命令电压，最终命令电压即为响应于从第三确定单元接收到的电压补偿(偏移)量而由电压-频率关系所确定的命令电压加上电压补偿量。

优选地，但不是必要地，所述设备可以进一步包括第一转换单元，其被配置为通过将第一确定单元的输出电压转换成静止坐标系上的电压来给逆变器提供第一确定单元的输出电压。

优选地，但不是必要地，所述设备可以进一步包括电流检测单元，其被配置为检测从逆变器输出至感应电动机的电流的大小。

优选地，但不是必要地，所述设备可以进一步包括第二转换单元，其被配置为将电流检测单元的输出转换成同步坐标系上的d轴电流和q轴电流。

优选地，但不是必要地，所述第二确定单元可以提供从逆变器输出至感应电动机的电流的大小以及从逆变器输出至第三确定单元的q轴电流的大小。

优选地，但不是必要地，第三确定单元可以包括：

误差生成单元，其被配置为确定q轴电流的大小与逆变器或感应电动机的额定电流乘以第一增益所得数值之间的差值；

比较单元，其被配置为当误差生成单元的输出大于零(0)时输出‘1’而当误差生成单元的输出小于零(0)时输出零(0)；

除法单元，其被配置为输出从逆变器输出至感应电动机的电流的大小除以逆变器或感应电动机的额定电流乘以第二增益的积所得的数值；

第一乘法单元，其被配置为将除法单元的输出乘以比较单元的输出；

放大单元，其被配置为输出由第一乘法单元的输出乘以第三增益所得的数值；

加法单元，其被配置为将放大单元的输出加上预设偏移电压；以及

第二乘法单元，其被配置为响应于第一确定单元的命令频率的代码来确定最终输出的代码。

优选地，但不是必要地，第三确定单元可以进一步包括低通滤波器单元，其被布置在第一乘法单元和放大单元之间以对第一乘法单元的输出进行低通滤波。

优选地，但不是必要地，第三确定单元可以进一步包括第一限制单元，其被布置在放大单元和加法单元之间以使用预定的最小值和最大值来限制放大单元的输出。

优选地，但不是必要地，第三确定单元可以进一步包括第二限制单元，其被布置在加法单元和第二乘法单元之间以使用预定的最小值和最大值来限制加法单元的输出。

优选地，但不是必要地，第二乘法单元可以用命令频率的代码乘以加法单元的输出。

本公开的有益效果

本公开具有的有益效果在于：通过响应于负载情况来改变逆变器的输出电压能够改善起动转矩的性能。

附图说明

图1是示出了根据现有技术的逆变器系统的结构图。

图2是示出了根据现有技术的逆变器驱动系统的结构的示意图。

图3是根据现有技术的用于恒磁通操作的基于频率的输出电压的示例。

图4是示出了根据本公开的示例性实施例的用于控制感应式电机的设备的结构图。

图5是图4的电压补偿量确定单元的详细结构图。

图6a和图6b是分别示出了本公开的原理的示例性视图。

图7是示出了根据本公开所校正的电压-频率关系的示例性视图。

具体实施方式

在下文中将参照示出了一些示例性实施例的附图更充分地描述各个示例性实施例。然而，本发明构思可以采用许多不同的形式来体现且不应当被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反地，所述方案旨在涵盖落入本公开范围和新颖构思范围内的所有这样的更改例、改进例和变化例。

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的示例性的实施例。

图4是示出了根据本公开的示例性实施例的用于控制感应式电机的设备的结构图。

根据本公开的用于控制感应式电机的设备(也称为“感应电动机控制设备”或简称为“设备”)说明了无转子位置传感器的控制方法，且对于本领域技术人员来说，应该显而易见地是当包括转子位置传感器时，利用所包含的转子位置信息能够实现控制。

参照图4，提供了根据本公开的控制感应式电机(电动机)的设备且所述设备可以包括命令电压确定单元10、第一转换单元20、逆变器30、电流检测单元40、第二转换单元50、电流大小确定单元60和电压补偿(偏移)确定单元70。

命令电压确定单元10根据命令频率确定在同步坐标系上逆变器的命令电压。此时，根据本公开的命令电压确定单元10可以响应于如图3所示的预定的电压-频率关系来确定命令电压，且可以响应于在预定情况下(例如，当需要大的起动转矩或负载变化很大时)电压补偿(偏移)确定单元70的操作来确定命令电压，将在下文中提供对其的详细说明。

第一转换单元20可以将命令电压确定单元10的输出转换成静止坐标系的输出电压。作为电压型逆变器的逆变器30可以响应于在静止坐标系上的命令电压而对感应电动机3施加3相电压。

电流检测单元40a、40b、40c可以检测出感应电动机3和逆变器30之间的相电流，且可以省略掉三个电流检测单元40a、40b、40c中的任意一个电流检测单元。

第二转换单元50可以将由电流检测单元40a、40b、40c所测定的3相电流转换成同步坐标系的d轴电流和q轴电流。第二转换单元50的输出可以用作逆变器系统的其他控制的输入。

电流大小确定单元60可以确定电动机相电流的大小以及来自第二转换单元50的q轴电流的大小。然而，尽管图4已经示出了通过接收第二转换单元50的输出来确定电动机3的相电流的大小，但直接接收电流检测单元40a、40b、40c的输出也可以确定大小。

电压补偿量确定单元70可以根据由电流大小确定单元60所确定的电流大小来确定用于校正命令电压大小的电压补偿量。

在下文中，将更详细地主要描述电流大小确定单元60和电压补偿量确定单元70的操作。

当使用第二转换单元50的输出时，电流大小确定单元60可以通过以下等式1来确定电流的大小。

【等式1】

$\left|I_{s\_\mathrm{mag}}\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_{c1}}{s+{\mathrm{\ω}}_{c1}}\sqrt{i_{\mathrm{ds}}^{e2}+i_{\mathrm{qs}}^{e2}}$

其中，ω_c1是LPF(低通滤波器)的截止频率。

当使用电流检测单元40a、40b、40c的输出时，电流大小确定单元60可以通过以下等式2来确定电流的大小。

【等式2】

$\left|I_{s\_\mathrm{mag}}\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_{c1}}{s+{\mathrm{\ω}}_{c1}}\sqrt{\frac{4}{3}(-i_{\mathrm{as}}{i}_{\mathrm{bs}}+i_{\mathrm{cs}}^2)}$

图5是图4的电压补偿量确定单元的详细结构图。

参照图5，根据本公开的示例性实施例的电压补偿量确定单元70包括误差生成单元71、比较单元72、除法单元73、第一乘法单元74、低通滤波单元75、放大单元76、第一限制单元77、加法单元78、第二限制单元79和第二乘法单元80。

误差生成单元71可以确定q轴电流大小与逆变器30的额定电流或感应电动机3的额定是流I_{s_rated}乘以预定增益K₁所得数值之间的差值，其中，可以通过以下等式3来限定增益K₁的范围。

【等式3】

0＜K₁≤1

当误差生成单元71的输出大于零(0)时，比较单元72可以输出‘1’，而当误差生成单元71的输出小于零(0)时，比较单元72可以输出零(0)。也就是，当误差生成单元71的输出大于零(0)时，比较单元72的输出'Boost_Ena'为‘1’，而当误差生成单元71的输出小于零(0)时，比较单元72的输出'Boost_Ena'为‘0’。

除法单元73可以用作为电流大小确定单元60的输出的电流大小除以从逆变器30输出的电流大小或电动机3的额定电流I_{s_rated}乘以预定增益K₂后所得数值，其中，可以通过以下等式4来限定增益K₂的范围。

【等式4】

0＜K₂≤1

第一乘法单元74可以用除法单元73的输出乘以比较单元72的输出，由此仅当比较单元72的输出为‘1’时，才照原样输出除法单元73的输出。低通滤波器单元75可以对第一乘法单元74的输出进行低通滤波，从而去除第一乘法单元74的输出中的谐波。放大单元76可以用低通滤波器单元75的输出乘以预定增益K₃，其中增益K₃是正值。

第一限制单元77可以将放大单元76的输出限制为最小值和最大值，其中，最小值可以被确定为‘0’且最大值可以被确定为不超过逆变器30的最大输出的正值。此时，可以选择性地使用第一限制单元77。

加法单元78可以使第一限制单元77的输出(当未使用第一限制单元77时，为放大单元76的输出)加上预设偏移电压Voffset，其中，预设偏移电压是大于零(0)的正值。第二限制单元79可以限制加法单元78的输出。

利用确定图4的命令电压确定单元10的命令频率的代码的‘符号’函数，放大单元80可以确定电压补偿量的代码，其为电压补偿量确定单元70的最终输出。也就是，当命令频率的代码为负时，作为最终输出的电压补偿量的代码为负，而当命令频率的代码为正时，作为最终输出的电压补偿量的代码为正，其中，可以通过以下等式5来限定符号函数。

【等式5】

$\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}-1(x<0)\\ 1(x\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

如前所述，当逆变器的输出电流或电动机的相电流增大超过预定范围时，电压补偿量确定单元70可以确定电压补偿量，由此，通过使由图3的电压-频率关系所确定的命令电压与电压补偿量相加，命令电压确定单元10可以输出最终命令电压。

图6a和图6b是分别示出了本公开的原理的示例性视图，其中，图6a是感应电动机的等效电路图且图6b是图6a的电流和电压矢量图。

当在图6a的等效电路中相对于输入电压Vs的输出电流Is具有如图6b所示的数值时，可以通过相电阻Rs和过电感(excessive inductance)σLs来确定励磁电压Eo。当确定了励磁电压时，可以注意到能够通过图6b来确定励磁电流Io和转矩电流I_T。

根据本公开的电压补偿量确定单元70确定电压补偿量以便于当电流Is大小增大时，增大外加电压的大小，由此，通过增大命令电压大小的命令电压确定单元10来增大励磁电压Eo的大小。

图7是示出了根据本公开所校正的电压-频率关系的示例性视图。

参照图7，根据本公开的电压补偿量确定单元70确定当负载电流增大时的电压补偿量，由此，命令电压确定单元10能够增大命令电压超过现有技术的电压A与相同命令频率下的电压补偿量b一样多。

此时，当在达到最大频率fmax之前输出电压达到最大输出电压Vmax时，输出电压的大小可以保持相当于最大输出频率的最大值。

从以上可以很明显地看出，通过响应于负载情况来改变逆变器的输出电压，能够改善起动转矩的性能。

尽管已经参照前述实施例和优点详细地描述了本公开，但在权利要求的边界和界限内的许多替换例、改进例和变型例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应该理解的是，除非另有规定，否则上述实施例不受前述说明书的任一细节所限制，而是应当在如所附权利要求限定的范围内被宽泛地解释。

Claims (10)

1.一种用于控制系统中的感应式电机的设备，包括：第一确定单元，其被配置为根据预定的电压-频率关系响应于命令频率来确定命令电压；以及逆变器，其被配置为响应于所述命令电压来驱动感应电动机；所述设备包括：

第二确定单元，其被配置为确定从所述逆变器输出至所述感应电动机的电流的大小；以及

第三确定单元，其被配置为响应于从所述逆变器输出至所述感应电动机的电流的大小来确定用于补偿(偏移)所述命令电压的电压补偿量；其中，所述第一确定单元输出最终命令电压，所述最终命令电压即为响应于从所述第三确定单元所接收到的电压补偿(偏移)量通过所述电压-频率关系确定的所述命令电压加上所述电压补偿量。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括第一转换单元，所述第一转换单元被配置为通过将所述第一确定单元的输出电压转换成静止坐标系上的电压来给所述逆变器提供所述第一确定单元的输出电压。

3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括电流检测单元，所述电流检测单元被配置为检测从所述逆变器输出至所述感应电动机的电流的大小。

4.根据权利要求3所述的设备，进一步包括第二转换单元，所述第二转换单元其被配置为将所述电流检测单元的输出转换成同步坐标系上的d轴电流和q轴电流。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二确定单元提供从所述逆变器输出至所述感应电动机的电流的大小以及从所述逆变器输出至所述第三确定单元的q轴电流的大小。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第三确定单元包括：

误差生成单元，其被配置为确定所述q轴电流的大小与所述逆变器或所述感应电动机的额定电流乘以第一增益所得数值之间的差值；

比较单元，其被配置为当所述误差生成单元的输出大于零(0)时输出‘1’而当所述误差生成单元的输出小于零(0)时输出零(0)；

除法单元，其被配置为输出从所述逆变器输出至所述感应电动机的电流的大小除以所述逆变器或所述感应电动机的额定电流乘以第二增益的积所得的数值；

第一乘法单元，其被配置为将所述除法单元的输出乘以所述比较单元的输出；

放大单元，其被配置为输出由所述第一乘法单元的输出乘以第三增益所得的数值；

加法单元，其被配置为将所述放大单元的输出加上预设偏移电压；以及

第二乘法单元，其被配置为响应于所述第一确定单元的命令频率的代码来确定最终输出的代码。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第三确定单元进一步包括低通滤波器单元，所述低通滤波器单元被布置在所述第一乘法单元和所述放大单元之间以对所述第一乘法单元的输出进行低通滤波。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第三确定单元进一步包括第一限制单元，所述第一限制单元被布置在所述放大单元和所述加法单元之间以使用预定的最小值和最大值来限制所述放大单元的输出。

9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第三确定单元进一步包括第二限制单元，所述第二限制单元被布置在所述加法单元和所述第二乘法单元之间以使用预定的最小值和最大值来限制所述加法单元的输出。

10.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二乘法单元用所述命令频率的代码乘以所述加法单元的输出。