CN105846728B - 一种智能交流调压风机转速控制方法 - Google Patents

一种智能交流调压风机转速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能交流调压风机转速控制方法，包括：采用智能交流调压器进行检测和调压：利用单片式微型计算机硬件电路控制大功率电力电子器件，利用单片式微型计算机控制软件执行负载转矩检测与动态实时调压；采用智能交流调压与变频器组合使多台不同型号的交流异步电动机共享同一个较大功率变频器。在调速过程中追踪负载转矩实时动态调压，以较小的过载系数实现交流异步电机的有效调速、稳定运行和高效节能；可以和变频器组合，每台交流异步电动机配接一个智能交流调压器实现多台不同型号的交流异步电机共享同一个较大功率变频器，每个智能交流调压器的成本仅为同功率变频器的一半以下，使工程应用有较高的性价比。

Description

一种智能交流调压风机转速控制方法
技术领域
本发明属于大型给排风工程风机控制技术领域，尤其涉及一种智能交流调压风机转速控制方法。
背景技术
1)对风机调速性能要求不高的应用场合通常采用可控硅交流斩波调压来实现对交流异步电动机转速的控制，例如大多数的电风扇调速。
2)有级调速，使用改变交流异步电动机磁极对数的方法调速，例如双速或多速交流异步电动机。
3)对风机调速性能要求较高的应用场合使用变频器改变交流电源的频率来控制风机中交流异步电动机的转速，使用中要求变频器的输出额定功率大于等于电动机的额定功率，通过给变频器设定相应参数来适应不同型号的交流异步电动机对变频器f/u调节曲线的要求，用变频器改变电源频率实现对风机转速的控制。
现有技术方案1)，可控硅交流斩波调压的同时，会对交流电源产生严重的不易消除的谐波污染，所以对功率较大的交流异步电动机调速通常不采用此方案。由于控制设备简单，目前广泛应用在小功率的交流电风扇调速中。
现有技术方案2)，由于变磁极对数的电机连线较繁且不能无级连续调速，其应用受到了限制，目前有些交流电风扇的调速中有应用，双速电梯则是采用变极+变频方式。
现有技术方案3)，有如下一些缺点：
使用中通常要求一个变频器带一台交流异步电动机，由于不同型号交流异步电动机需要变频器不同的f/u调节曲线，所以多台交流异步电动机就需要多个变频器，不便于多台不同型号交流异步电动机共享同一个变频器。
变频器中f/u调节曲线是针对恒转矩负载设定的，就是在变频变压的过程中改变交流异步电动机的转速，保持交流异步电动机的最大转矩近似不变，机械特性的硬度不变，这比较适合恒转矩负载对变频器的要求，例如各类金属加工机床的交流异步电动机使用变频器调速就是一种很好的选择。
风机是二次方率负载，使用变频器虽然能够很好的实现变速的目的，但在节能方面却不能做到最佳，风机在低速时不需要保持最大转矩不变，也不需要保持电动机的机械特性硬度不变，仅靠f/u调节曲线的设定不能满足风机类负载对更好节能的更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能交流调压风机转速控制方法，旨在解决风机使用变频器虽然能够很好的实现变速的目的，但在节能方面却不能做到最佳，风机在低速时不需要保持最大转矩不变，也不需要保持电动机的机械特性硬度不变，仅靠f/u调节曲线的设定不能满足风机类负载对更好节能的更高要求的问题。
本发明是这样实现的，
一种智能交流调压风机转速控制方法，所述智能交流调压风机转速控制方法包括：
采用较大功率变频器和n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统组合使n台交流异步电机共享同一个较大功率变频器；
采用负载转矩检测与动态交流调压控制系统中的智能交流调压器进行检测和调压，智能交流调压器利用单片式微型计算机硬件电路和软件控制大功率电力电子器件并执行负载转矩检测和动态实时调压。
进一步，所述n台交流异步电机为型号、功率、负荷状态不同的交流异步电机，所述共享同一个较大功率变频器的n台交流异步电机的功率差别不大于2～3倍，所述较大功率变频器采用计算负荷的方法选择变频器容量既输出功率；
所述计算负荷的方法为：n台交流异步电机中各交流异步电机的额定功率之和乘以负荷系数，所述负荷系数为0.6～1，交流异步电机的台数越少系数越大，交流异步电机台数越多系数越小。
进一步，所述单片式微型计算机硬件电路和软件通过对给定值和检测值的比较，进行异步电机正反转判别、异步电机转速转矩检测，计算出当前负载异步电机的转速转矩并控制大功率电力电子开关器件的高频脉宽占空比，以步进方式递增或递减交流电压，实时动态交流调压。
进一步，所述实时动态交流调压中单片式微型计算机循环执行程序，每次循环中交流调压的控制信号由单片式微型计算机根据转速给定值、电机转速检测值进行检测值与给定值比较，比较后的差值由PID控制程序产生输出量，再经DA转换后形成电平调制电压，此调制电压与单片机输出的1～3KHz三角波一同送给比较器，比较器输出高频PWM脉宽控制信号，高频PWM脉宽控制信号经脉冲放大后直接驱动主电路中交流正、负半周的IGBT开关管对输入的0～50Hz交流执行斩波调压，斩波后的交流电压再经交流Buck滤波，输出波形平滑的0～50Hz正弦交流电压；
对于输出量较大引起电压较大波动采用步进方式将较大输出量分几次循环分别执行，渐次达到稳定的输出量，使调压过程渐进稳定。
进一步，所述智能交流调压器根据交流异步电机的起动、调速运行、制动这三个阶段进行调节。
本发明另一目的在于提供一种负载转矩检测与动态交流调压控制系统，所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统与较大功率变频器输入端、输出端电连接；所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括智能交流调压器和异步电机；所述智能交流调压器和异步电机电连接，所述智能交流调压器包括微型计算机、交流调压器和转速转矩检测器；所述微型计算机输出端与交流调压器输入端电连接，交流调压器输出端与异步电机输入端连接，转速转矩检测器检测端靠近异步电机，转速转矩检测器输出端与微型计算机输入端电连接。
进一步，所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统设置n个，所述n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括n个转速转矩检测器和n个交流调压器，n个转速转矩检测器和n个交流调压器闭环互联。
进一步，所述微型计算机为单片式微型计算机，所述微型计算机包括微型计算机硬件电路和软件。
进一步，所述转速转矩检测器采用封闭式连轴光电转速检测器并安装在异步电机轴端，连轴光电转速检测器的外壳固定在异步电机端盖上；所述转速转矩检测器或采用霍尔磁敏元件并安装在贴近电机轴旁的端盖上，所述连轴光电转速检测器或霍尔磁敏元件均通过屏蔽线将转速信号传送给单片式微型计算机。
本发明智能交流调压器应用单片式微型计算机控制电力电子器件实现智能调压，调压过程中产生的谐波容易分离消除，对交流电源没有谐波污染。例如对50HZ正弦波的开关调压斩波频率为1000HZ，其谐波频率更高，由于频率差别较大，所以容易通过滤波器分离滤除。变频器的工作模式为：交-直-交；智能交流调压器的工作模式为：交-交；可以单独用于风机类交流异步电动机的调速，在调速过程中追踪负载转矩实时动态调压，交流异步电动机的最大转矩是正比于供电电压的，在确保交流异步电动机的最大转矩略大于负载转矩的条件下，以较小的过载系数实现交流异步电动机的有效调速、稳定运行和高效节能；
可以和变频器组合，每台交流异步电机配接一个智能交流调压器实现多台不同型号的交流异步电机共享同一个较大功率的变频器，每个智能交流调压器的成本仅为同功率变频器的一半以下，在大型给排风工程中表现出优异的调速性能和节能指标，使工程应用有较高的性价比。
通过变频器、调压器调速的功率特性和组合调速功率特性对比中由于Pi＝niⅹTmaxi，由机械特性曲线图可知，对二次方率负载采用调压调速和变频器组合调速，比恒转矩变频调速在节能方面有更高优势。
附图说明
图1是本发明提供的较大功率变频器与n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统示意图；
图2是本发明提供的智能交流调压器进行调压的单相主电路原理图。
图3是本发明提供的微型计算机硬件电路单相原理方框图；
图4是本发明提供的负载转矩检测与动态交流调压控制系统示意图；
图5是本发明提供的变频器、调压器调速的功率特性图和组合调速功率特性对比图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
一种智能交流调压风机转速控制方法，所述智能交流调压风机转速控制方法包括：
采用较大功率变频器和n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统组合使n台交流异步电机共享同一个较大功率变频器，如图1所示；
采用负载转矩检测与动态交流调压控制系统中的智能交流调压器进行检测和调压，智能交流调压器利用单片式微型计算机硬件电路和软件控制大功率电力电子器件并执行负载转矩检测和动态实时调压。
多台电机共享同一台较大功率的变频器时，主要存在电机的型号不同，功率大小不同，电机的负荷状态不同，共享的电机台数不同这四个方面。为了使变频器工作稳定，对电机的型号和功率方面虽然可以不同，但电机参数应该尽量相近，功率大小不宜差别太大，例如同为相同类型的风机异步电机，功率大小差别不大于2～3倍，仅为工程应用时对电机选型提供了较为宽松的条件。使用中个电机的负荷状态不同，共享的台数不同，在选择变频器容量既输出功率时应采用计算负荷的方法，就是各电机的额定功率之和乘以负荷系数，负荷系数取0.6～1之间，电机的台数越少系数越大，例如仅两三台电机共享变频器，则负荷系数取1，电机台数越多系数越小，应为大多数电机受风机调速的影响，实际功率都小于额定值，例如5台则系数取0.9、若10台则系数取0.8。负荷系数选取的依据是大多数工程应用中风机负荷并不同时工作在满载或最大状态，风机数量越多此现象越明显。
图2为智能交流调压器进行调压的单相主电路原理图。
交流调压采用的是PWM技术。交流主电路由两只大功率电力电子器件IGBT开关管构成双向斩波，直接对输入的交流电执行高频斩波实现交流正半周、负半周的调压，再经交流Buck滤波输出调压后的正弦交流电压；
所述单片式微型计算机硬件电路通过正反转判别、检测电机转速，比较给定转速计算出当前负载电机转速转矩，控制大功率电力电子开关器件的高频脉宽占空比，以步进方式递增或递减正序或反序的单相或三相交流电压，实时动态交流调压。
图3为微型计算机硬件电路单相原理方框图。
所述实时动态交流调压的过程是单片式微型计算机循环执行程序的过程，每次循环中交流调压的控制信号由单片机根据转速给定值、电动机转速检测值进行检测值与给定值的比较，其差值将由PID程序确定输出量，由PID控制程序产生输出量，再经DA转换后形成电平调制电压，此调制电压与单片机输出的1～3KHz三角波一同送给比较器，比较器输出的就是高频PWM脉宽控制信号，此脉宽控制信号经脉冲放大后直接驱动主电路中交流正、负半周的IGBT开关管对输入的0～50Hz交流执行斩波调压，斩波后的交流电压再经交流Buck滤波，输出波形平滑的0～50Hz正弦交流电压；当输出量较大时容易引起电压较大波动，步进方式是将较大输出量分几次循环分别执行，渐次达到确定的输出量，使调压过程渐进稳定。
所述智能交流调压器根据交流异步电机的起动、调速运行、制动这三个阶段进行调节。
如图4所示：本发明提供一种负载转矩检测与动态交流调压控制系统，所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统设置为n个，负载转矩检测与动态交流调压控制系统与较大功率的变频器输入端、输出端电连接；
所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括智能交流调压器和异步电机；所述智能交流调压器和异步电机电连接，所述智能交流调压器包括微型计算机、交流调压器和转速转矩检测器；所述微型计算机输出端与交流调压器输入端电连接，交流调压器输出端与异步电机输入端连接，转速转矩检测器检测端靠近异步电机，转速转矩检测器输出端与微型计算机输入端电连接。
所述n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括n个转速转矩检测器与n个交流调压器并闭环互联。
所述微型计算机为单片式微型计算机，所述微型计算机包括微型计算机硬件电路和软件；
所述转速转矩检测器采用封闭式连轴光电转速检测器，安装在异步电机轴端，外壳固定在电机端盖上；转速转矩检测器或采用霍尔磁敏元件则安装在贴近电动机轴旁的端盖上，无运动部件，封闭式连轴光电转速检测器或霍尔磁敏元件均通过一条屏蔽线将转速信号传送给单片机转速检测输入电路即单片式微型计算机。
下面结合工作原理对本发明进一步说明。
交流异步电机的工作过程分为：起动、调速运行、制动这三个阶段，智能交流调压器根据不同阶段的特点，通过正反转判别、检测电机转速，比较给定转速来计算出当前负载转矩，控制大功率电力电子开关器件的高频脉宽占空比，以步进方式递增或递减正序或反序的单相或三相交流电压，实时动态交流调压，使单相或三相交流异步电机最大转矩略大于负载转矩，以较小的过载系数使交流异步电机稳定运行。
变频驱动交流异步电机时，不同型号的交流异步电机需要不同的f/u调节曲线，组合应用时由于每台交流异步电机都接入了智能交流调压器，可以使每台交流异步电机在共享变频器时，都能有各自最佳的工作电压，由于智能交流调压器本身具有降压起动功能，能够有效减小交流异步电机的起动电流，从而消除起动时的起动电流对变频器的冲击，不发生过载保护或过流保护动作，从而使变频器能够稳定运行。组合应用时，变频器可进行多电机整体调速，智能交流调压器可实现单机调速。使大型给排风工程应用具有便捷的调速可操作性和较高的工程性价比。
本发明交流异步电机在额定状态下的最大转矩通常是额定转矩的1.8～2倍，较大的过载系数是为了使交流异步电机在供电电压不变的条件下自动适应负载转矩的变化，维持交流异步电机的稳定运行。
本发明自动追踪检测负载转矩动态实时调压，确保交流异步电机最大转矩略大于负载转矩，使交流异步电机能够稳定运行，在运行中能够根据负载转矩的变化，动态的实时调压，以较小的过载系数确保交流异步电机的稳定运行。
本发明使用智能交流调压器与变频器组合，使多台不同型号的交流异步电机共享同一个较大功率的变频器，使大型给排风工程应用具有便捷的调速可操作性和较高的工程性价比。
变频器、调压器调速的功率特性和组合调速功率特性对比如图5所示。
由于Pi＝niⅹTmaxi，由机械特性曲线图可知，对二次方率负载采用调压调速和变频器组合调速，比恒转矩变频调速在节能方面有更高优势。
本发明适合于风机类二次方率负载。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能交流调压风机转速控制方法，其特征在于，所述智能交流调压风机转速控制方法包括：
采用较大功率变频器和n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统组合使n台交流异步电机共享同一个较大功率变频器；
采用负载转矩检测与动态交流调压控制系统中的智能交流调压器进行检测和调压，智能交流调压器利用单片式微型计算机硬件电路和软件控制大功率电力电子器件并执行负载转矩检测和动态实时调压；
所述n台交流异步电机为型号、功率、负荷状态不同的交流异步电机，所述共享同一个较大功率变频器的n台交流异步电机的功率差别不大于2～3倍，所述较大功率变频器采用计算负荷的方法选择变频器容量既输出功率；
所述计算负荷的方法为：n台交流异步电机中各交流异步电机的额定功率之和乘以负荷系数，所述负荷系数为0.6～1，交流异步电机的台数越少系数越大，交流异步电机台数越多系数越小；
所述单片式微型计算机硬件电路和软件通过对给定值和检测值的比较，进行异步电机正反转判别、异步电机转速转矩检测，计算出当前负载异步电机的转速转矩并控制大功率电力电子开关器件的高频脉宽占空比，以步进方式递增或递减交流电压，实时动态交流调压。
2.如权利要求1所述的智能交流调压风机转速控制方法，其特征在于，所述实时动态交流调压中单片式微型计算机循环执行程序，每次循环中交流调压的控制信号由单片式微型计算机根据转速给定值、电机转速检测值进行检测值与给定值比较，比较后的差值由PID控制程序产生输出量，再经DA转换后形成电平调制电压，此调制电压与单片机输出的1～3KHz三角波一同送给比较器，比较器输出高频PWM脉宽控制信号，高频PWM脉宽控制信号经脉冲放大后直接驱动主电路中交流正、负半周的IGBT开关管对输入的0～50Hz交流执行斩波调压，斩波后的交流电压再经交流Buck滤波，输出波形平滑的0～50Hz正弦交流电压；
对于输出量较大引起电压较大波动采用步进方式将较大输出量分几次循环分别执行，渐次达到稳定的输出量，使调压过程渐进稳定。
3.如权利要求1所述的智能交流调压风机转速控制方法，其特征在于，所述智能交流调压器根据交流异步电机的起动、调速运行、制动这三个阶段进行调节。
4.一种利用权利要求1所述控制方法的负载转矩检测与动态交流调压控制系统，其特征在于，所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统与较大功率变频器输入端、输出端电连接；所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括智能交流调压器和异步电机；所述智能交流调压器和异步电机电连接，所述智能交流调压器包括微型计算机、交流调压器和转速转矩检测器；所述微型计算机输出端与交流调压器输入端电连接，交流调压器输出端与异步电机输入端连接，转速转矩检测器检测端靠近异步电机，转速转矩检测器输出端与微型计算机输入端电连接。
5.如权利要求4所述的负载转矩检测与动态交流调压控制系统，其特征在于，所述负载转矩检测与动态交流调压控制系统设置n个，所述n个负载转矩检测与动态交流调压控制系统包括n个转速转矩检测器和n个交流调压器，n个转速转矩检测器和n个交流调压器闭环互联。
6.如权利要求4所述的负载转矩检测与动态交流调压控制系统，其特征在于，所述微型计算机为单片式微型计算机，所述微型计算机包括微型计算机硬件电路和软件。
7.如权利要求4所述的负载转矩检测与动态交流调压控制系统，其特征在于，所述转速转矩检测器采用封闭式连轴光电转速检测器并安装在异步电机轴端，连轴光电转速检测器的外壳固定在异步电机端盖上；所述转速转矩检测器或采用霍尔磁敏元件并安装在贴近电机轴旁的端盖上，所述连轴光电转速检测器或霍尔磁敏元件均通过屏蔽线将转速信号传送给单片式微型计算机。
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