CN106549621B - 一种电子变极的感应电机控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子变极的感应电机控制系统及其控制方法。该感应电机控制系统包括感应电机、逆变器以及直流电源。逆变器分别与电机、直流电源相连接，用于将直流电源提供的直流电转变为供应至电机的交流电。电机包括N个三相绕组。逆变器包括N个逆变驱动单元以及至少一个控制单元。每个逆变驱动单元连接一个三相绕组。控制单元控制逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流，该电流的频率、幅值、相位可由控制单元控制。控制单元根据电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成至少两种极对数。本发明提高了感应电机控制系统的低速转矩，拓宽了调速运行范围，进而提高控制精度及运行效率，简化外围传动机构。
Description
技术领域
本发明涉及感应电机领域，尤其涉及一种电子变极的感应电机控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，感应电机控制系统应用于越来越多的领域，例如电动汽车、电梯、机床伺服系统等。这些应用领域通常要求感应电机控制系统能够在低速时提供较大的转矩，但又要求感应电机控制系统能够具有较宽的调速运行范围。
通常在电机的极对数不变的情况下，随着电机的同步转速的增加，当电机的同步转速小于等于该极对数在基频所对应的同步转速时，电机提供恒定转矩；但是当电机的同步转速大于该极对数在基频所对应的同步转速时，电机提供的转矩非线性地减小，并且大到一定程度控制较为困难。
根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60 f（1-s）/p（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机极对数），感应电机控制系统通常采用变频调速或变极调速以增加感应电机控制系统的调速运行范围。传统的变频调速无法满足既能在低速时提供较大的转矩，又能具有较宽的调速运行范围。而关于变极调速，感应电机控制系统通常采用机械调速装置及调速方法实现，但该机械调速装置及调速方法存在以下缺点：（1）需要停电更改接线才能够完成变极调速，降低了感应电机控制系统的控制精度及运行效率；（2）只有几个可变的速度，调速运行范围较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子变极的感应电机控制系统及其控制方法，其采用电子变极，提高了感应电机控制系统的低速转矩，拓宽了感应电机控制系统的调速运行范围，进而提高了系统的控制精度及运行效率，简化了外围传动机构。
本发明提供一种电子变极的感应电机控制系统，包括电机、逆变器以及直流电源；逆变器分别与电机、直流电源相连接，用于将直流电源提供的直流电转变为供应至电机的交流电；电机包括N个三相绕组，其中N为大于1的整数；逆变器包括N个逆变驱动单元以及至少一个控制单元；每个逆变驱动单元连接一个三相绕组；控制单元控制逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流；控制单元根据电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成至少两种极对数。
相对于传统的变极调速装置，本发明的电子变极的感应电机控制系统在变极调速过程中不需要停电，也不需要变更接线，有效地提高了感应电机控制系统的控制精度以及运行效率。本发明配置多个逆变驱动单元及多个三相绕组，从而感应电机控制系统能够形成至少两种极对数，因此感应电机控制系统能够获得较宽的调速运行范围。
在一个实施方式中，控制单元包含同步转速运算模块，用于计算电机的同步转速。因此，该感应电机控制系统不需要额外的速度传感器检测电机的转速，简化了感应电机控制系统的结构。
在一个实施方式中，逆变驱动单元包含三个输出端，每一个三相绕组包括三个子绕组，三个子绕组的输入端分别连接逆变驱动单元的三个输出端。
在一个实施方式中，N个三相绕组形成NY结构或N△结构或aYb△结构，其中a和b均为大于1的整数，且a+b=N。
在一个实施方式中，逆变器包括一个控制单元，该控制单元分别控制N个逆变驱动单元；或者逆变器包括多个控制单元，每个控制单元控制一个或多个逆变驱动单元。根据需要，可选用仅具有一个控制单元但功能强大的逆变器，也可选用具有多个控制单元的逆变器。
在一个实施方式中，控制单元为MCU、DSP、FPGA或CPLD等其中的一种或多种。采用这些控制单元，则可利用现有技术中的电机控制算法通过逆变驱动单元实现对电机的控制。
本发明还提供一种上述电子变极的感应电机控制系统的控制方法，包括：控制单元控制逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流；控制单元根据电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成至少两种极对数；以及控制单元根据电机的同步转速控制N个逆变驱动单元，以改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使电机在至少两种极对数之间切换。本发明利用电子变极方式可以使电机获得至少两种极对数，从而感应电机控制系统能够获得较宽的调速运行范围。
在一个实施方式中，设定一个或多个转速阈值，一个转速阈值对应一种极对数，每个转速阈值等于电机在形成与该转速阈值对应的极对数时在基频所对应的同步转速。
在另一个实施方式中，设定一个或多个转速阈值，一个转速阈值对应一种极对数，其中至少一个转速阈值高于电机在形成与该转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速，其他的转速阈值等于电机在形成与这些转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速；该至少一个转速阈值的提高幅度根据电机的弱磁特性设定。采用该方法可以使得感应电机控制系统在部分速度区间获得更大的转矩。
当电机的同步转速增加至其中一个转速阈值时，控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成的极对数减少；以及
当电机的同步转速降低至其中一个转速阈值时，控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成的极对数增加。
本发明的电子变极的感应电机控制系统及其控制方法具备以下有益效果：
（1）采用电子变极实现感应电机控制系统的调速，在调速过程中不需停电，也不需要变更接线，有效地提高了感应电机控制系统的控制精度及运行效率；
（2）控制单元控制多个逆变驱动单元改变多个三相绕组的电流方向或相位角，使感应电机控制系统形成至少两种极对数，提高了感应电机控制系统的低速转矩，并且使感应电机控制系统获得较宽的调速运行范围；
（3）利用逆变器实现感应电机控制系统的电子变极调速，可大大简化感应电机控制系统的外围传动机构，降低系统成本，提高节能效果。
附图说明
图1为一实施例的感应电机控制系统的示意图。
图2为一实施例的具有两个三相绕组的感应电机控制系统的示意图。
图3为一实施例中三相绕组形成YY结构的感应电机控制系统的局部电路图。
图4为一实施例中三相绕组形式△△结构的感应电机控制系统的局部电路图。
图5为一实施例中感应电机控制系统由2对极切换为1对极的同步转速-转矩的曲线图。
图6为一实施例中感应电机控制系统由1对极切换为2对极的同步转速-转矩的曲线图。
图7为另一实施例中感应电机控制系统由2对极变为1对极的同步转速-转矩的曲线图。
图8为另一实施例中感应电机控制系统由1对极切换为2对极的同步转速-转矩的曲线图。
附图标记说明：11为三相绕组1b，12为三相绕组2b，21为逆变驱动单元1b，22为逆变驱动单元2b，31为三相绕组1c，32为三相绕组2c，41为逆变驱动单元1c，42为逆变驱动单元2c。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，一种电子变极的感应电机控制系统，包括电机、逆变器以及直流电源。逆变器分别与电机、直流电源相连接，用于将直流电源提供的直流电转变为供应至电机的交流电。
电机包括N个三相绕组，其中，N为大于1的整数。上述N个三相绕组分别为三相绕组1、三相绕组2……以及三相绕组N。逆变器包括N个逆变驱动单元以及至少一个控制单元。上述N个逆变驱动单元分别为逆变驱动单元1、逆变驱动单元2……以及逆变驱动单元N。每个逆变驱动单元连接一个三相绕组，即逆变驱动单元n连接三相绕组n（n为1至N的任意整数）。控制单元控制逆变驱动单元n产生与其连接的三相绕组n的电流。根据电机的同步转速，控制单元控制至少部分逆变驱动单元以改变与这些逆变驱动单元连接的三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成至少两种极对数。
本实施例的感应电机控制系统通过逆变器的控制单元控制逆变驱动单元改变三相绕组的极对数，即采用电子变极的方式改变电机的极对数。相对于传统的机械变极调速装置，本实施例的电子变极的感应电机控制系统在变极调速过程中不需要停电，也不需要变更接线，有效地提高了感应电机控制系统的控制精度以及运行效率。
本实施例的感应电机控制系统配置多个逆变驱动单元及多个三相绕组，从而感应电机控制系统能够形成至少两种极对数，因此感应电机控制系统能够获得较宽的调速运行范围。
逆变器可包括一个控制单元，该控制单元分别控制N个逆变驱动单元。逆变器也可包括多个控制单元，每个控制单元控制一个或多个逆变驱动单元。优选地，逆变器包括N个控制单元，每个控制单元控制一个逆变驱动单元。
控制单元为MCU、DSP、FPGA或CPLD等其中的一种或多种，可以利用现有技术中的电机控制算法实现控制单元对电机的控制。
控制单元包含同步转速运算模块，用于计算所述电机的同步转速。因此，该感应电机控制系统不需要额外的速度传感器检测电机的转速，简化了感应电机控制系统的结构。
实施例2
如图2所示，本实施例的电子变极的感应电机控制系统，包括电机、逆变器以及直流电源。电机包括两个三相绕组，分别为三相绕组1a和三相绕组2a。逆变器包括两个逆变驱动单元和两个控制单元。两个逆变驱动单元分别为逆变驱动单元1a和逆变驱动单元2a。两个控制单元分别为控制单元1a和控制单元2a。控制单元1a控制逆变驱动单元1a改变三相绕组1a的电流方向或相位角。控制单元2a控制逆变驱动单元2a改变三相绕组2a的电流方向或相位角。
实施例3
如图3所示，本实施例的感应电机控制系统采用YY交流电机。图3仅示出了用于实现电子变极的部分电路图。本实施例中，电机包括两个三相绕组，分别为三相绕组1b（11）和三相绕组2b（12）。这两个三相绕组形成2Y结构。逆变器包括两个逆变驱动单元，分别为逆变驱动单元1b（21）和逆变驱动单元2b（22）。控制单元（未示出）控制逆变驱动单元1b（21）改变三相绕组1b（11）的电流方向或相位角，控制逆变驱动单元2b（22）改变三相绕组2b（12）的电流方向或相位角。其中，控制单元可以为一个或两个。
逆变驱动单元包含三个输出端。每个三相绕组包括三个子绕组，并且三个子绕组的输入端分别连接逆变驱动单元的三个输出端。具体地，参见图3，三相绕组1b（11）的三个子绕组的输入端U11、V11、W11分别连接逆变驱动单元1b（21）的三个输出端U11＇、V11＇、W11＇；三相绕组2b（12）的三个子绕组的输入端U22、V22、W22分别连接逆变驱动单元2b（22）的三个输出端U22＇、V22＇、W22＇。
本实施例示出的感应电机控制系统仅包括两个三相绕组和两个逆变驱动单元，但也可形成如实施例1所描述的具有N个三相绕组以及N个逆变驱动单元的感应电机控制系统。
实施例4
如图4所示，本实施例的感应电机控制系统采用△△交流电机。图4仅示出了用于实现电子变极的部分电路图。本实施例中，电机包括两个三相绕组，分别为三相绕组1c（31）和三相绕组2c（32）。这两个三相绕组形成2△结构逆变器包括两个逆变驱动单元,分别为逆变驱动单元1c（41）和逆变驱动单元2c（42）。控制单元（未示出）控制逆变驱动单元1c（41）改变三相绕组1c（31）的电流方向或相位角，控制逆变驱动单元2c（42）改变三相绕组2c（32）的电流方向或相位角。其中，控制单元可以为一个或两个。
逆变驱动单元包含三个输出端。每个三相绕组包括三个子绕组，并且三个子绕组的输入端分别连接逆变驱动单元的三个输出端。具体地，参见图4，三相绕组1c（31）的三个子绕组的输入端U33、V33、W33分别连接逆变驱动单元1c（41）的三个输出端U33＇、V33＇、W33＇；三相绕组2c（32）的三个子绕组的输入端U44、V44、W44分别连接逆变驱动单元2c（42）的三个输出端U44＇、V44＇、W44＇。
本实施例示出的感应电机控制系统仅包括两个三相绕组和两个逆变驱动单元，但也可形成如实施例1所描述的具有N个三相绕组以及N个逆变驱动单元的感应电机控制系统。
实施例5
本实施例的感应电机控制系统的N个三相绕组形成aYb△结构,其中a和b均为大于1的整数，且a+b=N，即感应电机控制系统包括a个形成aY结构的三相绕组和b个形成b△结构的三相绕组。
实施例6
本实施例提供上述实施例1至5任一实施例的电子变极的感应电机控制系统的控制方法。本实施例的控制方法包括：控制单元控制逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流；控制单元根据电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成至少两种极对数；以及控制单元根据电机的同步转速控制N个逆变驱动单元，以改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使电机在至少两种极对数之间切换。
本实施例通过改变多个三相绕组的电流方向或相位角，能够使感应电机控制系统获得至少两种极对数，从而获得较宽的调速运行范围。
控制单元可以利用现有技术中的电机控制算法实现对三相绕组的电流方向及相位角的控制。因此，本实施例采用电子变极实现感应电机控制系统的变极调速，在变极调速过程中不需停电，也不需要变更接线，从而有效地提高了电机系统的控制精度及运行效率。
具体地，可预先设定一个或多个转速阈值，一个转速阈值对应一种极对数，每个转速阈值等于电机在形成与该转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速。当电机的同步转速增加至其中一个转速阈值时，控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成的极对数减少；以及当电机的同步转速降低至其中一个转速阈值时，控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使N个三相绕组形成的极对数增加。
本实施例的电子变极的感应电机控制的控制方法使得在电机的同步转速增加的情况下，当增加至其中一个设定的转速阈值时，使电机形成的极对数减小，此时电机提供较小的恒定转矩，但速度可达到更高；以及在电机的同步转速在降低的情况下，当降低至其中一个设定的转速阈值时，使电机形成的极对数增加，从而使电机能够提供较大的恒定转矩。利用本实施例的电子变极的感应电机控制系统的控制方法，可以使感应电机控制系统获得较宽的调速运行范围，并且在该较宽的调速运行范围都能够稳定地工作。
进一步地，为了在部分速度区间获得更大的转矩，也可将至少一个转速阈值设置为高于电机在形成与该转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速，其他的转速阈值等于电机在形成与这些转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速。其中，该至少一个转速阈值的提高幅度根据电机的弱磁特性设定。在此将提高了幅度的转速阈值称为高幅转速阈值。
通过提高至少一个转速阈值形成高幅转速阈值，使得：在电机的同步转速增加的情况下，当同步转速增加到高幅转速阈值时才减少电机的极对数，则在同步转速从基频对应的同步转速增加到高幅转速阈值的区间内，电机转矩非线性减小，但比本实施例的前述方案（在同步转速等于基频对应的同步转速时减少电机的极对数）所提供的电机转矩大；在电机的同步转速降低的情况下，当同步转速降低到高幅转速阈值时就提前增加电机的极对数，则在同步转速从高幅转速阈值到基频对应的同步转速的区间内，电机转矩非线性增加，比本实施例的前述方案（在同步转速等于基频对应的同步转速时增加电机的极对数）所提供的电机转矩大。因此，通过提高至少一个转速阈值，可以使电机在部分速度区间获得更大的转矩。
实施例7
本实施例将实施例6的电子变极的感应电机控制系统的控制方法应用于实施例2的具有两个三相绕组的感应电机控制系统。设定第一转速阈值为电机形成2对极时在基频所对应的同步转速，第二转速阈值为电机形成1对极时在基频所对应的同步转速。当电机的同步转速小于第一转速阈值时，电机提供第一恒定转矩；当电机的同步转速在第一转速阈值和第二转速阈值期间时，电机提供第二恒定转矩。其中，该第一恒定转矩大于第二恒定转矩。假设第二恒定转矩为100%，第一恒定转矩为200%。其中，当基频为50Hz时，第一转速阈值为1500转/分，第二转速阈值为3000转/分。
如图5所示，在电机的同步转速增加的情况下：
电机启动时，电机的同步转速较低，通过控制逆变驱动单元产生电流，使电机当前的极对数为2，电机的同步转速小于1500转/分时，电机提供第一恒定转矩；以及
当电机的同步转速增加至1500转/分时，控制单元控制逆变驱动单元1a改变三相绕组1a的电流方向或者控制逆变驱动单元2a改变三相绕组2a的电流方向，使电机当前的极对数减少为1，电机的同步转速在1500转/分至3000转/分期间，电机提供第二恒定转矩。
如图6所示，在电机的同步转速减少的情况下：
电机的同步转速在3000转/分降低至1500转/分的期间，电机的极对数为1，电机提供第二恒定转矩；以及
当电机的同步转速降低至1500转/分时，控制单元控制逆变驱动单元1a改变三相绕组1a的电流方向或者控制逆变驱动单元2a改变三相绕组2a的电流方向，使电机当前的极对数增加为2，电机的同步转速在1500转/分降低至0期间，电机仍然提供第一恒定转矩。
因此，本实施例的电子变极的感应电机控制系统的控制方法能够实现感应电机控制系统在0-3000转/分的转速范围内获得稳定的转矩，从而能够实现稳定工作。
另外，为了在部分速度区间获得更大的转矩，可以根据电机的弱磁特性提高至少一个转速阈值。例如，使第一转速阈值提高为2000转/分。
如图7所示，在电机的同步转速增加的情况下：
当电机的同步转速小于1500转/分时，电机提供第一恒定转矩；以及
当电机的同步转速增加至1500转/分时，暂不改变电机的极对数，直到电机的同步转速增加至2000转/分，再使电机的当前极对数减少为1。在同步转速为1500转/分增加至2000转/分期间，电机的转矩非线性减小，但能够获得大于第二恒定转矩的转矩。
如图8所示，在电机的同步转速减少的情况下：
当电机的同步转速由3000转/分降低时，电机的同步转速在3000转/分降低至2000转/分的期间，电机的极对数为1，电机提供第二恒定转矩；以及
当电机的同步转速降低至2000转/分时，提前使电机的当前极对数增加为2。在同步转速为2000转/分降低至1500转/分期间，电机的转矩非线性增加，能够获得大于第二恒定转矩的转矩。
实施例8
本实施例的电子变极的感应电机控制系统的控制方法与实施例7的不同之处在于：控制单元控制逆变驱动单元1a改变三相绕组1a的电流相位角或者控制单元控制逆变驱动单元2a改变三相绕组2a的电流相位角，以改变电机的极对数。
本发明实施例1至实施例8的电子变极的感应电机控制系统及其控制方法可应用于电动汽车、电梯、机床伺服系统等既要求在低速时能够提供大的转矩，又要求具有较宽的调速运行范围的感应电机控制系统。
本发明采用的术语“第一”、“第二”等，均是便于描述而采用的表达方式，并无特殊含义，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
Claims (6)
1.一种电子变极的感应电机控制系统，包括电机、逆变器以及直流电源；所述逆变器分别与所述电机、所述直流电源相连接，用于将所述直流电源提供的直流电转变为供应至所述电机的交流电；其特征在于，所述电机包括N个三相绕组，其中N为大于1的整数；所述逆变器包括N个逆变驱动单元以及至少一个控制单元；每个逆变驱动单元连接一个三相绕组；所述控制单元控制所述逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流；所述控制单元包含同步转速运算模块，用于计算所述电机的同步转速，所述控制单元根据所述电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使所述N个三相绕组形成至少两种极对数;
设定一个或多个转速阈值，一个转速阈值对应一种极对数，其中至少一个转速阈值高于所述电机在形成与该转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速，其他的转速阈值等于所述电机在形成与这些转速阈值对应的极对数时基频所对应的同步转速；所述至少一个转速阈值的提高幅度根据所述电机的弱磁特性设定;
当所述电机的同步转速增加至其中一个转速阈值时，所述控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使所述N个三相绕组形成的极对数减少；以及当所述电机的同步转速降低至其中一个转速阈值时，所述控制单元改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使所述N个三相绕组形成的极对数增加；
提高至少一个转速阈值形成高幅转速阈值，电机的同步转速增加的情况下，同步转速增加到高幅转速阈值时减少电机的极对数，在同步转速从基频对应的同步转速增加到高幅转速阈值的区间内，电机转矩非线性减少，比同步转速等于基频对应的同步转速时减少电机的极对数所提供的电机转矩大；电机的同步转速降低的情况下，同步转速降低到高幅转速阈值时增加电机的极对数，在同步转速从高幅转速阈值到基频对应的同步转速的区间内，电机转矩非线性增加，比同步转速等于基频对应的同步转速时增加电机的极对数所提供的电机转矩大。
2.根据权利要求1所述的电子变极的感应电机控制系统，其特征在于，所述逆变驱动单元包含三个输出端，每一个所述三相绕组包括三个子绕组，所述三个子绕组的输入端分别连接逆变驱动单元的三个输出端。
3.根据权利要求1所述的电子变极的感应电机控制系统，其特征在于，所述N个三相绕组形成NY结构或N△结构或aYb△结构，其中a和b均为大于1的整数，且a+b=N。
4.根据权利要求1所述的电子变极的感应电机控制系统，其特征在于，所述逆变器包括一个控制单元，该控制单元分别控制所述N个逆变驱动单元；或者所述逆变器包括多个控制单元，每个控制单元控制一个或多个逆变驱动单元。
5.根据权利要求1所述的电子变极的感应电机控制系统，其特征在于，所述控制单元为MCU、DSP、FPGA或CPLD其中的一种或多种。
6.一种权利要求1至5任一项所述的电子变极的感应电机控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制单元控制所述逆变驱动单元以产生与其连接的三相绕组的电流；所述控制单元根据所述电机的同步转速改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使所述N个三相绕组形成至少两种极对数；以及所述控制单元根据所述电机的同步转速控制所述N个逆变驱动单元，以改变至少部分三相绕组的电流方向或相位角，使所述电机在所述至少两种极对数之间切换。
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