CN1078976C - 用于感应电动机的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于感应电机的逆变器控制方法，其中所述感应电机的转差率被检测，并计算依赖于所述感应电机的常数和施加于所述感应电机的提供最高效率的频率的最佳转差率，该最佳转差率和电机的转差率进行比较，从而确定一个电压控制的变量，该变量用于形成输出电压指令或磁通指令，从而利用相对于负裁和频率的变化提供最高效率的转差率控制所述感应电机的运行。

Description

用于感应电动机的控制方法和装置

本发明涉及一种用于感应电动机(下文简称为“电动机”)的控制方法和装置，所述方法和装置适用于使电动机总是在其最高的效率下运行，而与负载的变化或频率的变化无关。

利用逆变器运行电动机通常在v(电压)/f(频率)的比为恒定的条件下进行。如果运行频率已经确定，则电动机具有一个呈现最高效率时的转差率，并且该转差率的值和负载的大小无关。

在v/f为恒定的条件下运行时，如果频率f被确定，则因为电压是固定的，当负载变化时，转差率变化，相应地效率也改变，因此，不可能总是使电机运行在最高的效率下。这里略研究几例所述类型的常规技术。

作为常规技术1，日本专利公开NO.41029/1991披露了一种用于减少由负载变化引起的效率下降的方法。按照常规技术1，由电压型逆变器驱动的感应电动机的一种运行方法的特征在于，当电机进入稳定运行状态时，逆变器的输出电压和输出电流相乘，从而确定输出功率P_N，并且逆变器的输出电压被减少到V₁，该电压比在稳态运行开始时的输出电压V₀减少ΔV。在此时计算的逆变器的输出功率P₁和在稳态运行开始时的逆变器的输出功率P₀之间的差ΔP₁和常数ΔPs比较，如果ΔP₁＜ΔPs，则把逆变器输出电压固定为电压V₁。但是如果ΔP₁≥ΔPs，则在一个固定的时间间隔之后，使逆变器的输出电压从电压V₁进一步减少ΔV，在此时输出功率减少的值(差)和常数ΔPs相互比较，根据它们之间的大小关系，确定逆变器的输出电压被固定或者被进一步减少，这些步骤被重复，使电动机在逆变器的输出电压下运行。

此外，作为常规技术2，日本专利公开203700/1995披露了一种方法，其中根据电机常数和频率计算获得最高效率的转差率。控制加于电机的电压，使得获得计算的转差率。利用这种方法，当电机进入稳定运行状态时，逆变器的输出电压和输出电流相乘以便确定输出功率P_N，在这一功率下计算用于达到最高效率的电压和频率，然后提供给电机，从而间接地控制电机获得最佳转差率。

然而，利用常规技术1的方法，因为最小功率运行状态是在改变电压一个很小的量时获得的，需要大量时间才能达到最小功率点，因而存在对负载变化的响应低的问题。同时，利用常规技术2的方法，因为电机被间接地控制来获得具有最高效率的转差率，所以存在精度问题。此外，对通常的逆变器处理应用矢量控制，使得所述控制方法具有这样的问题，即所述方法不能用于矢量控制的逆变器，其中激磁电流和转矩电流被彼此独立地控制。

本发明是根据上述常规技术中的问题而作出的，本发明的目的在于，提供一种用于感应电机的控制方法和装置，其中感应电机的转差率被如此快速地控制，使得感应电机的效率相对于负载和频率的改变总是最高的。

为了解决上述问题，按照本发明，提供一种用于逆变器控制的感应电机的控制方法，其中所述感应电机的转差率被检测，并利用下式计算依赖于电机常数和施加于电机的提供最高效率的频率的最佳转差率S_ηMAX，

S_ηMAX＝r₂/Lm[r_m/2/π/(r₁＋r₂)]^1/2/(f)^1/2

其中r₁所述感应电机的一次电阻，

    r₂是所述感应电机的二次电阻，

    Lm是所述感应电机的激磁电感，

    r_m是所述感应电机的铁损电阻，以及

    f是所述感应电机的供电频率。

最佳转差率和所述感应电机的转差率被比较，从而确定一个电压控制的变量，所述变量用于形成磁通指令，用于使所述感应电机在提供最高效率的最佳转差率下运行。

此外，按照本发明，提供一种用于逆变器控制的感应电机的控制装置，包括用于检测所述感应电机的转差率的装置，用于按照下式计算取决于所述感应电机常数和施加于所述感应电机的频率的提供最高效率的最佳转差率S_ηMAX的装置，

S_ηMAX＝r₂/Lm[r_m/2/π/(r₁＋r₂)]^1/2/(f)^1/2

其中r₁所述感应电机的一次电阻，

    r₂是所述感应电机的二次电阻，

    Lm是所述感应电机的激磁电感，

    r_m是所述感应电机的铁损电阻，以及

    f是所述感应电机的供电频率。

用于比较最佳转差率和所述感应电机转差率的比较器，以及用于根据比较结果计算电压控制的变量的装置，其中所述电压控制的变量用于形成磁通指令，用于使所述感应电机在提供最高效率的转差率下运行。

此外，用于感应电机的控制装置的特征在于，用于计算最佳转差率的装置通过计算最佳转差率S_ηMAX，(它是由电机常数和特定频率f₀确定的，)和施加的频率为f时的比(f₀/f)^1/2的乘积来计算在施加的频率下的最佳转差率S_f，并且其特征还在于用于计算电压控制的变量的装置通过计算比较结果和取决于电机的负载转矩和最佳转差率的增益系数K的乘积来确定电压控制的变量，并且增益系数K和电机转矩的指数函数成正比地增加，并和最佳转差率S_ηMAX成反比地增加。所述用于计算电压控制的变量的装置通过计算比较结果和取决于所述感应电机的负载转矩和最佳转差率的增益系数K的乘积来计算电压控制的变量。

按照本发明，不像在常规技术中那样间接地控制转差率来获得最高效率，也不在少量地改变逆变器输出电压的同时求取最低功率点。感应电机的转差率被直接地检测，把检测的转差率值和取决于电机常数以及运行频率的提供最高效率的最佳转差率值进行比较。然后使用基于比较结果的电压控制的变量来形成磁通指令，借以快速地控制转差率，使得即使在负载条件变化时或给定频率变化时也能获得最高效率。

图1是感应电机的L型等效电路；

图2是本发明的实施例的电路结构的方块图；

图3是在使用负载系数作为一个参数时最佳转差率Sf和增益系数K之间的关系曲线。

下面参照附图说明实施本发明的最佳方式。

图1表示本发明的实施例的感应电机的L型等效电路。

参见图1，标号V₁是相电压，I₁是一次电流，r₁是一次电阻，r₂是二次电阻，x是一次、二次电抗之和，g₀是激磁电导，b₀是激磁电纳，S是电机的转差率。其中复数符号由j表示，从等效电路可见，可以得到下式：

矢量I₁＝{1/(r₂/S＋r₁＋jx)＋g₀－jb₀}V₁    (1)

矢量I₂＝V₁/(r₂/S＋r₁＋jx)                (2)

矢量I_N＝(g₀－jb₀)V₁                      (3)

一次输入复数功率矢量pa₁由下式给出，其中电源的相数是m，矢量pa₁＝m×矢量I₁×V₁

＝m[(r₂/S＋r₁)/((r₂/S＋r₁)²＋x²)＋g₀

－j{x/((r₂/S＋r₁)²＋x²)＋b₀}V₁ ²          (4)因为由式4的实数部分给出一次输入功率，一次输入功率p₁＝{r₂/S＋r₁}/((r₂/S＋r₁)²＋x²)

＋g₀}m V₁ ²                                             (5)二次复数功率矢量pa2由下式给出矢量pa2＝m(矢量I2 V₁－I2²r₁)

＝m[(r₂/S)/((r₂/S＋r₁)²＋X²)

－j{x/((r₂/S＋r₁)²＋x²)}]V₁ ²                (6)因为由式6的实数部分给出二次输入功率，二次输入功率p₂＝{r₂/S/((r₂/S＋r₁)²＋x²)}m V₁ ²     (7)二次损失P₂₁＝mI2² r₂＝r₂/((r₂/S＋r₁)²＋x²)m V₁ ²    (8)机械损失P0＝p₂－P₂₁

＝r₂(1－S)/S/((r₂/S＋r₁)²＋x²)}mV₁ ²           (9)

效率η＝P0/p₁

＝r₂(1－S)/S/{r₂/S＋r₁＋g₀((r₂/S＋r₁)²＋x²)}  (10)

通过对表达式(10)的效率η用转差率S进行微分并使电机转差率S的值为0得到提供最高效率的转差率，该转差率S_ηMAX由下式给出：

S_ηMAX＝[r₂[g₀ ²{(r₁＋r₂)²＋x²}＋g₀(r₁＋r₂)]^1/2－

g₀r₂ ²]/[g₀{(r₁＋r₂)²＋x²－r₂ ²}＋r₁＋r₂]       (11)

因为式(11)仅是电机常数和频率的函数，所以只要频率被确定便不受负载和输入电压的影响。因而，如果电机被如此控制，使得维持最佳转差率S_ηMAX，便可以在最高效率下运行。

不过，为了从式(11)计算最佳转差率，必须知道电机常数。此外，即使知道电机常数，因为需要大量的计算，而进行这样复杂的计算对CPU是个极大的负担，因而是不实际的。因此，使用下面的近似。

因为在表达式(11)中，

g₀{(r₁＋r₂)²＋x₂}和g₀{(r₁＋r₂)²＋x²－r₂ ²}在大于1Hz的频率下比(r₁＋r₂)足够小，所以它们被忽略，因而式(11)可写成

S_ηMAX＝[r₂{g₀(r₁＋r₂)]^1/2－g₀r₂ ²}/(r₁＋r₂)    (12)

此外，因为在式(12)的分子中的r₂{g₀(r₁＋r₂)}^1/2远大于g₀r₂ ²，所以可以忽略，因而式(12)可写成

S_ηMAX＝r₂{g₀(r₁＋r₂)]^1/2

＝{r_m/2/π/(r₁＋r₂)}^1/2r₂/Lm/f^1/2

＝K0/f^1/2                                      (13)

(其中K₀＝{r_m/2/π/(r₁＋r₂)}^1/2r₂/Lm)具体地说，可以认为，最佳转差率S_ηMAX和频率的平方根的倒数成正比地增加。因而，如果当频率是额定频率f₀时的最佳转差率S_ηMAX已知，则在任意频率f下的最佳转差率S₁由下式计算：

S₁＝S_ηMAX(f₀/f)^1/2            (14)

下面参照表示本发明的一个实施例的电路结构的方块图说明本发明的实施例。图2表示本发明应用于矢量控制时的实施例。参见图2，标号1和5代表除法器，2是方根计算器，3是乘法器，4是频率-同步速度转换器，6是增益系数乘法器，7是滤波器。此外，标号φ_ref代表磁通指令(改变之前)，φ_out代表改变之后的磁通指令。标号S_ηMAX代表在额定频率下提供最高效率的转差率。近来矢量控制涉及自动调整功能，即使通过自动调整规定的额定转差率被用作提供最高效率的转差率S_ηMAX，也不会发生显著的误差。此外，标号f_n代表额定频率，f代表运行频率，N_fb代表速度反馈值。

下面说明本实施例的控制。

根据式(14)，在除法器1用运行频率f除频率f_n，由方根计算器2确定的除法结果的方根值在乘法器3乘以在额定频率下提供最高效率的转差率S_ηMAX，从而确定在运行频率下的最佳转差率S_f。

同时，在频率-同步速度转换器4，运行频率f乘以120/p(电机的极数)，从而确定同步旋转频率N_f，从同步旋转频率N_f减去速度反馈值N_fb而获得的值在除法器5除以同步频率N_f，从而确定电机的转差率S_det。从最佳转差率S_f减去电机的这个转差率S_det而获得的值在乘法器6乘以增益系数K，使所得之积通过滤波器，以便进行稳定控制，然后，从磁通指令φ_ref减去之，从而获得磁通指令φ_out。

当转差率S_det小于最佳转差率S_f时，因为磁通很小，所以通过改变输出电压进行控制使转差率S_det接近最佳转差率S_f。用这种方式，使电机运行在最高效率下。

增益系数K按下述方式确定。

当不进行节能控制时，可以利用输出电压V₁，转差率S₁，最高电机效率电压V₂和转差率S₂，并利用

K＝(V₁－V₂)(S₂－S₁)计算增益系数K。

因为V₁，V₂，S₁，和S₂随最佳转差率和额定运行时的负载而变化，所以K值必须被相应地改变。

当相对于最佳转差率和负载系数的系数K的值使用0.4-55kw的电机被计算时，研究了它们之间的关系，系数K的值和最佳转差率成反比地增加，但和负载系数呈指数关系。在由曲线表示时，获得了如图3所示的系数K。在图3中，横轴代表最佳转差率(％)，纵轴是增益系数K，以负载系数(％)为参数。

在这种情况下，增益系数K的值是K＝15480exp(-0.696T_L)/S_ηMAX，其中T_L是负载转矩。

Claims (5)

1.一种用于控制逆变器控制的感应电机运行在对电机提供最高效率的最佳转差率的控制方法，所述最高效率的计算依赖于所述感应电机的常数和施加于所述感应电机的频率，其特征在于：

检测所述感应电机的所述转差率；

所述最佳转差率S_ηMAX由下述公式计算：

S_ηMAX＝r₂/Lm[r_m/2/π/(r₁＋r₂)]^1/2/(f)^1/2

其中r₁所述感应电机的一次电阻，

    r₂是所述感应电机的二次电阻，

    Lm是所述感应电机的激磁电感，

    r_m是所述感应电机的铁损电阻，以及

    f是提供给所述感应电机的频率，

将所述最佳转差率和所检测的电机的转差率进行比较，从而确定一个电压控制的变量，所述变量用于形成磁通指令，用于使所述感应电机在提供最高效率的最佳转差率下运行，所述最佳转差率提供所述感应电机的最高效率。

2.一种用于逆变器控制的感应电机的控制装置，所述控制装置包括一个用于利用下述公式计算取决于所述感应电机的常数和施加于提供最高效率的所述感应电机的频率的的最佳转差率的装置，其特征在于：所述控制装置还包括：

一个用于检测所述电机的所述转差率的装置；

一个用于计算取决于所述感应电机的常数和施加于提供最高效率的所述感应电机的频率的的装置，所述最佳转差率S_ηMAX由下述公式计算：

S_ηMAX＝r₂/Lm[r_m/2/π/(r₁＋r₂)]^1/2/(f)^1/2

其中r₁所述感应电机的一次电阻，

    r₂是所述感应电机的二次电阻，

    Lm是所述感应电机的激磁电感，

    r_m是所述感应电机的铁损电阻，以及

    f是提供给所述感应电机的频率，

一个用于比较最佳转差率和检测到的所述感应电机的转差率的比较器；以及

一个用于根据比较结果计算电压控制的变量的计算装置，其中所述电压控制的变量用于形成磁通指令，用于使所述感应电机在提供最高效率的最佳转差率下运行。

3.如权利要求2所述的用于控制感应电机的装置，其特征在于：用于计算在运行频率下的最佳转差率S_f的装置是通过计算由电机常数和特定频率f₀确定的最佳转差率S_ηMAX和运行频率为f时的比(f₀/f)^1/2的乘积来计算最佳转差率S_f的。

4.如权利要求2所述的用于控制感应电机的装置，其特征在于：其中所述用于计算电压控制的变量的装置通过计算比较结果和取决于所述感应电机的负载转矩和最佳转差率的增益系数K的乘积来计算电压控制变量。

5.如权利要求2所述的用于控制感应电机的装置，其特征在于：其中增益系数K和电机转矩的指数函数成正比地增加，并和最佳转差率S_ηMAX成反比地增加，并且所述用于计算电压控制的变量的装置通过计算比较结果和取决于所述感应电机的负载转矩以及最佳转差率的增益系数K的乘积来计算电压控制的变量。

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