CN108683380B - 一种异步电机的节能控制方法 - Google Patents

一种异步电机的节能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步电机的节能控制方法，属于异步电机领域。该方法包括调整异步电机的转速为设定转速；获取异步电机的实时角速度；根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值；若检测到异步电机的转速变化值大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出电压；若检测到异步电机的转速变化值不大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出频率；根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行；解决了现在电机节能控制步骤复杂的问题；达到了既保证电机稳定运转又降低异步电机的功率，同时降低电能消耗和计算复杂程度的效果。

Description

一种异步电机的节能控制方法
技术领域
本发明实施例涉及异步电机领域，特别涉及一种异步电机的节能控制方法。
背景技术
异步电机由于结构简单、高可靠性等优点是我国广泛应用的电动机械之一。但是异步电机的耗能非常大，据统计，异步电机每年对我国电力的消耗达到全国总发电量的二分之一。
异步电机的工作原理为利用旋转磁场和旋转磁场在转子绕组内所产生的感应电流之间相互作用，产生电磁转矩来实现拖动功能。异步电机的电能损耗主要是指电动机的铁耗和铜耗，电动机的铁耗是指电动机在运转过程中，其定子和转子铁芯中产生的电流而发生的损耗，电动机的铜耗是指在电流通过电动机的铜线绕组时产生的损耗。在电压的负荷下降时，通过适当降低电源的电压来减少电动机的铁耗，当电压下降时电流随之下降，电动机的铜耗也降低，实现了异步电机节能。
相关技术中，采用调节功率因数的方法降低异步电机的能耗。比如，设置功率因数校正电路，通过微处理器控制功率因数校正电路工作，功率因数校正电路将整流滤波电路输入的电流校正成与输入电压相位相同且不失真的脉动直流，实现提高功率因数，降低异步电机的能耗的效果。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种异步电机的节能控制方法。该技术方案如下：
第一方面，提供了一种异步电机的节能控制方法，该方法包括：
调整异步电机的转速为设定转速；
获取异步电机的实时角速度；
根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值；
若检测到异步电机的转速变化值大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出电压；
若检测到异步电机的转速变化值不大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出频率；
根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行。
可选的，调整异步电机驱动器的输出电压，包括：
获取实时输出电流有效值；
根据实时输出电流有效值和前一次输出电压计算实时输出功率；
计算实时输出功率和前一次输出功率的功率差；
检测功率差是否大于零；
若检测到功率差大于零，则将输出电压调整为前一次输出电压；
若检测到功率不大于零，则根据功率差和前一次输出电压计算出实时输出电压，将输出电压调整为实时输出电压。
可选的，获取实时输出电流有效值，包括：
获取异步电机的A相电流和B相电流；
根据A相电流和B相电流计算出C相电流；
根据A相电流、B相电流和C相电流计算异步电机的α相电流和β相电流；
根据α相电流和β相电流计算出实时输出电流有效值。
可选的，调整异步电机驱动器的输出频率，包括：
根据PI算法计算异步电机驱动器的输出频率，输出频率等于设定转速与实际转速的比值和前一次输出频率之积；
其中，PI算法的输入值为角速度的设定值，PI算法的反馈值为异步电机的实时角速度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过调整异步电机的转速为设定转速，获取异步电机的实时角速度，根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值，当转速变化值大于预定值时，说明电压过低，电机的转矩不足，电机中的转速降低过多，可能会出现堵转现象，此时需要调整异步电机驱动器的输出电压来提高电机的转速，当转速变化值不大于预定值时，说明输出电压能够满足转速需求，此时通过调整输出频率提升电机的转速，以保证电机转速稳定；根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行；解决了现在电机节能控制步骤复杂的问题；达到了既保证电机稳定运转又降低异步电机的功率，同时降低电能消耗和计算复杂程度的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种异步电机的节能控制方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种异步电机的节能控制方法的控制逻辑图；
图3是根据另一示例性实施例示出的一种异步电机的节能控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的异步电机的节能控制方法的流程图。该异步电机的节能控制方法适用于三相异步电机的驱动器中。如图1所示，该异步电机的节能控制方法可以包括以下步骤：
在步骤101中，调整异步电机的转速为设定转速。
可选的，在异步电机开始运行时将异步电机的转速调整为设定转速。
可选的，在异步电机开始运行时通过调整异步电机驱动器的输出频率，将异步电机的转速调整为设定转速。
在步骤102中，获取异步电机的实时角速度。
可选的，通过编码器测量异步电机的角速度。
在步骤103中，根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值。
根据实时角速度计算出异步电机的实际转速。
异步电机的转速变化值为设定转速和实时转速之差。
预定值是预先设置的，比如预定值是设定转速的5％。
可选的，检测异步电机的转速的下降幅度是否超过5％。
若检测到异步电机的转速变化值大于预定值，则执行步骤104；若检测到异步电机的变化值不大于预定值，则执行步骤105。
在步骤104中，调整异步电机驱动器的输出电压。
当异步电机的转速变化值超过预定值时，表明电压下降造成异步电机驱动器的输出转矩不足，此时应该调整异步电机的输出电压，提高电机的转速以避免出现堵转现象。
调整后的输出电压用于令异步电机在达到设定转速的条件下，以最小功率运行，即令异步电机保持设定转速运行，且运行时消耗的功率最小，达到节能的效果。
可选的，输出电压的初始值是预先设置的。
在步骤105中，调整异步电机驱动器的输出频率。
当异步电机的转速变化值不超过预定值时，调整异步电机驱动器的输出频率，保持异步电机的转速稳定。
调整后的输出频率用于令异步电机保持设定转速稳定运转，且在设定转速下以最小功率运行，到达节能效果。
在步骤106中，根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行。
三相电桥与异步电机连接。
当调整异步电机驱动器的输出电压时，根据调整后的输出电压调整SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，电压空间矢量调制)输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行。当调整异步电机驱动器的输出频率时，根据调整后的输出频率输出SVPWM波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行。
综上所述，本发明实施例提供的异步电机的节能控制方法，通过调整异步电机的转速为设定转速，获取异步电机的实时角速度，根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值，当转速变化值大于预定值时，说明电压过低，电机的转矩不足，电机的转速降低过多，可能会出现堵转现象，此时需要调整异步电机驱动器的输出电压来提高电机的转速至设定转速，当转速变化值不大于预定值时，说明输出电压能够满足转速需求，此时通过调整输出频率提升电机的转速，以保证电机转速稳定；根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行；解决了现在电机节能控制步骤复杂的问题；达到了既保证电机稳定运转又降低异步电机的功率，同时降低电能消耗和计算复杂程度的效果。
在本发明实施例提供的异步电机的节能控制方法中，采用了速度闭环和功率闭环两个控制闭环，速度闭环用于根据三相异步电机的角度设定值和编码器测量的实时角速度计算、调节异步电机驱动器的输出频率，功率闭环用于根据三相异步电机的三相电流计算实时输出功率，以及计算、调节异步电机驱动器的输出电压，速度闭环和功率闭环的控制逻辑如图2所示。
请参考图3，其示出了本发明另一个实施例提供的异步电机的节能控制方法的流程图。该异步电机的节能控制方法适用于三相异步电机的驱动器中。如图3所示，该异步电机的节能控制方法可以包括以下步骤：
在步骤301中，调整异步电机的转速为设定值。
可选的，在异步电机开始运行时将异步电机的转速调整为设定转速。
可选的，在异步电机开始运行时通过调整异步电机驱动器的输出频率，将异步电机的转速调整为设定转速。
在步骤302中，获取异步电机的实时角速度。
编码器测量异步电机的角速度，并发送至异步电机电机驱动器。
在步骤303中，测量异步电机的A相电流和B相电流。
可选的，通过电流传感器测量异步电机的A相电流和B相电流。
可选的，电流采样频率为4kHz以上。
需要说明的是，步骤302和步骤303的执行互不影响，步骤302的执行根据角速度的实际采样频率确定，步骤303的执行根据电流传感器的实际采样频率确定，本发明实施例对步骤302和步骤303的执行先后顺序、执行次数不作限定。
在步骤304中，根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值。
该步骤在步骤103中进行了阐述，这里不再赘述。
若检测到异步电机的转速变化值大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出电压即执行步骤305；若检测到异步电机的转速变化值不大于预定值，则调整异步电机驱动器的输出频率即执行步骤311。
在步骤305中，获取实时输出电流有效值。
该步骤可由如下几个步骤实现：
1、获取异步电机的A相电流和B相电流。
获取电流传感器采集到的异步电机的实时A相电流ia和实时B相电流ib。
2、根据A相电流ia和B相电流ib计算出C相电流ic。
计算公式为：ia+ib+ic＝0。
3、根据A相电流ia、B相电路ib和C相电流ic计算异步电机的α相电流iα和β相电流iβ。
计算公式如下：
4、根据α相电流iα和β相电流iβ计算出实时输出电流有效值I。
计算公式为：
在步骤306中，根据实时输出电流有效值和前一次输出电压计算实时输出功率。
计算公式为：P＝U*I。
在步骤307中，计算实时输出功率和前一次输出功率的功率差。
计算公式为：ΔP＝P-P'。
其中，P表示实时输出功率，P'表示计算得到的前一次输出功率，ΔP为实时输出功率和前一次输出功率的功率差。
在步骤308中，检测功率差是否大于零。
若检测到功率差大于零，则表明电机的功率增加，需要降低电机的功率。
当检测到功率差大于零时，执行步骤309；当检测到功率差不大于零时，执行步骤310。
在步骤309中，将输出电压调整为前一次输出电压。
当检测到功率差大于零时，将输出电压调整为前一次输出电压。
在步骤310中，根据功率差和前一次输出电压计算出实时输出电压，将输出电压调整为实时输出电压。
先根据功率差计算电压差，计算公式为：ΔU＝-k*ΔP，k为大于0的常数。需要说明的是，k的值是根据实际情况确定的。
再根据电压差和前一次输出电压计算实时输出电压，计算公式为：U＝U'+ΔU，其中U表示实时输出电压，U'表示前一次输出电压。将输出功率调整为实时输出功率。
需要说明的是，异步电机驱动器的输出电压的初始值是预先计算并设置的。
需要说明的是，当异步电机的负载变化，测量到异步电机的转速发生时，需要重新计算输出电压。
在步骤311中，调整异步电机驱动器的输出频率。
当异步电机的转速变化值不大于预定值时，调整异步电机驱动器的输出频率。
可选的，根据PI算法计算异步电机驱动器的输出频率，输出频率等于设定转速与实际转速的比值和前一次输出频率之积，即计算公式为：f＝设定转速/实际转速*f1，其中f1表示前一次输出频率，f表示输出频率。
其中，PI算法的输入值为角速度的设定值，PI算法的反馈值为异步电机的实时角速度。
异步电机的实时角速度是编码器测量得到的。
调整后的输出频率用于令异步电机保持设定转速稳定运转，且在设定转速下以最小功率运行，到达节能效果。
在步骤312中，根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行。
该步骤在步骤106中进行了阐述，这里不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的异步电机的节能控制方法，通过调整异步电机的转速为设定转速，获取异步电机的实时角速度，根据实时角速度检测异步电机的转速变化值是否大于预定值，当转速变化值大于预定值时调整异步电机驱动器的输出电压，当转速变化值不大于预定值时调整异步电机驱动器的输出频率；根据输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动异步电机在设定转速下以最小功率运行；解决了现在电机节能控制步骤复杂的问题；达到了既保证电机稳定运转又降低异步电机的功率，同时降低电能消耗和计算复杂程度的效果。
对于异步电机来说，异步电机驱动器的输出电压即异步电机的输入电压增高时电流会相应增大，异步电机驱动器的输出电压降低可以降低电机电流，实现降低电机功率的目的，但是异步电机驱动器的输出电压决定了异步电机电机的转矩，如果电压过低，电机的转矩不足导致电机的转速降低，当转矩过低时还会产生堵转现象，电能不能转换为动能，电能全部转换为热能，电流迅速上升，导致电机驱动器发生过流故障。本发明实施例利用VF(电压频率)控制，根据异步电机的转速的变化值调整异步电机驱动器的输出频率或输出电压，找到保证异步电机转速稳定的条件下，能够降低异步电机的功率，达到节能效果的电机驱动器的输出电压。
由于本发明提供的异步电机的节能控制方法的计算更加简单，异步电机驱动器可以不使用高端的控制芯片，降低了成本；比如，异步电机驱动器使用的控制芯片为ST公司的低端芯片STM32F030C8T6。
需要说明的是，本发明对使用该异步电机的节能控制方法的异步电机驱动器的控制芯片的型号不做限定，本发明实施例仅为举例说明。
需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种异步电机的节能控制方法，其特征在于，所述方法包括：
调整异步电机的转速为设定转速；
获取所述异步电机的实时角速度；
根据所述实时角速度检测所述异步电机的转速变化值是否大于预定值；
若检测到所述异步电机的转速变化值大于所述预定值，则调整异步电机驱动器的输出电压；
若检测到所述异步电机的转速变化值不大于所述预定值，则调整所述异步电机驱动器的输出频率，包括：根据PI算法计算所述异步电机驱动器的输出频率，输出频率等于所述设定转速与实际转速的比值和前一次输出频率之积；其中，所述PI算法的输入值为角速度的设定值，所述PI算法的反馈值为所述异步电机的实时角速度；
根据所述输出电压或输出频率调整SVPWM输出波形，控制三相电桥驱动所述异步电机在所述设定转速下以最小功率运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整所述异步电机驱动器的输出电压，包括：
获取实时输出电流有效值；
根据所述实时输出电流有效值和前一次输出电压计算实时输出功率；
计算所述实时输出功率和前一次输出功率的功率差；
检测所述功率差是否大于零；
若检测到所述功率差大于零，则将输出电压调整为前一次输出电压；
若检测到所述功率不大于零，则根据所述功率差和前一次输出电压计算出实时输出电压，将所述输出电压调整为实时输出电压；其中，所述根据所述功率差和前一次输出电压计算出实时输出电压包括：根据所述功率差计算电压差，计算公式为：ΔU＝-k*ΔP，k为大于0的常数，ΔP为所述功率差，ΔU为所述电压差，再根据所述电压差和所述前一次输出电压计算所述实时输出电压，计算公式为：U＝U'+ΔU，其中U表示所述实时输出电压，U'表示所述前一次输出电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取实时输出电流有效值，包括：
获取所述异步电机的A相电流和B相电流；
根据所述A相电流和所述B相电流计算出C相电流；
根据所述A相电流、所述B相电流和所述C相电流计算所述异步电机的α相电流和β相电流；
根据所述α相电流和所述β相电流计算出实时输出电流有效值。
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