CN1089503C - 感应电动机的速度控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种控制设备，有助于当由于连续驱动负载的感应电动机中的温度升高引起了滑差频率变化时，将感应电动机的旋转速度保持在预定值。用于将高压电就的速度控制在预定值，并包含用于驱动不具有速度传感器的变换器3的控制设备包含：电流检测器2，用于检测感应电动机的电流；第一坐标变换器4，用于将由电流检测器2检测到的电流分解为激励电流分量和负载电流分量；滑差值计算器8，用于根据负载电流分量计算感应电动机的滑差角频率；校正值计算器9，用于响应于激励电流的分量的变化，计算感应电动机滑差角频率的校正值；倍增器10，用于用校正值计算器9中计算出的校正值校正滑差值计算器8中算出的滑差角频率；以及加法器11，用于根据校正的滑差角频率计算参考初级角频率；电压矢量计算器7，根据参考初级角频率计算参考电压值；以及次级坐标变换器5，用于将计算出的参考电压值馈送到变换器3。

Description

感应电动机的速度控制设备

本发明涉及一种用于控制由PWM转换器驱动的感应电动机的速度的控制设备，以及这种转换器。更具体地说，本发明涉及以一定的值控制感应电动机速度的控制设备。

感应电动机(下面有时就泛称“感应机”或“机器”)的速度是通过补偿由产生的扭矩或与产生的扭矩成比例的信号得到的滑差进行控制的。在通过这种方式控制感应电动机的速度时，感应电动机的速度有时在连续负载驱动中由于机械常数变化而变化。或者，不包括任何的速度传感器的感应电动机的速度由所谓的无传感器转移矢量控制方法控制。在用这种方法控制感应电动机的速度时，感应电动机的速度有时还在连续的负载驱动中也由于机械常数的变化而变化。

当感应电动机连续驱动一负载时，定子绕组和转子导体的阻抗值随感应电动机的温度升高而增加。由于这一点，在控制设备中设置的机械常数和实际的机械常数之间产生偏差，并且感应电动机的速度改变。

下面将根据感应机电压和电流的方程式解释这些问题。使用d-q旋转坐标的感应机的电压方程式由下面的公式(1)描述。这里，d轴是设置在旋转磁场的磁通轴上的坐标轴，而q轴是垂直于d轴的坐标轴。 $\left[\begin{array}{c}{v}_{1d}\\ v_{1q}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1+r_2+p\·\mathrm{I\σ}& -\mathrm{\ωI\σ}& -1/{\mathrm{\τ}}_2& -{\mathrm{\ω}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_1\·\mathrm{I\σ}& r_1+r_2+p\·\mathrm{I\σ}& {\mathrm{\ω}}_2& -1/{\mathrm{\τ}}_2\\ -r_2& 0& p+1/{\mathrm{\τ}}_2& {\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1\\ 0& -r_2& {\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2& p+1/{\mathrm{\τ}}_2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{1d}\\ i_{1q}\\ {\mathrm{\φ}}_{2d}\\ {\mathrm{\φ}}_{2q}\end{array}\right]---\left(1\right)$

这里，r₁是定子绕组的阻抗值，r₂是转子导体的阻抗值，1σ是漏磁电感，ω1是初级角频率(施加频率)， ω2是次级角频率(转子的旋转速度)，τ₂＝I_m/τ₂(I_m是激励电感)，v_1d是初级电压的d轴分量，v_1q是初级电压的q轴分量，i_ld是初级电流的d轴分量(激励电流分量)，i_lq是初级电流的q轴分量(负载电流分量)，φ_2d是次级磁通量的d轴分量，φ_2q是次级磁通量的q轴分量，p是微分算子。

如果假定在静止状态中感应电动机磁通量的轴是在d轴上，则φ_2d将是恒定的，φ_2q是零，而p将是零。重新写公式(1)得到如下公式(2)到(5)。

ω_s1＝ω₁-ω₂＝r₂(i_lq/φ_2d)                  (2)

这里， ω_s1是滑差角频率(下面称为“滑差值”)。

φ_2d＝Im·i_ld                                     (3)

v_1d＝r₁·i_ld-ω₁·1σ·i_lq                    (4)

v_1q＝r₁·i_lq+ω₁·1σ·i_ld+ω₁φ_2d          (5)

如公式2指出的，滑差值 ω_s1随转子导体阻抗值r₂变化而变化。当定子绕组阻抗值r₁变化时，初级电流i_ld的d轴分量在v_1d为常数时如公式(4)变化，这导致了公式(3)右侧的变化。公式(3)的右侧得到的变化改变了公式(2)的右侧上的分母，这还导致了滑差值ω_s1的变化。

简而言之，定子绕组和转子导体的阻抗值的变化引起滑差值变化，进而引起感应电动机旋转速度变化。

考虑到上述的因素，本发明的一个目的是提供控制设备，通过适当的馈送在定子绕组和转子导体的阻抗值中由于连续驱动负载的感应电动机中温度的升高引起的变化至机械常数，促使感应电动机的旋转速度保持在预定值。

当转换器将初级电压的d轴分量(其由漏磁电感1σ引起的交叉项(cross term)被补偿)馈至感应电动机时，可以认为公式(4)的右侧次级项补偿为零)。由此，由下面的公式(6)给出转换器产生的初级电压的参考的d轴分量v_id*。

v_1d*＝r₁·i_ld                                     (6)

另一方面，初级电压的参考d轴分量是恒定的，这是由于它是根据设置在控制设备中的常数计算的。换句话说，当定子绕组的阻抗值r₁变化时，初级电流的d轴分量i_1d变化。将定子绕组和转子导体装入同一结构。因此，如果假定定子绕组和转子导体的温度升高的速度相同，则初级电流d轴分量i_ld的变化可以认为是转子导体r₁的阻抗值r₁的变化。

现在，将描述根据本发明的第一实施例。

如果认为初级电压的参考d轴分量v_1d*是恒定的，并对定子绕组r₁(1)阻抗值将初级电流的d轴分量输入i_ld(1)，和对定子绕组r₁(2)阻抗值将初级电流的d轴分量输入i_ld(2)，从上述公式(6)将得到下面的公式(7)。

v_1d＝r₁(1)·i_ld(1)＝r₁(2)·i_ld(2)               (7)

通过变形公式(7)，从下面的公式(8)得到r₁(1)和r₁(2)的比例。如公式(8)所指出的，定子绕组的阻抗值的比从电流比得到。

r₁(2)/r₁(1)＝i_ld(1)/i_ld(2)                       (8)

如果另外假定定子绕组的阻抗值r₁和转子导体的阻抗值r2相互成比例的变化，则将得到下面的公式(9)。

r₁(2)/r₁(1)＝r₂(2)/r₂(1)＝i_ld(1)/i_ld(2)         (9)

这里，i_ld(1)是当转子导体的阻抗值是r₂(1)时初级电流的d轴分量，而i_ld(2)是当转子导体的阻抗值是r₂(2)时，初级电流的d轴分量。

通过将公式(3)和(6)替代到描述滑差值的公式(2)中，并重新写公式(2)，得到下面的公式(10)。

ω_s1＝r₂·(i_lq/φ_2d)＝r₂·i_lq/(l_m·i_ld)＝r₂·i_lq/[l_m·(v_1d ^*/r₁)]

     ＝r₁·r₂·i_lq/(l_m·v_1d ^*)                   (10)

如果对阻抗值r₁(1)和r₂(1)将初级电流的d轴分量代入i_ld(1)，并将滑差值代入ω_s1(1)，并将初级电流的d轴分量代入i_ld(2)，并对阻抗值r₁(2)和r2(2)将滑差值代入ω_s1(2)，将通过下面的等式(11)得到滑差值 ω_s1(1)，并通过下面的等式(12)得到滑差值 ω_s1(2)。

ω_s1(1)＝r₁(1)·r₂(1)·[i_lq/(1m·v1d*)]          (11)

ω_s1(2)＝r₁(2)·r₂(2)·[i_lq/(1m·v1d*)]          (12)

通过由公式(11)和(12)得到滑差值比，并通过将滑差值比代入公式(9)，得到下面的公式(13)。

ω_s1(2)/ω_s1(1)＝(r₁(2)/r₁(2))·(r₂(2)/r₂(1))

               ＝(i_ld(1)/i_ld(2))·(i_ld(1)/i_ld(2))

               ＝(i_ld(1)/i_ld(2))²                 (13)

由此，通过从公式13得到的值补偿滑差值，以将感应电动机的速度保持在某一值。

现在描述本发明的次级实施例。

如上所述，滑差值 ω_s1由公式(2)给出。如果公式(2)中的φ_2d保持在某一值，则从下面的公式(14)得到滑差值的比，这是由于公式(11)和(12)右侧上的第一和第三项分别相等。

ω_s1(2)/ω_s1(1)＝(r₂(2)/r₂(1))＝(i_ld(1)/i_ld(2))(14)

由此，通过根据公式(14)补偿滑差值 ω_s1，将感应电动机的速度保持在某一值。然后，将描述将φ_2d保持在某一值的方法。

考虑公式(3)和(6)，次级磁通量φ_2d由下面的公式(15)描述。

φ_2d＝l_m·i_ld＝1_m·(v_1d*/r₁)             (15)

通过将r₁(1)和r₂(1)的初级电流的d轴分量代入i_ld(1)，将r₁(1)和r₂(1)的初级电压的参考d轴分量代入v_1d*(1)，将r₁(2)和r₂(2)的初级电流d轴分量代入i_id(2)，并将r₁(2)和r₂(2)的初级电压的参考d轴分量代入v_1d*(2)，得到初级电压的参考d轴分量v_1d*的关系的表达式。

首先，r₁(1)和r₂(1)的次级磁通量φ_2d(1)由下面的公式(16)表示，而r₁(2)和r₂(2)的次级磁通量φ_2d(2)由下面的公式(17)表示。

φ_2d(1)＝l_m·i_ld(1)＝l_m·(vld*(1)/r₁(1))         (16)

φ_2d(2)＝l_m·i_ld(2)＝l_m·(vld*(2)/r₁(2))         (17)

当v_1d*(1)/r₁(1)＝v_1d*(2)/r₁(2)，次级磁通量φ_2d(1)和φ_2d(2)相互等同。通过使上述公式变形，并引入公式(9)，得到下面的公式(18).

v_1d*(2)/v_1d*(1)＝r₁(2)/r₁(1)＝i_ld(1)/i_ld(2)      (18)

由此，将次级磁通量保持在某一值，并通过根据公式(18)补偿定子绕组的阻抗值的变化来补偿滑差值。

如上所解释的，由于定子绕组和转子导体的阻抗值的变化通过检测的激励电流的变化是可以检测的，并且根据测出的激励电流的变化控制设备中所设置的常数是可校正的，故即使由于连续驱动负载而使感应电动机的温度升高，也可将感应电动机的旋转速度控制在恒定值。

根据本发明的第三和第四实施例是分别以第一和次级实施例的原理为基础的。第三和第四实施例滑差值计算器结构分别不同于第一和次级实施例，这将在下面进行描述。

现在，将参照描述本发明的较佳实施例的附图解释本发明。在所有这些图中，相同的部分由相同的标号指出，并且为了简便起见，省略了对它们的重复的解释。

图1是根据本发明的第一实施例的用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

图2是根据本发明的次级实施例的用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

图3是根据本发明的第三实施例的用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

图4是根据本发明的第四实施例的用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

图1是根据本发明的第一实施例，用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。现在参照图1，标号1指感应电动机，标号2指电流检测器，而3指驱动感应电动机的PWM转换器。

由电流检测器2检测的电流被馈送到第一坐标变换器4。第一坐标变换器4将馈送电流分解为初级电流的d轴分量i_d1和q轴分量i_q1。d轴分量idl输入到第一校正值计算器9，q轴分量i_q1输入到滑差值计算器8。滑差值计算器8中使用公式(2)由初级电流的q轴分量i_q1转换的滑差值以及从第一校正值计算器9输出的值在倍增器10中倍增。倍增器10中倍增的结果被输入加法器11，作为校正的滑差值ω_s1。

第一校正值计算器9(其中初级电流的d轴分量i_d1输入到该计算器9)相应于定子绕组或转子导体阻抗值的变化，用公式(13)计算滑差值的比例，作为校正值。通过在倍增器10中倍增校正值和从滑差值计算器8馈送来的滑差值，根据初级电流的d轴分量i_d1校正滑差值ω_s1

加法器11通过对参考次级角频率ω₂*与校正的滑差值ω_s1相加，计算参考初级角频率ω₁*。参考初级角频率ω₁*被馈送到电压矢量计算器7和积分器6。

电压矢量计算器7计算初级电压的d轴和q轴分量，并将计算得到的d轴和q轴分量送到第二坐标变换器5作为参考值v_id*和v_iq*。定子绕组阻抗的参考值r₁*也输入到电压矢量计算器7。

积分器6根据参考初级角频率ω₁*计算参考矢量位置，并将计算得的参考矢量位置馈送到第一坐标变换器4和次级坐标变换器5。

次级坐标变换器5根据初级电压的参考d轴分量v_1d*、初级电压的参考q轴分量v_1q*以及参考矢量位置，计算变换器的输出电压。次级坐标变换器5将计算的结果馈送到PWM变换器3，使PWM变换器3产生AC电压。感应电动机1由AC电压驱动，所述AC电压从PWM变换器3中输出。感应电动机1的电流由电流检测器2检测。

图2是根据本发明的次级实施例的用于控制感应电动机的速度的控制设备的方块图。

现在参照图2，将初级电流的d轴分量i_d1输入到次级校正值计算器12中，该计算器12的输出被输入到倍增器10和倍增器13中。倍增器13倍增次级校正值计算器12的输出以及定子绕组阻抗的参考值r₁*。倍增器13将倍增结果馈送到电压矢量计算器7。

次级校正值计算器12根据公式14和18，用初级电流i_d1的d轴分量的状态，分别计算滑差值(转子导体的阻抗值)和定子绕组的阻抗值的校正值。

滑差值校正值输入至倍增器10以校正滑差值，将定子绕组的阻抗校正值输入倍增器13，以校正定子绕组的设置的阻抗值r₁*。

图3是根据本发明的第三实施例的用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

现在参照图3，扭矩计算器14由初级电压v_d1*的参考d轴分量、初级电压v_q1*的参考q轴分量、初级电流i_d1*的参考d轴分量、初级电流i_q1*的参考q轴分量、定子绕组r₁*的设置的阻抗值、以及参考初级角频率ω₁*，计算感应电动机中产生的扭矩。将产生的扭矩输入滑差值计算器8，以用滑差扭矩特性得到滑差值。然后，用第一校正值计算器9的输出校正滑差值。

图4是根据本发明的第四实施例，用于控制感应电动机速度的控制设备的方块图。

图4的控制设备包含图3的扭矩计算器14，它被加到图2的控制设备组成的元件。计算滑差值计算器8中的滑差值的方法与第三实施例相同。

计算滑差值(转子导体的阻抗值)的校正值与定子绕组的阻抗值的校正值的方法与次级实施例相同。

根据第四实施例，滑差值(转子导体的阻抗值)根据感应电动机1中产生的扭矩校正，并且定子绕组的阻抗值根据初级电流i_d1的d轴分量校正。

如上所述，根据本发明，由于定子绕组和转子导体的阻抗值的变化根据初级电流(激励电流分量)的d轴分量的变化校正，故即使由于其连续的负载驱动引起温度升高，也可以将无传感器的感应电动机的旋转速度保持在某一个值。

Claims (4)

1.一种控制设备，包含变换器，用于驱动不具有速度传感器的感应电动机，控制设备将感应电动机的速度控制在预定值，其特征在于，所述控制设备包含：

检测装置，用于检测感应电动机的电流；

分解装置，用于将由检测装置检测到的电流分解为激励电流分量和负载电流分量；

滑差值计算装置，用于根据负载电流分量计算感应电动机的滑差角频率；

校正值计算装置，用于响应于激励电流分量的变化，计算感应电动机的滑差角频率的校正值；

校正装置，用于用在校正值计算装置中算出的校正值，校正在滑差值计算装置中算出的滑差角频率；

参考频率计算装置，用于根据在校正装置中校正过的滑差角频率，计算参考初级角频率；及

参考电压计算装置，用于根据参考初级角频率计算参考电压值，并将计算的参考电压值馈送到变换器。

2.一种控制设备，包含变换器，用于驱动不具有速度传感器的感应电动机，控制设备将感应电动机的速度控制在预定值，其特征在于，所述控制装置包含：

检测装置，用于检测感应电动机的电流；

分解装置，用于将由检测装置检测的电流分解为激励电流分量和负载电流分量；

滑差值计算装置，用于根据负载电流分量计算感应电动机的滑差角频率；

校正值计算装置，用于响应于激励电流分量的变化，计算定子绕组的阻抗的第一校正值和感应电动机的滑差角频率的次级校正值；

第一校正装置，用于使用第一校正值校正定子绕组的阻抗值；

第二校正装置，用于使用次级校正值校正滑差值计算装置中计算得到的滑差角频率；

参考频率计算装置，用于根据在第二校正装置中校正的滑差角频率，计算参考初级角频率；及

参考电压计算装置，用于根据参考初级角频率和校正的定子绕组的阻抗值，计算参考电压值，并将计算到的参考电压值馈送到变换器。

3.一种控制设备，包含变换器，用于驱动不具有速度传感器的感应电动机，控制设备将感应电动机的速度控制在预定值，其特征在于，所述控制设备包含：

检测装置，用于检测感应电动机的电流；

分解装置，用于将由检测装置检测到的电流分解为激励电流分量和负载电流分量；

滑差值计算装置，用于根据感应电动机中产生的扭矩，计算感应电动机的滑差角频率；

校正值计算装置，用于响应于激励电流分量的变化，计算感应电动机的滑差角频率的校正值；

校正装置，用于使用校正值计算装置中计算的校正值校正滑差值计算装置中计算出的滑差角频率；

参考频率计算装置，用于根据在校正装置中校正的滑差角频率，计算参考初级角频率；

参考电压计算装置，用于根据参考初级角频率计算参考电压值，并将计算到的参考电压馈送到变换器；及

扭矩计算装置，用于根据参考电压值、激励电流分量、负载电流分量、定子绕组的阻抗值和参考初级角频率，计算感应电动机中引起的扭矩。

4.一种控制设备，包含变换器，用于驱动不具有速度传感器的感应电动机，控制设备将感应电动机的速度控制在预定值，其特征在于，所述控制设备包含：

检测装置，检测感应电动机的电流；

分解装置，将由检测装置检测的电流分解为激励电流分量和负载电流分量；

滑差值计算装置，根据感应电动机中引起的扭矩计算感应电动机的滑差角频率；

校正值计算装置，响应于激励电流分量的变化，计算定子绕组的阻抗的第一校正值和感应电动机滑差角频率的次级校正值；

第一校正装置，用于使用第一校正值校正定子绕组的阻抗；

第二校正装置，用于使用次级校正值校正滑差值计算装置中算出的滑差角频率；

参考频率计算装置，用于根据第二校正装置中校正的滑差角频率计算参考初级角频率；

参考电压计算装置，用于根据参考初级角频率和校正的定子绕组阻抗值计算参考电压值，并将计算的参考电压值馈到变换器；和

扭矩计算装置，根据参考电压值、激励电流分量、负载电流分量、定子绕组的阻抗值以及参考初级角频率计算感应电动机中产生的扭矩。

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