CN1291546C - 感应电动机的转速搜寻装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于感应电动机的转速搜寻装置，包括：电压控制单元，用于比较电机的额定电流与检测到的电机电流，并生成输出电压；频率控制单元，用于比较电机参考激励电流与测得的电机激励电流，并生成输出频率。在大负载情况下，降低输出频率。于是，电机的滑差率移动至产生最大扭矩的滑差率，使得感应电机能够启动。如果工作中电机的速度大于目标频率，则降低输出频率，使得即使在电机的再生区也能操作电机。

Description

感应电动机的转速搜寻装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于感应电动机的转速搜寻装置及其方法，更准确地说，涉及利用电机中的实际电流提高变频器的电压，从而可以在任何情况下最佳地将变频器的输出电压提高至目标电压的感应电动机转速搜寻装置及其方法。

背景技术

通常，当感应电机通过变频器驱动时，变频器经常需要在感应电机正被驱动的时候启动(例如，在瞬时掉电、故障后重新启动的情况下，或者在感应电机并行地连接到同一负载的情况下)。在这种情况下，为了通过变频器驱动感应电机而不引起任何过度情况，应该对应于感应电机的转速，按照V(额定电压)/F(额定频率)的比值适当地将电压和频率由变频器输入至电机。

现在，参考图1描述一种通过控制变频器的输出电压和输出频率而使变频器正常运行的感应电机转速搜寻装置和方法。

图1是传统的用于感应电机的转速搜寻装置的框图。

首先，如果感应电机的电动机正常加速，则频率发生器11接收到相应于用户输入的目标频率。然后频率发生器11生成在预设加速时间内具有斜坡波形的频率作为目标频率并输出。

频率发生器11输出的频率在输出频率转换器13中转换为适合生成PWM信号的频率，并输入至PWM(脉宽调制)发生器15。

频率发生器11输出的频率输入至电压发生器12，然后在输出电压转换器14中转换为具有适于生成PWM信号的频率的电压，并输入至PWM发生器15。输入到输出电压转换器14中的电压值为(输入频率×(V/F))。

然后，为了启动感应电机，PWM发生器15接收输出电压和输出频率以生成PWM信号，并输出PWM信号至电机，使之启动。

当电机通过上述方法正常启动时，V/F比值保持稳定。

如前所述，转速搜寻方法意味着在电机由于异常情况，如瞬时掉电的情况下，电机转速不为“0”的状态下，搜寻电机转速并启动电机。

现在具体描述异常情况下的电机速度搜寻方法。

首先，如果出现了在异常情况下要搜寻电机速度的情况，把目标频率直接输入PWM发生器15而不通过频率发生器11，如‘b’所示。也就是说，如果用户指令，即目标频率是60Hz，则输出频率成为60Hz。这时，假设与60Hz相适配的220V施加于电机(即仅仅对于220V级的电机)，如果电机以约60Hz的频率运行，则没有问题。但是如果电机转速由于电源故障或类似问题而放慢，200V电压直接施加在其上，由变频器流至电机的过量电流可以损坏电机。

于是，为了解决这个问题，在现有技术中，当发生问题时，即使输出频率是60Hz，输出电压也被控制为由“0”逐渐升高，使得可以在一定的加速时间后将220V电压施加于电机。

图2A～2C显示了搜寻感应电机转速的操作间隔。

如图所示，搜寻感应电机转速的操作间隔分为三种情况：第一种情况是电机工作时发生电源故障，然后恢复电源(图2A)；第二种情况是公共电力切断，然后电机重新工作(图2B)；第三种情况是旋转中的电机提升至一个目标转速(图2C)。

以这种方式，通过控制变频器输出的电压和频率而进行感应电机速度搜寻，使得变频器可以在电机转速未知的状态下正常操作。

图3A和3B显示了现有技术中简单地控制变频器的输出电压来搜寻感应电机转速的方法。

如图所示，变频器的输出频率一直保持为某个目标频率(图3A)，而变频器的输出电压在一定的加速时间内以某一斜率提高，直至达到一个目标电压(图3B)。

假设变频器的输出电压是“n”，可以这样表示：输出电压(n)＝特定时间之前的输出电压(n-1)+dv(dv＝目标电压/加速时间)。输出电压在一定的加速时间内以一定斜率从“0”提高至目标电压。

然而在现有技术中，变频器的输出频率固定为常值，仅利用输出电压来搜寻并控制感应电机的速度，这具有以下问题。

首先，在负载具有强大惯性时，如果加速时间过短，将出现过载跳闸，而且在大负载时，如果延长加速时间，则电机速度会降至“0”。于是，用户需要直接设置感应电机的加速时间。

另外，在大负载的情况下，施加到电机上的变频器输出频率变为目标频率，而且电机的滑差率接近“0”，产生很小的扭矩，使得感应电机不能合适地启动。

此外，如果目标频率比感应电机的当前运行速度慢，则感应电机处于再生区。于是不能用变频器简单电压控制方法来操作感应电机。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种在任何情况下都可以驱动感应电动机而不引起变频器过度调节的感应电动机转速搜寻装置及其控制方法。

为了实现这些以及其他优点，根据本发明的目的，正如这里实施且广泛描述的，提供了一种感应电动机的转速搜寻装置，包括：电压控制单元，用于比较电机的额定电流和从电机中检测到的电机电流，并生成输出电压；频率控制单元，用于比较电机的参考激励电流和从电机中检测到的激励电流，并生成输出频率，其中，所述频率控制单元包括：第三比较器61，用于将对应于电机的参考激励电流的频率与对应于从电机中检测到的激励电流的频率进行比较；PI控制器，用于对来自第三比较器的输出频率进行PI操作，并将其输出；第四比较器63，用于将从PI控制器输出的输出频率与目标频率进行比较，并输出比较值；和输出频率选择器，用于比较对应于电压控制单元的输出电压的频率和来自第四比较器63的比较值，并选择较大的频率作为所述输出频率。

在本发明的转速搜寻装置中，电压控制单元包括：第一比较器，用于比较对应于额定电流的频率和对应于检测到的电机电流的频率；输出电压发生器，用于将来自第一比较器的输出乘以一个常数，以提高或降低所比较的频率的增速，并通过V/F控制而生成最终的输出电压；第二比较器，用于通过累计特定时刻之前的对应于输出电压的频率与对应于额定电流及检测到的电流的频率，从而进行前馈控制。

根据本发明，还提供了一种用于感应电动机的转速搜寻方法，包括：电压控制步骤，其中将电机的额定电流与从电机中检测到的电流进行比较，以生成输出电压；频率控制步骤，其中将电机的参考激励电流与从电机中检测到的激励电流进行比较，以生成输出频率；输出频率选择步骤，其中将对应于电压控制步骤的输出电压的频率和电压控制步骤的输出频率进行比较，选择较大的频率作为最终输出频率；和将最终输出频率转换为PWM信号，并输入电机使其启动的步骤。

由以下的详细说明，结合附图，可以更清楚地理解本发明的上述及另外的目的、特征、方面及优点。

附图说明

附图帮助更好地理解本发明，并在此结合构成本申请的一部分，附图说明本发明的实施例并和说明书一起解释本发明的原理，附图中：

图1是说明现有技术中感应电动机的转速搜寻装置的示意框图；

图2A至2C显示了搜寻感应电动机转速的操作间隔；

图3A和3B显示了现有技术中简单地控制变频器的输出电压而搜寻感应电机转速的方法；

图4是本发明的转速搜寻装置的示意框图；

图5A和5B显示了本发明的图4所示电压控制单元的操作；

图6显示了本发明的图4所示频率控制单元和输出频率选择器的操作；和

图7显示了本发明的确定输出频率选择器的输出频率的方法。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明的实施例。

图4是本发明的转速搜寻装置的示意框图。

如图所示，本发明的转速搜寻装置包括：电压控制单元43，用于比较电机的额定电流与从电机中检测到的电流，并生成输出电压；频率控制单元44，用于比较电机的参考激励电流与从电机中检测到的激励电流，并生成输出频率；输出频率选择器64，用于比较对应于电压控制单元43的输出电压的频率与频率控制单元44的输出频率，并选择最终的输出频率。

电压控制单元43包括：第一比较器51，用于比较对应于额定电流的频率和对应于测得的电机电流的频率；输出电压发生器52，用于将比较值乘以一个常数，以提高或降低所比较的频率的提高速度，并通过V/F控制生成最终的输出电压；以及第二比较器53，用于通过累计特定时刻之前的对应于输出电压的频率和对应于被比较电流的频率，从而执行前馈控制。

频率控制单元44包括：第三比较器61，用于比较对应于电机参考激励电流的频率和对应于测得的电机激励电流的频率；PI控制器62，用于对被比较的频率执行PI控制并将其输出；第四比较器63，用于比较输出频率和目标频率；以及输出频率选择器64，用于比较被比较的频率和对应于电压控制单元的输出电压的频率，选择并输出一个较大的频率，从而防止电机和变频器中产生错误。

现在解释如上构造的转速搜寻装置的工作原理。

首先，如果电机正常加速，则执行图1所示的操作，这个过程与现有技术中的转速搜寻过程相同。

但是，如果要在异常情况下搜寻电机速度，则与现有技术不同，通过转速搜寻过程，由两个控制单元，即频率控制单元和电压控制单元独立地启动电机。

也就是说，对应于用户输入的目标频率通过电压控制单元43和频率控制单元44输入PWM发生器47，而不通过频率发生器41和电压发生器42。

然后，PWM发生器47将通过频率控制单元43和电压控制单元44输出的最终频率转换为PWM信号，并输入电机，从而启动电机。

现在参照图5A至图7详细描述该电机速度搜寻过程。

图5A和5B显示了本发明的图4中电压控制单元的操作。

首先，第一比较器51比较对应于额定电流和测得的电机电流的频率。这里，第一比较器51通过这个比较执行从额定电流中减去检测电流的计算。

然后，输出电压发生器52将被比较的频率乘以一个常数(K)，这个常数(K)指示了频率提高/降低的速度，并通过V/F控制生成最终的输出电压。这里，常数K是一个与第一比较器的输出值相乘的随机的比例增益值，用来提高或降低最终产生的频率的提高速度。

然后，第二比较器53将特定时刻之前的对应于输出电压发生器52的输出电压的频率和对应于被比较的电流的频率累加，从而实现前馈控制。

因此，输出电压由“0”增至目标电压。电压增幅可以通过利用电机中测得的当前电流和预设的额定电流间的差值而得以控制。

也就是，如果测得的电流和额定电流相差大(即实际电流小)，则电压提高控制为较大；而如果测得的电流与额定电流相差小(即实际电流大)，则电压提高控制为较小。从而输出电压可以在最短时间内增至目标电压。

输出电压由“0”增至速度搜寻前的电压，当测得的当前电流在预设额定电流以内时，输出电压可在最短时间内增至目标电压。

这样，输出电压可以提高，而不引起变频器和电机的任何过度调节，而且由于电机取决于负载状态而自动加速，用户不必预先设定加速时间。

图6显示了本发明的图4中频率控制单元和输出频率选择器的操作。

首先，第三比较器61比较对应于电机参考激励电流的频率与对应于测得的电机激励电流的频率，并输出比较值至PI控制器62。这里，第三比较器61通过该比较过程，执行从测得的激励电流中减去参考激励电流的计算。

此后，PI控制器62执行对输出频率的PI控制，并将其输出至第四比较器。然后，第四比较器63比较输出频率和目标频率，并输出比较值。在这里，第四比较器通过该比较过程，执行从目标频率中减去输出频率的计算。

接下来，为了防止由于电机的过激励而引发电机和变频器的错误，输出频率选择器64比较对应于电压控制单元44的最终输出电压的频率，选择并输出一个较大的频率。

概括地说，输出频率由速度搜寻状态开始前的目标频率开始，如果电机内的d轴分量电流(激励电流)高于参考激励电流，则降低输出频率，由此估计电机速度；反之，如果d轴分量电流变得低于参考激励电流，则输出频率再次提高。以这种方式，输出频率得到可变的控制，从而提高启动扭矩，而且电机可以与负载无关地加速。

图7显示了本发明中用于确定输出频率选择器的输出频率的方法。

把最小的输出频率确定为电压控制单元43的输出电压，如果频率控制单元44的输出频率低于该最小频率，则输出电压控制单元43所确定的最小频率作为最小输出频率。下面具体描述。

通常，感应电动机具有恒定的V/F比值(即60Hz220V)。这样，如果高于它的电压(即60Hz300V)施加到电机上，则电机将被损坏，或者变频器将过流。

为了解决这个问题，将最小输出频率确定为电压控制单元43得到的电压，如果频率控制单元44的输出频率低于该最小频率，则输出电压控制单元所确定的最小输出频率作为最终的输出频率。

然而，如果简单地利用V/F控制方法中使用的V/F比值来确定最小频率，则由于电机中电阻元件引起的压降，在低频区将无法产生期望的扭矩。于是，为了完善这一点，如图7所示，可以按照额定滑差率对应于频率补偿一个电压。

如上所述，本发明的用于搜寻感应电动机转速的装置和方法具有许多优点。

首先，由于输出电压是利用电机中实际流动的电流而提高的，所以不必在外部额外设置加速时间，输出电压得以在任何情况下最佳地提高至目标电压。

第二，在大负载情况下，输出频率降低。于是，电机滑差率移动至产生最大扭矩的滑差率，从而使感应电动机启动。

第三，如果工作中电机的速度高于目标频率，则输出频率提高，使得电机可以在电机再生区运行。

第四，本发明解决了现有技术中算法上的问题，尤其是本发明的算法可以简单地应用于多个电机与一个负载(如风扇或泵负载)相连并启动的情况。

最后，本发明可以独立于现有变频器中驱动电机的算法而实现。因此它的应用更为广泛。

在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以实施为多种形式，还应该理解，除非另外特别说明，以上实施例不限于上述的任何细节，而应在权利要求所限定的精神和范围内广义地解释，因此，所附的权利要求涵盖所有落在权利要求的界限或其等同物内的变化和改进。

Claims (8)

1.一种感应电动机的转速搜寻装置，包括：

电压控制单元，用于比较电机的额定电流和从电机中检测到的电机电流，并生成输出电压；

频率控制单元，用于比较电机的参考激励电流和从电机中检测到的激励电流，并生成输出频率，

其中，所述频率控制单元包括：

第三比较器(61)，用于将对应于电机的参考激励电流的频率与对应于从电机中检测到的激励电流的频率进行比较；

PI控制器，用于对来自第三比较器的输出频率进行PI操作，并将其输出；

第四比较器(63)，用于将从PI控制器输出的输出频率与目标频率进行比较，并输出比较值；和

输出频率选择器，用于比较对应于电压控制单元的输出电压的频率和来自第四比较器(63)的比较值，并选择较大的频率作为所述频率控制单元的输出频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其中的电压控制单元包括：

第一比较器，用于将对应于额定电流的频率与对应于检测到的电机电流的频率进行比较；

输出电压发生器，用于将来自第一比较器的输出乘以一个用于提高或降低所述两个被比较的频率的增速的常数，并通过V/F控制而生成最终的输出电压；和

第二比较器，用于通过将特定时刻之前的对应于输出电压的频率与对应于额定电流和检测到的电机电流的频率累加，从而执行前馈控制。

3.根据权利要求2所述的装置，其中第一比较器从额定电流中减去所述检测到的电机电流。

4.根据权利要求1所述的装置，其中第三比较器从检测到的激励电流中减去参考激励电流。

5.根据权利要求1所述的装置，其中第四比较器从目标频率中减去所述PI控制器的输出频率。

6.一种用于感应电动机的转速搜寻方法，包括：

电压控制步骤，其中将电机的额定电流与从电机中检测到的电流进行比较，以生成输出电压；

频率控制步骤，其中将电机的参考激励电流与从电机中检测到的激励电流进行比较，以生成输出频率；

输出频率选择步骤，其中将对应于所述电压控制步骤的输出电压的频率和所述频率控制步骤的输出频率进行比较，然后选择较大的频率作为最终输出频率；和

将最终输出频率转换为PWM信号，并输入电机使其启动的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在电压控制步骤中，从电机的额定电流中减去检测到的电流，把对应于通过所述减去操作得到的结果值的频率乘以一个常数(K)，其结果加到先前输出频率上，从而产生输出电压。

8.根据权利要求6所述的方法，其中在频率控制步骤中，从检测到的电机激励电流中减去参考激励电流，对结果值进行PI控制，从目标频率中减去PI控制操作所得到的结果值，从而生成输出频率。

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