变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法

摘要

本发明的目的是提供变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，提供一变极异步电动机调速系统，其包括变极异步电动机、变频电源、变极控制电路及控制系统；变频电源通过变极控制电路向变极异步电动机供电；变极控制电路受控于控制系统；控制系统实测变极异步电动机的转速；所述变极异步电动机的定子绕组联接方式为YY/Y联接。当电机电压随频率升到额定值（对应转速n1≥n1N）时，即对变极异步电动机施以变极操作，并根据变极后新的电机参数及当前转速值重构U/f，使系统恒转矩调速范围在新参数条件下得以延拓，以此实现在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的情况下扩大电机恒转矩调速范围的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种异步电机调速方法，特别是一种变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法。

背景技术

现有异步电动机变频调速系统在基频（50HZ）以下的恒转矩调速范围受到电机额定电压的强力制约，当电压随转速（或频率）升到额定电压U_N时，恒转矩调速即达到极限，尽管之后仍可以继续提升输出频率以提升转速，但转矩将随着转速升高而下降，属于恒功率性质的调速，不能满足高速（基频以上）情况下仍保持恒转矩输出的驱动要求。例如，电动汽车、高速列车所受到的空气阻力随运行速度的平方递增，当运行速度升到某一数值时，空气阻力将占全部运行阻力的主要部分，对处于恒功率调速状态下的电机驱动形成压力。因此，扩大交流电机的恒转矩调速范围，使高速运行下仍具有充分大的输出转矩，以驱动负载向更高速运行具有重要意义。

目前为扩大交流电机恒转矩调速范围主要采取提升电机额定电压的办法，由此涉及到电源电压、功率半导体器件耐压等级也应作相应的提升。然而，提升功率半导体器件耐压面临多种因素制约，除制造技术外，使用中过高的du/dt将对功率半导体器件本身及电机绝缘带来不利影响。目前国内外采用三电平逆变技术解决这一矛盾，可使每个功率半导体器件的耐压值减半，有效降低器件的du/dt，并带来改善输出电压波形质量的好处。但功率半导体器件使用数量随之增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，伴随而来的控制愈加复杂，可靠性成为问题。

采用单元串联式多电平逆变技术也是另一行之有效的方法。该方法具有谐波污染小、输入功率因数高、输出波形好、du/dt低的优点，但同样存在串联单元数多，控制复杂的缺点，并且每个串联单元须由一个独立的、相位错开一定角度的变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数等同，且绕组联结复杂，使该附加变压器不仅额外耗费可观成本，还占用更多空间。

直接减少电机绕组匝数也可视为扩大恒转矩调速范围的一个途径，但是该方法势必让低速运行时的PWM处于极度深调状态，即要求更多地降低调制度M值，导致总谐波失真THD值极剧增大，死区效应更加突出的不良后果，严重削弱低速性能。

现有技术中也有采用变极与变频相结合的办法扩大电机恒功率的调速范围，但恒转矩调速范围依旧不变。该方法仅适用于转矩随转速反比下降的负载类型。在控制上须采用两套逆变电源分别对电机两套三相绕组即六相绕组供电，使功率半导体器件数增加一倍。此外，为使两套绕组的电流处于良好的平衡状态所采取的控制也较为复杂。

综上所述，现有扩大恒转矩调速范围的技术方案及缺点如下：

1、采用三电平逆变技术。该技术通过增加每个桥臂所用功率半导体开关器件数量的办法，提升桥臂承受直流母线电压的能力，以此提升逆变输出电压，达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。但功率半导体器件使用数量随之增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，伴随而来的是成本及控制复杂度增加，可靠性也是一大问题。

2、采用单元串联式多电平逆变技术。该技术通过对各逆变单元进行串联叠加的办法提升逆变输出总电压，以此达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。所用逆变单元串联数越多，则输出电压越大，但所用功率半导体器件数量及控制复杂性也随之增加，并且每个逆变单元须由一个独立的、相位错开一定角度的附加变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数等同，且绕组内部联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成本与空间。

发明内容

 为解决现有恒转矩调速技术的缺陷，本发明提供了一种变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法。本发明采用变极与变频相结合的新方法扩大恒转矩调速范围。当电机电压随频率升到额定值时，即对异步电动机施以变极操作，改变绕组匝数与极数，并根据变级后新的电机参数及当前转速值重构U/f，使系统恒转矩调速范围在新参数条件下得以延拓，以此实现在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的条件下扩大恒转矩调速范围的目的。

本发明采用以下方案实现：变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，其特征在于：变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S01：提供一异步电机调速系统，所述异步电机调速系统包括异步电机、变频电源、变极控制电路及控制系统；所述变频电源通过变极控制电路向异步电机供电，所述变极控制电路受控于控制系统；控制系统包括速度传感器，所述速度传感器实测所述异步电机的转速；所述异步电机为定子绕组YY/Y联接的倍极比变极异步电动机；步骤S02：当速度传感器测得所述异步电机转速n₁处于0＜n₁＜n_1N时，控制系统控制所述变极控制电路切换，使异步电机定子绕组为Y联接，极对数为                                                。其中n_1N为所述异步电机在Y联接下的额定转速。执行步骤S03；步骤S03：当速度传感器测得异步电机的转速n₁≥n_1N时，控制系统先封锁变频输出，再对变极控制电路发出变极指令，对异步电机施以变极操作，使定子绕组由Y变为YY联接，电机极对数由变为，执行步骤S04；步骤S04：变极完成后所述控制系统重开启变频输出，并根据与电机电压的关系修改PWM的调制波频率及调制度值，使变极前后瞬间的磁场同步速与电机气隙磁密保持不变。其中、分别为变极前后调制波频率，、分别为变极前后的电机极对数，、分别为变极前后的电机每相绕组有效串联匝数，为变极后的感应电动势有效值，为变极前Y联接下的感应电动势额定有效值。

在本发明一实施例中，所述异步电机具有两个变极切换临界转速与，二者之间设有回差，其中为所述的异步电机转速由低向高增大时，进行Y→YY变极操作的临界转速，也是Y联接下的额定转速；为所述的异步电机在Y→YY变极之后，转速由高向低减小时，进行YY→Y反变极的临界转速。

所述变极控制电路包括第一至第七开关元件；当第一至第三开关元件导通，第四至第七开关元件关断时，所述异步电机的定子绕组为Y联接，极对数为；当第一至第三开关元件关断，第四至第七开关元件导通时，所述异步电机的定子绕组为YY联接，极对数由变为。所述开关元件为半导体开关或低压电器开关。

在本发明一实施例中，所述控制系统为DSP控制系统。

与现有技术相比本发明提供的调速方法具有以下优点：结合YY/Y变极的矢量控制变频调速方法，可显著扩大恒转矩变频调速范围；既不增加逆变电路的功率半导体器件数量，也不提升电源电压，仅增加了变极控制开关，总成本较三电平法及单元串联式多电平法低得多，且控制也较为简单，可靠性得以提升；若采用半导体开关控制变极，所需过程仅为微秒数量级，对调速系统动态性能无影响，可视为无缝隙过程，能很好地满足高动态性能的控制要求；在变极前后的全部恒转矩变频调速范围内，电机供电频率均处于工频（50/60Hz）以内，因此，电机铁心损耗不因变极提速而有所增加；变极提速时，电机绕组由Y变为YY联结，使绕组电阻与漏电感值降为变极前的1/4，使定子绕组损耗下降、漏阻抗压降影响显著降低，有利于提升效率及过载能力。

附图说明

图1为本发明的一实施例中恒转矩调速范围拓展原理图。

图2为本发明一实施例的调速系统结构框图。

图3为图2中变极控制电路的具体结构图。

图4为本发明具体实施例中DSP控制系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明做进一步说明。

本发明提供一种变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，其特征在于：变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，其特征在于：包括以下步骤：变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S01：提供一异步电机调速系统，所述异步电机调速系统包括异步电机、变频电源、变极控制电路及控制系统；所述变频电源通过变极控制电路向异步电机供电，所述变极控制电路受控于控制系统；控制系统包括速度传感器，所述速度传感器实测所述异步电机的转速；所述异步电机为定子绕组YY/Y联接的倍极比变极异步电动机；步骤S02：当速度传感器测得所述异步电机转速n₁处于0＜n₁＜n_1N时，控制系统控制所述变极控制电路切换使得异步电机定子绕组为Y联接，极对数为，其中n_1N为所述异步电机在Y联接下的额定转速；步骤S03：当速度传感器测得异步电机的转速n₁≥n_1N时，控制系统先封锁变频输出，再对变极控制电路发出变极指令，对异步电机施以变极操作，将定子绕组变为YY联接，极对数由变为；步骤S04：变极完成后所述控制系统重开启变频输出，并根据与电机电压的关系修改PWM的调制波频率及调制度值，使变极前后瞬间的磁场同步速与电机气隙磁密保持不变，其中、分别为变极前后的调制波频率，、分别为变极前后的电机极对数，、分别为变极前后的电机每相绕组有效串联匝数，为变极后的感应电动势有效值，为变极前Y联接下的感应电动势额定有效值。

在本发明一具体实施例中调速系统采用的异步电机为定子绕组YY/Y联接的倍极比变极异步电动机，极数比为2/4（或4/8）。该电机的变极绕组为单绕组双层“反向法”变极结构。根据变极前后的每相有效串联匝比、气隙磁密比、磁通比等参数，确定恒转矩调速范围如图1所示。

图1横坐标物理量取电机同步转速n₁，其中、分别为变极前后的调制波频率，、为变极前后的电机极对数，、为变极前后的电机每相绕组有效串联匝数。假设当转速n₁升至额定值n_1N（对应电压达额定值U_N）时，对电机施以极数减半的变极。根据转矩与磁场转速不变原则，应使气隙磁密在变极前后保持不变，即，以及磁场同步速不变，即。忽略漏磁感应电动势，得出此时施加于电机电压。之后随着n₁继续提升，电压则由上升至额定值，其效果相当于额定电压由提升为，即扩大了倍，根据异步电机转矩公式：可知相应的恒转矩调速范围也因此扩大，其中为异步电机定子相数，为异步电机角速度。如采用YY/Y联接的变极绕组、极数比为2/4（或4/8）的恒转矩变极异步电动机，当对电机施以4→2变极操作时，绕组联接方式则由Y变为YY，在此情况下，本领域技术人员易知，一般有且，所以，可使恒转矩调速范围扩大一倍以上。

变极变频异步电动机调速系统结构框图如图2所示。图中的电机为绕组YY/Y联接的、极比为2/4（或4/8）的变极异步电动机。变频电源通过“变极控制电路”供电给电机。“变极控制电路”由半导体开关器件或低压电器开关组成，具体电路结构如图3所示。该电路通过I/O接口，受控于DSP控制系统。当DSP测得电机转速处于0＜n₁＜n_1N时，控制图3的开关K₁、K₂、K₃导通，K₄、K₅、K₆、K₇关断，则电机定子绕组为Y联接，假定此联接的绕组极数为4极；当转速n₁升至n_1N时，DSP先封锁变频输出，再对“变极控制电路”发出变极指令，对电机施以变极操作，使开关K₁、K₂、K₃关断，K₄、K₅、K₆、K₇导通，则绕组变为YY联接，极数变为2极。待变极完成后，DSP重开启变频输出，并根据与的关系修改PWM的调制波频率及调制度值，以使变极前后瞬间的磁场同步速与电机气隙磁密（即转矩）保持不变。当转速由高向低反向变化时的控制亦然。

由于电机在变极前后的绕组参数的改变，必然要求与之关联的PWM计算的两个主要参数——调制波频率与调制度作相应改变。为适应这一要求，将承担PWM计算任务的DSP中断子程序分为两个模块，分别针对电机变极前后的不同绕组参数情况进行PWM计算。当测得电机同步转速处于0<n₁<n_1N时，程序转入A模块执行。在A模块中，程序依据变极前电机Y联接的绕组参数（极数、有效串联匝数及其他电气参数）及当前转速确定调制波频率及调制度值，进行相关PWM计算；当n₁≥n_1N时，程序转入B模块执行。在B模块中，程序依据变极后电机YY联接的绕组参数（极数、有效串联匝数及其他电气参数）及当前转速确定调制波频率及调制度值，进行相关PWM计算；当转速由高向低反向变化降至某一数值以下时，程序再由B模块回转入A模块运行。通过转速n₁ 变化这一纽带使两个模块有机联系起来。为避免转速在n_1N附近波动引起频繁变极切换，应使两个变极切换转速与之间有一个回差，即。

变极控制由DSP主程序承担，控制逻辑如图4所示。在主程序中设置了一个A、B模块转换逻辑控制变量，该变量既控制着主程序分支运行，又控制着PWM中断子程序的运行。当测得电机同步转速处于0<n₁<n_1N时，使该变量逻辑值为0，主程序转入判别转速增大变化的分支中，并引导PWM中断子程序进入A模块执行；一旦测得转速n₁≥n_1N时，即对电机施以极数减半的变极操作控制，定子绕组由Y变为YY联接。待完成变极后，使该逻辑变量置1，主程序转入判别转速递减变化的分支中，并引导PWM中断子程序进入B模块执行；一旦测得时，即对电机施以极数增倍的变极控制，定子绕组由YY变为Y联接。待完成变极后，使逻辑变量值为0，主程序再转入判别转速增大变化的分支中…；如此循环不已，实现变极与变频的有机结合。

将上述逻辑结构嵌入现有矢量控制PWM程序中，即可实现变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速功能，实现扩大恒转矩调速范围一倍以上的目标。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。