CN101989833B - 感应电动机的控制装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于感应电动机的控制装置，包括：三相整流桥堆，IGBT或IPM功率模块，感应电动机，两路电流互感器，PWM驱动器；驱动运算系统由微处理器构成，采用V/F控制方式，实现对感应电动机的控制；驱动运算系统包括一滤波电路，连接在压频比运算单元及电流有效值运算单元之间，对电流互感器反馈的线电流的有效值Ic进行滤波，其输出的反馈线电流滤波值I_cm输入至压频比运算单元；压频比运算单元依据反馈线电流滤波值I_cm实时调节最终输出的压频比V/F。本发明还公开了一种感应电动机控制装置的应用。本发明使自动扶梯和自动人行道在不减弱重载驱动能力的情况下，使电动机在中、轻负载条件下均能以最小电流稳定运行，实现节能。

Description

感应电动机的控制装置及其应用

技术领域

技术领域 

本发明涉及一种用于自动扶梯和自动人行道系统的驱动控制系统；特别是涉及一种能实现节能的感应电动机节能控制装置。本发明还涉及所述感应电动机控制装置在自动扶梯和/或自动人行道的应用。 

背景技术

自动扶梯和自动人行道的运行可能处于多种状态，如无人条件下的空载状态，或满载状态。同时自动扶梯上行时，电动机克服扶梯摩擦力及行人势能做功，处于电动状态；而扶梯下行时，行人势能拖动电动机运行，使电动机处于再生状态。因此用于自动扶梯和自动人行道的感应电动机驱动系统，加在感应电动机上的负载有很宽的变化范围。一般情况下自动扶梯和自动人行道的驱动系统需要首要考虑的问题是能够驱动满载行人的负载。然而经过统计，自动扶梯和自动人行道在整个运行周期内大部分时间是处于轻载运行状态，此时将能够驱动满载负载的驱动参数加在感应电动机上，感应电动机的效率是很低的。因此考虑自动扶梯和自动人行道在轻载条件下的节能具有现实的重要意义。 

作为公知技术的感应电动机的VVVF变频变压调速系统，其通常的做法是将感应电动机的励磁电流I_d固定，则感应电动机的力矩电流Iq将与感应电动机的输出力矩T成正比，这样就可以利用线性控制理论对感应电 动机实现解耦控制了。这种固定励磁电流I_d的方法因为要兼顾到满载负载的驱动能力，I_d的选取一般为感应电动机空载电流Io(在感应电动机上施加额定电压Un以额定频率Fn运行时的感应电动机电流)。因此即使感应电动机正在驱动一个极轻的负载电流仍然较大，造成了自动扶梯在轻载条件下感应电动机侧电流偏大、功率因数低及感应电动机仍然发热等缺点。如果将励磁电流I_d减小，在感应电动机负载忽然变大的情况下，有可能导致停车或运行不稳定，这在自动扶梯和自动人行道的运行过程中是不允许的。 

中国发明专利说明书CN1032724C(专利号：ZL92111351.X，授权公告日：1996年9月4日)提供了一种控制感应电动机在一个较宽的电动机负载量范围内高效率运转控制装置及控制方法。通过按电动机的被测功率因数与相对电动机负载为最佳的功率因数之间的比较结果来控制电动机的电源电压，使电动机工作在轻负载状态时也能达到稳定的运行与最小的功耗。但是它首先需要确定电动机的最佳功率因数曲线；其次要确定电动机运行的负载条件才能实现控制。另外它未涉及到当电动机处于再生状态时的运行情况。因此现有的控制方法并没有很好地解决自动扶梯和自动人行道轻载节能的问题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种感应电动机的控制装置，使自动扶梯和自动人行道在不减弱重载驱动能力的情况下，感应电动机在中等负载或轻负载条件下均能以最小电流稳定运行，实现节能；为此，本发明还要提供一种所述感应电动机的控制装置的应用。 

为解决上述技术问题，本发明的感应电动机的控制装置包括： 

三相整流桥堆，实现AC-DC的变换； 

IGBT或IPM功率模块，与所述三相整流桥堆连接，实现DC-AC变换，为感应电动机提供驱动电源电压； 

感应电动机，与功率模块相连接，用于驱动负载； 

两路电流互感器，分别测量所述感应电动机的U相和V相相电流，并输入至由驱动运算系统； 

PWM驱动器，连接在驱动运算系统和功率模块之间，在驱动运算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发； 

所述驱动运算系统由微处理器构成，采用V/F控制方式，实现对所述感应电动机的控制，其中：该驱动运算系统包括一滤波电路，连接在所述驱动运算系统的压频比运算单元及电流有效值运算单元之间，对电流互感器反馈的线电流的有效值Ic进行滤波，其输出的反馈线电流滤波值I_cm输入至所述压频比运算单元； 

所述压频比运算单元依据反馈线电流滤波值I_cm实时调节最终输出的压频比V/F，使所述感应电动机的总电流最小。 

上面所述的感应电动机控制装置用于驱动控制自动扶梯或自动人行道。 

由于采用本发明的控制装置，保证了感应电动机在中低负载情况下的总电流最小，达到节能的目的；同时由于电流的减小，相应的逆变器的散热功率也可减小，改善了逆变器的工作条件。 

本发明的控制装置控制逻辑简单，只需知道感应电动机的空载电流I₀，而不需要复杂的电动机数学模型，就能实现在不减弱重载驱动能力的情况下，在中轻载时实现电动机最小电流控制。本发明能使感应电动机在电动模式和发电模式下的宽范围内运行，特别适合于负载量变化大的自动扶梯实现节能控制。 

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明： 

图1是感应电动机的控制装置的一实施例结构图； 

图2是感应电动机电流分解矢量图。 

具体实施方式

参见图1所示，所述感应电动机控制装置包括： 

三相整流桥堆3，与市电三相电源相连，实现AC(交流)-DC(直流)的变换。 

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)功率模块2，通过直流母线4与三相整流桥堆3连接，实现DC-AC变换，为感应电动机1提供驱动电源电压。 

感应电动机1，与功率模块2相连，用于驱动自动扶梯和/或自动人行道。 

两路电流互感器7、8，分别测量感应电动机1的U相和V相相电流，并输入至由微处理器构成的驱动运算系统6。 

PWM驱动器5，连接在驱动运算系统6和功率模块2之间，在驱动运 算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发。 

所述驱动运算系统6是感应电动机控制装置的核心部分，采用V/F控制方式，实现对感应电动机1的控制。 

所述驱动运算系统6包括： 

电流有效值运算单元21，与两路电流互感器7、8连接，对电流互感器7、8反馈的电流Iu、Iv按下式可计算出反馈线电流的有效值Ic： 

$I_c=\sqrt{(I_u^2+I_v^2+I_w^2)/3}=\sqrt{[I_u^2+I_v^2+{(-I_u-I_v)}^2]/3}$

式中，Iw为市电三相电源中W相的相电流。 

由软件实现的滤波电路22连接在压频比运算单元25及电流有效值运算单元21之间，消除反馈线电流的有效值Ic的毛刺，滤波电路22的输出值为反馈线电流滤波值I_cm，输入至压频比运算单元25。 

速度指令运算单元24，用于产生感应电动机1的速度控制指令值。 

电机频率运算单元23，与速度指令运算单元24相连接，用于产生感应电动机1的控制频率F。 

压频比运算单元25，与滤波电路22及电机电压运算单元26相连接，用于计算感应电动机1的压频比V/F。 

电机电压运算系统26，与电机频率运算单元23及压频比运算单元25相连接，用于产生控制感应电动机1的U、V、W三相电压输出值并输入至PWM驱动器5。 

对于自动扶梯系统，其外负载由空载到满载或由满载到空载的变化周期不是迅速的，一般至少需要10多秒时间，因此滤波电路22的合适的滤 波时间常数为200ms～1s之间。 

在本发明中压频比运算单元25产生的压频比V/F并不是像现有的V/F控制采用固定值；而是根据电流互感器7、8的反馈电流的有效值I_c来实时调节最终输出的压频比V/F。以380V/50Hz的感应电动机控制系统为例(即额定电压Un＝380V，额定频率Fn＝50Hz)，压频比运算单元25按以下方式调节感应电动机1的压频比V/F： 

1、当 时，V/F＝380V/50Hz； 

2、当 

时，V/F＝k×380V/50Hz； 

3、当 $k\&times;\sqrt{2}{I}_0<I_{\mathrm{cm}}<\sqrt{2}{I}_0$ 时， $V/F=[I_{\mathrm{cm}}/\left(\sqrt{2}{I}_0\right)]\&times;380V/50\mathrm{Hz}.$

其中，I_cm为滤波后的反馈线电流滤波值；I₀为感应电动机1的空载电流，即在感应电动机1上施加额定电压Un以额定频率Fn运行时的感应电动机1的电流值；k为小于1的常数，以防止感应电动机1驱动力矩不足。 

对于自动扶梯系统来说，扶梯空载时由于扶手带等机械系统的摩擦力，感应电动机1需要输出的力矩约为额定力矩的20％，为自动扶梯最小电动负载，按照输出力矩与电流平方成正比的关系，选取 即k＝0.4～0.5是合适的。 

第1种调节方式，用于限制压频比V/F的最大值，能够限制励磁电流的最大值，防止感应电动机1出现过励磁现象，同时当感应电动机1电流较大时(反馈电流过大)意味着外负载增大，需要将励磁电流设定在正常值，有足够的电压输出，保证感应电动机1的输出能力。 

第2种调节方式，用于限制压频比V/F的最小值，能够限制励磁电流的最小值，防止感应电动机1因力矩不足而导致堵转或速度不稳，同时由于此时电流较小，意味着外负载较小，可降低感应电动机1的电压。 

第3种调节方式，可以使感应电动机1在中低负载情况下，感应电动机1的压频比达到一个最优的状态，使感应电动机1的总电流最小。根据电机原理，如果不考虑电机定子电阻的压降，电机的压频比V/F与其励磁电流成正比，调节电动机的压频比V/F也即调节电动机的励磁电流，因此上述第3种调节方式的实际含义相当于： 

当 $k\&times;\sqrt{2}{I}_0<I_{\mathrm{cm}}<\sqrt{2}{I}_0$ 时，令电动机的励磁电流 $I_{\mathrm{ds}}=I_{\mathrm{cm}}/\sqrt{2}.$

下面结合图2来说明第3种调节方式可以使感应电动机1的总电流最终能够稳定在最小电流上。 

以图2特定负载条件下ABC曲线为例。若感应电动机1的初始工作点为A点，此时感应电动机1负载较小，励磁电流分量比例较大，感应电动机1功率因数低。A点的反馈电流I_cm＝|OA|，励磁电流分量 $I_d=\left|\mathrm{OI}\right|{>I}_{\mathrm{cm}}/\sqrt{2},$ 因此应用第3种调节方式减小了该特定负载条件下的励磁电流分量，感应电动机1的实际工作点向B点移动。若感应电动机1的初始工作点为C点，此时感应电动机1励磁电流分量很小，同样造成总电流较大，C点的反馈电流I_cm＝|OC|，励磁电流分量 $I_d=\left|\mathrm{OL}\right|<I_{\mathrm{cm}}/\sqrt{2},$ 此时应用第3种调节方式增大了该特定负载条件下的励磁电流分量，感应电动机1的实际工作点向B点移动。因此在此特定负载条件下的工作点经过多次重复运算，最终都可达到B点，此时感应电动机1的总电流最小。 

若感应电动机1在运行过程中，外负载发生变化，以负载增大为例，在此负载条件下，感应电动机1的工作曲线移至XYZ，若感应电动机1原 先工作在B点，则负载增大后感应电动机1的工作点相应地移动到M点，在该负载条件下，应用第3种调节方式仍然会使感应电动机1的工作点移至Y点，此时仍为该负载条件下总电流|OY|最小。 

同样地第3种调节方式不仅能够工作在电动状态，也能工作在发电状态。当力矩电流Iq小于0时，感应电动机1即工作在发电状态，此时对应图2的工作点相应地处于第2象限。若感应电动机1处于发电状态，应用第3种调节方式能够使感应电动机1工作于射线OF’的工作点上，此时相应地感应电动机1的总电流最小。 

以上通过实施例对本发明进行了详细的说明，但是这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下本领域的技术人员还可做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种感应电动机的控制装置，包括：

三相整流桥堆，实现AC-DC的变换；

IGBT或IPM功率模块，与所述三相整流桥堆连接，实现DC-AC变换，为感应电动机提供驱动电源电压;

感应电动机，与功率模块相连接，用于驱动负载；

两路电流互感器，分别测量所述感应电动机的U相和V相相电流，并输入至由驱动运算系统；

PWM驱动器，连接在驱动运算系统和功率模块之间，在驱动运算系统输出的U、V、W三相电压输出值的控制下，产生频率和电压可变的电源电压，控制功率模块的触发；

所述驱动运算系统由微处理器构成，采用V/F控制方式，实现对所述感应电动机的控制，其特征在于：该驱动运算系统包括一滤波电路，连接在所述驱动运算系统的压频比运算单元及电流有效值运算单元之间，对电流互感器反馈的线电流的有效值Ic进行滤波，其输出的反馈线电流滤波值I_cm输入至所述压频比运算单元；

所述压频比运算单元依据反馈线电流滤波值I_cm实时调节最终输出的压频比V/F，使所述感应电动机的总电流最小。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述压频比运算单元按以下方式对压频比V/F进行实时调节：

当

时，V/F＝U_n/F_n；

当

时，V/F＝k×U_n/F_n； 

当时，

其中I₀为所述感应电动机的空载电流，k为小于1的常数，U_n和F_n分别为感应电动机的额定电压和额定频率。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述滤波电路的滤波时间常数选取200ms～1s。

4.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于：k的取值为0.4～0.5。

5.如权利要求1-4任一项所述感应电动机的控制装置，其特征在于：用于驱动控制自动扶梯或自动人行道。 

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