变极与变频相结合的矢量控制异步电动机调速方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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)升到额定电压以时，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。
[0003] 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W出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W出，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。
[0004] 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、W出低的优点，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。
[0005] 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4t，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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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】
[0009] 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矽/，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。
[0010] 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SOl: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/?处于0< /^< /? 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 歹。其中/?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An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J7'
【主权项】
1. 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w下步骤： 步骤SOI ;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A处于0 < A< Aw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 歹；其中为所述异步电机在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Aw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W变极操作，使定子绕组由Y变为YY联接，电 机极对数由歹巧为/，执行步骤S04 ; f' f 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 P P
的关系修改PWM的调制波频率/及调制度M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/i、/i'分别为变极前后调制波频率，^、 P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 面数，爲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。
2. 根据权利要求1所述的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：所述的变极控制操作具有两个变极切换的临界转速巧*r与心，二者之间设有回差： 心1 =?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；*4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。
3. 根据权利要求1所述的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：所述变极控制电路包括第一至第走开关元件；当第一至第H开关元件导通，第四至 第走开关元件关断时，所述异步电机的定子绕组为Y联接，极对数为及；当第一至第H开关 元件关断，第四至第走开关元件导通时，所述异步电机的定子绕组为YY联接，极对数由f 变为P。
4. 根据权利要求3所述的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；所述开关元件为半导体开关器件或低压电器开关。
5. 根据权利要求1所述的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；所述控制系统为DSP控制系统。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02P27-04, H02P25-20, H02P21-00
【公开号】CN104601073
【申请号】CN201510073057
【发明人】王榕生
【申请人】福州大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月12日