专利名称：交流感应电动机节能运行控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机运行的控制，尤其涉及交流感应电动机的节能控制方法及装置。
背景技术：
目前，在电动机节能控制技术领域，常规电动机的节能控制技术伴随电动机本身的发展，已形成以下两种主流技术变频调速节能控制技术和同步调压节能控制技术。
变频调速节能控制技术的最大特点是当电动机拖动对象可以通过改变转速减少能耗时，经改变电源频率调节电动机转速达到节能目的，节能效果是确定且可控的。它的主要依据是N＝(1-S)×60f1/p这一确认的电动机转速----电源频率特征关系。变频调速节能控制技术只适用于可调速系统，且被拖动对象本身具备与转速有直接关系的能量浪费条件。节省的主要是系统浪费的有功能量，对电动机自身损耗的能量不能节省。节能控制面较窄。
同步调压节能控制技术的最大特点是由于电动机的效率与电源电压、电动机运行的负载率、电动机自身特性和拖动对象运行条件等有着间接关系，就一般情况而言，对速度不改变得电动机系统在电动机负荷率较低的前提下，适当同步调低电源电压可以减少电动机自身损耗获得节能效果，并且主要是节省无功损耗。基于这一特点的典型方法有功率因素跟踪调压、电动机效率跟踪调压、电流变化跟踪调压等技术。但由于这些技术的节能控制依据与电动机实际能耗之间没有准确的定量关系。节能效果是不确定的。使用时较难获得实际节能效果。特别是这一方法对拖动对象的电能浪费不能节省，节能控制能力十分有限。
从现有的用于常规电动机节能运行控制的技术和相关产品来看变频调速节能控制技术只对可调速系统具备节能控制作用。节能效果可控，节省的是系统浪费的能量。但在节能应用方面只能用于可调速系统。
同步调压节能控制技术只能通过间接参数定性的解决在电动机负荷率较低的前提下的电动机节能控制问题，不具备确定的节能可控性。节能效果，尤其是有功能量的节省不能得到有效保证。且只能用于不改变电动机转速的对象。
可见，电动机节能运行控制的实质问题是在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小，而现有技术并没有提供该问题的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小的节能控制实现途径。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，提出一种交流感应电动机节能运行控制方法，通过设置节能控制模块和大功率调频调压模块控制电动机运行，节能控制模块根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略，自动调节控制参数，经调频和调压控制，使电动机输入能量趋于最小。
可见，本发明的控制方法对电动机的节电控制是建立在电动机的两个重要特点上a.频率调节可以控制电动机的转速；b.合适的调压控制可以减少电动机的损耗。
在本发明的控制方法中，给定电动机转速和搜索最优输出控制量是对电动机节能控制的关键步骤，控制电压增量的计算是保证电动机正常运行控制的基本条件。
进一步地，本发明解决上述技术问题采用的技术方案还包括，生产制造一种交流感应电动机节能运行控制装置，包括电源电路和测量电流用的互感器，还包括节能控制模块和大功率调频调压模块，所述节能控制模块包括信号转换电路、运行参数设定电路和微处理器；信号转换电路的输入信号包括交流感应电动机拖动对象的转速控制信号，外界电源的电压和电流，电动机输入电压以及电动机运行状态信号，经所述信号转换电路处理后的信号送微处理器；运行参数设定电路包括与微处理器相连的用以输入电动机拖动对象基本运行要求参数的按键和指示装置，或者用以输入所述运行参数的通讯接口；所述微处理器的输出信号包括对大功率调频调压模块的驱动，而外界交流电源经所述大功率调频调压模块对交流感应电动机供电；所述节能控制模块根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略，自动调节控制参数，经调频和调压控制，使电动机输入能量趋于最小。
在本发明的控制方法及装置的实施例中，优选地，所述节能控制模块执行的步骤包括a、调速节能控制根据电动机拖动对象的要求确定调速参数，由可编程调速节能过程根据设定的调速参数给出转速控制信号，或者在不需要对象反馈时，可通过手动调节给出固定在需要的工作点上的转速信号，且由速度闭环控制保证电动机的实际转速符合给定要求；当据给定转速信号的增量绝对值超过设定值时中断步骤b，同时计算控制电动机新的初始输入电源频率和输入电压，控制电动机按新的给定转速值运行，然后转步骤b，否则进行步骤a的循环；b、调压节能控制按步骤a的给出的电动机新的初始输入电压，控制电动机运行；随后自动测定外界交流电源周期，并以此作为采样周期，采样电动机实际电压、外界交流电源电压与电流，计算在当前采样周期间隔内的输入电能增量，再按给定的节能搜索策略，计算和调节电动机电压，使电动机运行在最小输入电能状态。
步骤a中，所述可编程调速节能过程，可根据实际要求而设定的电动机拖动对象运行状态和电动机转速间的对应关系，自动监测电动机拖动对象的运行状态信号，给出相应的转速控制信号。
步骤a中，所述速度闭环控制是由拖动对象被控参数反馈信号，给定转速控制信号以及容差控制算法构成的闭环控制系统来实现，当拖动对象被控参数偏离给定值超过设定的限度时闭环运行，反之开环运行。
步骤a与步骤b是分别独立执行的，但步骤a通过判断转速信号的增量绝对值是否超过设定的限制参数，来为步骤b提供初值和中断/返回控制。
步骤b中，若电动机为三相，电动机实际电压、外界交流电源电压与电流是假设三相正弦交流平衡电源供电，而只对其中一相电源电压和电流进行测量。
步骤b中，所述节能搜索策略，是根据电能增量的正负变化来判断电动机是否已接近最小耗能运行状态，电能增量为负时减少电动机输出电压，当电能增量由负变正时表示已搜索到最优控制点；所述节能搜索策略中，包括一个用以保证当调低电动机供电电压时引起转速降低不会超过设定的限度的电动机转速变化限制转向控制，和一个用以保证搜索过程及时跟踪电动机负荷的变化的输入电能增量量值变化转向控制。
所述电动机转速变化限制转向控制是当给定转速与实际转速差的绝对值大于设定的限制参数时，表示调压节能控制已达边界值，按给定的返回步长系数乘上计算得到的电压增量，增加电动机输出电压。
所述输入电能增量量值变化转向控制是当电能增量大于和等于零时，若电能增量的绝对值大于设定的控制参数，表示拖动负载的输入功率需要快速跟踪增加，按给定的初始电压加上计算得到的电压增量，调节电动机输出电压，否则，不调节电动机输出电压；当电能增量为小于零时，若电能增量的绝对值大于设定的控制参数，表示拖动负载的输入功率可以快速跟踪减小，按计算得到的电压增量，减少电动机输出电压，反之，按给定的搜索步长系数乘上计算得到的电压增量，减少电动机输出电压。
同现有技术相比，采用本发明的交流感应电动机节能运行控制方法及装置，可以自动确保被控制的电动机始终运行在尽可能少的能耗状态中，在任何正常运行条件下均可获得尽可能好的节能效果。
图1为交流感应电动机等效简化电路图。
图2为交流感应电动机调压控制时的转矩、转速、电压关系图。
图3为本发明的交流感应电动机节能运行控制方法的原理框图。
图4为本发明的控制装置执行的调速节能控制的流程图。
图5为本发明的控制装置执行的调压节能控制的流程图。
图6为本发明的交流感应电动机节能运行控制装置实施例的电原理图。
具体实施例方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
图3所示的本发明的交流感应电动机节能运行控制方法的原理框图，表达了整个系统的基本构造，整个系统包括电源电路和测量电流用的互感器，还包括两个功能模块控制模块10和功率模块20，外界交流电源经所述功率模块20对交流感应电动机30供电，以拖动负载40工作。控制模块10中的信号输入与转换单元11中电动机能耗检测线VL1、VL2、VL3、IL1和Vu连接到外部输入电源线L1、电流转换器I1和电动机输入电源线Vu，控制输入线S1、S2连接到转速给定信号装置和外部转速闭环反馈控制信号线，从图中还可以看到来自电动机30所拖动对象40的反馈信号，给出了拖动对象40的工作状态信息，从而节能控制模块10可根据这些状态信号进行转速切换。控制模块10中还包括运行参数设定电路包括与微处理器相连的用以输入拖动对象40运行参数的按键和指示装置，或者用以输入所述运行参数的通讯接口，从而可以遵照MOBUS等通讯协议通过外部设备进行参数设置和其它数据通讯，或者在不需要对象反馈时，可通过手动调节给出固定在需要的工作点上的转速信号。控制模块10中的信号处理、运算与控制量输出单元12是一片高性能微处理器，选用型号为TI公司的MSP430133，它上面带有一个串行通讯接口，芯片中内置A/D转换器端口A1-A5连接到单元11的对应信号线，输出端口OU1、OU2；OV1、OV2；OW1、OW2连接到大功率调频调压功率模块20的驱动信号线。功率模块20输入线L1、L2、L3连接外部输入电源线，输出线U、V、W连接电动机输入电源线。
图6电路是本发明装置具体实施的电气原理阻通过与微处理器相连的按键和指示装置，或者通过RS485通讯接口可以进行拖动对象40运行参数的设置。由拖动对象40反馈回来的转速控制信号和状态信号经隔离处理后送微处理器。信号转换电路11，通过分压从外部三相输入电源线电压分离出三相相电压，构造出参考零点，并通过比较器电路获得三相相电压的过零脉冲信号，给相电压的A/D转换提供采样时间基准和对三相电源的缺相保护控制。经运算放大器及外围电路将A相电源电压、A相电流、U相电动机电压、人工给定转速信号S1和闭环输入转速信号S2转换为适合微处理器片内A/D转换要求的输入信号。由于三相电源为平衡正弦电源，为使简化电路资源和提高运算速度，仅采用A相信号进行数据处理。微处理器根据这些信号，通过适当的计算处理，获得最优节能控制数据，并将这一数据转换为控制大功率调频调压功率模块的三对PWM驱动信号。大功率调频调压功率模块是通用功能模块，该模块在三对PWM驱动信号的控制下输出三相大功率PWM功率驱动信号，推动电动机按最优节能模式运行。
微处理器的程序按发明内容中描述的算法编制，图4是主流程，也是调速节能控制的流程，可见，首先是根据电动机拖动对象的转速控制信号，判断负载要求的转速的变化量是否超过设定值，是则中断/终止当前可能正在运行的调压节能控制的流程，也就是步骤b，并执行计算电动机输入电源的频率和电动机输入电压，按计算值通过所述功率模块调整电动机输入电源的频率，比较电动机输入电压的计算值与当前电动机的实际输入电压，如果计算值大于实际值，按计算值通过所述功率模块调整电动机的输入电压，转步骤b。图5为调压节能控制的流程，可见，其是自循环执行的，实时测量电动机的实际输入电压、外界交流电源的电压、电流，根据在发明内容中描述过的算式，计算电动机在当前采样周期间隔内的输入电能增量，和电动机的输入电压的最优值搜索的增量值，然后，判断本采样周期内的输入电能增量情况，调整电动机的实际输入电压。
其中，有关的计算，依据的算法，说明如下可编程设置有3个输入端口，代表8个输入状态，分别对应8个输出转速。
SIN(i)＝ST(i)式中ST(i)为输入状态转换算法，可以是查表，SIN(i)为对应输出转速，i为1-8序号。
通过负载要求的转速SIN，计算电机输入电源的频率和电动机输入电压f0、Vofo＝KfSINVo＝Kvfo 式中Kf，Kv为常数采集电源输入电流、电压 AIN和电动机输入电压D后，
由算式AIN(T)=3TNΣi=1NI·AINi×U·AINi;(I·AINi×U·AINi>0)]]>RIN(T)=3TNΣi=1NI·AINi×U·AINi;(I·AINi×U·AINi<=0)]]>UIN(T)=TNΣi=1NU·Di×U·Di]]>式中，N一个电源周期T中数据的采样点数，取值范围2-1000。
计算一个电源周期T内有功、无功电能和电动机电压有效值IAIN，UAIN，UIN(T)。
跟踪计算一个电源周期T内电能变化增量ΔAIN=AINi+1(T)-AINi(T)]]>计算控制电压增量的算式ΔU=ΔAIN(T)2KUIN(T)]]>式中K＝T Pe/U2e其中 是每一步搜索最小能耗时的电压减小量，其中a为搜索步长系数，通常根据系统响应速度快慢可取0.1-1。
为达到搜索边界值时电压的增加量，其中b为返回步长系数，通常取a的0.1-0.5倍。
e是电能增量量值变化转向控制参数，取值范围额定功率的5％--20％。
es是速度变化限制转向控制限制参数，取值范围额定转速的1％--10％。
其中，参数a、b、e和es，均是通过运行参数设定电路，经可编程调速节能过程设置的。
本发明上述算法的基本依据，进一步说明如下所述在给定转速，给定电源频率状态下，电机在正常工作时，由图1所示的电动机等效简化电路可以得到功率等效方程P1＝PM+Pcu1+Pfe1PM＝P2+Pcu2+Pa式中电机输入功率P1定子铜损Pcu1=m1I12R1=Z1(s)2m1R1U12]]>定子铁损Pfe1=m1Im2Rm=Zm(s)2m1RmU12]]>
电磁功率PM＝Ω1M(Ω1理想空载角速度)机械功率P2转子铜损Pcu2=m1I2′2R2′=Z2(s)2m1R2′U12]]>附加损耗Pa由此可见电机输入电压U1的变化可以改变电机的运行损耗。
电磁转矩方程M=1Ω1m1U12R2′s(R1+R2′s)2+(X1σ+X2σ′)2=ZM(s)U12]]>由电磁转矩方程改变电机输入电压U1，可得到图2所示的特性曲线。在给定转速，给定电源频率时，只要负载和机械损耗转矩之和M1小于给定输入电压时的最大输出转矩Mmax，减小电动机输入电压U1不影响电机系统的正常运行。
因此，由上述电机基本方程可以导出在给定转速，给定电源频率时，电机输入功率的近似表达式P1＝ZM(S)U12当转差率变化较小时，ZM(s)可用常数Pe/Ue2近似代替。
在一个电源周期T时间内AIN(T)＝TP1UIN(T)＝U1即AIN(T)＝KUIN(T)2K＝TPe/U2e取增量后得到ΔU=ΔAIN(T)2KUIN(T)]]>这一关系式为控制器在给定转速，给定电源频率下，对电动机节能优化控制提供了基本起点。
电动机的转速方程SIN＝(1-S)60fo/p式中s是转差率；p是极对数为调速节能控制提供了控制依据。
并且，使
Vo/fo＝Ve/fe＝Kv式中Ve是电机额定电压，fe电机额定频率以保证电机运行安全，建立在这两个电动机的基本特征上的控制程序通过节能优化搜索，实现了对电动机的节能控制的本发明。
本发明的控制方法及装置带来的技术效果体现在以下几个方面1.发明中提供的速度设定和调速闭环控制功能，可以为可调速电动机运行系统提供有效的节能控制ΔAs=(Se-S)M]]>式中Se额定转速；S实际转速；M负载转矩； 节省的电动机拖动对象浪费的能量。
2.发明中提供的调压控制功能可使被控制对象在任何转速情况下减少损耗，发明中提供的节能优化搜索控制可以获得准确的最优节能效果ΔAv=Σ(Ae(T)-AMIN(T))]]>式中Ae(T)无调压时平均一个电源周期T时间内的输入电能；AMIN(T)优化调压控制后平均一个电源周期T时间内的输入电能； 节省的电动机损耗能量。
3.发明中提供的辅助功能可实现对电动机的节能启动和停机控制以及运行时的综合保护。
4.上述节能效果的获得将不依赖于电动机自身的准确参数关系和对象运行状态的限制，既解决了常规调压节能控制中的不确定性问题和不能节省电动机拖动对象能量的浪费，且仅能用于不调速系统的问题，又解决了变频调速节能控制中不能节省电动机自身能量损耗，且只能用于可调速系统的问题。可以用于任何常规电动机的节能控制，并且，都可获得确定的最优节能效果和运行保护。
本发明的基本思路在于根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略自动调节控制参数，经调频和调压控制使电动机输入能量趋于最小。本发明的实施，并不限于上述公开之实施例。任何基于上述基本思路，而做出的针对上述实施例的无须创造性劳动的替换、改进，都属于本发明的实施。
权利要求
1.一种交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于通过设置节能控制模块和大功率调频调压模块控制电动机运行，节能控制模块根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略，自动调节控制参数，经调频和调压控制，使电动机输入能量趋于最小。
2.如权利要求1所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于所述节能控制模块执行的步骤包括a、调速节能控制根据电动机拖动对象的要求确定调速参数，由可编程调速节能过程根据设定的调速参数给出转速控制信号，或者在不需要对象反馈时，可通过手动调节给出固定在需要的工作点上的转速信号，且由速度闭环控制保证电动机的实际转速符合给定要求，当给定转速信号的增量绝对值超过设定值时中断步骤b，同时计算控制电动机新的初始输入电源频率和输入电压，控制电动机按新的给定转速值运行，然后转步骤b，否则进行步骤a的循环；b、调压节能控制按步骤a给出的电动机新的初始输入电压，控制电动机运行，随后自动测定外界交流电源周期，并以此作为采样周期，采样电动机实际电压、外界交流电源电压与电流，计算在当前采样周期间隔内的输入电能增量，再按给定的节能搜索策略，计算和调节电动机电压，使电动机运行在最小输入电能状态。
3.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于步骤a中，所述可编程调速节能过程，可根据实际要求而设定的电动机拖动对象运行状态和电动机转速间的对应关系，自动监测电动机拖动对象的运行状态信号，给出相应的转速控制信号。
4.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于步骤a中，所述速度闭环控制，是由拖动对象被控参数反馈信号，给定转速控制信号以及容差控制算法构成的闭环控制系统来实现，当拖动对象被控参数偏离给定值超过设定的限度时闭环运行，反之开环运行。
5.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于步骤a与步骤b是分别独立执行的，当步骤a判断转速信号的增量绝对值超过设定的限制参数时，为步骤b提供初值和中断/返回控制。
6.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于步骤b中，所述节能搜索策略，是根据电能增量的正负变化来判断电动机是否已接近最小耗能运行状态，电能增量为负时减少电动机输出电压，当电能增量由负变正时表示已搜索到最优控制点；所述节能搜索策略中，包括一个用以保证当调低电动机供电电压时引起转速降低不会超过设定的限度的电动机转速变化限制转向控制，和一个用以保证搜索过程及时跟踪电动机负荷的变化的输入电能增量量值变化转向控制。
7.如权利要求6所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于所述电动机转速变化限制转向控制是当给定转速与实际转速差的绝对值大于设定的限制参数时，表示调压节能控制已达边界值，按给定的返回步长系数乘上计算得到的电压增量，增加电动机输出电压。
8.如权利要求6所述的交流感应电动机节能运行控制方法，其特征在于所述输入电能增量量值变化转向控制是当电能增量大于和等于零时，若电能增量的绝对值大于设定的控制参数，表示拖动负载的输入功率需要快速跟踪增加，按给定的初始电压加上计算得到的电压增量，调节电动机输出电压，否则，不调节电动机输出电压；当电能增量为小于零时，若电能增量的绝对值大于设定的控制参数，表示拖动负载的输入功率可以快速跟踪减小，按计算得到的电压增量，减少电动机输出电压，反之，按给定的搜索步长系数乘上计算得到的电压增量，减少电动机输出电压。
9.一种交流感应电动机节能运行控制装置，包括电源电路和测量电流用的互感器，其特征在于还包括节能控制模块和大功率调频调压模块，所述节能控制模块包括信号转换电路、运行参数设定电路和微处理器；信号转换电路的输入信号包括交流感应电动机拖动对象的转速控制信号，外界电源的电压和电流，电动机输入电压以及电动机运行状态信号，经所述信号转换电路处理后的信号送微处理器；运行参数设定电路包括与微处理器相连的用以输入电动机拖动对象基本运行要求参数的按键和指示装置，或者用以输入所述运行参数的通讯接口；所述微处理器的输出信号包括对大功率调频调压模块的驱动，而外界交流电源经所述大功率调频调压模块对交流感应电动机供电；所述节能控制模块根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略，自动调节控制参数，经调频和调压控制，使电动机输入能量趋于最小。
10.如权利要求9所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述微处理器上运行的程序所执行的步骤包括a、调速节能控制根据电动机拖动对象的要求，由可编程调速节能过程给出转速控制信号，或者在不需要对象反馈时，可通过手动调节给出固定在需要的工作点上的转速信号，且由速度闭环控制保证电动机的实际转速符合给定要求；当据给定转速信号的增量绝对值超过设定值时中断步骤b，同时计算控制电动机新的初始输入电源频率和输入电压，控制电动机按新的给定转速值运行，然后转步骤b处理，否则进行步骤a的循环；b、调压节能控制按步骤a的给出的电动机新的初始输入电压，控制电动机运行，随后自动测定外界交流电源周期，并以此作为采样周期，采样电动机实际电压、外界交流电源电压与电流，计算在当前采样周期间隔内的输入电能增量，再按给定的节能搜索策略，计算和调节电动机电压，使电动机运行在最小输入电能状态。
全文摘要
一种交流感应电动机节能运行控制方法及装置，通过设置节能控制模块和大功率调频调压模块控制电动机运行，节能控制模块根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号，并在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量，根据这一增量，计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数，通过调频和调压控制，使电动机进入给定转速时的运行起点，再按给定的搜索策略自动调节控制参数，经调频和调压控制使电动机输入能量趋于最小。在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，通过调速和调压控制，自动确保被控制电动机始终运行在尽可能少的能耗状态中，在任何正常运行条件下均可获得尽可能好的节能效果。
文档编号H02P27/04GK1767368SQ20051010094
公开日2006年5月3日 申请日期2005年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者杨玉华 申请人:杨玉华