专利名称：家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法
技术领域：
本发明属于电动机领域，涉及一种家电用单相电源供电的三相永磁电机变频控制 系统及控制方法。
背景技术：
现代家用电器一般由单相电源(220V，50Hz )供电。电机作为各类家用电器中的核 心部件，得到了广泛的应用。然而现有家用电器中，大量使用的单相异步电动机存在着效率 和功率因数都较低的缺点，其效率仅为30%左右，造成电能的大量浪费。相比而言，单相永 磁电机，电容嬰相的驱动模式，可将其效率提高，但也仅为50%左右。此外，单相电机的副绕 组在电机正常运行时几乎不起作用，因此造成了电机材料利用率低的问题。单相电机与相 同功率等级的三相电动机相比，材料利用率至少差30%，效率要相差一倍左右，其性能也与 三相电动机相差较大。另一方面，现有大部分家用电器属于定速运行，而定速运行的家电是依靠不断地 起、停电动机来实现运转的，一旦开启即按照最大功率运行。这样势必会带来起动频繁、噪 声大、电机寿命短、温升高及能耗高等一系列问题。随着电力电子技术的发展，变频家电得 到了迅速的发展，但现有变频家电一般仍然使用单相异步电动机或单相永磁电动机，仅通 过改变供电电源的频率，使电动机变速运行来达到变频家电效率的提高。同时，通过采用一 套位置传感器来获得转子位置信息，从而控制电机运行，但使用位置传感器会增大电机体 积，不利于电机小型化，也受到安装工艺，周围环境等多种因素的限制，这些因素使得家用 电器的性能受到一定影响。
发明内容
本发明公开一种家电用单/三相永磁电机变频控制系统及控制方法，实现了在单 相电源供电条件下，使用三相永磁电动机目的，同时采用最小电流控制方法，提出一种基于 反电动势自动跟踪的调速方式，实现了电动机无位置传感器的开环调速控制，达到较小损 耗、提高系统性能的效果。本发明是通过以下技术方案实施的
家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于所述系统由单相交流电源供 电，整流装置连接平波回路，平波回路连接逆变装置，逆变装置连接家电用三相永磁电机的 接线盒，接线盒与定子绕组、电流及电压检测单元连接，电流及电压检测单元连接变频器控 制单元，变频器控制单元连接逆变装置。家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于所述方法为
系统由单相电源(220V，50Hz)供电，单相交流电流经过整流装置中的二极管整流器、 平波回路、逆变装置将单相交流电(220V，50Hz)变换为适用于家用电器中驱动电机使用的 三相交流电；
通过电流及电压检测单元检测三相永磁电机定子绕组中的电流、电压信号，经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元实现对逆变装置中电力电子开关通断的 控制，通过改变通断比例，控制三相永磁电机的供电电压，从而实现三相永磁电机的无位置 传感器开环变频调速控制。家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于变频调速时，电 机的三相电源来源于逆变电路的输出量，经过CPU运算、处理得到定子绕组相电流的最小 值，调整逆变装置中脉冲通断比例，从而调整逆变器输出电压，就可以在电机定子绕组的输 入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电动势的输入电压，实现效率最优化。家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于采用基于反电 势自动跟踪的调速方法，当电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组端电压，利用CPU 内部最小电流法计算程序，得到对应最小电流值的电压。家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于当电机处于稳 态过程中，应用动态初值，增大定子绕组电压，连续检测定子相电流的变化，将前一次的斜
率％^与后一次的斜率％.)比较，
由具有CPU处理功能的器件进行存储、判断，找到最小电流值。是一种电动机的无位置传感器的开环控制。本发明的有益效果是采用单/三相永磁电动机变频控制技术及控制方法，可以 在单相交流电源供电条件下应用三相电动机，适应了家用电器由单相电源(220V、50Hz)供 电的需要。在家用电器中选用三相电动机，明显提高了电机的效率、功率因数、材料的利用 率。在节约能源，节省材料等方面都有显著效果。同时采用最小电流控制方法，减小了电机 损耗。并实现了电动机无位置传感器的变频调速控制，在减小电机体积、避免工艺复杂等方 面有一定的有益效果。同时，提高了系统的效率及控制性能，可以更好的适应于家用电器领 域。
图1是本发明的系统结构示意图； 图2是三相永磁同步电动机结构示意图； 图3是三相永磁同步电动机转子结构示意图； 附图标记说明
2.定子绕组、3.转轴、8.定子铁心、9.转子、10.永磁体、11.接线盒、17.整流装置、 18.平波回路、19.逆变装置、20.电流及电压检测单元、21.变频控制单元。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步描述
图1是本发明的系统结构示意图，如图所示，整流装置17连接平波回路18，平波回路 18连接逆变装置19，逆变装置19连接家电用三相永磁电机的接线盒11，接线盒11与定子 绕组2、电流及电压检测单元20连接，电流及电压检测单元20连接变频器控制单元21，变 频器控制单元21连接逆变装置19。系统由单相交流电源供电，单相交流电流经过整流装 置17中的二极管整流器、平波回路18、逆变装置19将单相交流电(220V，50Hz)变换为适用 于家用电器中驱动电机使用的三相交流电；通过电流及电压检测单元20检测永磁电机定 子绕组2中的电流、电压信号，经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元 21实现对逆变装置19中电力电子开关通断的控制，通过改变通断比例，从而控制永磁电机的供电电压。整流装置17采用单相桥式整流电路。交流电流经过二极管整流器，为电压源型可 控逆变电路提供直流电源。当系统工作时，全电流向电容器组组成的平波回路18充电。逆 变装置19是由IGBT构成的逆变器部分，采用正弦波脉宽调制(SPWM)三相桥式逆变电路的 线电压控制方式。将U，V，W三相连接到家电用三相永磁电机定子铁心8的三相对称定子绕 组2上。此时，三相交流电大小相等，相位相差120°，电机的三相绕组在空间上产生一个圆 形旋转磁场。逆变电路U，V，W之间的相位差，逆变器输出电压的幅值和频率，可以通过控制 IGBT的脉冲来实现。变频器控制单元21所产生的SPWM脉宽调制波由正弦波和三角波经过电压比较器 比较后产生。正弦波发生器由v/f转换器、分频电路、波形形成电路组成。工作时通过v/f 转换器产生计数寻址脉冲，按顺序读出事先写入EPROM中相互差120°的正弦波数值，再经 过数模转换器，转换正弦波模拟电压信号，其正弦波的幅值由给定电压控制。产生的SPWM 信号不足以驱动IGBT，需要驱动电路来实现。驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间 的接口电路，是电力电子装置的重要环节，对主电路和控制电路有电气隔离的作用。并且具 有较强的抗干扰能力。本发明由单相电源(220V, 50Hz)输入，变频器三相对称输出，电机选用三相低压 (线电压低于150V)永磁电动机，利用交流一直流一交流的控制思想，将民用单相交流电 (220V,50Hz)经过整流，逆变后，以逆变器输出不高于150V的线电压来控制三相永磁同步 电动机。由于在利用调节供电电压的方法调节电动机转速的调速方法中，只要通过控制电 动机反电动势就可以间接的控制电机转速。进而采用基于反电势自动跟踪的调速方法，当 电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组2端电压，利用CPU内部最小电流法计算程 序，得到对应最小电流值的电压。通过改变脉冲通断比例，调整逆变器输出电压，从而调整 电机的定子电压，就可以在电机定子绕组2的输入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电 动势的输入电压，依据最小电流控制方法，连续检测定子相电流的变化，由前一次的斜率
%^与后一次的斜率比较，经过CPU运算、处理，得到定子相电流的最小值，从而使电
流保持为最小电流值。实现效率最优化。采用SPWM反馈控制方式，由SPWM控制器产生三 相桥式逆变器主开关的控制信号，由主开关完成对三相永磁电机定子电流的通断。实现永 磁电动机无位置传感器的开环变频调速，提高了系统性能。图2是三相永磁同步电动机结构示意图，如图所示，电机选用三相低压(线电压低 于150V)永磁电动机，由单/三相变频器供电，电机的定子绕组2与接线盒11连接，在转轴 3中部沿径向从内到外依次安装有转子9、永磁体10和定子铁心8，定子绕组2设置在定子 铁心8上。图3是三相永磁同步电动机转子结构示意图，如图所示，转子9采用内置V型磁路 结构，能够变频调速 ’转子9两端放有铜连接片，并用铜螺杆将铜连接片与转子铁心固定， 铜螺杆又是阻尼绕组，改善电机起动性能。
权利要求
1.家电用单/三相永磁电机的变频控制系统，其特征在于所述系统由单相交流电源 供电，整流装置(17)连接平波回路(18)，平波回路(18)连接逆变装置(19)，逆变装置(19) 连接家电用三相永磁电机的接线盒(11)，接线盒(11)与定子绕组(2)、电流及电压检测单 元(20)连接，电流及电压检测单元(20)连接变频器控制单元(21)，变频器控制单元(21)连 接逆变装置(19)。
2.如权利要求1所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在于 所述方法为系统由单相交流电源供电，单相交流电经过整流装置(17)中的二极管整流器、平波回 路(18)、逆变装置(19)将单相交流电(220V，50Hz)变换为适用于家用电器中驱动电机使用 的三相交流电；通过电流及电压检测单元(20)检测三相永磁电机定子绕组(2)中的电流、电压信号， 经具有CPU处理功能的器件分析、处理后，由变频器控制单元(21)实现对逆变装置(19)中 电力电子开关通断的控制，通过改变通断比例，控制三相永磁电机的供电电压，从而实现三 相永磁电机的无位置传感器开环变频调速控制。
3.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在 于变频调速时，电机的三相电源来源于逆变电路(19)的输出量，经过CPU运算、处理得到 定子绕组(2)相电流的最小值，调整逆变装置(19)中脉冲通断比例，从而调整逆变器输出 电压，就可以在电机定子绕组(2)的输入端得到在相位和幅值上严格跟踪反电动势的输入 电压，实现效率最优化。
4.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在 于采用基于反电势自动跟踪的调速方法，当电机处于任意运行状态时，通过调节定子绕组 (2)端电压，利用CPU内部最小电流法计算程序，得到对应最小电流值的电压。
5.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的 控制方法，其特征在于当电机处于稳态过程中，应用动态初值，增大定 子绕组(2)电压，连续检测定子绕组(2)相电流的变化，将前一次的斜率与后一次的斜率比较，由具有CPU处理功能的器件进行存储、判断，找到最小电流值。
6.根据权利要求2所述家电用单/三相永磁电机变频控制系统的控制方法，其特征在 于是一种电动机的无位置传感器控制。
全文摘要
家电用单/三相永磁电机的变频控制系统及控制方法，系统包括整流装置连接平波回路，平波回路连接逆变装置，逆变装置连接家电用三相变频调速永磁电机的接线盒，通过接线盒与定子绕组、电流及电压检测单元连接，电流及电压检测单元连接变频器控制单元，变频器控制单元连接逆变装置。本发明实现了单相电源供电条件下应用三相电动机的目的，同时提出了一种基于反电动势自动跟踪的变频调速技术，实现电动机的无位置传感器开环控制，采用了最小电流控制方法，达到减少损耗的，提高系统性能的目的。
文档编号H02P27/08GK102006008SQ20101058094
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者冯桂宏, 张炳义, 齐雯 申请人:沈阳工业大学