一种自启动永磁同步电动机电压控制方法及系统与流程

本发明涉及永磁同步电动机领域，具体涉及一种自启动永磁同步电动机电压控制方法及系统，主要适于轻载运行的自启动永磁同步电动机使用。

背景技术：

永磁同步电动机具有空载损耗小，启动转矩高、功率因数高、效率高、体积小等优点，自2007年起连续十余年被列入“高效节能电机推荐目录”，在各行各业得到了广泛的应用。

永磁同步电动机按启动方式划分为自启动永磁电动机和变频永磁电动机。其中，自启动永磁电动机常用于风机/粉碎机/水泵/抽油机/纺织机等各类直接启动的行业设备。据统计，仅油田领域，当前已有80-100万台抽油机配套使用自启动永磁同步电动机。

以抽油机配套的自启动永磁同步电动机为例，经过大量的长期跟踪测试发现，半数以上的抽油机配套的自启动永磁同步电动机运行功率因数较低。经过研究发现，永磁同步电动机在负载率低于0.4时，对电压非常敏感。以空载反电势e为基准，电压波动大于4％e，则功率因数会急剧降低，运行性能会显著变差。

自启动永磁同步电动机采用的是直接启动方式。而永磁同步电动机空载反电势的值不能实时测量，运行中供电电压与空载反电势不能匹配，这是造成自启动永磁同步电动机轻载运行时功率因数低、运行性能差的根本原因。且伴随使用时间的延长，自启动永磁同步电动机也会因振动、故障、温升等原因造成各种程度的退磁现象的发生，其功率因数会越来越低，其性能可能会与异步电动机接近，甚至比异步电动机更低。以上是造成自启动永磁同步电动机作为高效节能电机推广却不能高效节能运行的尴尬态势的主要原因，不利于自启动永磁同步电动机节能事业的发展。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种自启动永磁同步电动机电压控制方法及系统，用于提高自启动永磁同步电动机高效节能效果。

第一方面，本发明提供一种自启动永磁同步电动机电压控制方法，包括步骤：每间隔预先设定的时长δt，均执行一次如下步骤：

在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e；

基于所述空载反电动势e，获取电压区间范围0.95e～1.05e，并在未来时长δt内：实时监测永磁同步电动机的输入电压u，并通过电子调压装置或电感调压装置自动调节所述输入电压u，使所述输入电压u在上述未来时长δt内实时满足上述电压区间范围0.95e～1.05e。

进一步地，所述电压区间范围0.95e～1.05e替换为电压区间范围0.975e-1.0125e。

进一步地，在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e的方法为：

通过所述的电子调压装置或电感调压装置，停止对永磁同步电动机供电，之后实时测量永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush，直至测得的信号频率fsh＜0.98×f；记最后一次测量到的信号频率fsh及其对应的输出电压ush依次为fsh0和ush0；所述f为永磁同步电动机的额定频率；

在每一次测量信号频率fsh及其对应的输出电压ush时,均同步采集永磁同步电动机的温度t；

基于上述fsh0、ush0和f，采用公式计算永磁同步电动机的过渡空载反电动势u；

基于上述u和t，采用公式e＝u-(t-tp)×u×k计算得到永磁同步电动机的空载反电势e，式中k为永磁同步电动机空载反电势系数，tp代表预先设定的温度阈值，该tp的取值范围为20℃～25℃。

进一步地，若当前次测量空载反电动势e失败，则记当前采集到的空载反电动势e为上一次采集到的空载反电动势，并在未来间隔所述时长δt后，再次采集永磁同步电动机的空载反电动势e。

进一步地，所述δt的取值范围为1h～10000h。

第二方面，本发明提供一种自启动永磁同步电动机电压控制系统，包括控制模块、空载反电动势测量模块、电压计算模块和电压自动调控模块，其中：

控制模块，用于每间隔预先设定的时长δt，均调用一次空载反电动势测量模块和电压计算模块；

空载反电动势测量模块，其输入端连接永磁同步电动机的定子绕组的输出端，在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e；

电压计算模块，用于利用空载反电动势测量模块采集到空载反电动势e，获取电压区间范围0.95e～1.05e，并调用电压自动调控模块；

电压自动调控模块，用于在未来时长δt内：实时监测永磁同步电动机的输入电压u，并通过电子调压装置或电感调压装置自动调节所述输入电压u，使所述输入电压u在上述未来时长δt内实时满足上述电压区间范围0.95e～1.05e。

进一步地，所述电压区间范围0.95e～1.05e均替换为电压区间范围0.975e-1.0125e。

进一步地，空载反电动势测量模块在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e的方法为：

通过所述的电子调压装置或电感调压装置，停止对永磁同步电动机供电，之后实时测量永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush，直至测得的信号频率fsh＜0.98×f；记最后一次测量到的信号频率fsh及其对应的输出电压ush依次为fsh0和ush0；所述f为永磁同步电动机的额定频率；

在每一次测量信号频率fsh及其对应的输出电压ush时,同步采集永磁同步电动机的温度t；

基于上述fsh0、ush0和f，采用公式计算永磁同步电动机的过渡空载反电动势u；

采用公式e＝u-(t-tp)×u×k计算得到永磁同步电动机的空载反电势e，式中k为永磁同步电动机空载反电势系数，tp代表预先设定的温度阈值，该tp的取值范围为20℃～25℃。

进一步地，所述空载反电动势测量模块，还被配置为执行以下步骤：若当前次测量空载反电动势e失败，则记当前采集到的空载反电动势e为上一次采集到的空载反电动势，并在未来间隔所述时长δt后，再次采集永磁同步电动机的空载反电动势e。

进一步地，所述δt的取值范围为1h～10000h。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的自启动永磁同步电动机电压控制方法及系统，均能够实时基于最近一次采集到的空载反电动势e，作为自动调控永磁同步电动机定子绕组侧在未来时长δt内的输入电压的大小的依据，还可实时监测供电电压，通过电子调压装置或电感调压装置使永磁同步电动机定子绕组侧输入电压实时在高效节能运行电压区间范围[0.95e,1.05e]内，实现空载反电动势e采集与永磁同步电动机定子绕组侧输入电压调节的双动态实时智能匹配，实现对永磁同步电动机定子绕组侧输入电源的无缝隙刷新与控制，有助于提高永磁同步电动机高效节能的效果，且便于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。

图2是本发明一个实施例的系统的示意性框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图，该方法能够实时基于利用最近一次采集到的空载反电动势得到的电压区间范围0.95e～1.05e，作为未来一段时间(具体为下述未来时长δt)永磁同步电动机高效节能运行控制的基准，主要适于轻载运行的自启动永磁同步电动机使用，比如适于纺织机、采矿提升机以及抽油机的永磁同步电动机使用。

如图1所示，该方法100包括，每间隔预先设定的时长δt，均执行一次如下步骤：

步骤110，在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e；

步骤120，基于所述空载反电动势e，获取电压区间范围0.95e～1.05e；之后继续执行步骤130；

步骤130，在未来时长δt内：实时监测永磁同步电动机的输入电压u，并通过电子调压装置或电感调压装置自动调节所述输入电压u，使所述输入电压u在上述未来时长δt内实时满足上述电压区间范围0.95e～1.05e。

其中，本说明书中所涉及的电子调压装置可以是通过可控硅进行调压的调压装置，也可以是通过现有技术中其他电子调压方式进行调压的调压装置。

本说明书中所涉及的电感调压装置,可以是自耦变压器调压装置，也可以是感应变压器调压装置，也可以是现有技术中其他采用电感调压方式进行调压的调压装置。

本发明将电压区间范围作为未来时长δt内控制永磁同步电动机高效节能运行的基准，便于实现。

本发明将电压区间范围设置在0.95e～1.05e，一定程度上有助于确保永磁同步电动机的功率因数基本不小于0.65，从而在一定程度上有助于确保永磁同步电动机的高效节能运行。

具体实现时，本领域技术人员可依据实际需要，选用现有技术中任意一种能够在线采集永磁同步电动机的空载反电动势的方法实现上述步骤110。

作为本发明的一个示意性实施例，步骤110的实现方法为：

通过所述的电子调压装置或电感调压装置停止对永磁同步电动机供电，之后实时测量永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush，直至测得的信号频率fsh＜0.98×f；记最后一次测量到的信号频率fsh及其对应的输出电压ush依次为fsh0和ush0；所述f为永磁同步电动机的额定频率；

在每一次测量信号频率fsh及其对应的输出电压ush时,同步采集永磁同步电动机的温度，记测量信号频率fsh0及其对应的输出电压ush0时同步采集到的永磁同步电动机的温度为t；

基于上述fsh0、ush0和f，采用公式计算永磁同步电动机的过渡空载反电动势u；

采用公式e＝u-(t-tp)×u×k计算得到永磁同步电动机的空载反电势e，式中k为永磁同步电动机空载反电势系数，tp代表预先设定的温度阈值，该tp的取值范围为20℃～25℃。

其中，永磁同步电动机在处于正常运行过程中时，永磁同步电动机定子绕组侧的输出信号的信号频率fsh1≥0.98×f，f为永磁同步电动机的额定频率。

其中，上述通过所述的电子调压装置或电感调压装置停止对永磁同步电动机供电，对应有永磁同步电动机进入停机过程。

上述公式e＝u-(t-tp)×u×k中的“tp”的单位是℃。本发明基于公式e＝u-(t-tp)×u×k，采用tp温度下的空载反电势修正过渡空载反电动势u，一定程度上有助于确保检测到的空载反电势之间的可比性。具体实现时，tp的取值可由本领域技术人员依据实际情况设定，比如可设定为20(对应20℃)，也可设定为25(对应25℃)。

上述k的取值范围为0.01％～0.1％，具体实现时，本领域技术人员可依据受控的永磁同步电动机的磁钢型号，选择设定k的具体取值。

作为本发明的一个示意性实施例，该方法100中测量永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush的方法均为：

在预设时间段内，每间隔设定时间间隔δt检测并记录一次永磁同步电动机定子绕组侧的瞬时电压，并利用所记录的所有瞬时电压及其各自的检测时间，生成瞬时电压变化曲线s；

分析所述瞬时电压变化曲线s，截取瞬时电压变化曲线s上自第一个上沿过零点，到下一个与之对应的上沿过零点的曲线段，记为目标曲线段；

基于目标曲线段，获取所述第一个上沿过零点对应的瞬时电压u1、获取上述记录的永磁同步电动机定子绕组侧的瞬时电压中位于目标曲线段的两端点之间的曲线上的所有瞬时电压u2、u3、...、un-1，以及获取所述的下一个与之对应的上沿过零点对应的瞬时电压un；

采用表达式计算瞬时电压变化曲线s对应的信号频率，该信号频率即为当前测量到的永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh；

基于上述瞬时电压u1、u2、u3、...、un-1和un，利用以下公式①或公式②计算上述信号频率fsh对应的永磁同步电动机定子绕组侧的输出电压ush：

其中，在公式②中：um为上述瞬时电压u1、u2、u3、...、un-1和un中的最大值，-um为上述瞬时电压u1、u2、u3、...、un-1和un中的最小值。

具体实现时，上述公式①与公式②，可由本领域技术人员择一使用。

具体实现时，上述“上沿过零点”可以用“下沿过零点”替换。

上述预设时间段的取值，可由本领域技术人员依据实际情况设定，比如可设置为15ms(毫秒)，也可以设置为其他数值。

上述时间间隔δt的取值,可由本领域技术人员依据实际情况设定，比如可设置δt的值为1ms，也可以设置为其他数值，该数值小于上述预设时间段。

另外，具体实现时，也可采用任意相关现有技术，测量本发明中所涉及的各永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush。

作为本发明的一个实施例，所述δt的取值范围为1h～10000h。

作为本发明的一个实施例，δt具体取值为150h。

作为本发明的一个实施例，上述电压区间范围0.95e～1.05e替换为电压区间范围0.975e-1.0125e。电压区间范围0.975e-1.0125e的使用，有助于确保永磁同步电动机的功率因数在0.95左右，这在很大程度上有助于确保永磁同步电动机的高效节能运行。

作为本发明的一个实施例，若当前次测量空载反电动势e失败，则将上一次采集到的空载反电动势作为当前次采集到的空载反电动势e，并在未来间隔所述时长δt后，再次采集永磁同步电动机的空载反电动势e。

图2为本发明所述自启动永磁同步电动机电压控制系统的一个实施例。

如图2所示，该系统200包括控制模块201、空载反电动势测量模块202、电压计算模块203和电压自动调控模块204，其中：

控制模块201，用于每间隔预先设定的时长δt，均调用一次空载反电动势测量模块202和电压计算模块203；

空载反电动势测量模块202，其输入端连接永磁同步电动机的定子绕组的输出端，在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e；

电压计算模块203，用于利用空载反电动势测量模块202采集到空载反电动势e，获取电压区间范围0.95e～1.05e，并调用电压自动调控模块204；

电压自动调控模块204，用于在未来时长δt内：实时监测永磁同步电动机的输入电压u，并通过电子调压装置或电感调压装置自动调节所述输入电压u，使所述输入电压u在上述未来时长δt内实时满足上述电压区间范围0.95e～1.05e。

使用前，先将永磁同步电动机的定子绕组的输出端接入空载反电动势测量模块202的输入端，将电压自动调控模块204串联在永磁同步电动机的供电电源及永磁同步电动机的电源输入端之间。使用时，控制模块201每间隔预先设定的时长δt，调用一次空载反电动势测量模块202和电压计算模块203。每次调用空载反电动势测量模块202和电压计算模块203的工作过程为：通过空载反电动势测量模块202在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e；之后由电压计算模块203，利用空载反电动势测量模块202采集到的空载反电动势e，计算并获取电压区间范围0.95e(即0.95×e)～1.05e(即1.05×e)，之后调用电压自动调控模块204并由电压自动调控模块204在未来时长δt内：实时监测永磁同步电动机的输入电压u并通过所述电子调压装置或电感调压装置自动调节永磁同步电动机的电源电压，使该永磁同步电动机的定子绕组输入端的输入电压u在未来时长δt内实时满足上述电压区间范围0.95e～1.05e。

作为本发明的一个实施例，所述电压区间范围0.95e～1.05e均替换为电压区间范围0.975e-1.0125e。

作为本发明的一个实施例，空载反电动势测量模块202在线采集永磁同步电动机的空载反电动势e的方法为：

通过所述的电子调压装置或电感调压装置停止对永磁同步电动机供电，之后实时测量永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush，直至测得的信号频率fsh＜0.98×f；记最后一次测量到的信号频率fsh及其对应的输出电压ush依次为fsh0和ush0；所述f为永磁同步电动机的额定频率；

在每一次测量信号频率fsh及其对应的输出电压ush时,同步采集永磁同步电动机的温度t；

基于上述fsh0、ush0和f，采用公式计算永磁同步电动机的过渡空载反电动势u；

采用公式e＝u-(t-tp)×u×k计算得到永磁同步电动机的空载反电势e，式中k为永磁同步电动机空载反电势系数，tp代表预先设定的温度阈值，该tp的取值范围为20℃～25℃。

具体实现时，可参照以上方法100实施例中所公开的相关测量方法，也可采用现有技术中任意相关技术，测量本系统中所涉及的各永磁同步电动机定子绕组侧的信号频率fsh及其对应的输出电压ush。

作为本发明的一个实施例，所述空载反电动势测量模块202，还被配置为执行以下步骤：若当前次测量空载反电动势e失败，则记当前采集到的空载反电动势e为上一次采集到的空载反电动势，并在未来间隔所述时长δt后，再次采集永磁同步电动机的空载反电动势e。

作为本发明的一个实施例，所述δt的取值范围为1h～10000h。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

本说明书中的“h”代表时间单位“小时”。

尽管通过参考附图并结合实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。