专利名称：一种拟超导稳速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机稳速系统的构成，特别涉及没有速度检测反馈元件的稳速系统的构成。
已有技术中对电动机稳速系统的构成，大约有以下一些基本方案1、在直流电机电路中，检测电机电枢反电势的变化而给予反馈补偿。例如录音机稳速系统。
2、在交流电机电路中，检测电机的电压、电流或磁通矢量而给予反馈补偿。例如在使用变频器的交流电机矢量控制稳速系统。
3、在任何电机中，在电机的轴上安装转速传感器，进行速度反馈，从而进行稳速。例如在通常的精密稳速伺服系统中。
4、直接使用同步电机和步进电机，使电机速度严格同电源频率或电源脉冲同步。
方法1、2检测的准确性，补偿的完善性，系统形成的复杂程度上存在一定的缺陷。因此较精密的系统往往采用方法3，但方法3要装转速传感器，一般采用1024～4096脉冲/转的编码器，价格高，而方法4只能在特殊场合下才可以使用。
本发明的目的是通过提供一种新的稳速方法，使电机的稳速有一种简单稳定可行的新办法，给稳速系统的设计者打开一条新思路。
本发明技术方案是这样的对于直流电机稳速回路有一个电机电枢，电枢电流的取样元件、信号处理电路、脉冲宽度调制电路以及电流连续用的二极管和电感；取样元件(R)的一端接直流电源U1的(+)端和信号处理电路(A)的(2)端，取样元件(R)的另一端接信号处理电路(A)的(1)端和脉冲宽度调制器(B)的输入端，信号处理电路(A)的信号端接频率指令，电路(A)的输出端接脉冲宽度调制器(B)的调制端，脉冲宽度调制器(B)的输出端接二极管(D)的负极和电感(L)，电感(L)的另一端接电机电枢的(+)端，电枢的(-)端二极管(D)的正极和直流电源U1的(-)端；对于交流电机稳速回路系统有一个三相交流电机、一个置于变频器直流回路中的电流取样元件、一个运算电路、一个载波信号发生器/幅度调整电路、一个三相正弦波发生/频率调整电路、一个正弦波幅度调整电路、一个PWM形成电路和一个驱动电路；三相交流电机接变频器逆变电路的输出端，运算电路(E)的两输入端接取样元件R的两端，运算电路(E)的输出端接载波信号发生器/幅度调整电路(F)，电路(F)输出端接PWM形成电路(T)，三相正弦波发生/频率调整电路(H)的输入端接频率指令信号，其输出端(1)接运算电路(E)，输出端(2)接正弦波幅度调整电路(K)，电路(K)的输出端接PWM形成电路(T)，电路(T)的输出端接驱动电路(N)，电路(N)输出端接变频器逆变电路。
拟超导稳速系统原理说明如下一般电机的转速随负载增大而下降，其主要原因是电机内部存在着电阻。现设法模拟用超导材料制成的电机，超导材料因没有电阻损耗，没有电阻压降，使电机的转速不随负载增加，电流加大而下降。即形成所谓拟超导稳速系统。
拟超导的稳速系统可应用于直流电机和交流电机，但其系统的构成上有很大的不同。以下概要地说明这两种拟超导稳速系统的基本构成。
对于直流电机稳速系统中，拟超导方案是将电机主回路中的电流信号检测出来，用于控制供给电机的电压，当负载增加而电流增大的同时，使供给电机的电压也升高，补偿了电机内部电阻压降造成的损失，维持电机转速变化在较小范围内。
对于交流电机稳速系统，是建立在该交流电机使用变频调速器的状况下，交流电机(这里指感应异步电机)的滑差随负载增加而加大，当变频器固定于一个频率时，交流电机的转速实际上也随负载增加而下降，滑差的增加也是由于电机内部存在导体自身电阻所造成。需要指出，交流电机的绕组电流中存在着无功分量，而无功分量随电机频率，电压、负载等多种参数影响，其值不能直接作为电机的负载是否增加和减少的依据，不能直接用该电机的交流电流信号，像直流电机那样来简单地控制电机的电压，从而达到稳速的目的。
然而本发明的要点恰是从变频器的直流主回路中取得电机消耗的有功电流作为取样信息。我们不妨把(变频器+交流电机)看成是一个直流电机。当然它不完全等效，但实际应用中，可以这样认为。由于交流电机的特性，要求变频器在正常情况下电压与频率成正比地变化。因而从变频器直流主回路中取得的电流信号必须与频率信号进行演算，这也是本发明的另一要点，这是一种除法运算，即取样信号除以频率。运算后的信号去控制变频器的PWM输出。其控制方式有三种分别为改变内部三角波的幅值，进而改变输出电压；改变内部正弦波的幅值，进而改变输出电压；以及按v/f等于常数的规律，使输出电压与频率一起改变。
由此而获得的可以补偿电机内部电阻压降造成转速下降的稳速系统，我们称它为拟超导稳速系统。这一系统构成及具体实施的效果，已经在直流和交流电机上得到了证实和实际使用。使稳速系统的构成简单而容易，特别是对交流电机变频器应用场合下，其电路的构成，演算以及分析理解都显得耳目一新，颇有实用价值。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明
图1为基本拟超导原理图。
图2为拟超导负电阻的加入示意图。
图3为直流电机拟超导稳速系统的实际构成示例。
图4为交流电机变频器使用场合下，用采样、运算后的信号控制内部三角波幅值，进而改变输出电压的方法。
图5为交流电机变频器使用场合下，用采样、运算后的信号控制内部正弦波幅值，进而改变输出电压的方法。
图6交流电机变频器使用场合下，用采样运算后的信号，控制v/f，使输出电压与频率一起改变的方法。
图7示出了图3实施例中信号处理电路的一个构成例子；图8示出了图4、5、6实施例中运算电路的一个构成例子；图9示出了图5实施例中正弦波幅度调整电路的一个构成例子；对于其他框图的内部电路，可以从有关专业书籍和变频器资料上找到，或可找到类似电路，其与本发明框图的联接方法也被一般专业技术人员所熟知，已不属于本发明范围，不再详细说明。
以下分别对图例进行一一说明对直流电机而言，转速n=U-IrCeφ]]>，当电枢电阻r=0时(即超导电机时)，n=UCeφ,]]>只要电源电压U、气隙磁通φ不变(Ce是常数)，转速n就不变。并且与负载电流I没有关系。这就说明超导电机具有稳速的特性。
但实际上超导材料还不能实用，我们实际遇到电机都有电阻存在，但我们引进一个(-r)，将它同电枢中+r相抵消，这样就可以把这个电机回路看成为一个超导电机回路，并取名拟超导，见图1。
图2中，如果使电压U2随负载电流I的增加成正比地升高，使得U2的变化符合下式U2=U+Ir
式中U2--加到电枢上的电压；r--电枢电阻；U--理想电枢(没有内阻)上的电压。
把一个可变电阻r＇设计成具有负阻特性，而且r＇=-r，那么，由于U=常数，电机转速
具体地说，本发明技术方案的基本思路是提供一种形成负阻特性的系统方案，这对直流和交流电机方案有很大的不同。但它们都是利用检测电机负载电流的有功成份，并用控制电路使供给电机的电压按负阻的要求变化。
这里要特别指出的是负电阻的获得是广义的，其方法可以是1使供给电机的电压按负阻要求变化，使电机内部电阻成份由负阻来补偿，达到电机转速稳定的目的。
2在交流电机使用变频器时，使供给电机的频率和电压同时变化来补偿电机内部电阻造成的转速下降，达到电机转速被补偿的目的。
当然，这种补偿是适当的，有限的，不能发生过补偿而引起系统的不稳定。
作为第一个技术方案是拟超导稳速系统的在直流电机稳速系统中的应用。如图3所示。
这是一个直流电机稳速系统，有一个电机的电枢，电枢电流的取样元件(R)、信号处理电路(A)、脉冲宽度调制电路(B)以及电流连续用的二极管(D)和电感(L)；取样元件(R)的一端接直流电源U1的(+)端和信号处理电路(A)的(2)端，取样元件(R)的另一端接信号处理电路(A)的(1)端和脉冲宽度调制器(B)的输入端，信号处理电路(A)的信号端接频率指令，电路(A)的输出端接脉冲宽度调制器(B)的调制端，脉冲宽度调制器(B)的输出端接二极管(D)的负极和电感(L)，电感(L)的另一端接电机电枢的(+)端，电枢的(-)端二极管(D)的正极和直流电源U1的(-)端；其电枢上的电压U2由脉冲宽度调制器提供，单方向的脉冲电压其平均值为U2。U2的变化规律随电枢电流I增加而增加。
U2＜U+Ir(这里r是电枢的电阻，U是理想电枢应该获得的电压，如果U2=U+Ir或U2＞U+Ir，将不稳定)很低阻值的电阻(R)用来作电流取样，取样信号经信号处理电路后控制脉冲宽度调制器，当电流I增大时输出脉宽加宽，使平均电压U2上升，电机得到电压上升，电机转速得到补偿。图3中，二极管(D)和电感(L)是为了使流经电机的电流连续所设置的元件。
这里需要特别指出的是取样元件(R)、脉冲宽度调制器(B)可以设置在直流电源正负的任意一侧，只要与电枢主回路串联；电感(L)、二极管(D)也可以设置在电枢正负的任意一侧，只要与电枢串联，保证电枢电流能连续。
作为第二个技术方案是拟超导技术在交流电机变频器稳速系统中的应用，如图4所示。
这是交流电机稳速回路系统有一个三相交流电机、一个置于变频器直流回路中的电流取样元件(R)、一个运算电路(E)、一个载波信号发生器/幅度调整电路(F)、一个三相正弦波发生/频率调整电路(H)、一个正弦波幅度调整电路(K)、一个PWM形成电路(T)和一个驱动电路(N)；三相交流电机接变频器逆变电路的输出端，运算电路(E)的两输入端接取样元件(R)的两端，运算电路(E)的输出端接载波信号发生器/幅度调整电路(F)，电路(F)输出端接PWM形成电路(T)，三相正弦波发生/频率调整电路(H)的输入端接频率指令信号，其输出端(1)接运算电路(E)，输出端(2)接正弦波幅度调整电路(K)，电路(K)的输出端接PWM形成电路(T)，电路(T)的输出端接驱动电路(N)，电路(N)输出端接变频器逆变电路。
交流异步电机的定子电流中，由于存在无功电流分量，因此它的大小不能准确反映电机有功负载的变化。然而在变频器内部直流主回路中，取样元件(R)上取得的电流信号，无需经过运算，直接反映了该变频器所接电机有功功率的变化。
变频器中脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号受到正弦波幅度和载波幅度两个参数的影响。改变其中任意一个均可改变脉宽调制(PWM)电路的输出，进而改变变频器内部三相逆变电路送到电机上的电压。
图4中，取样元件(R)上的电流引起的电压降信号，通过运算电路后，送到载波幅度调整电路，该运算电路的本质是一个除法器。因为变频器中，在电机负载力矩不变条件下，通过取样元件(R)上的电流值与频率成正比，为了使各种频率下得到的反馈量差别减小，就必须设置这个除法器，将(R)上的电压降值除以频率。除法器可以设置1级或2级，设置2级除法器可以使低频时得到较多的补偿，以满足通常变频器低速力矩加大的需要。
图4所示电路的稳速过程如下当电机的负载增加，使变频器直流回路中电流I增加，取样元件(R)上取出的电流反馈信号，经运算电路消除频率和电机空载电流的影响；运算后去调整变频器中载波的幅度。电流I增加时载波幅度调低，低的载波输出使脉宽调制(PWM)电路输出的脉宽加宽。于是经驱动功率逆变电路后，使电机得到的电压提升。最终使电机转速提升。补偿了因电机绕组电阻，转子电阻引起的转速下降。
作为第三个技术方案，同第二个方案不同之处在于它是利用取样元件R上取出的电流反馈信号，去控制变频器内部正弦波幅。电流I增加时正弦波幅度调高，高的正弦波使脉宽调制(PWM)电路输出的脉宽加宽。于是经驱动功率逆变电路后，使电机得到的电压提升。
作为第四个技术方案，同第二、第三个方案不同之处在于它是利用反馈信号去控制变频指令，使变频器内部的正弦波频率及正弦幅度同时变化，从而达到改变PWM的包络频率和有效脉宽，最终使送到电机上的频率和电压幅度同时改变，调整了电机的转速。
如果说，运算电路从取样元件R上取得的电流信号，经除法器(1级或2级)除以频率后，去控制图4，其方向应使载波幅度减小的话；那么，如果去控制图5，其方向应使正弦波幅度增加；如去控制图6，其方向应使变频指令命变频的频率和幅度都升高。
图4和图5方案均没有改变变频器的输出频率(正弦波频率)，而是增加了变频器输出幅度，图6的方案是使变频器输出频率和幅度都提高，这三种方案均能实际实用，只是对应不同需要而由设计者去选择而已。
变频器提高电压幅度和提高频率从本质上都可以增加电机的转速，但提高电压幅度只在同步速度以下的有限范围内，而提高频率则可以在更宽的范围内来补偿电机转速的下降。可是凡事都有两重性，这种补偿也不能过份，过份了将使电机转速超过电机原有低负载时的转速，这在一般系统是不允许的。
对于以上重要电路更详细的说明如下图7的电流取样信号来自图3，从取样元件R上取得，与转速指令信号通过运算放大器A1相加，其结果与三角波发生器的三角波在比较器A2比较，输出脉冲宽度可变的方波，送到脉冲宽度调制器。
图8的运算电路是两级除法器，在有些场合可以不用第二级，从取样元件获得的信号先经阻容元件滤除载波和进行平滑变为信号a，与频率信号b在除法器相除，其结果c送到第二级除法器，第二级除法的除数不是纯粹的频率信号b，而是b＇=b(0～1),0～1是由设计者选择的范围内，当b＇=1时可视为第二级除法器不存在，当b＇=b可视为第二级除法器除得很厉害，即低频时补偿很厉害，一般希望取一个较小的中间值。最后将运算结果送到相应的调整电路去。
图9是利用运算放大器和变阻元件，对三相正弦波进行幅度调整的方法，其中变阻元件可以是多种方式，如场效应管、光敏电阻、有源等效阻抗等等，用运算电路得到的结果去同时改变三个运算放大器的反馈电阻(变阻元件)，运算放大器的输出就得到调整了的三相正弦波，然后送至PWM形成电路。
拟超导稳速系统的具体电路实施中应注意以下问题①负载电流增加而补偿电压(或频率)的增加不能过份，过多的补偿造成系统不稳定。并且在同一系统中，因电机变更需要调整反馈量。
②电流信号受其它因素影响。例如受电源电压波动，温度变化等等，电路设计时需要作相应对策。
③电流信号的取样元件(R)，可以是电阻，也可以是任何方式的电流传感器，只要该电流传感器能线性地反映取样点上电流的变化及幅值。
权利要求
1.一种拟超导稳速系统，该系统应用于直流电机稳速回路，其特征在于有一个电机的电枢、电枢电流的取样元件(R)、信号处理电路(A)、脉冲宽度调制电路(B)以及电流连续用的二极管(D)和电感(L)；取样元件(R)的一端接直流电源U1的(+)端和信号处理电路(A)的(2)端，取样元件(R)的另一端接信号处理电路(A)的(1)端和脉冲宽度调制器(B)的输入端，信号处理电路(A)的信号端接频率指令，电路(A)的输出端接脉冲宽度调制器(B)的调制端，脉冲宽度调制器(B)的输出端接二极管(D)的负极和电感(L)，电感(L)的另一端接电机电枢的(+)端，电枢的(-)端二极管(D)的正极和直流电源U1的(-)端；取样元件(R)取得的电流信号，会同外部频率指令一起，经过信号处理电路(A)，去控制脉冲宽度调制器(B)；其作用的方向是，取样元件(R)上的电压降增加时，使脉冲宽度调制器(B)输出的脉冲加宽，从而使电机上得到较高的电压，补偿负载增加造成的电机电阻损耗增加而引起的转速下降。
2.一种拟超导稳速系统，该系统应用于使用变频器的交流电机稳速回路，该系统的特征在于系统有一个三相交流电机、一个置于变频器直流回路中的电流取样元件(R)、一个运算电路(E)、一个载波信号发生器/幅度调整电路(F)、一个三相正弦波发生/频率调整电路(H)、一个正弦波幅度调整电路(K)、一个PWM形成电路(T)和一个驱动电路(N)；三相交流电机接变频器逆变电路的输出端，运算电路(E)的两输入端接取样元件R的两端，运算电路(E)的输出端接载波信号发生器/幅度调整电路(F)，电路(F)输出端接PWM形成电路(T)，三相正弦波发生/频率调整电路(H)的输入端接频率指令信号，其输出端(1)接运算电路(E)，输出端(2)接正弦波幅度调整电路(K)，电路(K)的输出端接PWM形成电路(T)，电路(T)的输出端接驱动电路(N)，电路(N)输出端接变频器逆变电路；从取样元件(R)上取得的表征电机有功功率的电流信号与变频器的频率信号在运算电路(E)中进行运算，运算结果去调节变频器内部电路，最终使变频器正弦波PWM形成电路改变输出参数，进而驱动逆变电路，改变供给电机的电压幅值或同时改变电压幅值和频率；其作用方向是，电机负载增加引起变频器直流回路有功电流增加时，逆变器输出的电压增加或者电压与频率同时增加，补偿了电机自身电阻损耗引起的转速下降。
3.根据权利要求1所述的拟超导稳速系统，其特征在于取样元件(R)、脉冲宽度调制器(B)可以设置在直流电源正负的任意一侧，只要与电枢主回路串联；电感(L)、二极管(D)也可以设置在电枢正负的任意一侧，只要与电枢串联，保证电枢电流能连续。
4.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于是从变频器的直流主回路中取得表征电机消耗的有功电流作为取样信息。
5.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于该运算电路(E)的本质是一个除法器，除法器将取样得到的电流信号值除以频率，使取样获得有功电流值消除频率的影响，从而使调节变得容易。
6.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于取样元件(R)，可以是电阻，也可以是任何方式的电流传感器，只要该电流传感器能线性地反映取样点上电流的变化及幅值。
7.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于所述运算电路(E)的输出端，其运算结果去调节变频器内部电路，可以接至载波信号发生/幅度调整电路(F)的调整端，使载波幅度改变，当取样元件上电流信号增加时，最终使载波幅度下降。
8.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于所述运算电路(E)的输出端，其运算结果去调节变频器内部电路，也可以接至正弦波幅度调整电路(K)的调整端，使正弦波幅度改变，当取样元件上电流信号增加时，最终使正弦波幅度增加。
9.根据权利要求2所述的拟超导稳速系统，其特征在于所述运算电路(E)的输出端，其运算结果去调节变频器内部电路，也可以接至正弦波幅度调整电路(K)的调整端和三相正弦波发生/频率调整电路(H)的控制端，当取样元件上电流信号增加时，使正弦波幅度增加的同时频率也增加。
全文摘要
本发明用补偿电机内部电阻损耗影响的方法,构成拟超导稳速系统,应用于直流电机或以变频器控制的交流电机稳速系统中,使电机因负载增加,电阻损耗增加引起的转速下降得到补偿。在直流电机系统中,以电枢电流取样获得的信号,控制脉冲宽度调制器,调节供给电枢的电压;在交流电机中,以变频器直流侧的电流取样,通过运算和调整电路调节变频器输出的电压幅度,或者同时调节变频器输出频率和幅度,最终使电机转速得到稳定。
文档编号H02P7/29GK1224272SQ9812401
公开日1999年7月28日 申请日期1998年12月21日 优先权日1998年12月21日
发明者刘永言 申请人:成都希望电子研究所