一種智能交流調壓風機轉速控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能交流調壓風機轉速控制方法，包括：采用智能交流調壓器進行檢測和調壓：利用單片式微型計算機硬件電路控制大功率電力電子器件，利用單片式微型計算機控制軟件執(zhí)行負載轉矩檢測與動態(tài)實時調壓；采用智能交流調壓與變頻器組合使多臺不同型號的交流異步電動機共享同一個較大功率變頻器。在調速過程中追蹤負載轉矩實時動態(tài)調壓，以較小的過載系數(shù)實現(xiàn)交流異步電機的有效調速、穩(wěn)定運行和高效節(jié)能；可以和變頻器組合，每臺交流異步電動機配接一個智能交流調壓器實現(xiàn)多臺不同型號的交流異步電機共享同一個較大功率變頻器，每個智能交流調壓器的成本僅為同功率變頻器的一半以下，使工程應用有較高的性價比。
【專利說明】
一種智能交流調壓風機轉速控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于大型給排風工程風機控制技術領域，尤其涉及一種智能交流調壓風機轉速控制方法。
【背景技術】
[0002]I)對風機調速性能要求不高的應用場合通常采用可控硅交流斬波調壓來實現(xiàn)對交流異步電動機轉速的控制，例如大多數(shù)的電風扇調速。
[0003]2)有級調速，使用改變交流異步電動機磁極對數(shù)的方法調速，例如雙速或多速交流異步電動機。
[0004]3)對風機調速性能要求較高的應用場合使用變頻器改變交流電源的頻率來控制風機中交流異步電動機的轉速，使用中要求變頻器的輸出額定功率大于等于電動機的額定功率，通過給變頻器設定相應參數(shù)來適應不同型號的交流異步電動機對變頻器f/u調節(jié)曲線的要求，用變頻器改變電源頻率實現(xiàn)對風機轉速的控制。
[0005]現(xiàn)有技術方案I)，可控硅交流斬波調壓的同時，會對交流電源產(chǎn)生嚴重的不易消除的諧波污染，所以對功率較大的交流異步電動機調速通常不采用此方案。由于控制設備簡單，目前廣泛應用在小功率的交流電風扇調速中。
[0006]現(xiàn)有技術方案2)，由于變磁極對數(shù)的電機連線較繁且不能無級連續(xù)調速，其應用受到了限制，目前有些交流電風扇的調速中有應用，雙速電梯則是采用變極+變頻方式。
[0007]現(xiàn)有技術方案3)，有如下一些缺點:
[0008]使用中通常要求一個變頻器帶一臺交流異步電動機，由于不同型號交流異步電動機需要變頻器不同的f/u調節(jié)曲線，所以多臺交流異步電動機就需要多個變頻器，不便于多臺不同型號交流異步電動機共享同一個變頻器。
[0009]變頻器中f/u調節(jié)曲線是針對恒轉矩負載設定的，就是在變頻變壓的過程中改變交流異步電動機的轉速，保持交流異步電動機的最大轉矩近似不變，機械特性的硬度不變，這比較適合恒轉矩負載對變頻器的要求，例如各類金屬加工機床的交流異步電動機使用變頻器調速就是一種很好的選擇。
[0010]風機是二次方率負載，使用變頻器雖然能夠很好的實現(xiàn)變速的目的，但在節(jié)能方面卻不能做到最佳，風機在低速時不需要保持最大轉矩不變，也不需要保持電動機的機械特性硬度不變，僅靠f/u調節(jié)曲線的設定不能滿足風機類負載對更好節(jié)能的更高要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種智能交流調壓風機轉速控制方法，旨在解決風機使用變頻器雖然能夠很好的實現(xiàn)變速的目的，但在節(jié)能方面卻不能做到最佳，風機在低速時不需要保持最大轉矩不變，也不需要保持電動機的機械特性硬度不變，僅靠f/u調節(jié)曲線的設定不能滿足風機類負載對更好節(jié)能的更高要求的問題。
[0012]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，
[0013]—種智能交流調壓風機轉速控制方法，所述智能交流調壓風機轉速控制方法包括:
[0014]采用較大功率變頻器和η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)組合使η臺交流異步電機共享同一個較大功率變頻器；
[0015]采用負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)中的智能交流調壓器進行檢測和調壓，智能交流調壓器利用單片式微型計算機硬件電路和軟件控制大功率電力電子器件并執(zhí)行負載轉矩檢測和動態(tài)實時調壓。
[0016]進一步，所述η臺交流異步電機為型號、功率、負荷狀態(tài)不同的交流異步電機，所述共享同一個較大功率變頻器的η臺交流異步電機的功率差別不大于2?3倍，所述較大功率變頻器采用計算負荷的方法選擇變頻器容量既輸出功率；
[0017]所述計算負荷的方法為:η臺交流異步電機中各交流異步電機的額定功率之和乘以負荷系數(shù)，所述負荷系數(shù)為0.6?I，交流異步電機的臺數(shù)越少系數(shù)越大，交流異步電機臺數(shù)越多系數(shù)越小。
[0018]進一步，所述單片式微型計算機硬件電路和軟件通過對給定值和檢測值的比較，進行異步電機正反轉判別、異步電機轉速轉矩檢測，計算出當前負載異步電機的轉速轉矩并控制大功率電力電子開關器件的高頻脈寬占空比，以步進方式遞增或遞減交流電壓，實時動態(tài)交流調壓。
[0019]進一步，所述實時動態(tài)交流調壓中單片式微型計算機循環(huán)執(zhí)行程序，每次循環(huán)中交流調壓的控制信號由單片式微型計算機根據(jù)轉速給定值、電機轉速檢測值進行檢測值與給定值比較，比較后的差值由PID控制程序產(chǎn)生輸出量，再經(jīng)DA轉換后形成電平調制電壓，此調制電壓與單片機輸出的I?3ΚΗζ三角波一同送給比較器，比較器輸出高頻PffM脈寬控制信號，高頻PWM脈寬控制信號經(jīng)脈沖放大后直接驅動主電路中交流正、負半周的IGBT開關管對輸入的O?50Hz交流執(zhí)行斬波調壓，斬波后的交流電壓再經(jīng)交流Buck濾波，輸出波形平滑的O?50Hz正弦交流電壓；
[0020]對于輸出量較大引起電壓較大波動米用步進方式將較大輸出量分幾次循環(huán)分別執(zhí)行，漸次達到穩(wěn)定的輸出量，使調壓過程漸進穩(wěn)定。
[0021]進一步，所述智能交流調壓器根據(jù)交流異步電機的起動、調速運行、制動這三個階段進行調節(jié)。
[0022]本發(fā)明另一目的在于提供一種負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)與較大功率變頻器輸入端、輸出端電連接;所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括智能交流調壓器和異步電機;所述智能交流調壓器和異步電機電連接，所述智能交流調壓器包括微型計算機、交流調壓器和轉速轉矩檢測器;所述微型計算機輸出端與交流調壓器輸入端電連接，交流調壓器輸出端與異步電機輸入端連接，轉速轉矩檢測器檢測端靠近異步電機，轉速轉矩檢測器輸出端與微型計算機輸入端電連接。
[0023]進一步，所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)設置η個，所述η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括η個轉速轉矩檢測器和η個交流調壓器，η個轉速轉矩檢測器和η個交流調壓器閉環(huán)互聯(lián)。
[0024]進一步，所述微型計算機為單片式微型計算機，所述微型計算機包括微型計算機硬件電路和軟件。
[0025]進一步，所述轉速轉矩檢測器采用封閉式連軸光電轉速檢測器并安裝在異步電機軸端，連軸光電轉速檢測器的外殼固定在異步電機端蓋上;所述轉速轉矩檢測器或采用霍爾磁敏元件并安裝在貼近電機軸旁的端蓋上，所述連軸光電轉速檢測器或霍爾磁敏元件均通過屏蔽線將轉速信號傳送給單片式微型計算機。
[0026]本發(fā)明智能交流調壓器應用單片式微型計算機控制電力電子器件實現(xiàn)智能調壓，調壓過程中產(chǎn)生的諧波容易分離消除，對交流電源沒有諧波污染。例如對50HZ正弦波的開關調壓斬波頻率為1000HZ，其諧波頻率更高，由于頻率差別較大，所以容易通過濾波器分離濾除。變頻器的工作模式為:交-直-交；智能交流調壓器的工作模式為:交-交;可以單獨用于風機類交流異步電動機的調速，在調速過程中追蹤負載轉矩實時動態(tài)調壓，交流異步電動機的最大轉矩是正比于供電電壓的，在確保交流異步電動機的最大轉矩略大于負載轉矩的條件下，以較小的過載系數(shù)實現(xiàn)交流異步電動機的有效調速、穩(wěn)定運行和高效節(jié)能；
[0027]可以和變頻器組合，每臺交流異步電機配接一個智能交流調壓器實現(xiàn)多臺不同型號的交流異步電機共享同一個較大功率的變頻器，每個智能交流調壓器的成本僅為同功率變頻器的一半以下，在大型給排風工程中表現(xiàn)出優(yōu)異的調速性能和節(jié)能指標，使工程應用有較高的性價比。
[0028]通過變頻器、調壓器調速的功率特性和組合調速功率特性對比中由于Pi = IU XTmaxl，由機械特性曲線圖可知，對二次方率負載采用調壓調速和變頻器組合調速，比恒轉矩變頻調速在節(jié)能方面有更高優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明提供的較大功率變頻器與η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明提供的智能交流調壓器進行調壓的單相主電路原理圖。
[0031]圖3是本發(fā)明提供的微型計算機硬件電路單相原理方框圖；
[0032]圖4是本發(fā)明提供的負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)示意圖；
[0033]圖5是本發(fā)明提供的變頻器、調壓器調速的功率特性圖和組合調速功率特性對比圖；
【具體實施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0035]下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0036]—種智能交流調壓風機轉速控制方法，所述智能交流調壓風機轉速控制方法包括:
[0037]采用較大功率變頻器和η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)組合使η臺交流異步電機共享同一個較大功率變頻器，如圖1所示；
[0038]采用負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)中的智能交流調壓器進行檢測和調壓，智能交流調壓器利用單片式微型計算機硬件電路和軟件控制大功率電力電子器件并執(zhí)行負載轉矩檢測和動態(tài)實時調壓。
[0039]多臺電機共享同一臺較大功率的變頻器時，主要存在電機的型號不同，功率大小不同，電機的負荷狀態(tài)不同，共享的電機臺數(shù)不同這四個方面。為了使變頻器工作穩(wěn)定，對電機的型號和功率方面雖然可以不同，但電機參數(shù)應該盡量相近，功率大小不宜差別太大，例如同為相同類型的風機異步電機，功率大小差別不大于2?3倍，僅為工程應用時對電機選型提供了較為寬松的條件。使用中個電機的負荷狀態(tài)不同，共享的臺數(shù)不同，在選擇變頻器容量既輸出功率時應采用計算負荷的方法，就是各電機的額定功率之和乘以負荷系數(shù)，負荷系數(shù)取0.6?I之間，電機的臺數(shù)越少系數(shù)越大，例如僅兩三臺電機共享變頻器，則負荷系數(shù)取I，電機臺數(shù)越多系數(shù)越小，應為大多數(shù)電機受風機調速的影響，實際功率都小于額定值，例如5臺則系數(shù)取0.9、若10臺則系數(shù)取0.8。負荷系數(shù)選取的依據(jù)是大多數(shù)工程應用中風機負荷并不同時工作在滿載或最大狀態(tài)，風機數(shù)量越多此現(xiàn)象越明顯。
[0040]圖2為智能交流調壓器進行調壓的單相主電路原理圖。
[0041]交流調壓采用的是HVM技術。交流主電路由兩只大功率電力電子器件IGBT開關管構成雙向斬波，直接對輸入的交流電執(zhí)行高頻斬波實現(xiàn)交流正半周、負半周的調壓，再經(jīng)交流Buck濾波輸出調壓后的正弦交流電壓；
[0042]所述單片式微型計算機硬件電路通過正反轉判別、檢測電機轉速，比較給定轉速計算出當前負載電機轉速轉矩，控制大功率電力電子開關器件的高頻脈寬占空比，以步進方式遞增或遞減正序或反序的單相或三相交流電壓，實時動態(tài)交流調壓。
[0043]圖3為微型計算機硬件電路單相原理方框圖。
[0044]所述實時動態(tài)交流調壓的過程是單片式微型計算機循環(huán)執(zhí)行程序的過程，每次循環(huán)中交流調壓的控制信號由單片機根據(jù)轉速給定值、電動機轉速檢測值進行檢測值與給定值的比較，其差值將由PID程序確定輸出量，由PID控制程序產(chǎn)生輸出量，再經(jīng)DA轉換后形成電平調制電壓，此調制電壓與單片機輸出的I?3KHz三角波一同送給比較器，比較器輸出的就是高頻PWM脈寬控制信號，此脈寬控制信號經(jīng)脈沖放大后直接驅動主電路中交流正、負半周的IGBT開關管對輸入的O?50Hz交流執(zhí)行斬波調壓，斬波后的交流電壓再經(jīng)交流Buck濾波，輸出波形平滑的O?50Hz正弦交流電壓；當輸出量較大時容易引起電壓較大波動，步進方式是將較大輸出量分幾次循環(huán)分別執(zhí)行，漸次達到確定的輸出量，使調壓過程漸進穩(wěn)定。
[0045]所述智能交流調壓器根據(jù)交流異步電機的起動、調速運行、制動這三個階段進行調節(jié)。
[0046]如圖4所示:本發(fā)明提供一種負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)設置為η個，負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)與較大功率的變頻器輸入端、輸出端電連接；
[0047]所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括智能交流調壓器和異步電機;所述智能交流調壓器和異步電機電連接，所述智能交流調壓器包括微型計算機、交流調壓器和轉速轉矩檢測器;所述微型計算機輸出端與交流調壓器輸入端電連接，交流調壓器輸出端與異步電機輸入端連接，轉速轉矩檢測器檢測端靠近異步電機，轉速轉矩檢測器輸出端與微型計算機輸入端電連接。
[0048]所述η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括η個轉速轉矩檢測器與η個交流調壓器并閉環(huán)互聯(lián)。
[0049]所述微型計算機為單片式微型計算機，所述微型計算機包括微型計算機硬件電路和軟件；
[0050]所述轉速轉矩檢測器采用封閉式連軸光電轉速檢測器，安裝在異步電機軸端，夕卜殼固定在電機端蓋上;轉速轉矩檢測器或采用霍爾磁敏元件則安裝在貼近電動機軸旁的端蓋上，無運動部件，封閉式連軸光電轉速檢測器或霍爾磁敏元件均通過一條屏蔽線將轉速信號傳送給單片機轉速檢測輸入電路即單片式微型計算機。
[005?]下面結合工作原理對本發(fā)明進一步說明。
[0052]交流異步電機的工作過程分為:起動、調速運行、制動這三個階段，智能交流調壓器根據(jù)不同階段的特點，通過正反轉判別、檢測電機轉速，比較給定轉速來計算出當前負載轉矩，控制大功率電力電子開關器件的高頻脈寬占空比，以步進方式遞增或遞減正序或反序的單相或三相交流電壓，實時動態(tài)交流調壓，使單相或三相交流異步電機最大轉矩略大于負載轉矩，以較小的過載系數(shù)使交流異步電機穩(wěn)定運行。
[0053]變頻驅動交流異步電機時，不同型號的交流異步電機需要不同的f/u調節(jié)曲線，組合應用時由于每臺交流異步電機都接入了智能交流調壓器，可以使每臺交流異步電機在共享變頻器時，都能有各自最佳的工作電壓，由于智能交流調壓器本身具有降壓起動功能，能夠有效減小交流異步電機的起動電流，從而消除起動時的起動電流對變頻器的沖擊，不發(fā)生過載保護或過流保護動作，從而使變頻器能夠穩(wěn)定運行。組合應用時，變頻器可進行多電機整體調速，智能交流調壓器可實現(xiàn)單機調速。使大型給排風工程應用具有便捷的調速可操作性和較高的工程性價比。
[0054]本發(fā)明交流異步電機在額定狀態(tài)下的最大轉矩通常是額定轉矩的1.8?2倍，較大的過載系數(shù)是為了使交流異步電機在供電電壓不變的條件下自動適應負載轉矩的變化，維持交流異步電機的穩(wěn)定運行。
[0055]本發(fā)明自動追蹤檢測負載轉矩動態(tài)實時調壓，確保交流異步電機最大轉矩略大于負載轉矩，使交流異步電機能夠穩(wěn)定運行，在運行中能夠根據(jù)負載轉矩的變化，動態(tài)的實時調壓，以較小的過載系數(shù)確保交流異步電機的穩(wěn)定運行。
[0056]本發(fā)明使用智能交流調壓器與變頻器組合，使多臺不同型號的交流異步電機共享同一個較大功率的變頻器，使大型給排風工程應用具有便捷的調速可操作性和較高的工程性價比。
[0057]變頻器、調壓器調速的功率特性和組合調速功率特性對比如圖5所示。
[0058]由于P1= IU X Tmaxl，由機械特性曲線圖可知，對二次方率負載采用調壓調速和變頻器組合調速，比恒轉矩變頻調速在節(jié)能方面有更高優(yōu)勢。
[0059]本發(fā)明適合于風機類二次方率負載。
[0060]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種智能交流調壓風機轉速控制方法，其特征在于，所述智能交流調壓風機轉速控制方法包括: 采用較大功率變頻器和η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)組合使η臺交流異步電機共享同一個較大功率變頻器； 采用負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)中的智能交流調壓器進行檢測和調壓，智能交流調壓器利用單片式微型計算機硬件電路和軟件控制大功率電力電子器件并執(zhí)行負載轉矩檢測和動態(tài)實時調壓。2.如權利要求1所述的智能交流調壓風機轉速控制方法，其特征在于，所述η臺交流異步電機為型號、功率、負荷狀態(tài)不同的交流異步電機，所述共享同一個較大功率變頻器的η臺交流異步電機的功率差別不大于2?3倍，所述較大功率變頻器采用計算負荷的方法選擇變頻器容量既輸出功率； 所述計算負荷的方法為:η臺交流異步電機中各交流異步電機的額定功率之和乘以負荷系數(shù)，所述負荷系數(shù)為0.6?1，交流異步電機的臺數(shù)越少系數(shù)越大，交流異步電機臺數(shù)越多系數(shù)越小。3.如權利要求1所述的智能交流調壓風機轉速控制方法，其特征在于，所述單片式微型計算機硬件電路和軟件通過對給定值和檢測值的比較，進行異步電機正反轉判別、異步電機轉速轉矩檢測，計算出當前負載異步電機的轉速轉矩并控制大功率電力電子開關器件的高頻脈寬占空比，以步進方式遞增或遞減交流電壓，實時動態(tài)交流調壓。4.如權利要求3所述的智能交流調壓風機轉速控制方法，其特征在于，所述實時動態(tài)交流調壓中單片式微型計算機循環(huán)執(zhí)行程序，每次循環(huán)中交流調壓的控制信號由單片式微型計算機根據(jù)轉速給定值、電機轉速檢測值進行檢測值與給定值比較，比較后的差值由PID控制程序產(chǎn)生輸出量，再經(jīng)DA轉換后形成電平調制電壓，此調制電壓與單片機輸出的I?3ΚΗζ三角波一同送給比較器，比較器輸出高頻PWM脈寬控制信號，高頻PffM脈寬控制信號經(jīng)脈沖放大后直接驅動主電路中交流正、負半周的IGBT開關管對輸入的O?50Hz交流執(zhí)行斬波調壓，斬波后的交流電壓再經(jīng)交流Buck濾波，輸出波形平滑的O?50Hz正弦交流電壓； 對于輸出量較大引起電壓較大波動米用步進方式將較大輸出量分幾次循環(huán)分別執(zhí)行，漸次達到穩(wěn)定的輸出量，使調壓過程漸進穩(wěn)定。5.如權利要求1所述的智能交流調壓風機轉速控制方法，其特征在于，所述智能交流調壓器根據(jù)交流異步電機的起動、調速運行、制動這三個階段進行調節(jié)。6.—種利用權利要求1所述控制方法的負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)與較大功率變頻器輸入端、輸出端電連接;所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括智能交流調壓器和異步電機;所述智能交流調壓器和異步電機電連接，所述智能交流調壓器包括微型計算機、交流調壓器和轉速轉矩檢測器;所述微型計算機輸出端與交流調壓器輸入端電連接，交流調壓器輸出端與異步電機輸入端連接，轉速轉矩檢測器檢測端靠近異步電機，轉速轉矩檢測器輸出端與微型計算機輸入端電連接。7.如權利要求6所述的負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)設置η個，所述η個負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)包括η個轉速轉矩檢測器和η個交流調壓器，η個轉速轉矩檢測器和η個交流調壓器閉環(huán)互聯(lián)。8.如權利要求6所述的負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述微型計算機為單片式微型計算機，所述微型計算機包括微型計算機硬件電路和軟件。9.如權利要求6所述的負載轉矩檢測與動態(tài)交流調壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述轉速轉矩檢測器采用封閉式連軸光電轉速檢測器并安裝在異步電機軸端，連軸光電轉速檢測器的外殼固定在異步電機端蓋上;所述轉速轉矩檢測器或采用霍爾磁敏元件并安裝在貼近電機軸旁的端蓋上，所述連軸光電轉速檢測器或霍爾磁敏元件均通過屏蔽線將轉速信號傳送給單片式微型計算機。
【文檔編號】H02P5/74GK105846728SQ201610168633
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】高岳民, 陳鐵鋼, 陳業(yè)東
【申請人】高岳民, 陳鐵鋼