專利名稱：家電用單/三相永磁電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，涉及一種家電用單相電源供電的三相永磁電機(jī)變頻控制 系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代家用電器一般由單相電源(220V，50Hz )供電。電機(jī)作為各類家用電器中的核 心部件，得到了廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)有家用電器中，大量使用的單相異步電動(dòng)機(jī)存在著效率 和功率因數(shù)都較低的缺點(diǎn)，其效率僅為30%左右，造成電能的大量浪費(fèi)。相比而言，單相永 磁電機(jī)，電容嬰相的驅(qū)動(dòng)模式，可將其效率提高，但也僅為50%左右。此外，單相電機(jī)的副繞 組在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)幾乎不起作用，因此造成了電機(jī)材料利用率低的問題。單相電機(jī)與相 同功率等級(jí)的三相電動(dòng)機(jī)相比，材料利用率至少差30%，效率要相差一倍左右，其性能也與 三相電動(dòng)機(jī)相差較大。另一方面，現(xiàn)有大部分家用電器屬于定速運(yùn)行，而定速運(yùn)行的家電是依靠不斷地 起、停電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的，一旦開啟即按照最大功率運(yùn)行。這樣勢(shì)必會(huì)帶來起動(dòng)頻繁、噪 聲大、電機(jī)壽命短、溫升高及能耗高等一系列問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻家電得 到了迅速的發(fā)展，但現(xiàn)有變頻家電一般仍然使用單相異步電動(dòng)機(jī)或單相永磁電動(dòng)機(jī)，僅通 過改變供電電源的頻率，使電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行來達(dá)到變頻家電效率的提高。同時(shí)，通過采用一 套位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子位置信息，從而控制電機(jī)運(yùn)行，但使用位置傳感器會(huì)增大電機(jī)體 積，不利于電機(jī)小型化，也受到安裝工藝，周圍環(huán)境等多種因素的限制，這些因素使得家用 電器的性能受到一定影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)及控制方法，實(shí)現(xiàn)了在單 相電源供電條件下，使用三相永磁電動(dòng)機(jī)目的，同時(shí)采用最小電流控制方法，提出一種基于 反電動(dòng)勢(shì)自動(dòng)跟蹤的調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的開環(huán)調(diào)速控制，達(dá)到較小損 耗、提高系統(tǒng)性能的效果。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的
家電用單/三相永磁電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由單相交流電源供 電，整流裝置連接平波回路，平波回路連接逆變裝置，逆變裝置連接家電用三相永磁電機(jī)的 接線盒，接線盒與定子繞組、電流及電壓檢測(cè)單元連接，電流及電壓檢測(cè)單元連接變頻器控 制單元，變頻器控制單元連接逆變裝置。家電用單/三相永磁電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，其特征在于所述方法為
系統(tǒng)由單相電源(220V，50Hz)供電，單相交流電流經(jīng)過整流裝置中的二極管整流器、 平波回路、逆變裝置將單相交流電(220V，50Hz)變換為適用于家用電器中驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用的 三相交流電；
通過電流及電壓檢測(cè)單元檢測(cè)三相永磁電機(jī)定子繞組中的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)具有CPU處理功能的器件分析、處理后，由變頻器控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變裝置中電力電子開關(guān)通斷的 控制，通過改變通斷比例，控制三相永磁電機(jī)的供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)三相永磁電機(jī)的無位置 傳感器開環(huán)變頻調(diào)速控制。家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于變頻調(diào)速時(shí)，電 機(jī)的三相電源來源于逆變電路的輸出量，經(jīng)過CPU運(yùn)算、處理得到定子繞組相電流的最小 值，調(diào)整逆變裝置中脈沖通斷比例，從而調(diào)整逆變器輸出電壓，就可以在電機(jī)定子繞組的輸 入端得到在相位和幅值上嚴(yán)格跟蹤反電動(dòng)勢(shì)的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于采用基于反電 勢(shì)自動(dòng)跟蹤的調(diào)速方法，當(dāng)電機(jī)處于任意運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)定子繞組端電壓，利用CPU 內(nèi)部最小電流法計(jì)算程序，得到對(duì)應(yīng)最小電流值的電壓。家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn) 態(tài)過程中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)初值，增大定子繞組電壓，連續(xù)檢測(cè)定子相電流的變化，將前一次的斜
率％^與后一次的斜率％.)比較，
由具有CPU處理功能的器件進(jìn)行存儲(chǔ)、判斷，找到最小電流值。是一種電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器的開環(huán)控制。本發(fā)明的有益效果是采用單/三相永磁電動(dòng)機(jī)變頻控制技術(shù)及控制方法，可以 在單相交流電源供電條件下應(yīng)用三相電動(dòng)機(jī)，適應(yīng)了家用電器由單相電源(220V、50Hz)供 電的需要。在家用電器中選用三相電動(dòng)機(jī)，明顯提高了電機(jī)的效率、功率因數(shù)、材料的利用 率。在節(jié)約能源，節(jié)省材料等方面都有顯著效果。同時(shí)采用最小電流控制方法，減小了電機(jī) 損耗。并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的變頻調(diào)速控制，在減小電機(jī)體積、避免工藝復(fù)雜等方 面有一定的有益效果。同時(shí)，提高了系統(tǒng)的效率及控制性能，可以更好的適應(yīng)于家用電器領(lǐng) 域。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖標(biāo)記說明
2.定子繞組、3.轉(zhuǎn)軸、8.定子鐵心、9.轉(zhuǎn)子、10.永磁體、11.接線盒、17.整流裝置、 18.平波回路、19.逆變裝置、20.電流及電壓檢測(cè)單元、21.變頻控制單元。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，整流裝置17連接平波回路18，平波回路 18連接逆變裝置19，逆變裝置19連接家電用三相永磁電機(jī)的接線盒11，接線盒11與定子 繞組2、電流及電壓檢測(cè)單元20連接，電流及電壓檢測(cè)單元20連接變頻器控制單元21，變 頻器控制單元21連接逆變裝置19。系統(tǒng)由單相交流電源供電，單相交流電流經(jīng)過整流裝 置17中的二極管整流器、平波回路18、逆變裝置19將單相交流電(220V，50Hz)變換為適用 于家用電器中驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用的三相交流電；通過電流及電壓檢測(cè)單元20檢測(cè)永磁電機(jī)定 子繞組2中的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)具有CPU處理功能的器件分析、處理后，由變頻器控制單元 21實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變裝置19中電力電子開關(guān)通斷的控制，通過改變通斷比例，從而控制永磁電機(jī)的供電電壓。整流裝置17采用單相橋式整流電路。交流電流經(jīng)過二極管整流器，為電壓源型可 控逆變電路提供直流電源。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，全電流向電容器組組成的平波回路18充電。逆 變裝置19是由IGBT構(gòu)成的逆變器部分，采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)三相橋式逆變電路的 線電壓控制方式。將U，V，W三相連接到家電用三相永磁電機(jī)定子鐵心8的三相對(duì)稱定子繞 組2上。此時(shí)，三相交流電大小相等，相位相差120°，電機(jī)的三相繞組在空間上產(chǎn)生一個(gè)圓 形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。逆變電路U，V，W之間的相位差，逆變器輸出電壓的幅值和頻率，可以通過控制 IGBT的脈沖來實(shí)現(xiàn)。變頻器控制單元21所產(chǎn)生的SPWM脈寬調(diào)制波由正弦波和三角波經(jīng)過電壓比較器 比較后產(chǎn)生。正弦波發(fā)生器由v/f轉(zhuǎn)換器、分頻電路、波形形成電路組成。工作時(shí)通過v/f 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生計(jì)數(shù)尋址脈沖，按順序讀出事先寫入EPROM中相互差120°的正弦波數(shù)值，再經(jīng) 過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換正弦波模擬電壓信號(hào)，其正弦波的幅值由給定電壓控制。產(chǎn)生的SPWM 信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)IGBT，需要驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路和控制電路之間 的接口電路，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)主電路和控制電路有電氣隔離的作用。并且具 有較強(qiáng)的抗干擾能力。本發(fā)明由單相電源(220V, 50Hz)輸入，變頻器三相對(duì)稱輸出，電機(jī)選用三相低壓 (線電壓低于150V)永磁電動(dòng)機(jī)，利用交流一直流一交流的控制思想，將民用單相交流電 (220V,50Hz)經(jīng)過整流，逆變后，以逆變器輸出不高于150V的線電壓來控制三相永磁同步 電動(dòng)機(jī)。由于在利用調(diào)節(jié)供電電壓的方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法中，只要通過控制電 動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)就可以間接的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)而采用基于反電勢(shì)自動(dòng)跟蹤的調(diào)速方法，當(dāng) 電機(jī)處于任意運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)定子繞組2端電壓，利用CPU內(nèi)部最小電流法計(jì)算程 序，得到對(duì)應(yīng)最小電流值的電壓。通過改變脈沖通斷比例，調(diào)整逆變器輸出電壓，從而調(diào)整 電機(jī)的定子電壓，就可以在電機(jī)定子繞組2的輸入端得到在相位和幅值上嚴(yán)格跟蹤反電 動(dòng)勢(shì)的輸入電壓，依據(jù)最小電流控制方法，連續(xù)檢測(cè)定子相電流的變化，由前一次的斜率
%^與后一次的斜率比較，經(jīng)過CPU運(yùn)算、處理，得到定子相電流的最小值，從而使電
流保持為最小電流值。實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。采用SPWM反饋控制方式，由SPWM控制器產(chǎn)生三 相橋式逆變器主開關(guān)的控制信號(hào)，由主開關(guān)完成對(duì)三相永磁電機(jī)定子電流的通斷。實(shí)現(xiàn)永 磁電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的開環(huán)變頻調(diào)速，提高了系統(tǒng)性能。圖2是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，電機(jī)選用三相低壓(線電壓低 于150V)永磁電動(dòng)機(jī)，由單/三相變頻器供電，電機(jī)的定子繞組2與接線盒11連接，在轉(zhuǎn)軸 3中部沿徑向從內(nèi)到外依次安裝有轉(zhuǎn)子9、永磁體10和定子鐵心8，定子繞組2設(shè)置在定子 鐵心8上。圖3是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，轉(zhuǎn)子9采用內(nèi)置V型磁路 結(jié)構(gòu)，能夠變頻調(diào)速 ’轉(zhuǎn)子9兩端放有銅連接片，并用銅螺桿將銅連接片與轉(zhuǎn)子鐵心固定， 銅螺桿又是阻尼繞組，改善電機(jī)起動(dòng)性能。
權(quán)利要求
1.家電用單/三相永磁電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由單相交流電源 供電，整流裝置(17)連接平波回路(18)，平波回路(18)連接逆變裝置(19)，逆變裝置(19) 連接家電用三相永磁電機(jī)的接線盒(11)，接線盒(11)與定子繞組(2)、電流及電壓檢測(cè)單 元(20)連接，電流及電壓檢測(cè)單元(20)連接變頻器控制單元(21)，變頻器控制單元(21)連 接逆變裝置(19)。
2.如權(quán)利要求1所述家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于 所述方法為系統(tǒng)由單相交流電源供電，單相交流電經(jīng)過整流裝置(17)中的二極管整流器、平波回 路(18)、逆變裝置(19)將單相交流電(220V，50Hz)變換為適用于家用電器中驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用 的三相交流電；通過電流及電壓檢測(cè)單元(20)檢測(cè)三相永磁電機(jī)定子繞組(2)中的電流、電壓信號(hào)， 經(jīng)具有CPU處理功能的器件分析、處理后，由變頻器控制單元(21)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變裝置(19)中 電力電子開關(guān)通斷的控制，通過改變通斷比例，控制三相永磁電機(jī)的供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)三 相永磁電機(jī)的無位置傳感器開環(huán)變頻調(diào)速控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于變頻調(diào)速時(shí)，電機(jī)的三相電源來源于逆變電路(19)的輸出量，經(jīng)過CPU運(yùn)算、處理得到 定子繞組(2)相電流的最小值，調(diào)整逆變裝置(19)中脈沖通斷比例，從而調(diào)整逆變器輸出 電壓，就可以在電機(jī)定子繞組(2)的輸入端得到在相位和幅值上嚴(yán)格跟蹤反電動(dòng)勢(shì)的輸入 電壓，實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于采用基于反電勢(shì)自動(dòng)跟蹤的調(diào)速方法，當(dāng)電機(jī)處于任意運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)定子繞組 (2)端電壓，利用CPU內(nèi)部最小電流法計(jì)算程序，得到對(duì)應(yīng)最小電流值的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的 控制方法，其特征在于當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)過程中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)初值，增大定 子繞組(2)電壓，連續(xù)檢測(cè)定子繞組(2)相電流的變化，將前一次的斜率與后一次的斜率比較，由具有CPU處理功能的器件進(jìn)行存儲(chǔ)、判斷，找到最小電流值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述家電用單/三相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于是一種電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器控制。
全文摘要
家電用單/三相永磁電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括整流裝置連接平波回路，平波回路連接逆變裝置，逆變裝置連接家電用三相變頻調(diào)速永磁電機(jī)的接線盒，通過接線盒與定子繞組、電流及電壓檢測(cè)單元連接，電流及電壓檢測(cè)單元連接變頻器控制單元，變頻器控制單元連接逆變裝置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了單相電源供電條件下應(yīng)用三相電動(dòng)機(jī)的目的，同時(shí)提出了一種基于反電動(dòng)勢(shì)自動(dòng)跟蹤的變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器開環(huán)控制，采用了最小電流控制方法，達(dá)到減少損耗的，提高系統(tǒng)性能的目的。
文檔編號(hào)H02P27/08GK102006008SQ20101058094
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者馮桂宏, 張炳義, 齊雯 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)