[发明专利]矢量控制感应电机的制动方法、控制装置和存储媒体

说明书

本发明涉及所谓的感应电机的矢量或磁场定向控制，更确切地说，该发明涉及一种矢量控制感应电机的制动方法。本发明还涉及实现这种方法的控制装置和存储用于实现这种方法的程序的存储媒体。

为了改变感应电动机的转速，通常需要有一个可变频率和电压的多相交流电源。因为，感应电动机速度的高低主要是由电源的频率所决定，电动机内部磁通的大小取决于电源的电压幅值。正如图1和参考文献“Power Electronics and Variable Frequency Drives.Edited by Bimal K．Bose，IEEE Press，1996，pp.211”所示，这样的交流电源一般是采用电子式DC-AC变频器从直流电源而得到。在图1中，直流母线电容器10表示一个直流电源，它是从三相交流电网电源(图1中被省略)经过三相整流器12整流得到的。标号16代表感应电机，简单地由其定子绕组表示。一般采用电解电容器作为直流母线电容器10，而且容量较大，以便能够保持直流母线电压u_d稳定和为流过变频器14的快速变化的负载电流提供通路。由于晶体二极管的成本比较低，所以二极管桥被优选作为整流器12。但是，用二极管整流器只允许能量从电网流向母线电容器，而不可能向交流电网回馈功率。如果一个交流拖动系统具有四象限运行的能力，感应电机制动时就会有能量流向直流母线电容器，这样，直流母线电压就会升高，以致超过正常值，所以必须采取措施吸收由制动而产生的回馈能量，以免直流母线电压过度升高。吸收这种回馈能量最常用的方法是采用一个与直流母线电容器10并联的开关电阻(未示出)，即斩波器和功率电阻。为此，就必须另外增加电力电子和控制电子器件，从而导致成本上升，系统可靠性降低。

众所周知，电动机和变频器运行时都有一定的损耗，所以，可以采取一定的措施利用交流电动机的损耗来吸收大部分回馈能量和变频器的损耗来吸收其小部分，从而避免了使用开关电阻或任何其它消耗上述回馈能量的硬件，达到降低成本的目的。为了帮助理解诸如此类消耗能量的方法的工作原理，首先有必要讨论一下，感应电动机有哪些种类的损耗和怎样才能利用这些损耗来吸收和消耗电机制动时的回馈能量。

为了确定利用感应电机本身损耗来消耗回馈能量的可能性，首先必须清楚地定义出电机内部的各种损耗。在电机能量流程图2中列出了这些损耗。一个三相交流电机的输入功率可以由公式(1)来表示：

P_elec=3V₁I₁cosψ                           (1)

其中：

V₁是电机相电压有效值，

I₁是电机相电流有效值

cosψ是电机功率因数。

电机的定子和转子都会产生损耗。定子的损耗有下列几点：

1．定子绕组的铜耗P_cu，s，其大小和定子电流I_s的平方成正比：

P_cu，s=3I_s²R_s                                (2)

其中，R_s为任意一相定子绕组的电阻。

2．定子铁芯的铁耗P_Fe，s，它包括铁芯的磁滞损耗和铁芯的涡流损耗，其大小取决于定子磁通幅值和定子电流的频率f_s。

电机输入功率P_elec减去定子铜耗P_cu，s和铁耗P_Fe，s所剩下的称为气隙功率P_ag，它是通过电机气隙传到转子的功率。其中一部分又将会作为铜耗和转子铁耗被消耗在转子中。它们分别是：

3．转子绕组的铜耗P_cu，r，其大小和转子电流I_r的平方成正比：P_cu，r=3I_r²R_r                             (3)

其中，R_r为任意一相转子绕组的电阻。

4．转子铁芯的铁耗P_Fe，r，它包括铁芯的磁滞损耗和铁芯的涡流损耗，其大小取决于转子磁通幅值和转子电流的频率f_r。在正常的运行状态下，转子电流的频率f_r很低，因此，实际上可忽略不计。