[发明专利]确定异步电机的速度的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定电机、发电机或交流发电机的速度的设备和方法，并且在异步电机具有特定但不是唯一的应用。更具体地，但不是唯一地，本发明涉及确定用于电机控制器的电机的速度的设备和方法，特别地，但不是唯一地，涉及确定交流(AC)异步电机的速度的设备和方法。

背景技术

高效操作异步电机的关键要求是通过使用最小的输入功率同时保持所需的速度来提供最优的电力驱动波形而在理想的条件下运行异步电机。为了实现这种高效操作，有必要知道它们运行的速度，但这被证明并不总是能直接知道的。

通常用50赫兹(Hz)AC电源进行工作的AC异步电机制造便宜且工作可靠。发现这些电机用于诸如泵、压缩机、风机和驱动系统等众多的工业应用中。能够根据电源的相数将AC电机的类型细分。例如，AC电机可以是单相或三相的。三相AC异步电机往往比单相AC电机更高效。近年来，对于改善低效机器，降低不必要的能源浪费，并尽量减少所谓的“碳有关的排放”；即，从它们对环境条件的影响的角度，有越来越多的立法压力。压力来自游说的、私营压力团体，也来自于日益严格的立法，并且具体针对电力电机。

因此，电力电机和电机控制器的设计者集中精力在提高电机的效率及其可控性的方法上，以期在最优条件下操作它们以提取更多的有用功率。

在尝试提高电力输入-有用功率输出之比的效率中，有一种趋势是使用电子换向电机(ECM)替代异步电机。相比于标准异步电机，虽然EC电机在效率方面确实具有一些优势，然而这是有代价的。具体地，如果过载，则ECM经受磁体去饱和，从而导致绝对转矩限制。并且，经过一段时间，磁体有磨损的趋势。并且，由于绕组电流的脉冲特性以及转子位置导致可能发生电机齿槽，以及在电机内可能需要旋转传感元件。

还应指出的是，永久磁铁的生产和处置产生了需要专门处置和处理的可能破坏环境的污染物。这就引起了其生产和寿命到期回收的问题。

特别感兴趣的领域之一是额定电网电压通常为230伏而用大约50-180伏的输入电压驱动的AC电机。其一个原因是这些电机是很常见的，它们用于多种类型的家用设备和工业系统，诸如家电、冷气机、通风设备和空调。通过立法和生产商觉察到采取对环境负责的态度的益处两种方式促进生产商以保证他们满足日益严格的环保要求。

事实上很多AC异步电机的损耗和低效是由于通常在机械负荷、电机的工作方式以及可用功率的控制和调节等要求之间存在的不平衡导致的。最终结果是在过去，大量的能量被浪费了。

通常使用诸如“转速器”、霍尔效应器件或光学器件的外部或内部元件或器件测量异步电机的精确速度。

对于具有特定负载的电机的特别制造和尺寸，还可以使用理论数学模型计算近似速度。这些模型的广义延伸可能具有不同级别的误差。

现有技术

如上所述，很多电机的不足在于它们需要精确的传感器来监视它们的速度并且控制它们。控制电机的一种技术是采用监视并感测转子位置的霍尔效应传感器。这结合反馈回路提供位置的指示，其反过来能够与相角控制器一起使用来改变电机的速度和/或转矩。美国专利US 4849871(Wallingford)中描述了这样的设备的一个实例。然而，这样的系统的一个缺点是精密的传感设备需要安装在电机外壳中，而且在恶劣或振动环境中这并不总是可行的。

美国专利US 5729113(JANSEN)公开了一种异步电机控制器，其包括用于确定转子速度而无需使用速度传感器的装置。一对测试信号(Te^*和λr^*)被引入电机控制器并且被叠加在电机驱动电压上。测试信号可以作为电流信号被引入或者作为电压信号(V_x^*和V_y^*)被直接叠加。这些叠加信号是低功率的，并且具有通常为5-30赫兹的低频率以及被施加以抵消转子旋转。根据引入的信号测量电机电压和电流(或者采用两组测量并计算第三组)以及确定转子速度的指示。

美国专利申请US 6449567 B1(DESAI)描述了一种根据电机电特征的分析来确定电机速度的系统的另一实例。

而在日本专利申请2004-88943(NAGOYA)中描述的又一个系统公开了一种异步电机控制器和电机速度估计器。