永磁同步電機的效率提升裝置的製造方法

2023-05-26 09:10:51 4

專利名稱:永磁同步電機的效率提升裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種永磁同步電機的效率提升裝置，該裝置包括：轉速控制器、微處理器、測量元件、半導體開關、逆變器、電機和負載；其中，微處理器分別與轉速控制器、測量元件、半導體開關、逆變器連接；半導體開關分別與測量元件、逆變器連接；電機分別與逆變器、負載連接。採用本實用新型技術方案無需電機詳細參數，即可實現電機達到最佳效率，避免因環境因素造成控制錯誤。
【專利說明】
永磁同步電機的效率提升裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及電子設備技術領域，尤其涉及一種永磁同步電機的效率提升裝 置。
【背景技術】
[0002] 高效且硬體結構簡單的電機是未來的發展趨勢，根據電機效率公式E = P。ut/Pln可 知，在恆定負載下，公式中的唯一變量是輸入功率Pin，而輸入功率取決於輸入電壓和輸入電 流。一般情況下，輸入電壓是基本穩定的，因此輸入電流是唯一需要控制的變量。另外，電機 內部轉矩的大小取決於磁通量和轉子電流之間的相位角。如果三相電子定子磁通量和定子 電流是平行向量，則電機獲得的力矩為〇,如果兩者的方向處於合適的夾角，則能產生最大 力矩。
[0003] 現有技術通過控制程序獲得合適的相位角，需要一個帶反饋的閉環控制系統，以 表明磁極位置。這種閉環控制系統通常需要在電機中安裝三個傳感器來執行，如編碼器、光 學增量器或電感式傳感器。另外，也有使用無傳感器控制方式來實現，其主要通過測量電機 的感應電動勢來達到控制目的。
[0004] 但是使用無傳感器控制方式需要事先知道電機的額定電壓、功率、額定電流、額定 頻率、電機極對數等眾多參數，而且測量時會根據電流是否達到最低來判斷是否達到最佳 效率。這意味著對於不同相位或相位角來說，只有更高的電流絕對值才能達到同樣的最佳 狀態，但是由於該測量電流可以是相電流、電機總電流、電阻器的電流或者半導體開關的電 流中任意一個，這樣會導致某個部分效率最佳，某些部分的效率降低。另外，在無傳感器控 制方式下，電機詳細參數可能由於環境(溫度或溼度）的變化而變化，從而導致磁場估計錯 誤和指定控制目標值的錯誤。

【發明內容】

[0005] 本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種永磁同步電機的效率提升裝置，無 需電機詳細參數，即可實現電機達到最佳效率，避免因環境因素造成控制錯誤。
[0006] 為解決以上技術問題，本實用新型實施例提供一種永磁同步電機的效率提升裝 置，包括:轉速控制器、微處理器、測量元件、半導體開關、逆變器、電機和負載；
[0007] 其中，所述微處理器分別與所述轉速控制器、所述測量元件、所述半導體開關、所 述逆變器連接；
[0008] 所述半導體開關分別與所述測量元件、所述逆變器連接；
[0009] 所述電機分別與所述逆變器、所述負載連接。
[0010]進一步的，所述微處理器包括：
[0011] 磁場定向組件(42)、第一求和單元(72)、第一積分器(74)、第一傳感器(76)、電機 轉換開關(78)、第二求和單元(80)、信號開關(82)、第二積分器(84)、倍增器(86)、第二傳感 器(88)、決策單元(90)、差分元件(92)和第三積分器(94);
[0012] 其中，所述磁場定向組件(42)的電壓輸入端(60)與所述電機轉換開關(78)的輸出 端連接，所述磁場定向組件(42)的β角信號輸入端(62)與所述第三積分器(94)的輸出端連 接；
[0013] 所述第一積分器(74)的輸入端與所述第一求和單元(72)的輸出端連接，所述第一 積分器(74)的輸出端分別與第一求和單元(72)的負向輸入端、所述第一傳感器(76)的輸入 端、所述第二傳感器(88)的輸入端、第三積分器(94)的輸入端連接；
[0014] 所述第一傳感器(76)的輸出端分別與所述電機轉換開關(78)的第一輸入端、所述 第二求和單元(80)的正向輸入端連接；
[0015] 所述第二求和單元(80)的輸出端與所述電機轉換開關(78)的第二輸入端連接;所 述第二求和單元(80)的第一負向輸入端與所述信號開關(82)的輸出端連接;所述第二求和 單元(80)的第二負向輸入端與所述第二積分器(84)的輸出端連接；
[0016] 所述信號開關(82)的第一輸入端與0信號輸入端連接;所述信號開關(82)的第二 輸入端與1信號輸入端連接；
[0017]所述第二積分器(84)的輸入端與所述倍增器(86)的輸出端連接；
[0018] 所述倍增器(86)的第一輸入端與所述決策單元(90)的輸出端連接;所述倍增器 (86)的第二輸入端與所述第二傳感器(88)的輸出端連接；
[0019] 所述決策單元(90)的輸入端與所述差分元件(92)的輸出端連接。
[0020] 進一步的，所述微處理器與所述測量元件連接，具體為：
[0021] 所述測量元件分別與所述磁場定向組件(42)、所述差分元件(92)的輸入端連接。 [0022]進一步的，所述微處理器與所述轉速控制器連接，具體為：
[0023]所述轉速控制器與所述第一求和單元(72)的正向輸入端連接。
[0024]進一步的，所述微處理器與半導體開關連接，具體為：
[0025] 所述半導體開關與所述磁場定向組件(42)連接。
[0026] 可見，本實用新型實施例提供的永磁同步電機的效率提升裝置，微處理器分別與 轉速控制器、測量元件、半導體開關、逆變器連接。微處理器根據測量元件輸入的電流信號 和轉速控制器輸入的轉速信號，計算出在效率最優情況下的相位角和運行電壓，並向逆變 器輸出相位角和運行電壓，以供逆變器驅動電機工作。相比於現有技術的無傳感器控制方 式需要電機某些特定參數才能達到控制目的，本實用新型技術方案無需電機詳細參數，可 自行感應並獲得最佳效率點參數，避免因環境因素造成控制錯誤。
【附圖說明】

[0027] 圖1是本實用新型提供的永磁同步電機的效率提升裝置的一種實施例的結構示意 圖；
[0028] 圖2是本實用新型提供的永磁同步電機的效率提升裝置的另一種實施例的連接結 構示意圖；
[0029] 圖3是本實用新型提供的永磁同步電機的一種實施例的原理結構圖；
[0030] 圖4是本實用新型提供的永磁同步電機的效率提升方法的一種實施例的流程示意 圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述。
[0032] 參見圖1，是本實用新型永磁同步電機的效率提升裝置的一種實施例的結構示意 圖。如圖1所示，該永磁同步電機的效率提升裝置，包括:轉速控制器70、微處理器95、測量元 件56、半導體開關52、逆變器43、電機40和負載48。
[0033] 其中，微處理器95分別與轉速控制器70、測量元件56、半導體開關52、逆變器43連 接。半導體開關52分別與測量元件56、逆變器43連接。電機40分別與逆變器43、負載48連接。 [0034] 在本實施例中，微處理器95用於根據測量元件56輸入的電流信號和轉速控制器70 輸入的轉速信號，計算出在效率最優情況下的相位角和運行電壓，並向逆變器43輸出相位 角和運行電壓，以供逆變器43驅動電機40工作。
[0035]在本實施例中，參見圖2,圖2是本實用新型提供的永磁同步電機的效率提升裝置 的另一種實施例的連接結構示意圖。如圖2所示，該永磁同步電機為三相永磁同步電機，三 相電機40的繞組為星型繞組44,電機象徵性的描述了永磁電機轉子46,該轉子為兩極轉子， 可以推廣至4、6、8、10極等。當通以正弦電流時，永磁體轉子產生恆定力矩。電機40驅動負載 48,負載48為風機，風機水慄類似一個大致穩定的負載。測量元件56對直流電路的電流進行 測量和取樣，測量元件56由測量電阻器或電流變壓器組成。交流電源54為整個裝置進行供 電。
[0036] 如圖2所示，微處理器95包括:磁場定向組件42、第一求和單元72、第一積分器74、 第一傳感器76、電機轉換開關78、第二求和單元80、信號開關82、第二積分器84、倍增器86、 第二傳感器88、決策單元90、差分元件92和第三積分器94。
[0037]其中，磁場定向組件42的電壓輸入端60與電機轉換開關78的輸出端連接，磁場定 向組件42的β角信號輸入端62與第三積分器94的輸出端連接。磁場定向組件42的電壓輸入 端60接受一個電壓值立#角信號輸入端62接收β角信號，β角決定了電機40的轉速。因為電 機40是同步電機，本可以去掉轉子位置感應器，但是由於需要連續的監測轉子46是否仍在 運轉，是否由於力矩太大而卡轉，電機40內部仍需安裝位置傳感器。
[0038]在本實施例中，第一積分器74的輸入端與第一求和單元72的輸出端連接，第一積 分器74的輸出端分別與第一求和單元72的負向輸入端、第一傳感器76的輸入端、第二傳感 器88的輸入端、第三積分器94的輸入端連接。
[0039]在本實施例中，微處理器95與轉速控制器70連接，具體為:轉速控制器70與第一求 和單元72的正向輸入端連接。轉速控制器70用於指定磁場定向組件42和逆變器43產生的旋 轉磁場的頻率，向微控制器95輸入轉速信號。轉速控制器70輸出信號至第一求和單元72的 正向輸入端，第一求和單元72產生一個加速時間，控制轉速從0到η的時間。第一求和單元72 輸出信號到第一積分器74。第一積分器74產生一個斜率，且其輸出信號作為第一求和單元 72的負向輸入。
[0040]在本實施例中，第一傳感器76的輸出端分別與電機轉換開關78的第一輸入端、第 二求和單元80的正向輸入端連接。第二求和單元80的輸出端與電機轉換開關78的第二輸入 端連接。第二求和單元80的第一負向輸入端與信號開關82的輸出端連接;第二求和單元80 的第二負向輸入端與第二積分器84的輸出端連接。
[0041]電機轉換開關78具有第一輸入端和第二輸入端兩個檔位。當電機啟動加速時或者 電機轉速改變時開關切換到第一輸入端。當電機進入效率優化的搜尋模式時，開關切換到 第二輸入端。電機轉速信號η由第一積分器74給出，輸出至第一傳感器76，第一傳感器76產 生一個與速度相關的參數Ρ。參數Ρ根據轉速η實時變化而得，決定輸出電壓的大小，公式為： ?=η*Ρ。電壓隨著轉速的上升而增加，在調整模式下，電壓大小?通過電機轉換開關78 (檔 位1)輸入至磁場定向組件42,再輸出給逆變器43,從而運行在最佳效率點。而在搜尋模式啟 動時，電機轉換開關78切換到檔位2，此時電壓輸入端60連接第二求和單元80，第二求和單 元80計算電壓?的大小後，輸出給電壓輸入端60。
[0042]在本實施例中，信號開關82的第一輸入端與0信號輸入端連接，信號開關82的第二 輸入端與1信號輸入端連接。
[0043]在本實施例中，第二求和單元80的正向輸入為第一傳感器的輸入端，即信號η*Ρ。 當電機轉換開關78切換到第一輸入端時，信號開關82的信號0作為負向輸入。當電機轉換開 關78切換到第二輸入端時，信號開關82的信號1作為負向輸入。
[0044]在本實施例中，第二積分器84的輸入端與倍增器86的輸出端連接。第二積分器84 的輸出信號作為第二求和單元80的另一項負向輸入，可控制電壓不斷下降。
[0045]在本實施例中，倍增器86的第一輸入端與決策單元90的輸出端連接。倍增器86的 第二輸入端與第二傳感器88的輸出端連接。決策單元90的輸入端與差分元件92的輸出端連 接。倍增器86的輸出信號作為積分器84的輸入，該信號用於產生電壓U減少的梯度。為了控 制電壓ti的降低程度，第二傳感器88產生轉速相關因素 Ρ，作為倍增器86的輸入，轉速η為第 二傳感器88的輸入。第一傳感器76和第二傳感器88所產生參數Ρ為同一個參數。決策元件90 的輸出信號作為倍增器86的輸入信號，根據其標準大於等於或小於等於進行決策。差分元 件92的輸出信號作為決策元件90的輸入信號。
[0046]在本實施例中，微處理器65與測量元件56連接，具體為:測量元件56分別與磁場定 向組件42、差分元件92的輸入端連接。差分元件92建立連續兩次電流的差值。換而言之，在 搜尋過程中，電流I差值大小不斷變化，直到達到最小值。
[0047]在本實施例中，第三積分器94對轉速η進行積分，並且輸出角度β信號至磁場定向 組件42。
[0048] 在本實施例中，微處理器95與半導體開關52連接，具體為:半導體開關52與磁場定 向組件42連接。
[0049] 在本實施例中，微處理器95可以但不限於為八位微處理器。
[0050] 在本實施例中，逆變器43內設置有三個脈寬調製產生器，以產生三相電流。三個正 弦波傳感器產生三相正弦電壓。詳細如圖3所示，當電機40啟動時，逆變器43產生一個旋轉 電壓場，從而產生一個足夠的力矩。當電機40運行時逆變器43產生的旋轉場的電壓逐步減 弱，從而降低電流，當電流達到最小值時，效率達到最佳。圖3中顯示的電機40有三相電子 202、204和206，電機40有永磁轉子46，為四極電機。三相定子202、204和206產生三相正弦電 流，由yC 95產生一個正弦信號，名為：sin 18丨11(七+120°)，8丨11(七+240°)。三相信號的頻率 可調節。因為頻率決定了轉速，因而無須測量轉速。在比較器272,274，276中，信號sin t， sin(t+120°)，sin(t+240°)分別與三角信號u 270比較。三角信號產生器268的輸出，作為比 較器272,274,276的反向輸入。三相正弦電流i204,202和206-起構成了三相系統，產生一 個旋轉磁場驅動永磁轉子46,以旋轉頻率運行。由於轉子46的磁化是正弦的，產生大致恆定 的力矩。特別的，不需要複雜和昂貴的旋轉傳感器，電機40運行在最佳效率。
[0051]為了更好的說明本實用新型的工作原理和流程步驟，參見圖4,圖4是本實用新型 提供的永磁同步電機的效率提升方法的一種實施例的流程示意圖。該方法是利用本實用新 型的永磁同步電機的效率提升裝置來實現的，該方法包括以下步驟：
[0052] 步驟A:微處理器通過逆變器驅動電機在第一電壓和負載下穩定運行，並對測量元 件進行取樣採集，獲得第一電流幅值;其中，第一電壓為預設的電壓。
[0053] 步驟B:微處理器通過逆變器驅動電機在第二電壓和負載下穩定運行，並對測量元 件進行取樣採集，獲得第二電流幅值;其中，第二電壓小於第一電壓，且第一電壓與第二電 壓的差值為第一閾值。
[0054]步驟C:微處理器判斷第二電流幅值是否小於第一電流幅值；如果是，則執行步驟 D，否則，降低第二電壓，使降低後的電壓值與降低前的差值為第一閾值，返回步驟B。
[0055] 步驟D:微處理器保持電機在第二電壓下穩定運行，並將第二電壓和第二電流幅值 作為最佳效率點參數。
[0056] 在本實施例中，第一電壓、第二電壓、第一電流幅值和第二電流幅值均被存儲在存 儲器中。
[0057]作為本實施例的一種舉例，該方法還包括步驟E :判斷負載的值是否發生變化;若 是，則重複步驟A至D，從而確定新的最佳效率點參數;否則，重複步驟E。
[0058]可見，本實用新型實施例提供的永磁同步電機的效率提升裝置，微處理器分別與 轉速控制器、測量元件、半導體開關、逆變器連接。微處理器根據測量元件輸入的電流信號 和轉速控制器輸入的轉速信號，計算出在效率最優情況下的相位角和運行電壓，並向逆變 器輸出相位角和運行電壓，以供逆變器驅動電機工作。相比於現有技術的無傳感器控制方 式需要電機某些特定參數才能達到控制目的，本實用新型技術方案無需電機詳細參數，可 自行感應並獲得最佳效率點參數，避免因環境因素造成控制錯誤。
[0059]以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤 飾也視為本實用新型的保護範圍。
【主權項】
1. 一種永磁同步電機的效率提升裝置，其特徵在於，包括:轉速控制器、微處理器、測量 元件、半導體開關、逆變器、電機和負載； 其中，所述微處理器分別與所述轉速控制器、所述測量元件、所述半導體開關、所述逆 變器連接； 所述半導體開關分別與所述測量元件、所述逆變器連接； 所述電機分別與所述逆變器、所述負載連接。2. 根據權利要求1所述的永磁同步電機的效率提升裝置，其特徵在於，所述微處理器包 括： 磁場定向組件(42)、第一求和單元(72)、第一積分器(74)、第一傳感器(76)、電機轉換 開關(78)、第二求和單元(80)、信號開關(82)、第二積分器(84)、倍增器(86)、第二傳感器 (88)、決策單元(90)、差分元件(92)和第三積分器(94); 其中，所述磁場定向組件(42)的電壓輸入端(60)與所述電機轉換開關(78)的輸出端連 接，所述磁場定向組件(42)的β角信號輸入端(62)與所述第三積分器(94)的輸出端連接； 所述第一積分器(74)的輸入端與所述第一求和單元(72)的輸出端連接，所述第一積分 器(74)的輸出端分別與第一求和單元(72)的負向輸入端、所述第一傳感器(76)的輸入端、 所述第二傳感器(88)的輸入端、第三積分器(94)的輸入端連接； 所述第一傳感器(76)的輸出端分別與所述電機轉換開關(78)的第一輸入端、所述第二 求和單元(80)的正向輸入端連接； 所述第二求和單元(80)的輸出端與所述電機轉換開關(78)的第二輸入端連接;所述第 二求和單元(80)的第一負向輸入端與所述信號開關(82)的輸出端連接;所述第二求和單元 (80)的第二負向輸入端與所述第二積分器(84)的輸出端連接； 所述信號開關(82)的第一輸入端與0信號輸入端連接;所述信號開關(82)的第二輸入 端與1信號輸入端連接； 所述第二積分器(84)的輸入端與所述倍增器(86)的輸出端連接； 所述倍增器(86)的第一輸入端與所述決策單元(90)的輸出端連接;所述倍增器(86)的 第二輸入端與所述第二傳感器(88)的輸出端連接； 所述決策單元(90)的輸入端與所述差分元件(92)的輸出端連接。3. 根據權利要求2所述的永磁同步電機的效率提升裝置，其特徵在於，所述微處理器與 所述測量元件連接，具體為： 所述測量元件分別與所述磁場定向組件(42)、所述差分元件(92)的輸入端連接。4. 根據權利要求2所述的永磁同步電機的效率提升裝置，其特徵在於，所述微處理器與 所述轉速控制器連接，具體為： 所述轉速控制器與所述第一求和單元(72)的正向輸入端連接。5. 根據權利要求2所述的永磁同步電機的效率提升裝置，其特徵在於，所述微處理器與 半導體開關連接，具體為： 所述半導體開關與所述磁場定向組件(42)連接。
【文檔編號】H02P27/06GK205725555SQ201620396523
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】梁傑, 謝丹, 郝境津
【申請人】廣州智光節能有限公司