异步电动机效率优化控制的方法、装置、系统及电动汽车的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型异步电动机效率优化控制的方法、装置、系统以及电动汽车，其中，异步电动机效率优化控制的方法包括：实时快速、准确获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量；根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应，保证了电动机在最小电流和最佳电压的节能状态下以最高效率运行。其中，电动汽车包括：上述的异步电动机效率优化控制装置与输出电压调整装置及异步电动机、车体的驱动轴连接，用于驱动车体在不同的负载率和转速下始终以最高效率运行，延长了电动汽车的行驶里程。
【专利说明】异步电动机效率优化控制的方法、装置、系统及电动汽车
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动机控制领域，具体而言，涉及交流异步电动机效率优化控制的方法、装置、系统及电动汽车。
【背景技术】
[0002]电动汽车用电动机效率优化控制器是电动汽车的核心之一，主要用于控制电动汽车按照设定的方向，速度，角度，响应时间进行工作，以使电动机的输出效率更高。
[0003]交流异步电动机以其低价格、高可靠性、高速、低转矩波动/噪声和不用位置传感器等优点已成为电动汽车电动机的首选。目前，国内外在电动汽车异步电动机的控制方面，主要有以下控制技术:
[0004](I)普通变频控制、矢量控制、直接转矩控制及自适应控制技术；
[0005](2)传统的效率优化控制技术。
[0006]电动机效率优化控制器的首要任务是通过控制电动机的相关参数来达到提高电动机输出效率的目的。由于电动汽车在行驶过程受到相关因素(如上坡、下坡、路况等)的影响，会使电动机在不同的负载率(如轻载、中载、重载)下运行。对于交流异步电动机效率优化控制器，根据电动机电压、电流特性曲线可知，电动机在不同的负载率运行时，电动机的输入电压与该曲线的交点越靠近曲线的最低点(最高效率点)，电动机的运行效率越高。如图1所示，图1为现有技术中电动机在不同的负载率下运行时的电压、电流特性曲线图，其中，X、Y、Z点分别为电动机在负载率为10^^50^^100%时运行的最高效率点，(X1、X2)，(Y1、Y2)，(Ζ1、Ζ2)点分别为Χ、Υ、Ζ点的临近效率点。从图1可以看出，当电动机的输入电压为额定电压380V时，电动机在中轻载运行时效率较低。
[0007]现有技术中，普通变频控制、直接转矩控制、矢量控制及自适应控制技术，均是在额定电压(380V或其他的电压值)的电动机输入电压条件下对电动机进行控制，这些控制技术有一个共同的缺陷是:电动机在中轻载时，由于电动机无功功率的增大，使得铜损、铁损也增大，从而导致电动机的运行效率、功率因数大大降低(由图1可以看出)，造成电能的严重浪费。
[0008]现有技术中，传统的效率优化控制技术试图通过调整电压的方式，使电动机始终保持在最高效率点上运行(由图1可知通过调整电压可使电动机在x、Y、z点上运行)，其具体方法是:搜索判断法，即通过试探性的调整电压，通过搜索判断不同电压所对应的电流值的大小变化，来确定最高效率点。参图1所示，如电压从380V降到Yl点所对应的电压值，此时搜索判断其对应的电流值的变化，得知电流值也随之降低，则继续降低电压，当电压降到Υ2点所对应的电压值时，此时搜索判断其对应的电流值的变化，得知电流值随之增加，则判定最高效率点在Yl点与Yl点之间，通过反复试探性的调整电压值及搜索判断电流值的变化即可确定最高效率点Y点。这种方法虽能在一定程度上减少铜损、铁损，提高电动机的运行效率及功率因数，但由于该方法不能一次性准确确定最高效率点，因此响应速度慢(一般为0.1-1Os),不能快速适应负载率的急剧变化，容易导致电动机的转差率增加，甚至堵转停机。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种新型交流异步电动机效率优化控制的方法、装置、系统以及电动汽车，以解决上述的问题。
[0010]在本发明的实施例中提供了一种新型交流异步电动机效率优化控制的方法，包括:实时快速、精确获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量；根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
[0011]进一步，实时获取电动机的负载率并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量之前，还包括:实时获取电动机的相关参数的参数值；其中，相关参数包括:电动机的三相输入电流、三相输入电压、电相位角度和转速。
[0012]进一步，实时获取电动机的负载率并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量，包括:
[0013]通过计算分别获取电动机的以下参数值，包括:运行功率因数、磁通电流分量、转矩电流分量及转速；将获取的电动机的运行功率因数与预设功率因数进行比较，获取偏差，对偏差进行比例积分微分运算，求得功率因数控制系数；其中，预设功率因数为0.98?I ;
[0014]将获取的电动机的磁通电流分量与预设磁通电流分量进行比较，获取偏差，对偏差进行模糊推论运算，求得励磁电流控制系数；其中，预设磁通电流分量等于O ;
[0015]将求得的功率因数控制系数与励磁电流控制系数相乘，求得负载率系数；
[0016]将获取的电动机的转矩电流分量与转速控制量进行比较，获取偏差，对偏差进行比例积分运算，求得频率(转速)的控制量；
[0017]根据下式求得电压控制量:
[0018]Ud = FdXklXPk
[0019]式中，Ud为电压控制量，Fd为频率(转速)控制量(电动机供电电压的频率(Hz))，kl为V/F比系数；Pk为负载率系数。
[0020]进一步,磁通电流分量及转矩电流分量通过Clark变换求得。
[0021]进一步，转速控制量通过对实时获取的车速与给定车速进行比较获取的偏差进行比例积分运算求得。
[0022]本发明提供的实施例还提供了一种交流异步电动机效率优化控制的装置，包括:优化模块，用于实时快速、精确获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量；调整模块，用于根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
[0023]进一步，该交流异步电动机效率优化控制装置还包括:获取模块，用于实时获取电动机的相关参数的参数值；其中，相关参数包括:电动机的三相输入电流、三相输入电压、电相位角度和转速。
[0024]进一步，优化模块具体用于:
[0025]通过计算分别获取电动机的以下参数值，包括:运行功率因数、磁通电流分量、转矩电流分量及转速控制量；
[0026]将获取的电动机的运行功率因数与预设功率因数进行比较，获取偏差，对偏差进行比例积分微分(PID)运算，求得功率因数控制系数；其中，预设功率因数为0.98?I ;
[0027]将获取的电动机的磁通电流分量与预设磁通电流分量进行比较，获取偏差，对偏差进行模糊推论运算，求得励磁电流控制系数；其中，预设磁通电流分量等于O ;
[0028]将求得的功率因数控制系数与励磁电流控制系数相乘，求得负载率系数；
[0029]将获取的电动机的转矩电流分量与转速控制量进行比较，获取偏差，对偏差进行比例积分运算，求得频率(转速)的控制量；
[0030]根据下式求得电压控制量:
[0031]Ud = FdXklXPk
[0032]式中，Ud为电压控制量，Fd为频率(转速)控制量，kl为V/F比系数，Pk为负载率系数。
[0033]本发明的实施例还提供了一种交流异步电动机效率优化控制的系统，包括:上述交流异步电动机效率优化控制的装置、交流输出电压调整装置(SPWM与IPM)及异步电动机；上述交流异步电动机效率优化控制的装置与交流输出电压调整装置及异步电动机连接，用于控制交流异步电动机始终以最高效率运行。
[0034]本发明的实施例还提供了一种电动汽车，包括:上述交流异步电动机效率优化控制的系统和车体；上述交流异步电动机效率优化控制的系统与车体的驱动轴连接，用于驱动车体在不同的负载率及任何的转速(频率)下始终以最高效率运行。
[0035]本发明实施例提供的交流异步电动机效率优化控制的方法，通过优化演算一次性(快速)准确获取使电动机在不同的负载率及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量，并根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，使电动机的输入功率始终跟随电动机的负载率，保证电动机在最小电流和最佳电压的节能状态下以最高效率运行，不仅解决了现有技术中普通变频控制、直接转矩控制、矢量控制及自适应控制技术，电动机在中轻载时，由于电动机无功功率的增大，使得铜损、铁损也增大，从而导致电动机的运行效率、功率因数大大降低造成电能的严重浪费的技术缺陷，而且解决了现有技术中，传统效率优化控制技术响应速度慢，不能快速适应负载率的急剧变化，容易导致电动机的转差率增加，甚至堵转停机的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1示出了现有技术中电动机在不同的负载率运行时的电压、电流特性曲线图；
[0037]图2示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法第一实施例的流程图；
[0038]图3示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法电动机最高效率运行点的示意图；
[0039]图4示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法电动机不同的负载率及频率(转速)设定值下最高效率运行点的示意图；
[0040]图5示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法第二实施例的流程图；
[0041]图6示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量图；
[0042]图7示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法按负载率改变复数V/F曲线的示意图；
[0043]图8示出了本发明异步电动机效率优化控制的装置第一实施例的结构框图；
[0044]图9示出了本发明异步电动机效率优化控制的装置第二实施例的结构框图。
【具体实施方式】
[0045]下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0046]参图2所示，图2示出了本发明异步电动机效率优化控制的方法第一实施例的流程图。
[0047]在本实施例中，一种交流异步电动机效率优化控制的方法，包括:
[0048]步骤S202，实时快速、精确获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率(转速)下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量；
[0049]步骤S204，根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
[0050]本实施例采用负载跟踪控制模式，通过优化演算快速准确获取使电动机在不同的负载率及任何的频率(转速)下始终以最高效率(图1中的X、Y、Z点)运行的电压控制量，并根据获取的电压控制量，实时调整电动机的输入电压，使电动机的输入功率紧紧跟随电动机的负载率，保证电动机在最小电流和最佳电压的节能状态下以最闻效率运行。该负载跟踪控制模式，不仅在正常负荷运行时大大减少了铜损、铁损，提高了电动机的运行效率和功率因数，而且在负荷急剧突变或转速突变的场合，克服了传统的效率优化控制器响应速度慢的问题，可以快速的适应负荷的需求，适用于任何突变负载的场合。
[0051]本实施例提供的的方法可应用于电动汽车(或其他负载率及转速可变的场合)，通过实时跟踪电动汽车负载及转速的变化，使电动机的输入功率紧紧跟随电动汽车的总需求负荷，当汽车的总需负荷求小于电动机的输入功率时，电动机的输入功率自动调整为最小值；当电动汽车的总需求负荷未超出蓄电池容量，但达到电动汽车最大输入功率时，则电动汽车的电动机输入功率自动调整为最大值，中间状态运行时，电动机的输入功率实时调整，以保证电动机在最小电流和最佳电压的节能状态下运行，延长电动汽车蓄电池每次充电后的使用时间及行驶里程。
[0052]本实施例中的电动机的运行效率η可由下式算出:
【权利要求】
1.一种异步电动机效率优化控制的方法，其特征在于，包括: 实时获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量； 根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
2.根据权利要求1所述的异步电动机效率优化控制的方法，其特征在于，实时获取电动机的负载率并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量之前，还包括: 实时获取电动机的相关参数的参数值；其中，所述相关参数包括:电动机的三相输入电流、三相输入电压、电相位角度及转速。
3.根据权利要求2所述的异步电动机效率优化控制的方法，其特征在于，实时获取电动机的负载率并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量，包括: 通过计算分别获取电动机的以下参数值，包括:运行功率因数、磁通电流分量、转矩电流分量及转速控制量； 将获取的电动机的运行功率因数与预设功率因数进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比例积分微分运算，求得功率因数控制系数；其中，所述预设功率因数为0.98~I ; 将获取的电动机的 磁通电流分量与预设磁通电流分量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行模糊推论运算，求得励磁电流控制系数；其中，所述预设磁通电流分量等于O ; 将求得的功率因数控制系数与励磁电流控制系数相乘，求得负载率系数； 将获取的电动机的转矩电流分量与转速控制量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比例积分运算，求得频率的控制量； 根据下式求得电压控制量:
Ud = FdXklXPk 式中，Ud为电压控制量，Fd为频率的控制量，kl为V/F比系数，Pk为负载率系数。
4.根据权利要求3所述的异步电动机效率优化控制的方法，其特征在于，所述磁通电流分量及转矩电流分量通过Clark变换求得。
5.根据权利要求4所述的异步电动机效率优化控制的方法，其特征在于，所述转速控制量通过对实时获取的转速与给定转速进行比较获取的偏差进行比例积分运算求得。
6.一种异步电动机效率优化控制的装置，其特征在于，包括: 优化模块，用于实时获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量； 调整模块，用于根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
7.根据权利要求6所述的异步电动机效率优化控制的装置，其特征在于，还包括: 获取模块，用于实时获取电动机的相关参数的参数值；其中，所述相关参数包括:电动机的三相输入电流、三相输入电压、电相位角度及转速。
8.根据权利要求7所述的异步电动机效率优化控制的装置，其特征在于，所述优化模块具体用于:通过计算分别获取电动机的以下参数值，包括:运行功率因数、磁通电流分量、转矩电流分量及转速控制量； 将获取的电动机的运行功率因数与预设功率因数进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比例积分微分运算，求得功率因数控制系数；其中，所述预设功率因数为0.98~I ; 将获取的电动机的磁通电流分量与预设磁通电流分量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行模糊推 论运算，求得励磁电流控制系数；其中，所述预设磁通电流分量等于O ; 将求得的功率因数控制系数与励磁电流控制系数相乘，求得负载率系数； 将获取的电动机的转矩电流分量与转速控制量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比例积分运算，求得频率的控制量； 根据下式求得电压控制量:
Ud = FdXklXPk 式中，Ud为电压控制量，Fd为频率的控制量，kl为V/F比系数，Pk为负载率系数。
9.一种异步电动机效率优化控制的系统，其特征在于，包括:权利要求6-8任意一项所述的装置、交流异步电动机及输出电压调整装置；权利要求6-8任意一项所述的装置与所述交流输出电压调整装置及异步电动机连接，用于控制所述交流异步电动机始终以最高效率运行。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括:权利要求9所述的系统和车体；权利要求9所述的系统与车体的驱动轴连接，用于驱动所述车体在不同的负载率及及任何的转速下始终以最闻效率运行。
【文档编号】H02P23/00GK104079230SQ201410320838
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】神王伟国 申请人:神王伟国