CN109217776B - 一种电机的加热方法、装置及变频器 - Google Patents

一种电机的加热方法、装置及变频器 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种电机的加热方法、装置及变频器。该方法属于电机控制技术领域，其包括获取逆变器向电机输出的高频交流电流；基于预设计算公式，根据高频交流电流计算出实际加热功率和对应的实际电流幅值；获取给定加热功率并对给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率；对注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角；获取给定电流幅值并对给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值；将电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号；根据脉冲宽度调制信号控制逆变器向电机输出高频交流电流以对电机进行加热。该方法可提高电机的加热速度，实现加热功率的可调节。

Description

一种电机的加热方法、装置及变频器
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机的加热方法、装置及变频器。
背景技术
汽车等设备中的空调***在环境温度为零下30～40℃时，压缩机润滑油就会凝固，冷却介质变成液态，此时若突然启动空调***，会导致电机的负载很重，电机无法顺利启动。为了使得电机能够顺利启动，一般需要先对电机进行加热，使得冷却介质汽化，压缩机润滑油解冻，然后再启动空调***。
目前对电机进行加热的方法主要是向电机注入直流电流，利用电机的定子绕组的铜损和铁损来对电机进行加热。然而，由于电机的定子绕组的铜损和铁损只占了电机功率很少的一部分，加热功率很小，加热速度很慢。
因此，如何快速地对电机进行加热成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种电机的加热方法、装置及变频器，以提高电机的加热速度。
第一方面，本申请提供了一种电机的加热方法，其包括：
获取逆变器向电机输出的高频交流电流；
基于预设计算公式，根据高频交流电流计算出实际加热功率和高频交流电流对应的实际电流幅值；
获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率；
对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角；
获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值；
将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号；以及
根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
第二方面，本申请还提供一种电机的加热装置，其包括：
电流获取单元，用于获取逆变器向电机输出的高频交流电流；
计算单元，用于基于预设计算公式，根据高频交流电流计算出实际加热功率和高频交流电流对应的实际电流幅值；
电流频率调节单元，用于获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率；
矢量角获取单元，用于对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角；
电压调节单元，用于获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值；
信号生成单元，用于将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号；以及
控制单元，用于根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
第三方面，本申请又提供一种变频器，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面的电机的加热方法。
本申请提供一种电机的加热方法、装置及变频器。该方法通过向电机输入高频交流电流，使得定子绕组中的高频交流电流及其谐波在转子中产生涡流电流，从而形成涡流损耗，释放出大量的热量以对电机进行加热，提高了电机的加热速度。同时，在向电机输入高频交流电流时，可以通过改变当前时刻的高频交流电流的大小和频率来调整加热功率，实现加热功率的可调节。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的示意流程图；
图2为本申请实施例中变频器控制电机加热功率的控制电路框图；
图3为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图；
图4为本申请实施例中变频器控制电机加热功率的具体控制电路框图；
图5为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的另一具体示意流程图；
图6为本申请实施例中变频器控制电机加热功率的另一具体控制电路框图；
图7为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图；
图8为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图；
图9为本申请实施例提供的一种电机的加热装置的示意性框图；
图10为本申请实施例提供的一种变频器的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
请参阅图1和图2，图1是本申请实施例提供的一种电机的加热方法的示意流程图，图2是本申请实施例中变频器控制电机加热功率的控制电路框图。该电机的加热方法应用于变频器中。如图1所示，该电机的加热方法包括步骤S101～S107。
S101、获取逆变器向电机输出的高频交流电流。
为了控制逆变器10向电机20输出的加热功率，需要获取当前时刻t逆变器10向电机20输出的高频交流电流it。
在一实施例中，该逆变器10可以为三相脉冲宽度调制逆变器，该电机20可以为永磁同步电机、直流无刷电机。
在一实施例中，在步骤S101之前，还包括：设置给定加热功率和给定电流幅值。其中，该给定加热功率P0和给定电流幅值I0可以通过整车***、PLC、键盘等人机交互界面进行设置，该给定电流幅值I0可以为电机20的额定电流值，当然，该给定电流幅值I0也可以由给定加热功率P0计算得到。
需要说明的是，该给定加热功率P0和给定电流幅值I0除了通过上述方式进行设置外，还可以为预先存储在变频器中的固定值。
S102、基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值。
具体地，在一实施例中，如图3和图4所示，图3为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图，图4为本申请实施例中变频器控制电机加热功率的具体控制电路框图。该步骤S102具体包括步骤S1021和S1022。
S1021、对所述高频交流电流进行快速傅里叶变换以得到对应的实际电流幅值和电流相位角。
S1022、基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值、所述实际电流幅值和电流相位角计算出实际加热功率。
在图3和图4所示的实施例中，该预设计算公式30包括快速傅里叶变换和发热功率计算公式。具体地，取高频交流电流it中的u相电流it(u)，然后对电流it(u)进行快速傅里叶变换以得到高频交流电流it对应的实际电流幅值Im和电流相位角
Figure BDA0001813581290000041
再获取上一时刻的调节电压幅值Vt-1，并根据上一时刻的调节电压幅值Vt-1、实际电流幅值Im和电流相位角
Figure BDA0001813581290000042
采用如下公式(1)所示的发热功率计算公式计算出实际加热功率P1。
Figure BDA0001813581290000043
需要说明的是，在该实施例中，采用电压相位作为参考相位。
具体地，在另一实施例中，如图5和图6所示，图5为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的另一具体示意流程图，图6为本申请实施例中变频器控制电机加热功率的另一具体控制电路框图。在该实施例中，步骤S102具体包括步骤S1023至S1025。
S1023、对所述高频交流电流进行克拉克变换以得到α分量电流和β分量电流。
S1024、根据所述α分量电流和β分量电流计算出所述高频交流电流对应的实际电流幅值。
S1025、基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值和电压矢量角、所述α分量电流和β分量电流计算出实际加热功率。
在图5和图6所示的实施例中，该预设计算公式30包括克拉克变换、幅值计算公式和发热功率计算公式。具体地，取高频交流电流it中的u相电流it(u)、v相电流it(v)和w相电流it(w)，将u相电流it(u)、v相电流it(v)和w相电流it(w)进行克拉克变换以得到α分量电流it(α)和β分量电流it(β)。然后，将α分量电流it(α)和β分量电流it(β)带入如下公式(2)所示的幅值计算公式中计算得到高频交流电流it对应的实际电流幅值Im。
Figure BDA0001813581290000051
在图5和图6所示的实施例中，发热功率计算公式如下公式(3)所示：
P1＝1.5(Vt-1it(α)cosθt-1+Vt-1it(β)sinθt-1) (3)
为了计算实际加热功率P1，需要获取上一时刻的调节电压幅值Vt-1和电压矢量角θt-1，然后将上一时刻的调节电压幅值Vt-1和电压矢量角θt-1、以及α分量电流it(α)和β分量电流it(β)带入至上述公式(3)所示的发热功率计算公式中，以计算获取实际加热功率P1。
S103、获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率。
在步骤S102计算出实际加热功率P1后，将获取给定加热功率P0，并将对给定加热功率P0和实际加热功率P1进行调节限幅处理以得到注入电流频率F。
具体地，在一实施例中，如图7所示，图7为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图，该步骤S103中的对给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率，具体包括步骤S1031和S1032。
S1031、将所述给定加热功率和实际加热功率依次输入至第一减法器和第一PI调节器以得到参考电流频率。
S1032、对所述参考电流频率进行限幅处理以得到注入电流频率。
如图2所示，将给定加热功率P0和实际加热功率P1依次输入至第一减法器40和第一PI调节器50，从而得到参考电流频率Fref。然后，再通过第一限幅器60对参考电流频率Fref进行限幅处理以得到注入电流频率F。具体地，对参考电流频率Fref进行限幅处理以得到0.5kHz至2kHz范围内的注入电流频率F。
S104、对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角。
如图2所示，在获得注入电流频率F后，将通过积分器70对注入电流频率F进行积分处理，从而获得电压矢量角θ。该电压矢量角θ将作为预设脉宽调制器80的一个输入参数，以便于预设脉宽调制器80后续可以生成脉冲宽度调制信号。
S105、获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值。
具体地，在一实施例中，如图8所示，图8为本申请实施例提供的一种电机的加热方法的具体示意流程图，该步骤S105中的对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值，具体包括S1051和S1052。
S1051、将所述给定电流幅值和实际电流幅值依次输入至第二减法器和第二PI调节器以得到参考电压幅值。
S1052、对所述参考电压幅值进行限幅处理以得到调节电压幅值。
如图2所示，将给定电流幅值I0和步骤S102计算的实际电流幅值Im依次输入至第二减法器90和第二PI调节器100，以得到参考电压幅值Vref，然后，再通过第二限幅器110对参考电压幅值Vref进行限幅处理以得到调节电压幅值V。该调节电压幅值V将作为预设脉宽调制器80的另一个输入参数，以便于预设脉宽调制器80后续可以生成脉冲宽度调制信号。
S106、将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号。
在通过步骤S104和S105分别获得电压矢量角θ和调节电压幅值V后，将电压矢量角θ和调节电压幅值V输入至预设脉宽调制器80中，以使得预设脉宽调制器80根据电压矢量角θ和调节电压幅值V生成脉冲宽度调制信号。
在一实施例中，该预设脉宽调制器80可以为空间矢量脉宽调制(英文全称：SpaceVectorPulse Width Modulation，简称：SVPWM)器，也可以为正弦脉宽调制(英文全称：Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称：SPWM)器，在此不对预设脉宽调制器80做限制。
S107、根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
在生成脉冲宽度调制信号后，将根据脉冲宽度调制信号控制逆变器10向电机20输出相应的高频交流电流it+1，使得电机20因失步而进入堵转状态。具体地，根据脉冲宽度调制信号控制逆变器10将直流母线电压Udc调制成高频交流电流it+1，并将高频交流电流it+1输入至电机20的定子绕组，使得电机20因失步而进入堵转状态，该高频交流电流及其谐波在电机20的转子中产生涡流电流，从而形成涡流损耗，释放出大量的热量以对电机20进行加热，提高电机20的加热速度。
可以理解的是，在采用本申请的电机的加热方法对电机20进行加热时，第一次获取的逆变器10向电机20输出的高频交流电流的值为0，在依次经过步骤S101至S107等步骤的循环调节后，逆变器10向电机20输出的高频交流电流的值变为非零值，且逐渐趋近于给定电流幅值。
本实施例中的电机的加热方法，不但可以提高电机20的加热速度，还通过功率闭环调节来实现加热功率的可调节。同时，采用该加热方法，无论电机20从正常旋转带载情况切换到采用该加热方法对电机20进行加热的模式，还是采用该加热方法对电机20进行加热的过程中，逆变器10的载波频率都可以采用其正常运行时的载波频率，不需要进行载波频率的切换。
请参阅图9，图9为本申请实施例提供的一种电机的加热装置的示意性框图。该电机的加热装置200应用于变频器中。该电机的加热装置200包括电流获取单元201、计算单元202、电流频率调节单元203、矢量角获取单元204、电压调节单元205、信号生成单元206和控制单元207。
电流获取单元201，用于获取逆变器向电机输出的高频交流电流。
计算单元202，用于基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值。
在一实施例中，该计算单元202具体用于对所述高频交流电流进行快速傅里叶变换以得到对应的实际电流幅值和电流相位角；以及基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值、所述实际电流幅值和电流相位角计算出实际加热功率。
在另一实施例中，该计算单元202具体用于对所述高频交流电流进行克拉克变换以得到α分量电流和β分量电流；根据所述α分量电流和β分量电流计算出所述高频交流电流对应的实际电流幅值；以及基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值和电压矢量角、所述α分量电流和β分量电流计算出实际加热功率。
电流频率调节单元203，用于获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率。
在一实施例中，该电流频率调节单元203在进行调节限幅处理时，具体用于将所述给定加热功率和实际加热功率依次输入至第一减法器和第一PI调节器以得到参考电流频率；以及对所述参考电流频率进行限幅处理以得到注入电流频率。
进一步地，该电流频率调节单元203在进行限幅处理时，具体用于对所述参考电流频率进行限幅处理以得到0.5kHz至2kHz范围内的注入电流频率。
矢量角获取单元204，用于对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角。
电压调节单元205，用于获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值。
在一实施例中，该电压调节单元205在进行调节限幅处理时，具体用于将所述给定电流幅值和实际电流幅值依次输入至第二减法器和第二PI调节器以得到参考电压幅值；以及对所述参考电压幅值进行限幅处理以得到调节电压幅值。
信号生成单元206，用于将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号。
在一实施例中，该预设脉宽调制器可以为空间矢量脉宽调制(英文全称：SpaceVector Pulse Width Modulation，简称：SVPWM)器，也可以为正弦脉宽调制(英文全称：Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称：SPWM)器，在此不对预设脉宽调制器做限制。
控制单元207，用于根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
在一实施例中，该逆变器包括三相脉冲宽度调制逆变器，该电机包括永磁同步电机、直流无刷电机。
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的电机的加热装置200和各单元的具体工作过程，可以参考前述电机的加热方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本实施例中的电机的加热装置200，不但可以提高电机的加热速度，还通过功率闭环调节来实现加热功率的可调节。
请参阅图10，图10为本申请实施例提供的一种变频器的示意性框图。该变频器300包括处理器301、存储器302以及存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序3021，该处理器301执行该计算机程序3021时可以实现本申请上述实施例中任意一种电机的加热方法。由于前面已经对本申请的电机的加热方法做了详细地介绍，为了说明书的简洁性，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本申请实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电机的加热方法，其特征在于，包括：
获取逆变器向电机输出的高频交流电流；
基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值；
获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率；
对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角；
获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值；
将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号；以及
根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
2.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值，包括：
对所述高频交流电流进行快速傅里叶变换以得到对应的实际电流幅值和电流相位角；以及
基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值、所述实际电流幅值和电流相位角计算出实际加热功率。
3.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值，包括：
对所述高频交流电流进行克拉克变换以得到α分量电流和β分量电流；
根据所述α分量电流和β分量电流计算出所述高频交流电流对应的实际电流幅值；以及
基于发热功率计算公式，根据上一时刻的调节电压幅值和电压矢量角、所述α分量电流和β分量电流计算出实际加热功率。
4.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率，包括：
将所述给定加热功率和实际加热功率依次输入至第一减法器和第一PI调节器以得到参考电流频率；以及
对所述参考电流频率进行限幅处理以得到注入电流频率。
5.根据权利要求4所述的电机的加热方法，其特征在于，所述对所述参考电流频率进行限幅处理以得到注入电流频率，包括：对所述参考电流频率进行限幅处理以得到0.5kHz至2kHz范围内的注入电流频率。
6.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值，包括：
将所述给定电流幅值和实际电流幅值依次输入至第二减法器和第二PI调节器以得到参考电压幅值；以及
对所述参考电压幅值进行限幅处理以得到调节电压幅值。
7.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述预设脉宽调制器包括空间矢量脉宽调制器或正弦脉宽调制器。
8.根据权利要求1所述的电机的加热方法，其特征在于，所述电机包括永磁同步电机或直流无刷电机。
9.一种电机的加热装置，其特征在于，包括：
电流获取单元，用于获取逆变器向电机输出的高频交流电流；
计算单元，用于基于预设计算公式，根据所述高频交流电流计算出实际加热功率和所述高频交流电流对应的实际电流幅值；
电流频率调节单元，用于获取给定加热功率，并对所述给定加热功率和实际加热功率进行调节限幅处理以得到注入电流频率；
矢量角获取单元，用于对所述注入电流频率进行积分处理以获得电压矢量角；
电压调节单元，用于获取给定电流幅值，并对所述给定电流幅值和实际电流幅值进行调节限幅处理以得到调节电压幅值；
信号生成单元，用于将所述电压矢量角和调节电压幅值输入至预设脉宽调制器以生成脉冲宽度调制信号；以及
控制单元，用于根据所述脉冲宽度调制信号控制所述逆变器向所述电机输出高频交流电流以对所述电机进行加热。
10.一种变频器，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任意一项所述方法的步骤。
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