CN113972856A - 用于估计电动马达的单相电阻的方法和装置 - Google Patents

用于估计电动马达的单相电阻的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在由可调速驱动器(ASD)控制的马达正在运行和/或处于停止时借助于可调速驱动器来估计马达的单相电阻的方法。马达是异步马达或同步马达。本发明还涉及一种用于执行相应的方法的可调速驱动器。

Description

用于估计电动马达的单相电阻的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种在由可调速驱动器(ASD)控制的马达正在运行和/或处于停止时借助于ASD来估计马达的单相电阻的方法。马达是异步马达或同步马达。本发明还涉及一种用于执行相应的方法的可调速驱动器。
背景技术
根据现有技术状态，已知用于在线识别马达电阻的各种方法。大部分已知方法包括将电流注入马达中、测量这个注入的效应、以及基于所测量的效应来估计对称马达电阻。术语“在线识别”目前可以涉及在马达被安装至某个装置并且可以向所述装置提供驱动力的状态下的马达电阻的识别。替代地或另外，术语“在线识别”可以涉及经由例如因特网或一些其它远程连接的马达电阻的远程识别。
与马达电阻的识别的已知方法相关联的一个主要问题是经典的马达电阻的对称检测不能识别单相电阻，而仅识别等效平均值。
为了克服这个问题，本发明提供一种根据权利要求1中描述的方法来测量不对称马达电阻的方式。在从属权利要求中描述本发明的有利的实施例。本发明还涉及用于控制马达的可调速驱动器，所述可调速驱动器适合于执行相应的方法。
发明内容
根据本发明，提供一种在由可调速驱动器(ASD)控制的马达正在运行和/或处于停止时借助于ASD来估计马达的单相电阻的方法。
马达可以是异步马达或同步马达。所述方法包括以下步骤：
·在所述马达中注入至少两个DC电流作为ASD输出，
·确定由注入所述DC电流而产生的输出电压和电流，
·提取存在于所确定的输出电压和电流中的DC分量，以及
·分别计算由ASD在所述马达的每个相位上看到的累积输出电阻Rs。
所提议的想法改善了用于控制马达的可调速驱动器的主要功能。通过了解输出电阻中的不平衡性，改善了驱动的控制和稳定性，尤其是针对扭矩和转速性能较重要的高性能应用。
在所确定的输出电压和电流(即，DC电压和DC电流)中提取DC分量允许确定由ASD看到的DC定子电阻(结合了接线线缆和马达的电阻)。
DC电流的注入可以发生至少两次并且在不同相角处(例如，在0°处和120°处)发生。注入可以在不同时刻发生和/或可以与马达的不同相位对准以作为ASD输出。可以在马达停止期间或马达正在运行时使用所述方法。通常可以在两个或更多个不同的相角处执行多个DC电流注入。这允许收集足够的数据集来分别解决每个相位上的电阻的识别。
基于对在马达的每个相位上的电阻Rs以及因此马达的不对称电阻的了解，可以在本发明的内容背景下部署新的特征和实施例，这些特征和实施例中的一些示例将在以下段落中描述。
在本发明的优选实施例中，所确定的输出电压和/或电流被测量或估计。
在本发明的另外的优选实施例中，所注入的DC电流与ASD的基本输出电流的不同相角同步。
相角可以不相同并且相角可以变化。可以在收集至少两个不同相角的测量数据之后进行由ASD看到的单相电阻(或不对称电阻)的计算。
在本发明的优选实施例中，DC电流以一有限注入时段然后一等待时段直到下一次DC电流注入的间断的方式注入。
在本发明的优选实施例中，注入时段和等待时段两者的持续时间可以是能够变化的并且与所述马达的转速同步。这种实施例明确地仅应用在马达正在运行的情形下。
在本发明的优选实施例中，如果ASD未处于安全操作状态，则停止DC电流的注入。不安全的操作状态可以被限定为包括故障、跳闸、达到极限、和/或马达和/或ASD的各种降额。
在本发明的优选实施例中，如果ASD在影响存在于所确定的输出电流和电压中的DC分量的提取的过动态状态下操作，则停止DC电流的注入。
在本发明的优选实施例中，在每个相位上所计算的电阻Rs被反馈到ASD中并且被用于更新ASD参考、控制参数和/或控制设定。
在本发明的优选实施例中，反馈被用于改善ASD在操作中的控制性能和/或稳定性，和/或反馈被用于预见性维护以检测线缆和/或马达中的故障、和/或不正确的安装。
通常，可以实现与本发明有关的新功能。新功能可以包括预见性维护，其中可以在ASD和/或马达的严重故障之前检测到相位弱连接或松连接和/或一个相位的损坏的线缆或弱线缆、以及不正确的马达连接或接线。
可以在ASD中实现另外的新功能以支持调试。这里，可以促进马达的错误连接或接线的检测。这避免在马达的操作期间的未来的问题、和潜在的线缆或马达损坏。
在调试期间，ASD可以计算马达的每个相位上的电阻Rs的值并且可以评估每个相位的电阻Rs之间的差是否过高。依赖于电阻Rs之间的差，ASD可以随后发送建议检查马达和/或线缆的信号。所有这些可以在运行马达之前进行，从而避免在马达与另外的装备一起运行和/或驱动另外的装备时出现应用问题。
本发明可以提供的另一个新功能是支持对由ASD驱动的马达进行故障排除。ASD可以在运行期间监控和记录每个相位上的电阻Rs。所记录的电阻Rs可能与发生过高的扭矩、转速波动和/或其它马达缺陷的情形相关联，这些情形可能全部受不平衡电阻的影响。
本发明还涉及一种用于执行上文描述的方法的ASD。ASD可以包括执行上文描述的方法所需的任何硬件部件。
附图说明
将参考以下各图来描述本发明的另外的细节和优点：
图1：感应马达的电气单相图；
图2：在DC下感应马达的电气单相图；
图3：具有所有三相电阻的感应马达的简化电气图；
图4：将DC电流注入到马达中的ASD的电气图，以及电流的空间矢量表示；
图5：沿不同方向注入DC电流的空间矢量表示：a)方向1，b)方向2；
图6：沿2个不同方向注入DC电流然后求解未知数Rs1，2，3的方法的示图；
图7：用于计算非对称的DC电阻Rs1，2，3的主要部件；以及
图8：马达和ASD的简单概观。
具体实施方式
在进入本发明的更多细节之前，将提供关于在本发明的内容背景下使用的马达20的一些背景信息。图1示出了由可调速驱动器(ASD)1控制的电动马达20(例如感应马达)的电气模型，下文中进一步描述。图1示出电动马达20的单相图，假设马达20的所有三相上的分量对称，其中Rs和Rr分别是定子电阻和转子电阻，Lls和Llr分别是定子漏电感和转子漏电感，Lm是励磁电感并且Rfe是等效铁损电阻。
感应电机(电动马达20)的定子电压方程式是：
Figure BDA0003149736500000041
其中
Rs＝定子电阻
us＝由ASD 1施加的定子电压
is＝由ASD 1产生的定子电流源
ψs＝定子通量
当仅DC信号注入到机器或电机时，通量的导数变为零，如图2中和方程式2给出的。
us(t)＝Rs·is(t) (方程式2)
由ASD 1看出的在稳态下感应电机对DC输入的阻抗是方程式3中给出的RsDC。
Figure BDA0003149736500000051
因此，如果小的DC电压偏置可以被叠加到马达电源电压上以注入DC电流分量，则可以使用所确定的电压和电流的DC分量来在线地估计Rs电阻。基于DC模型的估计与所有马达参数无关并且不受固有马达不对称性影响。
在以下段落中，将提供关于给定的马达20中的不对称性的识别的更多细节。上文给出的方程式2描述了假定平衡模型的马达方程式。
在参数不平衡的情况下，方程式被描述为这种形式：
Figure BDA0003149736500000052
其中，下标表示马达相位，如1为相位U，2为相位V，3为相位W并且假定如图3所示的DC信号注入方法，Rs1，2，3表示内部ASD接触电阻Rk1，2，3、线缆电阻Rc1，2，3和马达电阻Rm1，2，3的累积串联电阻。图3是示出所有三相电阻及其分量的电动马达20(特别是感应马达)的简化电气图。
ASD1包括电力卡2和控制卡3。电力卡2可以被连接至AC手柄电源(AC grip powersupply)并向马达20提供电力。控制卡3可以被用于确定上文提到的电压us123的三个电压估计。控制卡3还可以包括或被连接至用于确定电流is123的三个电流传感器。基于电流is123和电压us123的所确定的值，控制卡3可以计算相应的三相的累积电阻Rs123。
图4示出将DC电流注入到先前示出的马达20中的ASD1的电气图以及电流的空间矢量表示。
在实践中出现一些挑战并且在图4中指示：
·ASD 1不能访问马达20的中性点N，但具有其自己的内部参考点M，因而公共电压UNM存在于M与N之间。
·在电压和电流两者上均存在由物理设备、模数转换器、运算放大器等引起的背景DC偏移。
·输出电压***是三相的、三线的，这意味着仅存在两个独立方程式。
Figure BDA0003149736500000061
采取以下步骤来补偿以上问题：
a.消除偏移：这是通过注入沿同一方向但具有不同正负号的电流并对方程式进行微分来完成的。
Figure BDA0003149736500000062
结果被简化成这种形式：
Figure BDA0003149736500000063
b.消除共模电压UMN。这是通过在相位之间(例如，1-2、2-3、3-1)进行微分来完成的。
Figure BDA0003149736500000064
通过将Rs1、Rs2、Rs3记为要求解的x1、x2、x3，方程式被简化成这种形式：
Figure BDA0003149736500000071
该方程式不能被求解，因为已知项(电流和电压)不是独立的：
Figure BDA0003149736500000072
c.通过增加更多数据集来求解方程式。这是通过沿不同方向注入电流因而收集更多数据以组成能够求解未知数Rs1、Rs2、Rs3的独立方程组来完成的。图5和图6中给出示图。
第一方向1上的注入：
Figure BDA0003149736500000073
第二方向2上的注入：
Figure BDA0003149736500000074
可以使用这两个数据集中的任一个数据集从不同方向来求解方程式。求解x1和x2的一个示例如下。可以从不同的其它方程式发现类似性。
Figure BDA0003149736500000075
在具有来自不同方向的这两个数据集的情况下，存在求解相同未知数x1、x2、x3的若干可能性。因而，为了改善相对于数值误差的稳健性，可以对同一解决方案求解所有可能的方程式并且最后对结果求平均值。
另外，可以使用不同的方向组合(例如，对方向d1和d2进行交替)并求解Rs1，2，3，然后沿方向2和3来注入Rs1，2，3并且再次求解Rs1，2，3。
图6图示沿两个不同方向注入DC电流然后求解未知数Rs1，2，3的方法。
图7示出能够计算马达20的不对称DC电阻Rs1，2，3及其与其相应的线缆电阻Rc1，2，3的连接或接线19的ASD 1的主要部件。
ASD 1包括具有从AC电网对马达20进行供电所需要的所有硬件的电力卡2。电力卡2可以包括模拟电路、数字电路、电源开关。
ASD 1还包括控制卡3，所述控制卡3可以包括ASD 1的所有软件、控制器和保护部件。图7示出作为控制卡3的子部件的ASD控制单元4。ASD控制单元4实现ASD 1的主功能，即控制马达20的运动。ASD控制单元4提供用于马达控制的硬件和所有所需特征的控制。
控制卡3的第二子部件是Rs估计块5。Rs估计块5可以包括以控制卡软件实现的算法，所述控制卡软件接收内部和外部信号并计算每个相位Rs1，2，3的马达连接电阻或马达接线电阻。这个信息被反馈到ASD控制单元4中以改善稳定性和控制性能。在本发明中，术语“块”可以涉及物理部件和/或一些软件应用或计算过程。
Rs估计块5的子部件包括Rs控制单元51，所述Rs控制单元51提供负责同步(通过信号“同步(synch)”)注入DC电流和测量输出电流和电压中的效应的整个过程的功能。
注入是间断的并且可以只发生很短的一段时间。然后可以停止和中断注入一段时间，直到接下来的DC注入。这个方法使输出马达扭矩和转速中产生的波动最小。
此功能还估计注入DC电流的正确时间，以免干扰***并引发故障和跳闸。此功能还检查ASD 1是否处于稳态和稳定操作状态，以执行DC测量并避免错误的结果。
Rs估计块5还包括用于触发或注入DC电流52的装置，包括计算所需的参考IDCRef并将其发送至ASD控制单元4以产生DC输出电流的功能。此功能将注入与输出电流的正确相位同步，以避免瞬变和错误的结果。
Rs估计块5还包括用于估计电压Us123 53的装置，包括接收来自ASD控制单元4的输出电压Us1，2，3并且在过滤噪声且补偿逆变器的非线性之后从UDC1，2，3提取DC成分的功能。
Rs估计块5还包括电流传感器Is123 54的装置，包括接收来自ASD电流传感器的输出电流Is1，2，3并且在过滤噪声之后从IDC1，2，3提取DC成分的功能。
在计算块55处执行不对称Rs的计算，包括通过求解上面给出的方程式1至方程式5来计算Rs1，2，3的算法。
图8示出马达20和ASD 1的简单概观。
附图标记
1 可调速驱动器(ASD)
2 电力卡
3 控制卡
4 ASD控制单元
5 Rs估计块
19 连接或接线
20 马达
51 Rs控制单元
52 用于触发或注入DC电流的装置
53 用于估计电压Us123的装置
54 电流传感器Is123
55 计算块

Claims (10)

1.一种在由可调速驱动器控制的马达正在运行和/或处于停止时借助于所述可调速驱动器来估计马达的单相电阻的方法，其中所述马达是异步马达或同步马达，所述方法包括以下步骤：
·在所述马达中注入至少两个DC电流作为可调速驱动器输出，
·确定由注入所述DC电流而产生的输出电压和电流，
·提取存在于所确定的输出电压和电流中的DC分量，以及
·分别计算由可调速驱动器在所述马达的每个相位上看到的累积输出电阻Rs。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所确定的输出电压和/或电流被测量或估计。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所注入的DC电流与所述可调速驱动器的基本输出电流的不同相角同步。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述DC电流以一有限注入时段然后一等待时段直到下一次DC电流注入的间断方式注入。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，注入时段和等待时段两者的持续时间可以是能够变化的并且与所述马达的转速同步。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述可调速驱动器未处于安全操作状态的情况下，停止所述DC电流的注入。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述可调速驱动器在影响存在于所确定的输出电流和电压中的DC分量的提取的过动态状态下操作的情况下，停止所述DC电流的注入。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在每个相位上所计算的电阻Rs被反馈到所述可调速驱动器中并且被用于更新可调速驱动器参考、控制参数和/或控制设定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反馈被用于改善所述可调速驱动器在操作中的控制性能和/或稳定性，和/或所述反馈被用于预见性维护以检测线缆和/或马达中的故障、和/或不正确的安装。
10.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的可调速驱动器。
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