CN101806825B - 变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法及采用了该种测量方法的变频调速控制系统。该方法包括：(a)获得电参量的周期T，根据周期T确定采样次数N次，建立数组{p₍₀₎ ²，p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²，P’}用于数据存储；(b)在一个周期T内对该电参量进行N次采样，每次采样的间隔时间为T/N，将采样值平方并依序存入：p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²；(c)利用公式计算出在该周期T内电参量的有效值P。通过该方法可以实时、精确的获得非正弦周期电信号的有效值，而且计算方法简单，运算器的处理比较便捷，对硬件的要求低，实用化程度高。

Description

变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理与控制技术领域，尤其涉及一种变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法以及利用了上述测量方法的变频调速控制系统。

背景技术

传统上，交流电动机的设计和运行是针对于接近正弦波的工频电压(或电流)，电参量(例如电压、电流)有效值的测量仪表的设计也主要是针对于正弦交流电，主要有电动系和磁电系两大类仪表，均通过平均值或峰-峰值转换得到有效值。

随着调速节能、伺服控制和生产工艺的发展，越来越多的交流电动机采用变频器供电，也出现了依靠变频器供电运行的无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电动机等新型电动机。变频器采用电力电子器件的开关元件，使得电压、电流中含有大量的高次谐波，严重偏离正弦波形。如何对非正弦周期电参量有效值进行准确实时的测量成为本领域的新的研究课题。

现有技术中，对于非正弦周期电参量有效值的测量有少量的研究，主要采用热电阻转换的热平衡法、电子电路转换法、微机测量法等，还有如公开号为“CN 101216512A”的发明专利公开了一种基于基函数的神经网络对非正弦周期信号进行检测的方法，但到目前为止这些方法还没有进入实用化阶段，尤其是没有针对于变频器供电的交流电动机电参量有效值的测量。

由于非正弦周期电参量的有效值得不到精确的测量，变频调速控制系统得不到精确的闭环反馈信息，对控制系统的控制精度造成影响，而且控制系统所显示电参量的有效值是根据正弦电信号得出的，与实际值之间存在差距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：现有技术中，非正弦周期电参量有效值的测量方法不够理想，导致变频调速控制系统得不到有效的反馈，尤其是变频器供电的交流电动机的控制精度较低。

本发明首先提出一种变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法，该方法包括如下步骤：

(a)获得电参量的周期T，根据周期T确定采样次数N次，建立数组{p₍₀₎ ²，p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²，P’}用于数据存储；

(b)在一个周期T内对该电参量进行N次采样，每次采样的间隔时间为T/N，将采样值平方并依序存入：p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²；

(c)利用公式

计算出在该周期T内电参量的有效值P。

优选的，在上述方法的基础上可进一步包括如下步骤：

(d)读取新的电参量采样值p_(t)，并取其平方得到p_(t) ²；

(e)依序执行p₍₀₎ ²＝p₍₁₎ ²，p₍₁₎ ²＝p₍₂₎ ²，p₍₂₎ ²＝p₍₃₎ ²，…p_(N-1) ²＝p_(N) ²的数值赋予，再令p_(N) ²＝p_(t) ²，以及P’＝P；

(f)根据迭代计算公式计算出当前时刻的电参量有效值P，返回步骤(d)。

本发明还提出一种变频调速控制系统，包括：

变频器；

采样器，所述采样器对变频器的瞬时电参量进行采样并将采样值传送至有效值计算器；

主控制器，用于向变频器发出控制信号，所述主控制器根据控制信号计算出电参量的频率周期T，然后将该周期T传送至有效值计算器；

所述有效值计算器读取周期T以及瞬时电参量的采样值，并按照上述测量方法计算出电参量的有效值。

采用上述方法和系统，可以实时、精确的获得非正弦周期电信号的有效值，而且计算方法简单，运算器的处理比较便捷，对硬件的要求低，实用化程度高。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法流程图；

图2为应用于交流电动机的变频调速控制系统框图。

具体实施方式

参见图1，本发明首先提出一种变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法，该方法包括初始化阶段与动态跟踪阶段，其中，初始化阶段包括如下步骤：

(a)获得电参量的周期T，根据周期T确定采样次数N次，建立数组{p₍₀₎ ²，p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²，P’}用于数据存储；

(b)在一个周期内对该电参量进行N次采样，每次采样的间隔时间为T/N，将采样值平方并依序存入：p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²；

(c)利用公式

计算出在该周期T内电参量的有效值P；

其中，动态跟踪阶段包括如下步骤：

(d)读取新的电参量采样值p_(t)，并取其平方得到p_(t) ²；

(e)依序执行p₍₀₎ ²＝p₍₁₎ ²，p₍₁₎ ²＝p₍₂₎ ²，p₍₂₎ ²＝p₍₃₎ ²，…p_(N-1) ²＝p_(N) ²的数值赋予，再令p_(N) ²＝p_(t) ²，以及P’＝P；

(f)根据迭代计算公式

计算出当前时刻的电参量有效值P，返回步骤(d)。

以下将对上述测量方法进行详细描述，其中，电参量将具体表征为电压以及电流两个参数的同时测量，该电压、电流可以为图2中变频器2的输出值。

本发明的测量方法是根据时域分析中电压、电流的有效值的定义：

$\left\{\begin{array}{c}U=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t_0}^{t_0+T}{u_{\left(t\right)}}^2\mathrm{dt}}\\ I=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t_0}^{t_0+T}{i_{\left(t\right)}}^2\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，T为信号的周期，t₀为电压、电流周期信号的起始计算点，U为该周期T内的电压有效值，u_(t)为每一瞬时的电压值，I为该周期T内的电流有效值，i_(t)为每一瞬时的电流值。

发明人认为，在实际应用中，通过将一个周期T离散化为N个点，测每一个点的电压、电流瞬时值，采用求和平均的方式来取代理论计算中的积分，只要N的个数比较多，求和平均得到的有效值与积分得到的有效值就差别不多，而且当N的个数为无穷时，求和平均得到的值与积分得到的值就相等。于是，发明人提出，对于一个周期T内非正弦周期电压、电流有效值的离散化的计算方法是：

(a)获得电压、电流的周期T，根据周期T确定采样次数N次，建立数组{u₍₀₎ ²，u₍₁₎ ²，u₍₂₎ ²，…u_(N) ²，U’}以及{i₍₀₎ ²，i₍₁₎ ²，i₍₂₎ ²，…i_(N) ²，I’}用于数据存储；

对于该步骤，当电压、电流值为图2中变频器2的输出值时，周期T可以由主控制器1根据变频器2中的信号分析得出。获取了周期T之后，考虑到周期T的长短以及波形中二次谐波、高次谐波的频率，确定采样次数N，至少使得T/N小于二次谐波的1/4波长，以获得更高的精度。在某些场合下，如运算器具有较高的运算速度，可以使得T/N小于高次谐波的1/4波长，以获得更大的精度。

(b)在一个周期内对电压、电流进行N次采样，每次采样的间隔时间为T/N，将电压的采样值平方并依序存入：u₍₁₎ ²，u₍₂₎ ²，…，u_(N) ²，将电流的采样值平方并依序存入：i₍₁₎ ²，i₍₂₎ ²，…，i_(N) ²；

具体来说，测量T/N瞬时的电压、电流的瞬时值u_(t)、i_(t)，并将二者平方之后分别存储至u₍₁₎ ²、i₍₁₎ ²；测量2T/N瞬时的电压、电流的瞬时值u_(t)、i_(t)，并将二者平方之后分别存储至u₍₂₎ ²、i₍₂₎ ²；…；测量NT/N瞬时的电压、电流的瞬时值u_(t)、i_(t)，并将二者平方之后分别存储至u_(N) ²、i_(N) ²。

(c)利用公式

计算出在该周期T内电压的有效值U以及电流的有效值I。

通过上述方法，可以比较精确的获得电压、电流的有效值，而且计算方法简单，运算器的处理比较便捷，对硬件的要求低，实用化程度高。

然而，考虑到变频控制是一个实时的动态调整过程，上述计算的有效值需要随着时间的变化而动态跟踪，发明人进而提出了一种简单的迭代算法，包括如下步骤：

(d)读取新的电压采样值u_(t)、电流采样值i_(t)，并分别取二者的平方得到u_(t) ²、i_(t) ²；

该步骤是获取[上一时刻+T/N]瞬时的电压采样值u_(t)、电流采样值i_(t)。

(e)依序执行

的数值赋予，再令

以及

以电压为例来解释，此步骤的意思是，首先，用u₍₀₎ ²存储u₍₁₎ ²的原始值；再以u₍₁₎ ²存储u₍₂₎ ²的原始值；再以u₍₂₎ ²存储u₍₃₎ ²的原始值，依此类推，直至以u_(N-1) ²存储u_(N) ²的原始值，此时可以用u_(N) ²存储新得到的u_(t) ²。并且，以U’存储U。

该步骤的含义是，相比上一时刻，当前有效值的起始计算时间点推后了T/N。

(f)根据迭代计算公式计算出当前时刻的电压有效值U以及电流有效值I，返回步骤(d)。

仍然以电压为例来解释，该步骤的含义是，由于相比上一时刻，当前有效值的起始计算时间点推后了T/N，那么就要把上一时刻所计算出的电压有效值中的起点——目前为u₍₀₎ ²剔除，并且新加入当前时刻得到的采样值u_(N) ²，并以该采样值作为终点。通过迭代计算，不仅可以实时的得到电压、电流的有效值，而且具有测量误差减小、精度提高的优点，是一种优选的动态非正弦周期信号有效值的测量方法。

上述测量方法还可以整合到变频调速控制系统中，例如整合到交流电动机的变频调速控制系统中。参见图2，所述交流电动机3的变频调速控制系统包括：变频器2；采样器4，所述采样器4对变频器2的输出瞬时电参量(例如电压、电流)进行采样并将采样值传送至有效值计算器5；主控制器1，用于向变频器2发出控制信号，所述主控制器1根据控制信号计算出电参量的频率周期T，然后将该周期T传送至有效值计算器5；所述有效值计算器5读取周期T以及瞬时电参量的采样值，并按照前述测量方法计算出电参量的有效值。其中，交流电动机3还可以是其它的用电设备。

作为更优化的实施方式，有效值计算器5还将计算出的有效值反馈给主控制器1，主控制器1根据有效值判断变频器1的工作需求实时的对变频器1的输出电压或者输出电流进行调整。如此可以满足电动机的变频调速控制和其它测量要求，提高系统的控制能力，促进变频调速技术的应用与发展。

有效值计算器5还将计算出的有效值传送至上位机6，上位机6将这些有效值存储在数列中作为变频器2工作状态分析之用，上位机6还具有显示装置以实时显示电参量的有效值。另外，还可以通过必要的接口，利用上位机6与本变频调速控制系统进行各种通讯。

上述变频调速控制系统采用现有技术中的常见器件搭建，控制方法也不复杂，因此具有成本低、实用性好的优点。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种变频器供电的电动机电参量有效值的测量方法，该方法包括如下步骤：

(a)获得电参量的周期T，根据周期T确定采样次数N次，建立数组{p₍₀₎ ²，p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²，P’}用于数据存储；

(b)在一个周期T内对该电参量进行N次采样，每次采样的间隔时间为T/N，并且使T/N小于二次谐波的1/4波长，将采样值平方并依序存入：p₍₁₎ ²，p₍₂₎ ²，…p_(N) ²；

(c)利用公式 

计算出在该周期T内电参量的有效值P。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)之后还进一步包括如下步骤：

(d)读取新的电参量采样值p_(t)，并取其平方得到p_(t) ²；

(e)依序执行p₍₀₎ ²＝p₍₁₎ ²，p₍₁₎ ²＝p₍₂₎ ²，p₍₂₎ ²＝p₍₃₎ ²，…p_(N-1) ²＝p_(N) ²的数值赋予，再令p_(N) ²＝p_(t) ²，以及P’＝P；

(f)根据迭代计算公式 

计算出当前时刻的电参量有效值P，返回步骤(d)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电参量为电压或者电流。

4.一种变频调速控制系统，包括变频器，其特征在于还包括：

采样器，所述采样器对变频器的瞬时电参量进行采样并将采样值传送至有效值计算器；

主控制器，用于向变频器发出控制信号，所述主控制器根据控制信号计算出电参量的频率周期T，然后将该周期T传送至有效值计算器；

所述有效值计算器读取周期T以及瞬时电参量的采样值，并按照权利要 求1所述的测量方法计算出电参量的有效值。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述有效值计算器将计算出的有效值反馈给主控制器。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述有效值计算器将计算出的有效值传送至上位机，上位机具有用于显示所述有效值的显示装置。 

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