CN101820167A - 电机热保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电机热保护方法，包括：根据电机绕组和铁芯损耗参数计算得出绕组温度；当绕组温度上升到绝缘允许的温度时，对输出电流幅值进行限制，直至电流为零，封锁脉冲宽度调制的输出；当绕组温度低于绝缘允许的温度达到设定下限值时，增大电流的限幅值。本发明提出的电机热保护方法，其对永磁同步电动机实施了有效的热保护，根据绕组温度和运行工况要求进行运行控制，提高了电动机的运行寿命和可靠性，促进永磁同步电动机应用于高精度、高性能的伺服系统。

Description

电机热保护方法

技术领域

本发明涉及电动机保护领域，且特别涉及一种应用于永磁同步电动机的伺服控制领域，实现电机的热保护和智能控制运行的电机热保护方法。

背景技术

电机的热保护通常是在电机的内部设置一个热保护继电器，该热继电器的双金属片(热敏元件)直接或间接感知绕组的电流及绕组附近的感温元件产生的电流，当电流与时间的关系在热保护的反时限特性曲线以上时，双金属片受热发生变形并带动热继电器的触点动作，切断电源，电机停转；当双金属片自然冷却到一定温度以下时，热继电器的触点反向动作，电机恢复运行。

然而现有技术存在以下不足之处：①在电机的内部单独设置热保护装置，占用一定的空间，无法应用于功率密度大、体积小、重量轻的永磁同步电动机；②采用继电保护，需要进行现场热保护整定，不容易进行合适的整定；③装置的可靠性差、寿命短，容易老化失去保护作用；④无法根据绕组温度和运行工况要求进行热保护和运行控制。

发明内容

本发明提出一种电机热保护方法，其对永磁同步电动机实施了有效的热保护，根据绕组温度和运行工况要求进行运行控制，提高了电动机的运行寿命和可靠性，促进永磁同步电动机应用于高精度、高性能的伺服系统。

为了达到上述目的，本发明提出一种电机热保护方法，包括：

根据电机绕组和铁芯损耗参数计算得出绕组温度；

当绕组温度上升到绝缘允许的温度时，对输出电流幅值进行限制，直至电流为零，封锁脉冲宽度调制的输出；

当绕组温度低于绝缘允许的温度达到设定下限值时，增大电流的限幅值。

进一步的，所述绕组温度的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{T_1-T_a}{R_1}+\frac{T_1-T_2}{R_2}=p_{\mathrm{fe}}\\ C_2\frac{{\mathrm{dT}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{T_2-T_1}{R_2}=p_{\mathrm{cu}}\end{array}\right.,$

其中，c₁、c₂分别为定子铁芯和机座的热容、定子绕组的热容，R₁、R₂分别为定子铁芯与外界冷却介质之间的热阻、定子铁芯与定子绕组之间的热阻，T_a、T₁和T₂分别为外界冷却介质的温度、定子铁芯的平均温度和绕组的平均温度，p_fe、p_cu绕组的铁耗和铜耗。

进一步的，所述绕组的铁耗和铜耗计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{cu}}={3I}^{2}R\\ p_{\mathrm{fe}}=(k_h{B}^{\mathrm{\β}}f+k_e{B}^2{f}^2)m_{\mathrm{st}}\end{array}\right.,$

其中，I、f和R分别为相绕组的电流、频率和电阻，B为磁通密度峰值，k_h、k_e和m_st分别为定子铁芯的磁滞损耗系数、涡流损耗系数和质量，β为斯坦梅茨常数。

进一步的，所述对输出电流幅值进行限制使用电流控制器。

进一步的，所述电机热保护方法采用电机控制芯片进行电机热保护控制。

进一步的，所述电机控制芯片为TM320C280X。

本发明根据绕组的电流和频率(或电机的转速)实施计算出绕组的温度，再根据绕组的温度、电机绝缘系统的温度要求和电机的运行工况要求对电机的输出电流进行控制，利用驱动控制系统基本的硬件配置如处理器芯片、接口、电流或转速的测量单元等完成绕组温度的计算和保护控制，不需要增加额外的硬件投入。本发明可对电机实施有效热保护，根据绕组的温度、电机绝缘系统的温度要求对电机的输出电流进行控制，一定程度上提高了电机的动态性能，促进永磁同步电动机应用于高精度、高性能的伺服系统。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的电机热保护方法功能方块图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

本发明提出一种电机热保护方法，其对永磁同步电动机实施了有效的热保护，根据绕组温度和运行工况要求进行运行控制，提高了电动机的运行寿命和可靠性，促进永磁同步电动机应用于高精度、高性能的伺服系统。

引起绕组温度升高的原因主要是绕组的铜耗和铁耗，它们可依据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{cu}}={3I}^{2}R\\ p_{\mathrm{fe}}=(k_h{B}^{\mathrm{\β}}f+k_e{B}^2{f}^2)m_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中I、f和R分别为相绕组的电流、频率和电阻，B为磁通密度峰值，k_h、k_e和m_st分别为定子铁芯的磁滞损耗系数、涡流损耗系数和质量，β为斯坦梅茨(Steinmetz)常数。同时根据铜耗和铁耗这两个热源的分布和以下公式计算绕组温度：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{T_1-T_a}{R_1}+\frac{T_1-T_2}{R_2}=p_{\mathrm{fe}}\\ C_2\frac{{\mathrm{dT}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{T_2-T_1}{R_2}=p_{\mathrm{cu}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，c₁、c₂分别为定子铁芯和机座的热容、定子绕组的热容，R₁、R₂分别为定子铁芯与外界冷却介质之间的热阻、定子铁芯与定子绕组之间的热阻，T_a、T₁和T₂分别为外界冷却介质的温度、定子铁芯的平均温度和绕组的平均温度。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的电机热保护方法功能方块图。对于采用永磁同步电动机10的伺服系统可应用式(1)、(2)并使用绕组温度计算20在线计算出绕组温度，当绕组温度上升到接近绝缘允许的温度时(根据电机绕组的绝缘等级可确定出绝缘允许的温度，电机的绝缘等级可根据铭牌数据或技术手册查到)，电流调节器30输出的电流经过限幅器进行限幅，直至电流为零，封锁脉冲宽度调制(PWM)40的输出，确保变频器的输出电流为零，这样电机的输入电流为零，电机停止运行，绕组能够尽快冷却下来。根据式(1)铜耗下降，绕组温度降低，从而控制绕组温度不超过绝缘允许的温度；当绕组温度远远低于绝缘允许的温度时，如当其低于绝缘允许的温度达到设定下限值时(具体范围值取决于冷却介质的温度和绕组的绝缘等级)，可适当增大电流的限幅值，以改善电机的动态性能，附图为伺服控制系统框图，图中点画线框内的功能由数字控制器100实现，它可有电机专有控制芯片如TM320C280X等配以必要的数据通讯、显示等接口电路构成。

现有技术方案在电机的内部设置一个热保护继电器，该热保护器根据相电流或感温元件产生电流的热效应进行过流、过热保护，存在按装空间的限制和可靠性差等种种不足之处。

本技术方案依托伺服系统的数字控制器等计算控制能力根据电流和电流的频率(或转速，对于永磁同步电动机，定子电流频率和转速之间有确定的关系，即：

(转/分钟)，

式中p为电机的极对数，因此使用频率或转速计算都可以)，实时计算出绕组的温度，再根据绕组的温度、电机绝缘系统的温度要求和电机的运行工况要求对电机的输出电流进行控制，彻底克服了现有技术方案的不足。图1中的位置调节器是对给定的位置信号和实际位置的偏差进行调节控制，最终消除这种偏差。相应地，速度调节器是对速度偏差进行调节控制，工程中常用的调节器为PID调节器。图1中使用速度计算，也可根据同步电机中速度和频率的计算公式转化成频率进行计算，其结果是一样的。

本发明可对电机实施有效热保护，根据绕组的温度、电机绝缘系统的温度要求对电机的输出电流进行控制，一定程度上提高了电机的动态性能，促进永磁同步电动机应用于高精度、高性能的伺服系统。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种电机热保护方法，其特征在于，包括：

根据电机绕组和铁芯损耗参数计算得出绕组温度；

当绕组温度上升到绝缘允许的温度时，对输出电流幅值进行限制，直至电流为零，封锁脉冲宽度调制的输出；

当绕组温度低于绝缘允许的温度达到设定下限值时，增大电流的限幅值。

2.根据权利要求1所述的电机热保护方法，其特征在于，所述绕组温度的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{T_1-T_a}{R_1}+\frac{T_1-T_2}{R_2}=p_{\mathrm{fe}}\\ C_2\frac{{\mathrm{dT}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{T_2-T_1}{R_2}=p_{\mathrm{cu}}\end{array}\right.,$

其中，c₁、c₂分别为定子铁芯和机座的热容、定子绕组的热容，R₁、R₂分别为定子铁芯与外界冷却介质之间的热阻、定子铁芯与定子绕组之间的热阻，T_a、T₁和T₂分别为外界冷却介质的温度、定子铁芯的平均温度和绕组的平均温度，p_fe、p_cu绕组的铁耗和铜耗。

3.根据权利要求2所述的电机热保护方法，其特征在于，所述绕组的铁耗和铜耗计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{cu}}={3I}^{2}R\\ p_{\mathrm{fe}}=(k_h{B}^{\mathrm{\β}}f+k_e{B}^2{f}^2)m_{\mathrm{st}}\end{array}\right.,$

其中，I、f和R分别为相绕组的电流、频率和电阻，B为磁通密度峰值，k_h、k_e和m_st分别为定子铁芯的磁滞损耗系数、涡流损耗系数和质量，β为斯坦梅茨常数。

4.根据权利要求1所述的电机热保护方法，其特征在于，所述对输出电流幅值进行限制使用电流控制器。

5.根据权利要求1所述的电机热保护方法，其特征在于，所述电机热保护方法采用电机控制芯片进行电机热保护控制。

6.根据权利要求5所述的电机热保护方法，其特征在于，所述电机控制芯片为TM320C280X。

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