CN102439842B - 在使用电动机驱动器的ac电动机中确定定子绕组电阻的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于确定AC电动机的定子绕组电阻的系统和方法。系统包含：AC电动机驱动器，其具有可连接到AC源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的输出；脉宽调制(PWM)转换器，其中具有开关，用于控制AC电动机中的电流和端子电压；控制系统，其被连接到PWM转换器。控制系统产生指令信号，以便使得PWM转换器控制与到AC电动机的输入对应的AC电动机驱动器的输出，有选择地产生修改后的指令信号，以便使得PWM转换器将DC信号注入AC电动机驱动器的输出，并基于电压和电流的至少一个的DC信号确定AC电动机的定子绕组电阻。

Description

在使用电动机驱动器的AC电动机中确定定子绕组电阻的系统和方法

政府许可权利

本申请至少部分地基于合同No.DE-FC36-04GO14000在美国能源部授予的政府支持下做出。政府可具有对本发明的特定权利。

技术领域

本发明一般涉及交流(AC)感应电动机，特别涉及用于通过电动机驱动器确定定子绕组电阻的系统和方法，定子绕组电阻用于AC电动机的热保护——其改进了电动机控制性能——以及AC电动机的条件监视。

背景技术

近来，基于电动机运行中对于能量节省和控制灵活性的越来越多的需求，多种工业中电动机驱动器的使用已经变得更为普遍。基于这些需求，电动机控制性能中的改进已经变得越来越重要。改进的电动机控制性能的一个因素在于电动机参数推定的准确性，其对于电动机驱动器的整体控制来说是非常重要的。在可能被推定的多个电动机参数中，例如在定子和转子电阻、定子与转子漏感、励磁电感(magnetic inductance)等等之中，定子电阻是有待识别的最为重要的参数，因为其小的每单位值。然而，定子电阻推定的准确性对于准确确定多个相关的电动机参数来说是必需的。例如，定子电阻的准确推定允许进一步推定转子/定子通量、转子速度、气隙转矩、定子铜损以及其他类似的参数。定子绕组电阻的准确推定因此对于电动机控制是有利的，并广泛用于电动机条件监视、缺陷诊断和预报以及即时效率评估。

推定的定子绕组电阻的另一种已知用途是用于确定定子绕组温度，其可用于电动机的热保护。热保护在电动机条件监视中是一个重要的方面，因为定子绕组上的热应力被认为是定子绕组绝缘故障的主要原因之一。通常假设对于高于可接受定子绕组温度限制值的每10℃的温升，电动机寿命减少50％。因此，准确监视定子绕组温度对于电动机保护目的是有益的。

已经提出了确定定子绕组温度的多种方法，以便由定子绕组电阻推定平均绕组温度。多年以来，已经出于不同的目的提出了多种定子绕组电阻推定方法。一般而言，它们分为三个大类：直接测量方法，基于等效电路的方法，以及基于信号注入的方法。直接方法——例如IEEE标准118——给出了最为准确的定子电阻推定，但由于电阻仅仅在特定温度下测量且由于温度变化引起的电阻变化未被考虑在内而具有限制和缺点。直接测量方法的另一缺点在于电动机必须从服务中断开，以便进行所要求的测试。

基于AC电动机等效电路(即AC电动机的模型)，基于等效电路的R_S推定方法使用电动机电流和电压来计算定子电阻。这种基于模型的方法不是侵入性的，并能响应于冷却条件的变化，但通常对电动机参数变化太过敏感，以至于不能提供准确的R_S推定，这是由于电动机参数可能在不同条件——例如运行速度、磁饱和等——下变化。也就是说，基于模型的方法的推定误差可能大于20％。热参数变化和热参数识别的困难度可能导致基于模型的方法中的进一步的不准确性。

用于确定定子电阻的基于信号注入的方法向定子供电电压注入DC偏置，并使用电压和电流的DC分量来计算定子电阻。在一种DC信号注入方法中，与晶体管并联的电阻器安装在电动机的一相中，其在感应电动机中导致当输入电流为正以及负时不同的等效电阻，因此产生DC分量。尽管这种方法能够是准确的并且对于冷却条件以及电动机参数中的变化具有鲁棒性，其缺点在于其侵入性，因为额外的DC信号注入电路需要与电动机引线之一串联安装。另外，由于半导体器件的电流限制，先前的基于信号注入的方法通常不能直接施加到超过100马力的电动机。

因此，可能希望设计出一种准确的非侵入性方法，以便确定定子绕组电阻。进一步地，还可能希望使用已有的装置来注入用于确定定子电阻的DC分量，并相应地推定定子绕组温度。

发明内容

本发明提供了一种用于借助电动机驱动器确定AC电动机的定子绕组电阻的系统和方法。定子绕组电阻的确定提供了AC电动机的热保护、改进的电动机性能以及AC电动机的条件监视。

根据本发明一实施形态，用于推定AC电动机定子绕组电阻的系统包含AC电动机驱动器，其具有可连接到AC源的输入以及可连接到AC电动机输入端子的输出。AC电动机驱动器还包含：脉宽调制(PWM)转换器，其中具有多个开关，以便控制AC电动机中的电流和端子电压；控制系统，其被连接到PWM转换器。控制系统被配置为产生指令信号，以便使得PWM转换器控制与到AC电动机的输入对应的AC电动机驱动器的输出，有选择地产生修改后的指令信号，以便使得PWM转换器向电动机驱动器的输出注入DC信号，并基于电压和电流中至少一个的DC信号来确定AC电动机的定子绕组电阻。

根据本发明另一实施形态，用于确定AC电动机定子绕组电阻的方法包含这样的步骤：在AC电源和AC电动机之间串联设置AC电动机驱动器，AC电动机驱动器包含脉宽调制(PWM)转换器，以便调节到AC电动机的电压和电流。该方法还包含这样的步骤：有选择地以标准模式和DC注入模式运行AC电动机驱动器，其中，以DC注入模式运行AC电动机驱动器包含这样的步骤：将DC指令加到AC电压指令和AC电流指令中的至少一个，以便形成复合指令，基于复合指令，产生用于PWM转换器的开关方式(switching pattern)，根据开关方式来运行PWM转换器，以便将DC信号引入AC电动机电压和电流。以DC注入模式运行AC电动机驱动器还包含这样的步骤：测量提供给AC电动机的电压和电流的至少一个中的DC信号，基于所测量的DC信号确定定子绕组的电阻。

根据本发明又一实施形态，提供了一种AC电动机驱动器，其被配置为控制从AC电源到具有定子绕组的AC电动机的电压和电流的传送。AC电动机驱动器包含脉宽调制(PWM)转换器，以便调节到感应电动机的AC电动机线电压和相电流，PWM转换器包含多个开关，并被配置为根据空间矢量调制(SVM)控制方案运行，以便控制所述多个开关。AC电动机驱动器还包含控制系统，其被配置为有选择地修改PWM转换器的SVM控制方案，以便将DC信号注入AC电动机线电压和相电流，并基于DC信号来确定定子绕组的电阻。

由下面的详细介绍和附图，将会明了本发明的多种其他特征和优点。

附图说明

附图示出了当前为实现本发明想到的优选实施例。

在附图中：

图1为根据本发明一实施形态的AC电动机驱动器的原理图；

图2为根据本发明一实施例的用于图1的电动机驱动器的用于DC注入的闭环控制方案的原理图；

图3为根据本发明一实施例的用于图1的电动机驱动器的用于DC注入的面向场(field-oriented)的闭环控制方案的原理图；

图4为根据本发明一实施例注入用于控制脉宽调制(PWM)转换器中的开关的空间矢量调制(SVM)控制方案的控制矢量的DC指令；

图5为图2、3的闭环控制方案的具有以及不具有注入DC分量的所产生的定子电流的图表；

图6为根据本发明一实施例的用于图1的电动机驱动器的用于DC注入的开环控制方案的原理图；

图7为图6的开环控制方案的具有以及不具有注入DC分量的所产生的定子电流的图表；

图8为当以DC注入模式运行时图1的AC电动机系统的DC等效电路的原理图；

图9为一流程图，其示出了根据本发明一实施例用于推定定子绕组温度的技术；

图10为一流程图，其示出了根据本发明一实施例用于在电动机驱动开环控制方案中推定定子绕组温度的技术；

图11为根据本发明一实施例的控制器的框图，其被配置为产生用于传送到电动机驱动器的DC指令。

具体实施方式

这里给出的本发明的实施例涉及用于感应电动机热保护的远程定子绕组电阻推定的系统和方法。AC电动机驱动器被控制为向到感应电动机的AC电动机线电压和相电流注入DC信号。AC电动机驱动器中的控制系统所产生的基准电压和/或基准电流指令被修改为包含DC指令，由此修改AC电动机驱动器中的脉宽调制(PWM)转换器的控制方案，从而将DC信号注入到AC电动机线电压和相电流。此DC信号被分析，以便确定定子绕组电阻。

本发明的实施例指向AC电动机驱动器，其包含多种结构和控制方案。AC电动机驱动器10的一般结构在图1中示出。电动机驱动器10可被配置为例如可调节速度驱动器(ASD)，其被设计为接收三AC功率输入，对AC输入进行整流，并进行所整流部分到供给负载的可变频率和幅度的三相交流电压的DC/AC转换。在优选的实施例中，ASD根据示例性的每赫兹伏特数特性来运行。在这一点上，电动机驱动器在整个负载范围上提供具有小于3％总谐波失真的稳态下±1％、输出频率±0.1Hz的电压调节以及快速动态阶梯负载响应。

在示例性实施例中，三相AC输入12a-12c被馈送到三相整流器桥14。输入线阻抗在所有三相中相等。整流器桥14将AC电力输入转换为DC电力，使得DC母线电压在整流器桥14和开关阵列16之间存在。母线电压由DC母线电容器组18平滑。开关阵列16包含一系列IGBT开关20和反并联二极管22，其共同构成PWM变换器24。PWM变换器24合成具有固定频率和幅度的AC电压波形，以便传送给负载，例如感应电动机26。变换器24的操作经由控制系统28，其可进一步包含多个PID控制器，每个PID控制器具有系统层和可编程应用层，其进行高速操作，例如空间矢量调制、DC母线电压解耦合以及保护。控制系统28经由栅极驱动信号和DC母线电压以及极电流的检测(例如经由电压传感器34)来接口到PWM变换器24，使得DC母线电压的变化能被检测到。这些电压变化能被解释为瞬时载荷条件，并用于控制PWM变换器24的开关阵列16的开关，使得接近稳态负载条件得到保持。

本发明的实施例在下面对于电动机驱动器10的闭环和开关控制二者来介绍。首先参照图2，示出了根据本发明一实施例的用于电动机驱动器10的电动机控制的一般闭环方案30。在闭环方案的示例性实施例中，电动机驱动器10的控制系统28包含速度控制器32，其基于从输入装置(未示出)接收的速度指令ω^＊以及测量或推定转子速度ω产生希望的通量λ^＊和转矩指令T^＊。通量/转矩推定器34也被包含在电动机驱动器10的控制系统28之中，并使用测量得到的三相电压V_abc和电流I_abc来推定感应电动机26的通量λ以及转矩T。感应电动机26的希望的通量λ^＊和转矩指令T^＊以及推定的通量λ和转矩T分别由速度控制器和通量/转矩推定器34输出到通量/转矩控制器36，该控制器基于推定的λ和T、通量指令λ^＊以及转矩指令T^＊产生定子电流指令I_abc ^＊。电流控制器38接收定子电流指令I_abc ^＊以及测量得到的定子电流I_abc，以便产生定子电压指令V_abc ^＊。定子电压指令V_abc ^＊被中继到开关信号产生器40，其基于定子电压指令V_abc ^＊产生多个开关信号(即开关方式)，以便控制PWM转换器24中的开关阵列的开关。基于由开关信号产生器40产生的开关方式，PWM变换器24合成具有固定频率和幅度的AC电压波形，用于传送到感应电动机26。

控制器42也包含在电动机驱动器10的控制系统28中。根据本发明一实施例，控制器42被配置为有选择地产生DC电流指令信号，用于发送到通量/转矩控制器36。控制器42有选择地产生DC电流指令信号允许电动机驱动器10在以标准模式和DC注入模式运行之间交替。在AC电动机驱动器10的标准运行期间，控制器42处于解除致动状态，使得由此不产生DC指令信号。因此，标准模式被看作AC电动机驱动器10的“正常”运行模式。控制器42进一步被配置/编程为有选择地以DC注入模式运行电动机驱动器10，以便将DC信号或分量注入电动机线电压和相电流。在DC注入模式期间，控制器42运行为以DC电流指令的形式产生DC指令，该指令被传送到通量/转矩控制器36。也就是说，参照图2，对于闭环电流控制电压馈送电动机驱动器，DC指令被引入或添加到通量/转矩控制器36，以便修改电流指令i_abc ^＊。

当DC电流指令被控制器42产生并添加到通量/转矩控制器36时，通量/转矩控制器36产生修改后的电流指令i_abc’(即复合电流指令)，其被描述为：

i_abc’＝i_abc ^*+i_abc ^dc      (公式1)

其中，i_abc’为注入DC电流指令的新的电流指令，i_abc ^dc为所述的DC电流指令，i_abc ^＊为通量/转矩控制器36所产生的电流指令。响应于由通量/转矩控制器36产生的修改后的电流指令i_abc’，使得电流控制器38产生响应于其的修改后的电压指令V_abc’。

基于由控制器42产生/添加的DC电流指令i_abc ^dc，由控制系统28产生修改后的电流指令i_abc’和结果得到的修改后的电压指令V_abc’。结果得到的修改后的电压指令V_abc’导致对由开关信号产生器40产生的开关方式的修改。也就是说，相比于在电动机驱动器10的标准运行期间由开关信号发生器40产生的开关方式，当DC电流指令i_abc ^dc被控制器42添加时由用于控制PWM转换器24的开关的开关信号产生器40产生的开关方式(构成结果得到的修改后的电压指令V_abc’)被修改。在标准模式下，由开关信号发生器40产生的开关方式对PWM转换器24进行控制，以便产生用于电动机的受控AC电动机线电压和相电流。在DC注入模式下，由开关信号产生器40产生的修改后的开关方式对PWM转换器24进行控制，以便将DC信号/分量注入感应电动机26的AC电动机线电压和相电流。PWM转换器24中的开关的频率和/或定时根据修改后的开关方式受到控制，以便导致AC电动机26的至少一相的扰动或失真(即相电流的漂移和线电压的缺口(notch))，其产生或向电动机线电压和相电流注入DC分量。这些DC分量可由包含在电动机驱动器10中的电压和/或电流传感器44对于各个DC注入模式周期测量和确定。

在上面介绍的闭环控制方案中，已经认识到，必须消除所注入的DC信号在速度控制上的影响。相应地，电动机速度用低通滤波器(未示出)以低的采样频率采样，由此，可由低通滤波器移除速度振荡。所注入的DC信号在通量/转矩推定器34上的影响也应被消除，以便通过移除馈送到通量/转矩推定器34的定子三相电压和电流的DC分量来避免不稳定性。

还认识到，控制系统28中的控制方法和通量/转矩推定方法可对于不同类型的AC电动机闭环控制变化。另外，对于不同类型的闭环控制方法，推定的通量可以为定子通量、转子通量、交链通量，三相电压和电流也可在不同的参照系中使用不同类型的变换来标注，例如同步参照系、转子参照系、静止参照系等。测量得到的定子电压V_abc也可由定子电压指令V_abc ^＊来替换，如果假设转换器的理想性的话，或者，使用PWM转换器24的开关信号以及DC母线电压来计算。

现在参照图3，根据本发明一实施例示出了用于电动机驱动器10的示例性的闭环控制方案，即面向场的控制方案46。在面向场的控制方案46中，同步参照系(d-q系)中的定子电流和电压被标注为i_q、i_d、v_q、v_d，静止参照系(α-β系)中的定子电流和电压被标注为i_α、i_β、v_α、v_β。此方案中使用的同步参照系与具有角度θ的转子通量对准。

如图3所示，电动机驱动器10中的通量推定器48使用测量得到的三相电流和电压i_abc、v_abc推定转子通量。基于推定的转子通量和电动机速度，速度控制器50和通量控制器52用于产生定子电流指令i_q ^＊和i_d ^＊，其也分别叫做转矩指令和速度指令。电流控制器38于是基于定子电流指令i_q ^＊和i_d ^＊以及测量到的定子电流产生电压指令V_dq ^＊。在变换器56中的参照系变换之后，变换得到的电压指令V_αβ由开关信号产生器40接收，其基于定子电压指令产生用于PWM转换器24的开关信号。

控制器42被配置为有选择地产生DC电流指令信号，并将DC电流指令信号引入控制环中的电流指令。根据电动机驱动器10的面向场的控制方案的一实施例，DC电流指令被引入控制环中的电流指令，(例如i_q ^＊和i_d ^＊)。在d-q轴上，更新后的电流指令为：

i_q ^**＝i_q ^*-i_dc×sin(θ)

i_d ^**＝i_d+i_dc×cos(θ)[公式2]

其中，i_q ^＊和i_d ^＊为先前的q-d轴电流指令，i_q ^＊＊和i_d ^＊＊为注入DC信号的改变后的q-d轴电流指令，i_dc为所注入DC信号的量值。应用在α-β轴中，更新后的电流指令为：

i_α ^**＝i_α ^*+i_dc

i_β ^＊＊＝i_β ^*

[公式3]

其中，i_α ^＊和i_β ^＊为先前的α-β轴电流指令，i_α ^＊＊和i_β ^＊＊为注入DC信号的改变后的α-β轴电流指令，i_dc为所注入的DC信号的量值。

结果得到的修改后的电流指令i_q ^＊＊、i_d ^＊＊(或i_α ^＊＊和i_β ^＊＊)导致由电流控制器38产生的电压指令(从V_dq ^＊到V_dq ^＊＊)中的变化，因此进一步导致对由开关信号产生器40产生的开关方式的修改。根据电动机驱动器10的面向场的控制方案46，开关信号产生器40响应于修改后的电流指令(以及结果得到的修改后的电压指令)来修改“标准”空间矢量调制(SVM)指令方案或开关方式。如图4所示，代替使用PWM转换器的正常6矢量空间指令方案的是，在参照矢量60中添加附加的DC分量58。在这种修改后的空间矢量控制中，附加的q轴分量Vs 60被加到原始基准矢量Va。例如，如果Va＝Vq+jVd为基准矢量，修改后的矢量将为Va^＊＝(Vq+Vs)+jVd。在示例性实施例中，所加的Vs的量值应当可在0和5伏之间调谐。

修改后的空间矢量控制产生用于控制PWM转换器24的修改后的开关方式，以便将DC信号/分量注入到电动机26的AC电动机线电压和相电流中。PWM转换器24中的开关的频率和/或定时根据修改后的空间矢量控制受到控制，以便导致AC电动机的至少一相的扰动或失真(即相电流的漂移和线电压的缺口)，其产生或将DC分量58注入到电动机线电压和/或相电流中，如图5所示。这些DC分量可由包含在电动机驱动器10中的电压和/或电流传感器44对于各个DC注入模式周期测量和确定，以便确定定子绕组中的电阻，如下面将要详细阐释的那样。

根据本发明另一实施例，电动机驱动器10根据开环控制方案来运行。现在参照图6，示出了用于AC电动机驱动器10的开环控制方案60，根据一示例性实施例，其为标量开环控制方案。根据开环控制方案60，电动机驱动器10的控制系统28被配置为从输入装置(未示出)接收速度(或频率)指令，以便产生电压量值指令V1。电压量值指令V1由速度指令的函数K(ω)给出，其典型地称为V/Hz曲线。用于在低速条件下运行电动机26的升压电压V0与电压量值指令V1合并，以产生电压量值V^＊。

于是，电压量值V^＊和速度指令ω^＊被传送到电压控制器62，用于产生三相电压指令V_abc ^＊，其可表达为：

V_a＝V^*sin(ωt)

V_b＝V^*sin(ωt-2/3_∏)

V_c＝V^*sin(ωt+2/3_∏)[公式4]

三相电压指令V_abc ^＊由电压控制器62基于速度或频率指令给出。定子电压指令V_abc ^＊用于控制PWM转换器24中的开关阵列的开关。基于开关的开关方式，如由定子电压指令V_abc ^＊决定的那样，PWM转换器24合成具有固定频率和幅度的AC电压，用于传送到感应电动机26。

如图6进一步所示，控制器42被配置为有选择地产生DC电压指令信号V_abc ^dc，用于传送到电压控制器62，以便将电动机驱动器10的运行从标准模式切换到DC注入模式。在由控制器42添加DC电压指令信号V_abc ^dc时，电压控制器产生的修改后的电压指令V_abc’——其对于各相描述——为：

V_as’＝V_as+2/3*V_dc

V_bs’＝V_bs-1/3*V_dc

V_cs’＝V_cs-1/3*V_dc

[公式5]

其中，V_as、V_bs、V_cs分别为相A、B、C的没有DC偏置的先前的电压指令，V_as’、V_bs’、V_cs’分别为相A、B、C的具有DC偏置的新电压指令，V_dc为所注入的DC偏置。

或者，由电压控制器产生的修改后的电压指令V_abc’也可关于q-d参照系描述为：

V_q’＝V_q+V_dc

V_d’＝V_d[公式6]

其中，V_q、V_d为静止的q-d参照系中不具有DC偏置的先前的电压指令，V_q’、V_d’为静止的q-d参照系中具有DC偏置的新的电压指令，Vdc为所注入的DC偏置。

基于由控制器42产生/添加的DC电压指令信号V_abc ^dc，由控制系统28产生公式5给出的修改后的电压指令V_abc’。修改后的电压指令导致对PWM转换器24中的开关的开关方式的改变，其将DC信号/分量注入用于电动机26的AC电动机线电压和相电流。根据本发明一示例性实施例，修改后的开关方式经由图4所示的修改后的SVM控制方案产生，其中，附加的DC指令/分量在SVM控制方案的基准矢量中添加。PWM转换器的开关的频率和/或定时根据修改后的开关方式受到控制，从而导致AC电动机的至少一相的扰动或失真(即相电流63的漂移以及线电压的缺口，如图7所示)，其产生或将DC分量注入到电动机线电压和相电流中。这些DC分量可由包含在电动机驱动器10中的电压和/或电流传感器44(图6)对于各个DC注入模式周期来测量和确定。

现在参照图8，示出了通过其闭环或是开环控制方案在注入DC分量时，具有电动机驱动器10的AC电动机26的等效DC模型。由于注入输入电压和电流的DC分量不“经过”AC电动机的气隙(即转子/定子气隙)，它们不对AC电动机10的转子回路造成影响。在DC信号注入三相定子电流中的一个——例如i_a——的情况下，可由定子端子电压和电流的DC分量来推定定子电阻R_s如下：

$R_s=\frac{2\·v_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{dc}}}{3\·i_a^{\mathrm{dc}}}$ [公式7]

其中，和分别为电动机线电压V_ab和相电流i_a的DC分量。尽管公式7显示对于相a测量相电流且在相a与b之间测量线间电压，还可想到，相电流可对于不同的相来测量，线间电压可在相a和不同的相之间测量。也就是说，电动机线电压和相电流的DC分量在AC电动机的所有相中存在。

基于由DC信号注入推定的R_s，可监视电动机26的定子绕组温度T_s。R_s变化与T_s变化线性成比例，如：

${\hat{T}}_s=T_{s0}+\frac{({\hat{R}}_s-R_{s0})}{\mathrm{\α}{R}_{s0}}$ [公式8]

其中，T_s0和R_s0代表室温下的T_s和R_s，和为由DC信号注入推定的T_s和R_s，α为电阻率的温度系数。

在已经确定电压和电流的DC分量和的情况下，定子电阻R_s可根据公式7来推定，相应地，定子绕组温度T_s于是能在AC电动机运行的同时实时地根据公式8基于所推定的R_s来监视。在本发明一实施例中，控制器42被配置为，如果定子绕组温度超过预定的阈值，产生警报(例如可听或可视的警报)。此警报允许操作者采取希望的动作，例如关闭AC电动机26。

根据本发明另一实施例，认识到定子绕组温度可使用仅仅电流测量对于开关AC驱动器推定，例如图6所示。在稳态条件(恒定负载和恒定DC电压指令)下，假设实际注入的DC电压是恒定的，DC电流的比率可如下得出：

$\frac{I_{\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{dc}0}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}/(R_s+R_{\mathrm{cable}}+R_{\mathrm{drive}})}{V_{\mathrm{dc}}/(R_{s0}+R_{\mathrm{cable}}+R_{\mathrm{drive}})}=\frac{R_{s0}+R_{\mathrm{cable}}+R_{\mathrm{drive}}}{R_s+R_{\mathrm{cable}}+R_{\mathrm{drive}}}$ [公式9]

其中，I_dc和I_dc0分别为当定子电阻为R_s和R_s0时测量的DC电流。

在负载变化的情况(即非稳态条件)下，假设负载变化前后的定子绕组温度变化可以忽略，基准DC电流I_dc0可重新标度(rescale)为：

$I_{\mathrm{dc}0}^{\′}=\frac{I_{\mathrm{dc},\mathrm{after}}}{I_{\mathrm{dc},\mathrm{before}}}{I}_{\mathrm{dc}0}$ [公式10]

其中，I_dc，before和I_dc，after分别为负载变化前后的测量dc电流，I_ac0’为负载变化后的新的重新标度的基准点，I_dc0为先前的基准点。采用重新标度的基准点，更新公式可保持不变。

基于上面的对DC电流比的确定(对于稳态或非稳态负载)，可推定定子绕组温度。在一开始，定子电阻可表示为：

R_s＝I_dc0(R_cable+R_drive+R_s0)/I_dc-R_cable-R_drive[公式11]

于是，Ts又可被推定为：

${\hat{T}}_s=T_{s0}+\frac{({\hat{R}}_s-R_{s0})}{\mathrm{\α}{R}_{s0}}$ [公式12]

其中，T_s0和R_s0表示室温下的T_s和R_s，和为由DC信号注入推定的T_s和R_s，α为电阻率的温度系数。因此，在电缆电阻和驱动器内部电阻被测量或推定的情况下，定子绕组温度可对于开环AC驱动器仅仅使用电流传感器来监视。

根据一实施例，当电缆电阻R_cable不可测量时，其能被推定。也就是说，给定美国线规(AWG)标准中的电缆号，R_cable可基于由AWG标准给出的电阻率ρ、电缆的大概长度以及环境温度Ta推定为：

${\hat{R}}_{\mathrm{cable}}=\mathrm{\ρl}+\mathrm{\μ\ρl}(T_A-T_0)$ [公式13]

其中，μ为电阻率的温度系数，T₀为室温，假设电缆温度与环境温度相同的话。

根据用于获得更为准确的R_s推定的上述技术(经由使用定子端子电压和电流，或仅仅使用电流)，希望较大的DC电压指令信号和/或DC电流指令信号被引入，以便增大电动机电压和电流中的DC分量的百分率。然而，已经认识到，DC分量的注入导致AC电动机26中的转矩脉动。因此，根据本发明一实施例，控制器42被编程为，通过引入最大DC电压/电流指令信号，同时将结果得到的转矩脉动保持在预设的容忍范围下，将最大DC分量注入到电压和电流中。

为了确定可接受的DC电压/电流指令信号，对AC电动机中的转矩脉动进行分析。也就是说，在d-q参照系中使用序列分析理论，对转矩脉动中的优势分量及其与所注入DC分量的相关关系进行分析。这些转矩脉动分解为基频倍数的分量，其各自可通过观察电动机电流序列分量来分立地监视。因此，定子电压、定子电流和总磁链在d-q静止参照系中描述为空间矢量，并分别定义为

基于这些变量，可根据下式计算作为与的叉积的气隙转矩T_ag：

$T_{\mathrm{ag}}=\frac{P}{2}|{\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqs}}\⊗{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{dqs}}|$ [公式14]

其中，P为极的数量。

使用傅立叶变换，通量和电流空间矢量可如下分解为不同频率的矢量：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqs}}=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqs}}^f\mathrm{df}$ ${\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{dqs}}=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{dqs}}^f\mathrm{df}$ [公式15]

其中，各个分解矢量f的上标指示其在矢量空间中的旋转方向和旋转频率。

假设主输入频率为ω_e，总磁链中的主要分量于是为忽略磁链中的其他谐波，由于所注入的DC电流导致的结果得到的转矩失真可被评估为：

$\left|T_{\mathrm{ag}}^{{\mathrm{\ω}}_e}\right|=\frac{P}{2}|{\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqs}}^{{\mathrm{\ω}}_e}\⊗{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{dqs}}^{\mathrm{dc}}|$ [公式16]

其为频率ω_e上的振荡。所注入的DC电流导致的振荡转矩产生转子速度的振荡，大约为：

$\left|{\mathrm{\ω}}_r^{{\mathrm{\ω}}_e}\right|=\frac{\left|T_{\mathrm{ag}}^{{\mathrm{\ω}}_e}\right|}{J\·{\mathrm{\ω}}_e}$ [公式17]

其中，代表速度振荡，J代表电动机系统的总旋转惯性。因此，根据公式14-17提供的AC电动机中的转矩脉动的分析，可确定可接受的DC电压/电流指令信号。

注意，上面给出的用于向AC电动机电源注入DC分量的系统和方法使得仅仅使用电动机端子电压和电流(或仅使用电流)的在线R_s推定成为可能，而不需要任何其他的传感器，例如速度和转矩变送器。这样的布置允许在AC电动机运行的同时实时确定定子绕组电阻的非侵入性、无传感器、低成本技术。

现在参照图9，给出了用于在电动机中推定定子绕组温度的技术64。该技术以在该特定时刻是否希望推定定子绕组温度的判断开始于步骤66。这种判断可基于例如温度推定之间的时间间隔来作出(例如每5分钟)。如果判断为在该时刻不希望温度推定68，则技术移动到步骤70，在那里，电动机驱动器继续以标准模式运行。然而，如果判断为希望温度推定72，则技术移动到步骤74，在那里，电动机驱动器被切换到DC注入模式，在那里，根据上面详细给出的闭环与开环控制方案中的一种，DC指令被引入，以便使得电动机驱动器向电动机驱动器输出注入DC信号。

在步骤76中，计算到感应电动机的AC电动机线电压和相电流中的DC分量Vab、Ia。基于计算得到的电动机线电压和相电流，于是分别在步骤78和80中确定定子绕组的电阻和温度，如公式7、8在上面给出的那样。于是，计算得到的定子绕组电阻和温度可在步骤82中被传送/报告到例如电动机驱动器中的控制器。于是，对所确定的定子绕组电阻和温度进行分析，以便判断例如是否已经经过了电动机的温度阈值。

现在参照图10，给出了用于推定电动机中的定子绕组温度的基于电流的技术84，由此，仅仅需要分析感应电动机的相电流。技术适用于图6所示的开环控制技术，并在步骤86中以注入DC信号(即DC电流)开始。感应电动机的相电流中存在的DC电流于是在步骤88中测量，如公式9所示。在步骤90中进行对于连接电动机驱动器和电动机的电缆以及电动机驱动器的电阻的补偿，例如公式13所示(基于对于电动机驱动器电阻R_drive和电缆电阻R_cable的已知值或推定值)。技术84于是在步骤92中以判断电动机负载是否已经变化来继续。如果负载尚未改变94，则定子绕组温度在步骤96中根据公式11和12推定。如果负载已经变化98，则基准电流在步骤100中重新标度(相比于步骤88中测量的电流)，如公式10所示。在这次重新标度时，定子绕组温度于是在步骤96中推定。

尽管上面介绍的电动机驱动器被介绍为在其中包含控制器42，还可想到，控制器42可被分离地设置在与电动机驱动器及其相关控制器分立的模块/装置中。现在参照图11，根据本发明另一实施例，控制器102被示为与电动机驱动器104分立的装置。控制器102可集成在被配置为例如经由有线或无线连接将DC指令信号传送到电动机驱动器104的远程控制器或计算装置中。如上面详细介绍的实施例所述的，电动机驱动器104可根据开环或闭环控制技术来操作，因此，根据本发明的实施例，控制器102可被配置为产生并传送DC电流指令信号或DC电压指令信号，如用于操作电动机驱动器104的控制方案的类型所决定的那样。因此使得DC信号被注入发送给负载26的AC电动机线电压和相电流，此DC信号被分析，以确定定子绕组电阻。

所公开方法和设备的技术贡献在于，其提供了确定用于AC电动机热保护的定子绕组电阻的计算机实现的技术。该技术控制AC电动机驱动器中的PWM转换器中的开关，以便在与到AC电动机的输入对应的电动机驱动器的输出中产生DC分量，并由DC分量确定定子绕组电阻。定子绕组的温度也可在此技术中基于定子绕组电阻来确定。

因此，根据本发明一实施例，推定AC电动机定子绕组电阻的系统包含AC电动机驱动器，其具有可连接到AC源的输入以及可连接到AC电动机的输入端子的输出。AC电动机驱动器还包含：脉宽调制(PWM)转换器，其具有多个开关，以便控制AC电动机中的电流和端子电压；控制系统，其连接到PWM转换器。控制系统被配置为产生指令信号，以便使得PWM转换器控制与到AC电动机的输入对应的AC电动机驱动器的输出，有选择地产生修改后的指令信号，以便使得PWM转换器向AC电动机驱动器的输出注入DC信号，并基于电压和电流中的至少一个的DC信号确定AC电动机的定子绕组电阻。

根据本发明另一实施例，用于确定AC电动机的定子绕组电阻的方法包含以下步骤：提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，AC电动机驱动器包含脉宽调制(PWM)转换器，用于调节到AC电动记的电压和电流。该方法还包含以下步骤：有选择地以标准模式和DC注入模式运行AC电动机驱动器，其中，以DC注入模式运行AC电动机驱动器包含以下步骤：将DC指令加到AC电压指令和AC电流指令中的至少一个，以便形成复合指令，基于复合指令产生用于PWM转换器的开关方式，根据开关方式操作PWM转换器，以便将DC信号引入AC电动机电压和电流。以DC注入模式运行AC电动机驱动器还包含以下步骤：测量提供给AC电动机的电压和电流的至少一个中的DC信号，基于测量得到的DC信号确定定子绕组的电阻。

根据本发明另一实施例，提供了被配置为控制电压和电流从AC电源到具有定子绕组的AC电动机的传送的AC电动机驱动器。AC电动机驱动器包含脉宽调制(PWM)转换器，用于调节到感应电动机的AC电动机线电压和相电流，PWM转换器包含多个开关，并被配置为根据空间矢量调制(SVM)控制方案来运行，以便控制所述多个开关。AC电动机控制器还包含控制系统，其被配置为有选择地修改用于PWM转换器的SVM控制方案，以便将DC信号注入到AC电动机线电压和相电流，并基于DC信号确定定子绕组的电阻。

已经根据优选实施例介绍了本发明，已经认识到，除明确给出的以外的等效、替代、修改是可能的，并属于所附权利要求的范围。

Claims (24)

1.一种推定AC电动机的定子绕组的电阻的系统，该系统包含：

AC电动机驱动器，其具有可连接到AC源的输入和可连接到AC电动机输入端子的输出，AC电动机驱动器包含：

脉宽调制(PWM)转换器，其中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流和端子电压；以及

控制系统，其被连接到脉宽调制转换器并被配置为：

产生指令信号，以便使得脉宽调制转换器控制与到AC电动机的输入对应的AC电动机驱动器的输出；

有选择地产生修改后的指令信号，以便使得脉宽调制转换器将DC信号注入到AC电动机驱动器的输出，控制系统被配置为控制并设定所注入的DC信号的幅度使得由所注入的DC信号导致的AC电动机中的转矩脉动保持在预设的容忍范围下；以及

基于电压和电流的至少一个的DC信号，确定AC电动机的定子绕组电阻。

2.如权利要求1所述的系统，其中，控制系统进一步被配置为：

产生DC电压指令信号；

将DC电压指令信号与AC电压指令信号合并，以形成修改后的指令信号。

3.如权利要求2所述的系统，其中，AC电动机驱动器包含开环电动机驱动器。

4.如权利要求1所述的系统，其中，控制系统进一步被配置为：

产生DC电流指令信号；

将DC电流指令信号与相应的AC电流指令信号合并，以形成修改后的指令信号。

5.如权利要求4所述的系统，其中，AC电动机驱动器包含闭环电动机驱动器。

6.如权利要求1所述的系统，其中，控制系统进一步被配置为，在AC电动机运行的同时，基于所确定的定子绕组的电阻，实时地确定定子绕组的温度。

7.如权利要求6所述的系统，其中，控制系统进一步被配置为，如果定子绕组温度超过预先确定的阈值，产生警报。

8.如权利要求1所述的系统，其中，控制系统被配置为，基于修改后的指令信号，确定对于脉宽调制转换器中的所述多个开关的开关方式，由此使得DC信号注入AC电动机的至少一相。

9.如权利要求8所述的系统，其中，控制系统被配置为，确定空间矢量调制(SVM)控制方案，以便为脉宽调制转换器中的所述多个开关提供开关方式。

10.如权利要求8所述的系统，其中还包含电压和电流传感器，且其中，控制系统确定来自由于开关方式在其中导致的扰动带来的线间电压以及相电流的DC信号的幅度。

11.如权利要求8所述的系统，其中还包含电流传感器，且其中，控制系统确定由来自开关方式在其中导致的扰动带来的相电流的DC信号的幅度。

12.如权利要求1所述的系统，其中，控制系统被配置为，

在电动机运行期间，在预定的时刻上，周期性地产生修改后的指令信号；以及

测量在所述多个预定的时刻的每一个上注入的DC信号。

13.一种用于确定AC电动机的定子绕组的电阻的方法，其包含：

提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，AC电动机驱动器包含脉宽调制(PWM)转换器，以便调节到AC电动机的电压和电流；

有选择地以标准模式和DC注入模式运行AC电动机驱动器，其中，以DC注入模式运行AC电动机驱动器包含：

分析AC电动机的转矩脉动；

基于AC电动机的转矩脉动的分析，将DC指令加到AC电压指令和AC电流指令中的至少一个，以形成复合指令，该增加的DC指令被配置为将AC电动机中的转矩脉动保持在预设的容忍范围下；

基于复合指令，对于脉宽调制转换器产生开关方式；

根据开关方式运行脉宽调制转换器，以便将DC信号引入AC电动机的电压和电流；

测量在提供给AC电动机的电压和电流的至少一个中的DC信号；以及

基于所测量的DC信号，确定定子绕组的电阻。

14.如权利要求13所述的方法，其中，添加DC指令包含添加DC电压指令信号和DC电流指令信号中的一种。

15.如权利要求13所述的方法，其中，产生开关方式包含产生脉宽调制转换器的空间矢量控制方案。

16.如权利要求13所述的方法，其中，确定定子绕组的电阻包含，基于在提供给AC电动机的电流中的测量到的DC信号确定定子绕组的电阻。

17.如权利要求13所述的方法，其中，确定定子绕组的电阻包含，基于在提供给AC电动机的电压和电流的每一个中的测量到的DC信号，确定定子绕组的电阻。

18.如权利要求13所述的方法，其还包含，基于所确定的定子绕组的电阻，确定定子绕组的温度。

19.一种控制从AC电源到具有定子绕组的AC电动机的电压和电流的传送的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包含：

脉宽调制(PWM)转换器，用于调节感应电动机的AC电动机线电压和相电流，脉宽调制转换器包含多个开关，并被配置为根据空间矢量调制(SVM)控制方案运行，以便控制所述多个开关；以及

控制系统，其被配置为：

分析AC电动机的转矩脉动；

基于AC电动机的转矩脉动的分析，有选择地修改用于脉宽调制转换器的空间矢量调制控制方案，以便将DC信号注入AC电动机线电压和相电流；以及

基于DC信号，确定定子绕组的电阻；

其中DC信号具有将AC电动机中的转矩脉动保持在预设的容忍范围下的幅度。

20.如权利要求19所述的AC电动机驱动器，其中，控制系统被配置为将DC分量引入控制矢量，以便修改空间矢量调制控制方案。

21.如权利要求20所述的AC电动机驱动器，其中，DC分量包含DC电压指令信号和DC电流指令信号中的一种。

22.如权利要求19所述的AC电动机驱动器，其中，控制系统被配置为基于相电流中的DC信号来确定定子绕组的电阻。

23.如权利要求19所述的AC电动机驱动器，其中，控制系统被配置为基于电动机线电压和相电流的每一个中的DC信号来确定定子绕组的电阻。

24.如权利要求19所述的AC电动机驱动器，其中，控制系统进一步被配置为，在AC电动机运行的同时，基于所确定的定子绕组的电阻，实时地确定定子绕组的温度。