CN103370859A - 用于估算电驱动机械中发电机转子的温度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电驱动机械(10)，包括电驱动系统(14)，该电驱动系统包括内燃机(44)和与该内燃机(44)联接的电能发生器(46)。电子控制器(42)与该电驱动系统(14)受控地通信并且能够至少部分地通过确定转子升温估算(82)确定该电能发生器(46)的转子(56)的估算温度(100)，将该转子估算温度(100)与转子温度阈值比较，若该转子估算温度(100)大于或等于该转子温度阈值，则启动超温动作。

Description

用于估算电驱动机械中发电机转子的温度的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及电驱动机械中发电机转子温度的估算，并且更特别地涉及基于估算的发电机转子温度监控发电机的热状态。
背景技术
已知大型非公路机械，例如采矿卡车，是采用电驱功系统来进行机械的驱动或减速。通常，电驱动系统包括由内燃机驱动的发电机或其他的电能发生器，例如交流发电机。发电机随后向连接于机械的轮子或地面接触履带的一个或多个电驱动电机提供电能。应当注意到在电驱动系统的运行过程中产生大量的热。具体为，带有多种其他电子组件的发电机和电驱动电机会产生大量的热，由此可能需要进行冷却和/或监控以防止损坏或失灵。尽管电驱动系统的一些组件设有温度传感器，但是从成本和可靠性方面考虑，为诸如发电机转子的旋转组件配备温度传感器并不可行。
美国第7099793号专利申请中，Rechberger披露了一种基于发电机电压和静态温度特性图估算转子温度的方法。具体为，磁场减弱控制器和限制器以及来自多个相电流传感器的输入一起用于产生电压信号。此电压信号和静态温度特性图一起用于估算转子温度。尽管可确定估算温度，但是Rechberger提出的方法并未考虑可能影响转子温度的额外参数。
本发明旨在针对以上一个或多个问题而提出。
发明内容
一方面，提供一种电驱动机械，其包括电驱动系统，该电驱动系统包括内燃机和与该内燃机联接的电能发生器。电子控制器与该电驱动系统受控地通信并且能够至少部分地通过确定转子升温估算来确定该电能发生器的转子的估算温度，将该转子估算温度与转子温度阈值比较，若该转子估算温度大于或等于该转子温度阈值，则启动超温动作。
另一方面，提供一种操作电驱动机械的方法，其包括以下步骤：利用电子控制器至少部分地通过确定转子升温估算来确定该电能发生器的转子的估算温度；利用该电子控制器将该转子估算温度与转子温度阈值比较；及若该转子估算温度大于或等于该转子温度阈值，则利用该电子控制器启动超温动作。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的电驱动机械的侧视图；
图2为根据本发明一实施例的图1中电驱动机械的电驱动系统的框图；及
图3为根据本发明一方面的发电机热力学模型的框图。
具体实施方式
图1总体的示出了机械10的实施例。机械10可为所示的采矿卡车，或其他具有电驱动系统的非公路车辆或公路车辆。然而，可选择的，机械10也可为固定的机械，例如发电机设备。总之，机械10在此以电驱动机械进行说明。在所述的实施例中，机械10大体包括具有电驱动系统14的框架12，电驱动系统14支撑在框架12上，用于驱动机械10的运输部16，例如为所示的后轮或者地面接触履带，将在下文对电驱动系统14做更详细说明。框架12还可支撑平台18，支撑平台18定位于机械10的前端20并具有安装在其上的操作控制台22。根据示例性实施例，机械10可包括枢转安装于框架12、位于机械10的后端26的翻斗车身24，由此，翻斗车身24可在所示的运输位置与卸料位置之间运动。
参照图2，机械10的示例性系统40大体可包括电驱动系统14和与电驱动系统14受控通信的电子控制器42。根据此示例性实施例，电驱动系统14包括内燃机44，例如压缩式发动机或火花点火式发动机，其可包括燃气涡轮发动机，其为例如发电机或交流发电机的电能发生器46提供机械能。接着，电能发生器46为电组件系统48产生电能，例如直流电。根据一些实施例，电组件系统48可使用逆变器和/或整流器、或者其他装置来转换和/或调适由电能发生器46产生的电能，从而足以向一个或多个电机，例如电驱动电机50提供所需的电压和电流。接着，电驱动电机50可构造为驱动诸如轮子或履带的运输部16，以推进电驱动机械10。应当理解，如由电子控制器42导引，电组件系统48可将由电能发生器46产生的电能，或由一个或多个电驱动电机50产生的能量导引到制动格栅。制动格栅可将电能消耗为热能，热能转移至大气中。
电驱动系统14还可包括冷却系统，诸如流体冷却系统，用于冷却电驱动系统14的一个或多个组件。例如，冷却系统可为包括鼓风机52的空气冷却系统，其可与电能发生器46、电组件系统48及电驱动电机50中的一个或多个邻近设置或流体连接。根据一实施例，鼓风机52可构造为吸入周围空气、将空气加压、并将受压空气引导至电驱动系统14的需要冷却的组件之上。鼓风机52可由任意已知的驱动设备驱动，例如内燃机44或液压马达或电动机，并可接收来自电子控制器42的控制命令。例如，电子控制器42可响应于电驱动系统14的各个组件的感测温度或估算温度使得鼓风机52加速或减速。
这里所述的电子控制器42及其他电子控制器可以为标准设计，并可以大体上包括例如中央处理单元的处理器、存储器54及便于电子控制器42与内部和外部通信的输入/输出电路。中央处理单元可通过执行操作指令、例如存储在存储器54内的编码来控制电子控制器42的操作，其中，可在控制电子控制器42的内部或外部启动操作。可应用这样的控制方案：经由输入/输出电路监控系统或设备(例如传感器、致动器或控制单元)的输出以控制向其他各个系统或设备的输入。
存储器54可包括临时存储区域，例如：缓存器、虚拟存储器或随机存取存储器，或者永久存储区域，例如：只读存储器、可移动设备、网络/互联网存储器、硬盘、闪存、记忆棒或其他已知的设于电子控制器42的内部或外部的非永久性或永久性数据存储设备。本领域技术人员应当理解应用类似组件的任意以计算机为基础的系统均适用于本发明。
如上所述，电子控制器42可与电驱动系统14及能够位于电驱动系统14内部或外部的额外的组件和/或系统受控通信。根据本发明的系统40和方法，电子控制器42构造为：至少部分地通过确定转子升温估算来确定电能发生器46的转子56的估算温度，将转子估算温度与转子温度阈值比较，若转子估算温度大于或等于转子温度阈值则启动超温动作。根据一些实施例，电子控制器42还可将电能发生器46的定子58的感测温度与定子温度阈值比较，若定子感测温度大于或等于定子温度阈值，则启动超温动作。同样的，根据其他实施例，电子控制器42还可与定子温度传感器60通信。
根据一个具体实施例，电子控制器42可构造为基于图3所示的发电机热力学模型70确定转子估算温度。如图所示，发电机热力学模型70可接收电能发生器46的电压72、电能发生器46的功率74、及发电机冷却体质量流速76。电压72可由任意现有的用于测量电压的设备或方法测量或确定，例如伏特表。根据一实施例，可使用电能发生器46和整流器的输出在直流链路中测量电压72。例如可通过电压测量值乘以电流测量值，并将结果转换为功率单位而计算出功率74。可由用作冷媒的流体(例如空气)的密度、流体流过的截面积、及流体相对于电能发生器46的速度计算出发电机冷却体质量流速76。应当理解，气体流速可与鼓风机52的速度成比例。根据一实施例，发电机热力学模型70还可接收速度系数78(将在下文说明)，其可来源于发动机速度80。
电子控制器42可应用转子升温估算算法84来计算转子升温估算82，其中，这里所说的“升温”是对应于相对环境温度的升高。具体为，转子升温估算82可以对应于以下等式：
(kr0+kr1Vdc+kr2Pdc)fr(ωbase/ω)+kr3(PQ)
其中，Vdc对应于电压72，Pdc对应于功率74，pQ对应于发电机冷却体质量流速76。如图所示，转子升温估算算法84可与电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76成线性关系，并可与应用或机械的具体常数kr0、kr1、kr2、kr3相乘，将在下文更详细说明。
此外，电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76可基于速度系数78而调节。速度系数78，fr(ωbase/ω)可代表发动机速度80与预定的基本速度的偏差。预定的基本速度可代表机械10在通常操作下相对恒定的基本速度，例如为1800RPMs。应当理解，一些机械，诸如机械10，设计并构造为在相对恒定的基本速度下操作，以便提供相对恒定的功率。通常，操作者启动机械10，将发动机设定为基本速度，并执行所有必须或期望的操作。因此，机械10及类似机械的主要操作是在恒定的基本速度下执行。与基本速度发生偏差的情况相对少见，例如，当机械10正在运行但未执行通常的工作周期时，或者当机械10诸如进行全载荷提升的情况下需要功率剧增时，会发生偏差的情况。
此外，电子控制器42可应用定子升温估算算法88计算定子升温估算86，其与上述的转子升温估算算法84类似。定子升温估算86可对应于以下等式：
(ks0+ks1Vdc+ks2Pdc)fs(ωbase/ω)+ks3(pQ)
其中，Vdc对应于电压72，Pdc对应于功率74，pQ对应于发电机冷却体质量流速76。如图所示，定子升温估算算法88可与电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76成线性关系，并可与应用或机械的具体常数ks0、ks1、ks2、ks3相乘，将在下文详细说明。此外，电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76可基于速度系数78、fs(ωbase/ω)而调节。
如图所示，每一算法84、88均包括常数k，其对于电驱动机械10来说是特定的且通过实际测试数据而获得。具体为，可执行测试以采集数据来确定转子56和定子58的热灵敏性从而改变不同参数，例如电压72、功率74、发电机冷却体质量流速76及发动机速度80。例如，当测试转子56对于电压72的热灵敏性时，电压72可发生变化而其他参数保持不变。转子温度传感器可用于评估该结果。相对于功率74、发电机冷却体质量流速76、发动机速度80及任意额外待测参数的每一个，可执行类似的测试。根据本发明，初始数据的采集可为在此描述的目的产生准确结果，其中初始数据的采集呈现与常数k结合的线性等式。该线性等式可产生对于机械10在预定的基本速度下操作的最为准确的结果；然而，如这里所说，可调节发动机速度与预定的基本速度的偏差。可基于为机械10采集的数据，通过本领域技术人员知晓的标准函数确定常数k。
应当理解，应用转子升温估算算法84的转子升温估算82的计算以及应用定子升温估算算法88的定子升温估算86的计算可分别代表用于确定转子估算温度和根据一些实施例用于确定定子估算温度的开环模型或前馈模型。根据本发明，这两种估算都可根据时间常数和反馈回路(feedback1oop)而调节，将在下文说明。例如，可分别在调节盒90、92进行转子升温估算82和定子升温估算86的调节。
在94中，可基于代表转子升温延迟的时间常数来调节转子升温估算82。时间常数调节94可代表对于机械10特定的温度变化的延迟。例如，对于系统40特有的转子升温延迟可以测试数据为基础，并可代表转子56或电能发生器46的温度变化有多快。唯一性为物质特性、组件结构、材料及其他因素的函数，其可能很难或不可能得到准确模型，因此需要实际的测试数据。也可基于代表定子升温延迟的时间常数调节94来进行定子升温估算86的调节。定子升温延迟也可基于测试数据，并可代表定子58或电能发生器46的温度变化有多快。
在时间常数调节94之后，在82中首先计算出的转子升温估算可与周围空气温度96在调节盒98中相加，以获得转子估算温度100。此外，尽管图3未示出，但是，在86中首先计算出的定子升温估算可与周围空气温度相加，以获得定子估算温度。例如，当定子温度传感器60失灵时，需要确定定子估算温度。可在调节盒102中，基于定子实际升温104进行定子升温估算的调节。例如，可利用图2所示的定子温度传感器60(可以是本领域公知的标准传感器)计算定子实际升温104。
在86中首先计算出的定子升温估算与基于温度传感器60确定的定子实际升温104之间的差值可代表定子温度估算误差。定子温度估算误差可作为转子比例积分(PI)增益106和定子PI增益108，以分别在调节盒90中调节转子升温估算以及在调节盒92中调节定子升温估算。具体地，可通过应用误差调节算法110调节转子升温估算，可通过应用误差调节算法112调节定子升温估算。应当理解，对于转子升温估算和定子升温估算的基于定子温度估算的调节代表发电机热力学模型70的反馈项。
误差调节算法110可对应于以下等式：
k r 4 ( T s - T ^ s ) + k r 5 ∫ ( T s - T ^ s ) d t + k ( T ^ s - T ^ r )
其中，Ts对应于定子实际升温104，T^s对应于在86中首先计算出的定子升温估算，T^r对应于在82中首先计算出的转子升温估算，常数kr4和kr5对应于利用上述的实际测试数据计算出的机械特定常数。常数k基于以下假设：转子56和定子58的其中之一将热量从两构件中热量较高的一个驱散至另一个。误差调节算法112可对应于以下等式：
k s 4 ( T s - T ^ s ) + k s 5 ∫ ( T s - T ^ s ) d t + k ( T ^ r - T ^ s )
其中，常数ks4和ks5对应于来源于与转子58特别相关的常数的数据。
如图所示，转子PI增益106可用于调节转子升温估算82，其中，转子PI增益106基于由定子温度传感器60确定的定子实际升温104；定子PI增益108可用于调节定子升温估算86。然而，若定子温度传感器60未被使用或失灵，则可以基于时间常数调节94来调节转子升温估算82，并将转子升温估算82与周围空气温度96相加，以获得转子估算温度100。此外，可利用时间常数调节94调节定子升温估算86并将其与周围空气温度相加，以计算转子估算温度。因此，根据一些实施例，只有发电机热力学模型70的反馈项可用于计算转子估算温度100和定子估算温度中的一个或两个。然而，根据优选实施例，利用这里记载的前馈和反馈来确定转子估算温度100。
可将转子估算温度100与转子温度阈值比较，其中，转子温度阈值可以是以厂家建议的温度阈值为基础的。例如，对于转子56和定子58，厂家建议的温度阈值可为180摄氏度。此温度可代表，在此温度下，电能发生器46的配线的绝缘性开始衰减，或者会导致电能发生器46受损、提早老化或失灵的其他热因数。根据一实施例，转子温度阈值可低于厂家建议的温度阈值，并足够接近最应该向机械10的操作者发出警告的温度。若转子估算温度100大于或等于转子温度阈值，则电子控制器42可启动超温动作。例如，若转子估算温度100大于或等于转子温度阈值，则需要在机械10的操作控制台22内显示超温指示，例如警报灯。若定子估算温度或由定子温度传感器60确定的定子实际温度大于或等于定子温度阈值，则电子控制器42可被类似地构造为启动超温动作，可以类似于记载的有关转子温度阈值的方式选择该超温动作。
根据一些实施例，需要将转子估算温度100与第二转子温度阈值比较，若转子估算温度100大于或等于第二转子温度阈值，则启动第二超温动作。第二超温动作也可为在操作控制台22内显示的警报灯，或其他可见指示；此外，与上述的转子温度阈值相比，可以在更接近厂家建议的温度阈值的温度下启动第二超温动作。具体为，第二转子温度阈值可代表大于上述的转子温度阈值的温度。应当理解，电子控制器42可构造为将定子估算温度或定子实际温度与第二转子温度阈值相比较，若定子估算温度或定子实际温度大于或等于第二定子温度阈值，则电子控制器42启动第二超温动作。
尽管以上提到了警报灯或其他可见指示，但应当理解，超温动作可包括任意的多种响应于发电机超温所采取的动作。例如，可能需要向机械操作者发布警报和/或命令，这些警报和/或命令可根据达到的具体阈值而改变。具体地，根据一实施例，电子控制器42可先显示警报，警告电能发生器46正在超温下运行，接着向操作者发布命令以停止运行机械10，使得电能发生器46冷却。可选择地或额外地，电子控制器42可响应发电机超温而启动动作，诸如自动停止电能发生器46或限制内燃机44的速度。
此外，电子控制器42可构造为在电子控制器42的存储器54内记录上述任意的或所有的超温动作。电子控制器42还可构造为储存转子56和定子58在每一被选时段内的最高温度。尽管已提出了具体示例，但应当理解，电子控制器42可构造为：可基于转子估算温度100或定子的估算或实际温度，存储关于监控发电机热状态的所有有用数据和/或启动任意关于监控发电机热状态的所需动作。可在进行机械维修时下载存储的历史温度数据，或者，可通过已知的通讯策略实时远程获得历史温度数据。
工业实用性
本发明能够用于使用具有电能发生器的电驱动系统的所有机械。此外，本发明可具体应用于未使用用于确定电能发生器转子温度的转子温度传感器的电驱动机械。然而，如上所述，适用的测试数据需要使用转子实际温度传感器的测试机械或系统。此外，本发明具体适用于以恒定基本速度或在接近恒定基本速度下运行的机械。
大体参照图1至图3，机械10的电驱动系统14可包括与电能发生器46联接的内燃机44，电能发生器46例如为发电机或交流发电机。接着，电能发生器46为电子组件系统48产生电能，例如直流电。电子组件系统48可向一个或多个电机，例如电驱动电机50提供电能。接着，电驱动电机50可构造为驱动诸如轮子或履带的运输部16，以推进电驱动机械10。电子控制器42可与电驱动系统14受控地通信。
机械10的操作方法可包括：至少部分地通过确定转子升温估算来应用电子控制器42确定电能发生器46的转子56的估算温度，使用电子控制器42将转子估算温度与转子温度阈值比较，若转子估算温度100大于或等于转子温度阈值，则启动超温动作。可基于发电机热力学模型70、电能发生器46的电压72、电能发生器46的功率74、及发电机冷却体质量流速76来确定转子估算温度100。
更具体地，如上所述，用于确定转子升温估算82的转子升温估算算法84可与电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76成线性关系，并可与应用或机械的具体常数kr0、kr1、kr2、kr3相乘。可基于速度系数78调节电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76，其中，速度系数78可代表发动机速度80与预定的基本速度的偏差。接着，在时间常数调节94中可基于代表转子升温延迟的时间常数调节转子升温估算82，根据一些实施例，可基于转子PI增益106进一步调节转子升温估算82。在82中首先计算出、并如本文所述被随后调节的转子升温估算可与周围空气温度96在调节盒98中相加，以获得转子估算温度100。
可通过首先确定定子升温估算86来计算出定子温度估算误差。用于确定定子升温估算86的定子升温估算算法88可与电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76成线性关系，并可与应用或机械的具体常数ks0、ks1、ks2、ks3相乘。可基于速度系数78调节电压72、功率74及发电机冷却体质量流速76，其中，速度系数78可代表发动机速度80与预定的基本速度的偏差。接着，在时间常数调节94中可基于代表定子升温延迟的时间常数调节定子升温估算86，还可在调节盒102中基于定子实际升温104进行定子升温估算86的进一步调节。在86中首先计算出的定子升温估算与基于温度传感器60确定的定子实际升温104之间的差值可代表定子温度估算误差。上述的定子温度估算误差可用于调节转子升温估算和定子升温估算。
根据一些实施例，在86中首先计算出、并如本文所述被随后调节的定子升温估算可与周围空气温度相加，以获得定子估算温度。在未使用诸如传感器60的定子温度传感器的实施例中，或是在定子温度传感器失灵的实施例中，确定定子估算温度是十分有用的。然而，根据优选实施例，使用定子温度传感器60并且利用上述的前馈项和反馈项确定转子估算温度100。根据任一实施例，需要将定子估算温度或感测温度与定子温度阈值比较，若子估算温度或感测温度大于或等于定子温度阈值，则启动超温动作。
应当理解，本发明的系统和方法可以特别针对未使用转子温度传感器的实施例提供更佳手段来确定转子估算温度。此外，在此记载的系统和方法可以针对未使用定子温度传感器的实施例或者针对定子温度传感器的失灵的情况提供更佳手段来确定定子估算温度。在使用定子温度传感器的优选实施例中，本发明的系统和方法可以通过调节定子温度估算误差提高转子估算温度的准确性。通过监控转子估算温度以及定子估算或实际温度，可在超温情况下发出警报或采取行动，以减少电能发生器46的操作，从而降低发电机损坏和/或失灵的可能性。此外，当在未准确估算转子温度的情况下无法准确确定转子超温时，通过更准确的估算转子温度，使得机械始终连续运行，从而可提高效率。
应当理解的是，上述说明仅用于示意性说明，并非用于以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域普通技术人员将理解，可依据附图、说明书及所附的权利要求获得其他方面的内容。

Claims (10)

1.一种电驱动机械(10)，包括：
电驱动系统(14)，其包括内燃机(44)和与该内燃机(44)联接的电能发生器(46)；及
电子控制器(42)，其与该电驱动系统(14)受控地通信并且能够至少部分地通过确定转子升温估算(82)来确定该电能发生器(46)的转子(56)的估算温度(100)，将该转子估算温度(100)与转子温度阈值比较，若该转子估算温度(100)大于或等于该转子温度阈值则启动超温动作。
2.根据权利要求1所述的电驱动机械(10)，其中，该电子控制器(42)能够基于发电机热力学模型(70)、电能发生器(46)的电压(72)、电能发生器(46)的功率(74)、及发电机冷却体质量流速(76)确定所述转子估算温度(100)。
3.根据权利要求2所述的电驱动机械(10)，其中，该发电机热力学模型(70)包括用于计算转子升温估算(82)的转子升温估算算法(84)，其中，该转子升温估算算法(84)与该电压(72)、功率(74)及发电机冷却体质量流速(76)成线性关系。
4.根据权利要求3所述的电驱动机械(10)，其中，基于速度系数(78)调节该电压(72)、功率(74)及发电机冷却体质量流速(76)，其中，该速度系数(78)代表发动机速度(80)与预定的基本速度的偏差。
5.根据权利要求4所述的电驱动机械(10)，其中，基于代表转子升温延迟的时间常数调节该转子升温估算(82)。
6.根据权利要求5所述的电驱动机械(10)，其中，该电子控制器(42)还能够基于定子温度估算误差调节该转子升温估算(82)，其中，该定子温度估算误差对应于定子升温估算(86)与定子实际升温(104)之间的差值。
7.一种操作电驱动机械(10)的方法，该电驱动机械(10)包括：电驱动系统(14)，其包括内燃机(44)和与该内燃机(44)联接的电能发生器(46)；及电子控制器(42)，其与该电驱动系统(14)受控地通信，该方法包括以下步骤：
利用该电子控制器(42)至少部分地通过确定转子升温估算(82)来确定该电能发生器(46)的转子(56)的估算温度(100)；
利用该电子控制器(42)将该转子估算温度(100)与转子温度阈值比较；及
若该转子估算温度(100)大于或等于该转子温度阈值，则利用该电子控制器(42)启动超温动作。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：基于发电机热力学模型(70)、电能发生器(46)的电压(72)、电能发生器(46)的功率(74)、及发电机冷却体质量流速(76)确定该转子估算温度(100)。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将该转子估算温度(100)与第二转子温度阈值比较；及
若该转子估算温度(100)大于或等于该第二转子温度阈值，则启动第二超温动作。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括：
感测该电能发生器的定子(58)的温度；
利用该电子控制器(42)，将该定子的感测温度与定子温度阈值比较；及
若该定子的感测温度大于或等于该定子温度阈值，则利用该电子控制器(42)启动超温动作。
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