CN104124666A - 一种永磁同步电机的温升保护方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的温升保护方法和系统，其中方法包括：根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对所述总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型；以及根据所述温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。本发明可以通过温升动态模型来动态模拟温升情况，并且考虑了周围介质散热的影响，以及通过反电势体现了电机速度对温升的影响，使得温升保护的设计更为合理。

Description

一种永磁同步电机的温升保护方法和系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机的温升保护方法和系统。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电动机。

永磁同步电机通常会选择反时限曲线进行过载保护。反时限过载保护是指保护动作时间根据电机过载(即负载有效电流)的大小具有反时限特性，过载电流增大时保护动作时间自动减小的保护。利用反时限曲线可以通过动作时间和过载电流之间的关系将温升控制在最大允许温升范围内，因此能够达到温升保护的目的。但是目前给出的反时限曲线在计算温升的时候没有考虑到周围介质的散热过程，导致反时限设计不够合理。此外，这些反时限曲线也存在没有考虑到电机速度对温升影响的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有永磁同步电机在进行反时限设计时所采用的反时限曲线没有考虑到周围介质的散热过程导致不合理的缺陷，提供一种永磁同步电机的温升保护方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种永磁同步电机的温升保护方法，包括以下步骤：

S1、根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对所述总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型；

S2、根据所述温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护方法中，步骤S1中所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率包括铜耗和铁耗。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护方法中，所述铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为周围介质散热功率为P_diss＝asθ(t)；所述步骤S1中根据 $\mathrm{cg}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{cu}}+P_{\mathrm{fe}}-P_{\mathrm{diss}}$ 得到总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，I为电流； c为导体比热，g为导体质量；a为散热率，s为散热面积；R为电阻，R_h为等效热损耗电阻，E为反电势。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护方法中，所述步骤S1中归一化处理为设其中θ_max为最大允许温升，I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度；所述电流与时间的微分方程为： $I^{\′2}=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+H\left(t\right),$ 其中 $I^{\′2}=(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})/(I_{\max }^2+\frac{E_e^2}{{\mathrm{RR}}_h}),$ E_e＝k_eω_e；得到的所述温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).$

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护方法中，所述步骤S2中以时间为横轴，电流百分比为纵轴得到所述反时限曲线。

本发明还提供了一种永磁同步电机的温升保护系统，包括：

模型建立单元，用于根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对所述总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型；

反时限设计单元，用于根据所述温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护系统中，所述模型建立单元中使用的所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率包括铜耗和铁耗。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护系统中，所述模型建立单元中使用的铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为周围介质散热为P_diss＝asθ(t)；并根据 $\mathrm{cg}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{cu}}+P_{\mathrm{fe}}-P_{\mathrm{diss}}$ 得到总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，I为电流； c为导体比热，g为导体质量；a为散热率，s为散热面积；R为电阻，R_h为等效热损耗电阻，E为反电势。

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护系统中，所述模型建立单元执行的所述归一化处理为设其中θ_max为最大允许温升，I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度；所述电流与时间的微分方程为： $I^{\′2}=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+H\left(t\right),$ 其中 $I^{\′2}=(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})/(I_{\max }^2+\frac{E_e^2}{{\mathrm{RR}}_h}),$ E_e＝k_eω_e；得到的所述温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).$

在根据本发明所述的永磁同步电机的温升保护系统中，所述反时限设计单元中以时间为横轴，电流百分比为纵轴得到所述反时限曲线。

实施本发明的永磁同步电机的温升保护方法和系统，具有以下有益效果：本发明可以通过温升动态模型来动态模拟温升情况，并且考虑了周围介质散热的影响，以及通过反电势体现了电机速度对温升的影响，使得温升保护的设计更为合理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据本发明优选实施例的永磁同步电机的温升保护方法的流程图；

图2为根据本发明优选实施例的永磁同步电机的温升保护系统的模块框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的永磁同步电机的温升保护方法的流程图。如图1所示，该实施例提供的永磁同步电机的温升保护方法包括以下步骤：

首先，在步骤S1中，根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对该总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型。步骤S1的具体实现过程如下：

永磁同步电机的定子绕组的发热功率P_heat包括铜耗P_cu和铁耗P_fe，即

P_heat＝P_cu+P_fe；          (1)

其中，铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为I为永磁同步电机的定子绕组的电流，R为定子绕组的电阻，E为定子绕组的反电势，R_h为定子绕组的等效热损耗电阻。

周围介质散热功率P_diss＝asθ(t)；a和s为定子绕组周围介质的散热系数，其中a为散热率，s为散热面积。

根据热平衡原理，在一定时间内，电气设备中的发热导体产生的热量即发热功率P_heat等于导体温度变化吸收(或释放)的热量与周围介质散热功率P_diss之和。故永磁同步电机的定子绕组的总温升可表示为：

$\mathrm{cg}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{heat}}-P_{\mathrm{diss}};---\left(2\right)$

其中，t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，c和g为永磁同步电机的定子绕组的导体升温系数，c为导体比热，g为导体质量。

将公式(1)代入公式(2)，细化得：

$I^{2}R+\frac{E^2}{R_h}-\mathrm{as\θ}\left(t\right)=\mathrm{cg}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};---\left(3\right)$

将公式(3)细化整合后得总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};---\left(4\right)$

其中热时间常数 $\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{cg}}{\mathrm{as}};$ $R_t=\frac{1}{\mathrm{as}}.$

随后对公式(4)进行归一化处理：

设 $H\left(t\right)=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }};---\left(5\right)$

其中θ_max为最大允许温升，则代入公式(4)得到：

I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度，额定反电势E_e＝k_eω_e。

设并将公式(5)代入公式(4)得到电流与时间的微分方程为：

$I^{\′2}=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+H\left(t\right);---\left(6\right)$

对公式(6)求解得到的温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).---\left(7\right)$

其中 $I^{\′2}=(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})/(I_{\max }^2+\frac{E_e^2}{{\mathrm{RR}}_h}),$ E_e＝k_eω_e。

随后，在步骤S2中，根据步骤S1得到温升动态模型获得电流与时间的反时限曲线。具体地，根据公式(7)按照时间为横轴，电流百分比为纵轴得到的曲线就是反时限曲线。因此，本发明可以通过温升动态模型即方程(7)来动态模拟温升情况，并且由前述推导可看出最终的温升动态模型已经包含了周围介质散热的影响，并且通过反电势体现了电机速度对温升的影响。

请参阅图2，为根据本发明优选实施例的永磁同步电机的温升保护系统的模块框图。如图2所示，该实施例提供的永磁同步电机的温升保护系统100包括：模型建立单元10和反时限设计单元20。

其中，模型建立单元10，用于根据永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型。该模型建立单元10的具体实现过程与前述永磁同步电机的温升保护方法的步骤S1相同。该模型建立单元10使用的永磁同步电机的定子绕组的发热功率包括铜耗和铁耗。

模型建立单元10中使用的铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为周围介质散热为P_diss＝asθ(t)；并根据得到总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，I为电流； c为导体比热，g为导体质量；a为散热率，s为散热面积；R为电阻，R_h为等效热损耗电阻，E为反电势。

模型建立单元10执行的归一化处理为设其中θ_max为最大允许温升，I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度；所述电流与时间的微分方程为：其中E_e＝k_eω_e；得到的温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).$

反时限设计单元20与模型建立单元10连接，用于根据温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。具体地，将温升动态模型按照时间为横轴，电流百分比为纵轴得到的曲线就是反时限曲线。因此，本发明可以通过温升动态模型来动态模拟温升情况，并且由前述推导可看出最终的温升动态模型已经包含了周围介质散热的影响，并且通过反电势体现了电机速度对温升的影响。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的温升保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对所述总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型；

S2、根据所述温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的温升保护方法，其特征在于，所述步骤S1中所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率包括铜耗和铁耗。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的温升保护方法，其特征在于，所述铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为周围介质散热功率为P_diss＝asθ(t)；所述步骤S1中根据得到总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，I为电流； c为导体比热，g为导体质量；a为散热率，s为散热面积；R为电阻，R_h为等效热损耗电阻，E为反电势。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的温升保护方法，其特征在于，所述步骤S1中归一化处理为设其中θ_max为最大允许温升，I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度；所述电流与时间的微分方程为： $I^{\′2}=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+H\left(t\right),$ 其中 $I^{\′2}=(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})/(I_{\max }^2+\frac{E_e^2}{{\mathrm{RR}}_h}),$ E_e＝k_eω_e；得到的所述温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).$

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的温升保护方法，其特征在于，所述步骤S2中以时间为横轴，电流百分比为纵轴得到所述反时限曲线。

6.一种永磁同步电机的温升保护系统，其特征在于，包括：

模型建立单元，用于根据所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率和周围介质散热功率确定总温升方程，并对所述总温升方程进行归一化处理得到电流与时间的微分方程，求解得温升动态模型；

反时限设计单元，用于根据所述温升动态模型得到电流与时间的反时限曲线。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的温升保护系统，其特征在于，所述模型建立单元中使用的所述永磁同步电机的定子绕组的发热功率包括铜耗和铁耗。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机的温升保护系统，其特征在于，所述模型建立单元中使用的铜耗为P_cu＝I²R，铁耗为周围介质散热为P_diss＝asθ(t)；并根据得到总温升方程为：

$R_{t}R(I^2+\frac{E^2}{{\mathrm{RR}}_h})-\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中t为时间，θ(t)为温度随时间变化的函数，I为电流； c为导体比热，g为导体质量；a为散热率，s为散热面积；R为电阻，R_h为等效热损耗电阻，E为反电势。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机的温升保护系统，其特征在于，所述模型建立单元执行的所述归一化处理为设其中θ_max为最大允许温升，I_max为额定电流，K_e为反电势系数，ω_e为额定速度；所述电流与时间的微分方程为：其中E_e＝k_eω_e；得到的所述温升动态模型为：

$H\left(t\right)=H_0{e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}+I^{\′2}(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}).$

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机的温升保护系统，其特征在于，所述反时限设计单元中以时间为横轴，电流百分比为纵轴得到所述反时限曲线。