CN104459536A - 感应电动机的常数测量装置及常数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供感应电动机的常数测量装置及常数测量方法。感应电动机的常数测量装置具有：调谐电压指令值运算器(17)，其通过将三相电压指令信号(Vu*、Vv*、Vw*)输出到PWM选通信号生成器(16)，从逆变器电路(13)向感应电动机(1)施加电压；U相电流检测器(14)，其检测流过感应电动机(1)的电流；以及电动机常数运算器(20a)，其使用电压(Vu)和电流值(iu)运算电动机常数(一次电阻、二次电阻和漏电感)，电动机常数运算器(20a)使用可利用电压(Vu)和电流值(iu)直接运算的电动机常数(一次电阻、二次电阻和漏电感)、以及所受理的电动机信息，运算作为电动机常数之一的励磁电流(I₀)。

Description

感应电动机的常数测量装置及常数测量方法

技术领域

本发明涉及通过约束试验测量感应电动机的电动机常数的感应电动机的常数测量装置以及常数测量方法。

背景技术

在高性能地控制感应电动机的情况下，使用独立控制磁通和扭矩的矢量控制。特别是，在最近，在不进行利用速度(PG)传感器等的感应电动机的速度检测的情况下进行控制的、无传感器矢量控制的市场需求正在增加。在高精度地进行无传感器矢量控制的情况下，需要掌握作为控制对象的感应电动机的多个电动机常数。因此，在要使用的感应电动机不确定的通用逆变器中，具有自动测量感应电动机的电动机常数的自动调谐功能，使得即便使用各种各样的感应电动机，也始终能够进行精度高的矢量控制。

例如，在专利文献1中示出了如下技术：使交流电动机在稳定状态下运转，根据对此时的1次角频率指令进行积分后的相位和交流电动机的电流检测值，运算电动机电流矢量有效功率的相应电流和无效功率的相应电流，并根据1次角频率指令值和1次电压指令值、以及有效功率的相应电流和无效功率的相应电流，运算电动机的1次自电感。

在感应电动机的电动机常数的自动调谐(自动测量)在JEC－37(电气协会电气规格调查会标准规格)中示出，通过进行基于约束试验和无负载试验的处理来实现。公知有在约束试验中，能够通过施加直流电压来测量一次电阻，能够通过施加单相交流电压来测量二次电阻和漏电感，并且在无负载试验中能够测量励磁电流以及自电感和互电感。

这里，无负载试验需要在基本未连接任何负载的状态下实施，但实际上在使用感应电动机的设备中，难以分开感应电动机单体，大多必须在不使感应电动机旋转的情况下进行电动机常数的测量。因此，在测量感应电动机1的电动机常数的以往的常数测量装置10中，如图7所示，对于在不使感应电动机1旋转时无法直接计测的电动机常数即励磁电流以及自电感和互电感，按照感应电动机1的每个容量设置预先存储的电动机数据表19，仅进行可直接测量的电动机常数的更新。

参照图7，以往的常数测量装置10具有整流电路11、平滑电路12、逆变器电路13、U相电流检测器14、W相电流检测器15、PWM选通信号生成器16、调谐电压指令值运算器17、电流有效值运算器18、电动机数据表19和电动机常数运算器20。另外，整流电路11通过二极管实现，平滑电路12通过电容器实现，逆变器电路13通过功率开关元件实现。此外，PWM选通信号生成器16、调谐电压指令值运算器17、电流有效值运算器18和电动机常数运算器20通过由CPU(Central ProcessingUnit：中央处理器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、RAM(Random AccessMemory：随机存取存储器)等构成的计算机，以及存储在ROM、RAM等中的程序实现。并且，电动机数据表19是闪存等存储单元。

从商用三相交流电源2供给的交流电压被整流电路11转换为直流电压，转换后的直流电压通过平滑电路12进行平滑化。然后，通过平滑电路12进行平滑化后的直流电压被供给到逆变器电路13，通过逆变器电路13对感应电动机1进行直流励磁或交流励磁。

调谐电压指令值运算器17在约束试验中被指示自动调谐时，将三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM选通信号生成器16，由此从逆变器电路13将直流电压和单相交流电压依次施加到汇总感应电动机1的U相、V相和W相后的端子间。电动机常数运算器20根据三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*、由U相电流检测器14检测到的U相电流Iu、以及由W相电流检测器15检测到的W相电流Iw，在施加直流电压时运算一次电阻，并且在施加单相交流电压时运算二次电阻和漏电感。并且，电动机常数运算器20针对励磁电流以及自电感和互电感，构成为通过未图示的输入单元受理感应电动机1的容量输入，根据所受理的容量确定预先存储在电动机数据表19中的电动机常数。

【专利文献1】日本特开2011-199024号

但是，在现有技术中，无法直接测量励磁电流以及自电感和互电感，因此存在误差较大、扭矩的误差由于无传感器矢量控制而增大的问题。此外，在现有技术中，必须准备预先存储了与要驱动的感应电动机1对应的相似电动机常数的电动机数据表19，在感应电动机1为特殊电动机等而在电动机数据表19中未存储相似的电动机常数的情况下，存在无法确定要驱动的感应电动机1的电动机常数，无法进行利用无传感器矢量控制的驱动的问题。

发明内容

本发明的目的在于鉴于上述问题点，解决现有技术的问题而提供如下所述的感应电动机的常数测量装置以及常数测量方法：能够基于可通过约束试验直接测量的测量结果，运算通过无负载试验测量出的电动机常数。

本发明的感应电动机的常数测量装置，其通过不使轴进行旋转的约束试验，测量在利用三相交流电源进行驱动的感应电动机的无传感器矢量控制中使用的多个电动机常数，所述感应电动机的常数测量装置的特征在于，具有：电压施加单元，其向所述感应电动机施加电压；电流检测单元，其检测流过所述感应电动机的电流；以及电动机常数运算单元，其使用通过所述电压施加单元施加到所述感应电动机的电压值和通过所述电流检测单元检测到的电流值运算所述电动机常数，所述电动机常数运算单元使用能够利用所述电压值和所述电流值直接运算的所述电动机常数、以及所受理的电动机信息，运算作为所述电动机常数之一的励磁电流。

并且，在本发明的感应电动机的常数测量装置中，所述电动机常数运算单元可以根据所述感应电动机的有效功率和视在功率运算功率因数，并根据该功率因数运算所述励磁电流。

并且，在本发明的感应电动机的常数测量装置中，所述电动机常数运算单元可以进行限制处理，通过该限制处理将运算出的所述功率因数收敛到预先设定的上限与下限之间的范围内。

并且，在本发明的感应电动机的常数测量装置中，所述电动机常数运算单元可以受理所述感应电动机的额定电压、额定电流和容量作为所述电动机信息。

此外，本发明的感应电动机的常数测量方法，通过不使轴进行旋转的约束试验，测量在利用三相交流电源进行驱动的感应电动机的无传感器矢量控制中使用的多个电动机常数，所述感应电动机的常数测量方法的特征在于，具有：一次电阻运算处理步骤，通过电压施加单元向所述感应电动机施加直流电压，并且通过电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过电动机常数运算单元，使用施加到所述感应电动机的电压值和流过所述感应电动机的电流值运算一次电阻；二次电阻运算处理步骤，通过所述电压施加单元向所述感应电动机施加交流电压，并且通过所述电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过所述电动机常数运算单元，根据有效功率、流过所述感应电动机的电流值和所述一次电阻运算二次电阻；漏电感运算处理步骤，通过所述电压施加单元向所述感应电动机施加交流电压，并且通过所述电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过所述电动机常数运算单元，一并向所述电动机的各个输入施加交流电压，并根据流过所述感应电动机的电流值和所施加的交流电压的频率运算漏电感；励磁电流运算处理步骤，受理所述感应电动机的额定电压、额定电流和容量作为电动机信息，通过所述电动机常数运算单元，根据能够利用所述电动机信息、所述一次电阻和所述二次电阻运算出的所述感应电动机的有效功率和视在功率，运算功率因数，并根据该功率因数运算励磁电流；一次电感运算处理步骤，受理所述感应电动机的额定频率作为所述电动机信息，通过所述电动机常数运算单元，根据所述励磁电流、所述电动机信息和所述一次电阻运算一次电感；以及互电感运算处理步骤，通过所述电动机常数运算单元，根据所述一次电感和所述漏电感运算互电感。

根据本发明，能够在不依靠电动机数据表的情况下，基于可通过约束试验直接测量的测量结果，运算作为通过无负载试验测量出的电动机常数的励磁电流I₀，因此能够进行精度高的感应电动机的常数计测，能够高精度地进行无传感器矢量控制。

附图说明

图1是示出本发明的感应电动机的常数测量装置的实施方式结构的电路结构图。

图2是示出图1所示的电动机常数运算器的运算动作的流程图。

图3是向图1所示的感应电动机施加了直流电压时的等效电路图。

图4是向图1所示的感应电动机施加了单相交流电压时的等效电路图。

图5是图1所示的感应电动机的额定负载时的电流矢量图。

图6是图1所示的感应电动机的无负载运转时的等效电路图。

图7是示出以往的常数测量装置的实施方式结构的电路结构图。

标号说明

1：感应电动机；2：商用三相交流电源；10、10a：常数测量装置；11：整流电路；12：平滑电路；13：逆变器电路；14：U相电流检测器；15：W相电流检测器；16：PWM选通信号生成器；17：调谐电压指令值运算器；18：电流有效值运算器；19：电动机数据表；20、20a：电动机常数运算器。

具体实施方式

接着，参照附图具体地说明本发明的实施方式。另外，在各图中，对相同结构标注相同标号并省略部分说明。

参照图1，本实施方式的常数测量装置10a构成为未设置电动机数据表19，在电动机常数运算器20a中，基于可通过约束试验直接测量的测量结果，运算以往通过无负载试验测量出的电动机常数(励磁电流以及自电感和互电感)。

以下，参照图2至图6详细说明本实施方式的常数测量装置10a中的自动调谐动作。

调谐电压指令值运算器17在约束试验中被指示自动调谐时，将三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM选通信号生成器16，由此执行从逆变器电路13将直流电压施加到汇总感应电动机1的U相、V相和W相后的端子间的直流电压施加处理，并且电动机常数运算器20a执行运算施加到感应电动机1的电压Vu、和流过感应电动机1的电流iu的平均值的电压/电流平均值运算处理(步骤101)。在步骤101中，调谐电压指令值运算器17被反馈由电流有效值运算器18运算出的电流有效值I，并以流过感应电动机1的电流不过大的方式，调整施加电压(三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*)的大小。

图3是步骤101中的直流电压施加时的感应电动机1的等效电路，电动机常数运算器20a执行如下的一次电阻运算处理：使用在步骤101中运算出了平均的电压Vum和电流ium，通过下式[式1]运算一次电阻R₁(步骤102)。另外，在一次电阻R₁的运算中使用的电压Vum和电流ium使用了稳定状态下的恒定期间内的平均值，由此提高了检测精度。

【式1】

$R_1=\frac{2}{3}\·\frac{V_{\mathrm{um}}}{i_{\mathrm{um}}}$

接着，调谐电压指令值运算器17将三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM选通信号生成器16，由此执行从逆变器电路13将单相交流电压施加到汇总感应电动机1的U相、V相和W相后的端子间的单相交流电压施加处理，并且电动机常数运算器20a执行运算有效功率Pm和无效功率Qm的有效功率/无效功率运算处理(步骤103)。在步骤103中，也与直流电压施加时同样，调谐电压指令值运算器17被反馈由电流有效值运算器18运算出的电流有效值I，并以流过感应电动机1的电流不过大的方式，调整施加电压(三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*)的大小。

图4是步骤103中的单相交流电压施加时的感应电动机1的等效电路。电动机常数运算器20a将单相交流施加时的电压指令值Vu*(有效值)设为倍，乘以基于相位θ的sinθ来设为了瞬时电压值后，乘以瞬时电流，并通过基于下式[式2]的积分处理运算有效功率Pm。此外，电动机常数运算器20a将单相交流施加时的电压指令值Vu*(有效值)设为倍，乘以基于相位θ的cosθ来设为瞬时电压值后，乘以瞬时电流，并通过基于下式[式2]的积分处理运算无效功率Qm。

【式2】

$p_m=\∫\sqrt{2}{V}_u^{*}\·\sin \mathrm{\θ}\·i_u\mathrm{dt}$

$Q_m=\∫\sqrt{2}{V}_u^{*}\·\cos \mathrm{\θ}\·i_u\mathrm{dt}$

然后，电动机常数运算器20a执行运算二次电阻R₂和漏电感l₁的二次电阻/漏电感运算处理(步骤104)。电动机常数运算器20a使用通过上式[式1]求出的一次电阻R₁、U相平均电流ium，和通过上式[式2]求出的有效功率Pm，利用下式[式3]运算二次电阻R₂。

【式3】

$R_2=\frac{2}{3}\·\frac{P_m}{i_{\mathrm{um}}^2}-R_1$

此外，电动机常数运算器20a使用单相交流施加时的频率f、U相平均电流ium和通过上式[式2]得到的无效功率Qm，利用下式[式4]运算漏电感l₁。

【式4】

$l_1=\frac{1}{6\mathrm{\πf}}\·\frac{Q_m}{i_{\mathrm{um}}^2}$

进而，电动机常数运算器20a执行运算励磁电流I₀的励磁电流运算处理(步骤105)。励磁电流I₀无法根据可在约束试验中测量出的测量结果直接导出。因此，电动机常数运算器20a从未图示的输入单元受理感应电动机1的额定铭牌等所记载的已知的电动机信息(用户能够容易地掌握的数值)的输入，并使用所受理的常数进行励磁电流I₀的运算。

图5示出了感应电动机1的额定负载时的电流矢量图。在矢量控制中，始终流过恒定的励磁电流I₀，因此额定输出时的电流矢量I_n成为与励磁电流I₀所成的角为(90°－θm)的关系。这里，θm是额定负载时的感应电动机1的功率因数角。并且电流矢量I_n的大小差不多是感应电动机1的额定电流，因此能够比较容易地掌握，如果知晓功率因数角θm，则能够运算励磁电流I₀。这里，功率因数角θm能够使用感应电动机1的额定输出时的有效功率P和视在功率W，通过下式[式5]，作为功率因数cosθm而被运算出。另外，视在功率W能够使用额定电压Vn、额定电流In，通过下式[式5]进行运算。

【式5】

cosθ_m＝P/W

$W=\sqrt{3}{V}_n{I}_n$

此外，有效功率P能够利用感应电动机1的容量Pmot、感应电动机1的效率η和下式[式6]进行运算。

【式6】

P＝P_mot/η

其中，感应电动机1的额定电压Vn、额定电流In和容量Pmot是感应电动机1的额定铭牌等所记载的已知的电动机信息(用户能够容易地掌握的数值)，能够通过未图示的输入单元受理，但效率η是难以掌握的值。

在将感应电动机1的损失分为电损失Weloss和机械损失Wmloss时，效率η通过下式[式7]表示。

【式7】

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{mot}}}{P_{\mathrm{mot}}+W_{\mathrm{eloss}}+W_{\mathrm{mloss}}}$

其中，电损失Weloss能够利用通过上式[式1]求出的一次电阻R₁、通过上式[式3]求出的二次电阻R₂、额定电流In，利用下式[式8]进行运算。

【式8】

$W_{\mathrm{eloss}}=3(R_1+R_2)I_n^2$

此外，机械损失Wmloss难以直接测量，而设定为相对于容量Pmot的比例。通过按照每个容量Pmot预先掌握代表性的感应电动机1的机械损失Wmloss，根据所受理的容量Pmot设定机械损失Wmloss。

因此，电动机常数运算器20a通过未图示的输入单元受理感应电动机1的额定电压Vn、额定电流In和容量Pmot，作为感应电动机1的额定铭牌等所记载的已知常数(能够容易地掌握的常数)，并使用所受理的感应电动机1的额定电压Vn、额定电流In和容量Pmot、通过上式[式1]求出的一次电阻R₁、以及通过上式[式3]求出的二次电阻R₂，通过上式[式5]运算功率因数cosθm。

并且，电动机常数运算器20a对通过上式[式5]运算出的功率因数cosθm的上限和下限进行限制处理。对于功率因数cosθm的上限，不可能有接近“1”的值，因此设定了0.95作为上限值。此外，对于功率因数cosθm的下限，以功率因数比较不好的电动机为参考，设定为了“0.65”。另外，该功率因数的上限值和下限值可设定任意的值。

并且，电动机常数运算器20a使用限制处理后的功率因数cosθm和额定电流In，通过下式[式9]运算励磁电流I₀。

【式9】

$I_0=I_n\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_m}$

接着，电动机常数运算器20a执行运算自电感L1和互电感Lm的电感(自/互)运算处理(步骤106)。电动机常数运算器20a根据图7所示的无负载运转时的感应电动机1的等效电路，使用通过上式[式9]求出的励磁电流I₀、额定电压Vn、额定频率fn、和通过上式[式1]求出的一次电阻R₁，利用下式[式10]运算一次电感L₁。另外，额定频率fn通过未图示的输入单元，作为感应电动机1的额定铭牌等所记载的已知常数(能够容易地掌握的常数)进行受理。此外，二次电感L₂与一次电感L₁相比基本不变，因此能够直接使用通过下式[式10]求出的一次电感L₁的值。

【式10】

$L_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_n{I}_0}\sqrt{(\frac{V_n^2}{3}-R_1^2{I}_0^2)}$

然后，电动机常数运算器20a使用通过上式[式10]求出的一次电感L₁、和通过上式[式4]求出的漏电感l₁，利用下式[式11]运算互电感Lm，并结束自动调谐处理。

【式11】

$L_m=\sqrt{L_1(L_1-l_1)}$

如以上所说明那样，本实施方式是感应电动机1的常数测量装置10a，该常数测量装置10a通过不使轴进行旋转的约束试验，测量在利用三相交流电源驱动的感应电动机1的无传感器矢量控制中使用的多个电动机常数，该常数测量装置10a构成为具有：调谐电压指令值运算器17，其通过将三相电压指令信号Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM选通信号生成器16，从逆变器电路13向感应电动机1施加电压；U相电流检测器14，其检测流过感应电动机1的电流；以及电动机常数运算器20a，其使用电压Vu和电流值iu运算电动机常数(一次电阻、二次电阻和漏电感)，电动机常数运算器20a使用可利用电压Vu和电流值iu直接运算的电动机常数(一次电阻、二次电阻和漏电感)、以及所受理的电动机信息，运算作为电动机常数之一的励磁电流I₀。

利用该结构，能够在不依靠电动机数据表的情况下，基于可通过约束试验直接测量的测量结果，运算作为通过无负载试验测量出的电动机常数的励磁电流I₀，因此能够进行精度高的感应电动机的常数计测，能够高精度地进行无传感器矢量控制。

并且，根据本实施方式，电动机常数运算器20a构成为根据感应电动机1的有效功率P和视在功率W运算功率因数cosθm，并根据功率因数cosθm运算励磁电流I₀。

利用该结构，能够基于可通过约束试验直接测量的测量结果运算励磁电流I₀。

并且，根据本实施方式，电动机常数运算器20a构成为将运算出的功率因数cosθm收敛到预先设定的上限和下限的范围内的限制处理。

利用该结构，能够将功率因数cosθm收敛到恰当的范围内。另外，上限和下限可设定任意的值。

并且，根据本实施方式，电动机常数运算器20a构成为受理感应电动机1的额定电压Vn、额定电流In和容量Pmot作为电动机信息。

利用该结构，仅通过受理作为感应电动机1的额定铭牌等所记载的已知常数(能够容易地掌握的常数)的感应电动机1的额定电压Vn、额定电流In和容量Pmot，就能够基于可通过约束试验直接测量的测量结果运算励磁电流I₀。

另外，本发明不限定于上述各实施方式，能够在本发明的技术思想的范围内适当变更各实施方式是显而易见的。另外，上述结构部件的数量、位置、形状等不限定于上述实施方式，可以成为适合实施本发明的数量、位置、形状等。另外，在各图中，对相同结构要素标注相同标号。

Claims (5)

1.一种感应电动机的常数测量装置，所述常数测量装置通过不使轴进行旋转的约束试验，测量在利用三相交流电源进行驱动的感应电动机的无传感器矢量控制中使用的多个电动机常数，所述感应电动机的常数测量装置的特征在于，具有：

电压施加单元，其向所述感应电动机施加电压；

电流检测单元，其检测流过所述感应电动机的电流；以及

电动机常数运算单元，其使用通过所述电压施加单元施加到所述感应电动机的电压值和通过所述电流检测单元检测到的电流值运算所述电动机常数，

所述电动机常数运算单元使用能够利用所述电压值和所述电流值直接运算的所述电动机常数、以及所受理的电动机信息，运算作为所述电动机常数之一的励磁电流。

2.根据权利要求1所述的感应电动机的常数测量装置，其特征在于，

所述电动机常数运算单元根据所述感应电动机的有效功率和视在功率运算功率因数，并根据该功率因数运算所述励磁电流。

3.根据权利要求1或2所述的感应电动机的常数测量装置，其特征在于，

所述电动机常数运算单元进行限制处理，该限制处理如下：将运算出的所述功率因数收敛到预先设定的上限与下限之间的范围内。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的感应电动机的常数测量装置，其特征在于，

所述电动机常数运算单元受理所述感应电动机的额定电压、额定电流和容量作为所述电动机信息。

5.一种感应电动机的常数测量方法，通过不使轴进行旋转的约束试验，测量在利用三相交流电源进行驱动的感应电动机的无传感器矢量控制中使用的多个电动机常数，所述感应电动机的常数测量方法的特征在于，具有：

一次电阻运算处理步骤，通过电压施加单元向所述感应电动机施加直流电压，并且通过电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过电动机常数运算单元，使用施加到所述感应电动机的电压值和流过所述感应电动机的电流值运算一次电阻；

二次电阻运算处理步骤，通过所述电压施加单元向所述感应电动机施加交流电压，并且通过所述电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过所述电动机常数运算单元，根据有效功率、流过所述感应电动机的电流值和所述一次电阻运算二次电阻；

漏电感运算处理步骤，通过所述电压施加单元向所述感应电动机施加交流电压，并且通过所述电流检测单元检测流过所述感应电动机的电流，通过所述电动机常数运算单元，一并向所述电动机的各个输入施加交流电压，并根据流过所述感应电动机的电流值和所施加的交流电压的频率运算漏电感；

励磁电流运算处理步骤，受理所述感应电动机的额定电压、额定电流和容量作为电动机信息，通过所述电动机常数运算单元，根据能够利用所述电动机信息、所述一次电阻和所述二次电阻运算出的所述感应电动机的有效功率和视在功率，运算功率因数，并根据该功率因数运算励磁电流；

一次电感运算处理步骤，受理所述感应电动机的额定频率作为所述电动机信息，通过所述电动机常数运算单元，根据所述励磁电流、所述电动机信息和所述一次电阻运算一次电感；以及

互电感运算处理步骤，通过所述电动机常数运算单元，根据所述一次电感和所述漏电感运算互电感。