CN104934942A - 交流同步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流同步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法，交流同步电机电流有效值计算方法，采集任两相电流和转子角度，进行计算，ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值。本发明的电流有效值计算方法利用两相电流实时值直接计算出电流有效值，具备实时有效电流的特性，能够解决采集电机电流滞后的问题。

Description

交流同步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法

技术领域

本发明涉及一种交流同步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法。

背景技术

随着社会的发展，电动机尤其是交流同步电动机在工业生产及人们生活中作为不可替代的动力和驱动装置应用越来越广泛。由于过载导致电机烧毁的情况时有发生。

现有过载保护方法，主要包括：首先判断电机是否发生或将要过载，在判断过载时采用停机、降低转速或输出功率的方式保护电机。

对于判断电机发生或将要发生过载的方法，现有技术中主要包括：

①热继电器保护法。热继电器是利用双金属片膨胀性原理研制的。但金属片的离散性大，需要经常对金属片进行校准。

②通过埋设温度传感器直接测温的方法。该方法需要电机厂的配合，目前某些大型电动机中已埋设了温度传感器，但大部分中小型电动机中还没有埋设温度传感器。

③建立电机的热模型。该方法是一种比较切实可行的方法，可实现热累计。目前在电动机热保护器中采用的多为一阶或二阶的热模型，模型比较简单，但电机热模型中关键参数的获取相对比较困难。

④利用反时限过流来实现过流保护。该方法是通过设定限制线对I-t特性曲线进行判断来实现热过载保护，但该方法没有反映出热积累效应。

⑤利用电机电流的大小进行判断，而采集电机电流会导致计算值滞后。

另外，在判断过载发生或将要发生以后，需要限制转速，如果设置转速不当仍会产生烧毁的情况。

因此，现有方法的缺陷主要在于三个方面：1，电流采样时，采集电机电流有滞后性；2，判断过载时，涉及的电机热模型获取困难；3，对电机转速限制时，设置转速不当仍导致电机烧毁。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流有效值计算方法和过载保护方法，用以解决采集电机电流的滞后性问题。同时本发明还提供利用上述电流有效值计算方法和过载保护方法的同步电机。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

交流同步电机电流有效值计算方法，采集任两相电流和转子角度，进行计算， $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b,$ ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值。

本发明还提供了交流同步电机过载保护方法，采集任两相电流和转子角度，进行计算， $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b,$ ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值，根据计算出的电流有效值，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

进一步的，判断是否过载的具体步骤包括：对i² _q-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算i_q与I_最的差值；比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速；其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

进一步的，通过电流环控制限制电机转速，若过载启动量大于零，则过载保护电流取给定电流；若过载启动量不小于零，则过载保护速度取校验电流与给定电流的较小值；其中，过载保护电流是经过载保护方法计算出的电流给定值；校验电流是根据额定电流、最大电流和电流有效值的校验产生的。

进一步的，校验电流是目标电流与电流有效值的差值经过PID调节产生的；其中，目标电流在q轴电流大于最大电流且持续时间小于设定时间的情况下，取最大电流，在持续时间大于等于设定时间情况下，取额定电流。

进一步的，所述设定时间为2s。

本发明还提供了一种交流同步电机，包括控制器，控制器根据采集到的任两相电流，根据 $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-\sin \mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]\]i_b$ 计算电流有效值，ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值。

还有一种交流同步电机，包括控制器，控制器根据过载保护方法确定过载保护电流，所述过载保护电流是经过载保护方法计算出的电流给定值。

本发明的电流有效值计算方法利用两相电流实时值直接计算出电流有效值，具备实时有效电流的特性，能够解决采集电机电流滞后的问题。

在将这种有效值计算方法应用于过载保护，由于过载保护首先需要检测电流有效值才能进行后续的判断和处理，因此，迅速检测出电流有效值有助于后续处理，避免因电流采集的滞后性而使过载保护不及时导致电机烧毁。

附图说明

图1是本发明过载保护方法实施例同步电机控制系统框图；

图2是本发明过载保护方法实施例过载保护方法的原理图；

图3是本发明过载保护方法实施例过载保护逻辑结构图；

图4是本发明过载保护方法实施例过载保护程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

有效值计算方法实施例

交流同步电机电流有效值计算方法，利用两相实时电流进行计算，在使用时，只需采集任两相电流。比如a、b相，则电流有效值计算部分通过以下公式实现

$i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b$

其中i_a、i_b为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即为电流有效值。

该方法用于过载保护，但不限于此，也能够用于交流同步电机的其他控制。

过载保护方法实施例

如图1所示，采集任两相电流，计算电流有效值iq(如以上实施例)；根据计算出的电流有效值(根据电流有效值，但并不仅根据电流有效值，还包括电机参数和其他检测值)，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

由于过载保护首先需要检测电流有效值才能进行后续的判断和处理，因此，迅速检测出电流有效值有助于后续处理，避免因电流采集的滞后性而使过载保护不及时导致电机烧毁。

根据同步控制方式的不同，限制电机转速有不同的具体表现形式，比如同步电机采用电压外环电流内环的控制方式，限制电机转速最终转化为对电流的控制。比如转速外环电流内环的控制方式，限制电机转速最终也转化为对电流的控制。

如图2，根据过载启动条件，若符合过载启动条件，则过载保护电流取校验电流，若不符合过载启动条件，则过载保护电流取给定电流。其中，给定电流是外环提供的给定电流，过载保护电流是经过过载保护方法确定的电流给定值，如图1所示，经过转速外环产生的给定电流经过过载保护转化为过载保护电流。

判断过载时，可以仅依靠有效值大小判断或者依照现有技术中的其他方法。对于判断过载时对电机转速的限制，可以通过现有技术中的特定算法计算。

如图2、3、4给出了一种优选的方式，在上述两个方面——判断过载的方式和对电机转速限制的方式，都采用了优化的、不同于现有技术的方式：在判断过载时(即过载启动条件)，体现了热积累效应，而且不需要借助现有方法中的难以获取的电机参数(除电流有效值以外的参数)，体现在图2中的过载启动条件；在对电机转速限制时，计算出校验速度，避免不当的设置导致电机烧毁，体现在图2中校验电流与给定电流的比较。

具体的，交流同步电机过载保护方法，包括q轴电流折算部分、目标电流选择部分1、PID控制器2，过载保护启动部分3共四部分。

电流有效值计算部分通过以下公式实现

$i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b$

其中ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度。

目标电流选择部分1包括通过差值计算器11、零比较器12、触发计时器13和14、与逻辑15、真值选择器16。q轴电流和最大电流输入差值计算器11。差值比较器11的输出输入零比较器12。零比较器12输出一方面输入触发计时器13和14，另一方面和触发计时器13和14的输出一起输入与逻辑15。与逻辑15的输出作为判据输入真值选择器16，当判据为真时真值选择器16输出最大电流，当为假时输出额定电流。

目标电流选择部分1实现的功能为：目标电流在q轴电流大于最大电流且持续时间小于2s的情况下，取最大电流，在持续时间大于等于2s情况下，取额定电流。

PID控制器2包括减法器21、PID运算部分22。减法器21计算出目标电流与q轴电流的差值，然后PID运算部分22通过比例、积分和微分计算出校验电流。

过载保护启动部分3包括乘法器31、32和33，减法器34、35、36和39，零下限积分器37，增益38，比较器310和311，正值选择器312；额定电流和最大电流通过乘法器32、33，减法器36和增益38计算出发热动作值。

q轴电流和额定电流通过乘法器31、32，减法器35，零下限积分器37计算出电机发热量。电机发热量和发热动作值输入减法器39输出发热偏离量。q轴电流和最大电流输入减法器34输出电流偏离量。发热偏离量和电流偏离量通过比较器310输出过载启动量。比较器312通过过载启动量决定计算电流，当过载启动量非负时，计算电流取校验电流与给定电流的较小值；当过载启动量为负时，计算电流直接取给定电流。

也就是说：过载保护启动部分首先对i_q ²-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算i_q与I_最的差值；比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速。其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数(本实施例中，k取2，作为其他实施方式，也可以用其他值)，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

采用上述对i²-I² _额进行零下限积分，只在电流有效值大于额定值时进行积分，在小于额定值时不积分，能够灵敏的反映出热积累效应。并且与k(I² _最-I² _额)比较，将k(I² _最-I² _额)作为发热动作值，能够体现发热的可耐受程度。由于同时还考虑到I与I_最的差值，因此过载启动量兼顾了发热和电流超限情况。

通过电流环控制限制电机转速，若过载启动量大于零，则过载保护电流取给定电流；若过载启动量不小于零，则过载保护速度取校验电流与给定电流的较小值。

如图4所示为具体保护流程。

步骤1令“电流有效值＝[sin(θ-4π/3)-sinθ]*ia+[sin(θ-4π/3)-sin(θ-2π/3)]*ib”后执行步骤2。

步骤2令“差值＝q轴电流的平方-额定电流的平方”后执行步骤3。

步骤3令“电机发热量＝电机发热量+差值”后执行步骤4。

步骤4判断“电机发热量”是否小于等于零。若小于等于零，则执行步骤5；否则，执行步骤6。

步骤5令“电机发热量＝0、过载标志符＝0”后执行步骤8。

步骤6判断“电机发热量”是否大于等于“滞环量”。若大于等于，则执行步骤7；否则，执行步骤8。

步骤7令“电机发热量＝滞环量”后执行步骤8。

步骤8判断“过载标志符”是否等于零。若等于，则执行步骤9；否则，执行步骤13。

步骤13判断“过载启动符”是否等于2和“计数器”是否小于“设定时间”。当“过载启动符”等于2且“计数器”小于“设定时间”，执行步骤14；否则，执行步骤15；

步骤14令“计数器”加1后执行步骤16；

步骤15令“目标电流＝额定电流”后执行步骤16；

步骤16令“电流差＝目标电流-额定电流”后执行步骤17；

步骤17通过PID算出“电流1”后执行步骤18；

步骤18判断“电流1”是否大于等于给定电流。若大于等于，则执行步骤19；否则执行步骤20；

步骤19令“计算电流＝电流1”后返回；

步骤20令“计算电流＝给定电流”后返回；

步骤9判断“实际电流”是否大于“最大电流”。若大于，则执行步骤10；否则，执行步骤11。

步骤10令“电机发热量＝发热动作值、过载标志符＝2、目标电流＝最大电流、计数器＝0”后返回。

步骤11判断“电机发热量”是否大于等于“发热动作值”。若大于等于，则执行步骤12；否则，返回。

步骤14令“过载标志符＝1”后返回。

同步电机实施例

本实施例中的同步电机结构与现有技术中的同步电机相同，区别在于过载保护方法应用了以上实施例中的电流有效值计算方法，或者更进一步的采用了以上实施例中的过载保护方法。

Claims (8)

1.交流同步电机电流有效值计算方法，其特征在于，采集任两相电流和转子角度，进行计算， $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b,$ ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值。

2.交流同步电机过载保护方法，其特征在于，采集任两相电流和转子角度，进行计算， $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b,$ ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值，根据计算出的电流有效值，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

3.根据权利要求2所述的交流同步电机过载保护方法，其特征在于，判断是否过载的具体步骤包括：

对i² _q-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算i_q与I_最的差值；

比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速；其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

4.根据权利要求3所述的交流同步电机过载保护方法，其特征在于，通过电流环控制限制电机转速，

若过载启动量大于零，则过载保护电流取给定电流；

若过载启动量不小于零，则过载保护速度取校验电流与给定电流的较小值；

其中，过载保护电流是经过载保护方法计算出的电流给定值；校验电流是根据额定电流、最大电流和电流有效值的校验产生的。

5.根据权利要求3所述的交流同步电机过载保护方法，其特征在于，校验电流是目标电流与电流有效值的差值经过PID调节产生的；其中，目标电流在q轴电流大于最大电流且持续时间小于设定时间的情况下，取最大电流，在持续时间大于等于设定时间情况下，取额定电流。

6.根据权利要求3所述的交流同步电机过载保护方法，其特征在于，所述设定时间为2s。

7.应用权利要求1所述电流有效值计算方法的交流同步电机，其特征在于，交流同步电机包括控制器，控制器根据采集到的任两相电流，根据 $i_q=\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin\mathrm{\θ}\]i_a+\[sin(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})-sin(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\]i_b$ 计算电流有效值，ia、ib为a、b相电流，θ为电机转子角度，iq为q轴电流，即电流有效值。

8.应用权利要求2-6中任一项所述过载保护方法的交流同步电机，其特征在于，交流同步电机包括控制器，控制器根据过载保护方法确定过载保护电流，所述过载保护电流是经过载保护方法计算出的电流给定值。