CN105099326A - 变频器参数优化 - Google Patents

Abstract

一种对在变频器中使用的参数进行优化的方法，以及连接至旋转电机的变频器，该方法包括：使用电气量识别电机的参数，识别的参数在变频器中使用且在第一操作点进行识别；向变频器提供旋转电机的机电模型，其包括电机的几何形状和构造材料信息；当变频器的处理器容量可用时，在变频器中以旋转电机的机电模型的方式使用有限元法计算旋转电机在第一操作点的状态；当变频器的处理器容量可用时，在变频器中以旋转电机的机电模型的方式使用有限元法计算旋转电机在选择的操作点的状态；使用在第一操作点计算的状态和识别的参数对旋转电机的在选择的操作点计算的状态进行校正；以及根据旋转电机的校正状态计算要在变频器中使用的电机的一个或多个参数。

Description

变频器参数优化

技术领域

本发明涉及旋转电机的参数识别，并且具体涉及利用变频器在使用这样的电机期间识别参数。

背景技术

以已知的方式使用变频器来控制旋转电机的旋转。通过控制电机的电流来实施对电机如电动机或发电机的控制，使得实现期望的操作。

当通过向电动机输出电压脉冲的变频器来执行对电动机的控制时，应当准确地知道电动机的参数，使得实现期望的电流。这样的参数如电机的电感和电阻。电机的电感的精确度影响磁通和转矩的计算。当驱动器投入使用时，一些参数被手动地馈送至变频器。一些变频器包括识别运行，在识别运行中变频器通过将测试脉冲馈送至电机并且从对这些测试脉冲的响应计算电机的参数来自动地识别电机的参数。

电机的参数取决于各个方面。例如，电机的温度和饱和效应改变电机的性能，使得在电机的操作期间所识别的参数的值可以取决于操作点而变化。

此外，当电机的操作点在操作点的典型范围以外时，参数可以显著变化。在参数识别中不考虑这样的电机的操作点，并且因为在变频器的控制结构中使用的参数与实际参数不匹配，所以电机的控制不是最佳的。

在变频器的领域中以下是已知的：对控制系统中使用的各种参数进行适应或调整，以使控制更精确。一种这样的已知方法是使用信号注入。在信号注入中，高频信号被注入至变频器的输出端。对从注入信号获得的响应进行检测，并且根据该响应对参数进行某些校正。另一已知的识别技术是模型参考自适应系统(MRAS)，在该模型参考自适应系统中另一模型的参数基于已知模型而适应。

参数的调整要求使用实际的控制系统，其阻碍控制器操作。需要调整控制器以考虑注入信号。此外，已知的调整系统仅在当前操作点处获得某一参数的校正值。因此，无法在所期望的操作点中识别参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的变频器，以便解决以上问题。通过方法和变频器来达到本发明的目的，方法和变频器的特征在于独立权利要求中陈述的内容。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

本发明基于以下思想：采用有限元法，使用变频器的处理器容量来计算电机在某些操作点中的参数值。变频器包括计算容量，在变频器的正常操作期间可以使用该计算容量。如果变频器的实际操作不要求针对驱动器控制的全部的处理器容量，则该容量可以用于与当前操作点无关的复杂计算。

通过使用基于电动机的机械学的精确模型的有限元法，可以精确地计算电机的参数或电机的状态。机械学的模型包括如几何形状、使用的材料和绕组结构。

本发明的优点在于对电机的参数或状态的计算不干扰变频器的控制器的操作。进一步，可以自由选择计算的操作点。优选地，计算的操作点是用户指定的或基于变频器的使用而选择的。计算的操作点的选择直接提供了可用的数据，据此可以改进变频器的操作。

附图说明

在下文中，将参考附图借助于优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了计算的操作点的示例；以及

图2示出了对计算的值进行校准的示例。

具体实施方式

在电机设计中已知的是，使用FEM(有限元法)计算和软件。这些计算需要电机的几何形状和材料作为起始信息。使用这样的计算，可以精确地计算电机的磁行为。

在本发明中，首先使用传统的识别过程来识别一个或多个电机参数。通常，这样的过程包括向使用变频器的电机提供已知的电压脉冲或电压脉冲序列。提供脉冲之后或在提供脉冲期间，对这些脉冲的响应进行检测。响应可以是电流或电压，并且可以从所提供的电压和响应来计算参数值。

通常，在驱动器调试期间，即当变频器和电机的组合第一次投入使用时，执行这些识别测试。识别过程仅针对某个操作点或某些操作点来采集参数。例如，识别过程可以提供在没有负载的情况下的在额定转速和磁通水平下对感应电机主电感的估计。因此，无论电机的实际电流如何，则都在变频器的控制器中使用电感值。

在本发明中，以已知的方式即使用由与电机连接的变频器产生的电压和电流来识别电机的参数。在已知的操作点中识别参数。进一步，将识别的参数存储在变频器中，并且在变频器的控制器结构中使用所识别的参数。

根据本发明，表示旋转电机的机械模型被提供至变频器。机械模型包括电机的精确的几何尺寸和电机的构造材料的信息。使用有限元法的对电机状态的计算需要使用该信息。因为在任何有限元计算中，机械模型的精确度产生更精确的电机状态信息。

进一步，在该方法中，变频器计算旋转电机在第一操作状态下的状态。在计算中，使用变频器的处理器的空闲容量，并且使用有限元法来完成计算。

变频器的处理器的主要用途涉及以期望的方式来控制电机。即处理器读取如可能的测量和输入命令，并且执行控制方案。当不要求处理器的全部容量都用于控制时，处理器可以在后台运行其它任务。如果再次发生中断或者激活了高优先级任务，则中断后台任务，并且处理器进入其主要用途。当处理容量可用时，FEM计算作为后台任务运行。

因为在与常用参数识别相同的操作点处对FEM计算进行计算，所以获得的结果应该是相同的。因为FEM计算产生电机的电磁状态，所以FEM计算无法直接产生参数值。电机的电磁状态提供了在电机的核中流动的磁通量的信息。当电机的电流也已知时，磁通量和磁通密度进一步用于确定电感。

在示例中，在没有负载的情况下，首先识别在具有额定转速和磁通的操作点中的感应电机的主电感，还采用以上所述的方式将FEM方法应用于在相同操作点中的主电感的计算。

当完成第一操作点中的FEM计算时，计算可以进行至其它感兴趣的点。根据以上对FEM计算进行计算，但是在不同的起始值(即在电机的另一操作点中)的情况下。其它操作点可以是如具有两倍额定转矩的主电感。

第一FEM计算用于对从FEM计算获得的结果进行校准。将识别的值与计算的值进行比较，并且对使用FEM方法计算的参数的值进行校正，使得该计算的参数的值等于识别的值，因为识别的值比计算的值更加精确。可以通过使用与识别的值和计算的值之间的差对应的数量来改变该计算的参数的值，以对FEM计算的值进行校正。即如果值x_id是使用识别而获得的，并且值x_FEM是使用FEM方法在相同操作点中获得的，那么通过与值x_id和x_FEM之间的差对应的数量来对使用FEM方法获得的每个值x_FEM,i进行校正。

变频器可以安装有FEM计算程序，并且当电机的数据被加载至变频器时，就可以启动FEM计算。如果系统的用户不指定任何用于计算的特定的感兴趣的点，则变频器本身可以基于设置标准来选择计算的点和参数。例如，设置该标准，使得如果注意到变频器主要在相同操作点控制电动机，特别是如果该操作点不包括在识别运行中，则对这样的点的参数进行估计。例如，本发明的变频器可以处于泵送过程中，泵送过程在少数操作点中重复进行操作。变频器可以寄存这样的用途，并且如果操作点不是在其中进行识别运行的那样的点，则变频器可以在这些操作点中启动FEM计算以获得准确的电机状态信息，并且因此对在控制器结构中使用的参数进行优化。

可以在其中处理FEM计算的其它感兴趣的点是操作的最大点。也就是说，在如电流和/或转矩的最高允许值的操作点执行FEM计算。因为电机的饱和度随着最高电流为最高，所以在这样的操作点的计算是感兴趣的。

一种可能的计算方案是形成计算的点的矩阵。图1示出了转矩与磁通的操作点。例如，在每个操作点处理FEM计算，并且每个操作点提供电感值。当操作处于操作点或接近操作点时，可以在电动机的控制器结构中使用在利用校准测量进行校正之后的电感。可以使用不同的操作点参数来形成相似的矩阵。用户可以给出极限值，在极限值内处理计算。如果给出了这样的极限值，则首先在这样的极限值的角点中处理计算。参考图1，用虚线示出了这样的极限值的示例。极限值将计算限制到磁通和转矩具有比极限值更低的值。此外，还圈出了角点(从角点处启动计算)。

图2图示了识别的参数与计算的参数组之间的关系。在图2的示例中，在已知电流值I_N的情况下，使用已知识别方法来识别电感21的值。还在不同的电流值情况下，使用FEM计算来计算电感。这些值用曲线22来近似表示。FEM计算产生不同电流情况下的电感值，并且提供电感曲线的形状。因为识别的电感值是精确的，所以产生具有曲线22的形状的另一曲线23。在已知电流I_N和根据FEM计算的曲线22的形状的情况下，该校准曲线23已经识别了电感值。

在不同类型的电机中，对不同的参数感兴趣。例如，在一些电机中，正如在同步磁阻电动机和同步凸极电动机中那样，电感取决于转子角度，并且可能对直轴电感和交轴电感的交叉饱和的影响感兴趣。FEM计算可以用于作为如电动机的定子电流、转矩和角速度的函数来计算磁通。因为变频器连接至旋转电机，所以也使用相同的FEM计算来控制电机。众所周知，变频器向电机产生电压或电流脉冲以用期望的方式来控制电机。关于感应电动机，瞬态电感和磁化电感也是可以计算的参数。进一步，关于同步电机，感兴趣的参数是在直轴方向上和交轴方向上两者的瞬态电感和同步电感。

可以由变频器的用户将旋转电机的机械模型馈送至变频器。如果变频器和旋转电机如电动机是单一封装件，则变频器可以在其离开制造商时使机械模型被存储。关于单一封装件，其指代所谓的积分电机，在积分电机中变频器和电动机被一起封装以形成单个装置。进一步，变频器可以设置有从数据库取得或下载机械模型的装置。出于这样的目的，电动机的精确类型或模型必须是已知的，并且被馈送至变频器中。在电动机的类型和模型被输入到变频器之后，变频器可以连接至外部数据库，以检查电动机的机械模型是否可用。如果发现机械模型，则变频器可以取得该机械模型，以用于FEM计算。

如上所提及，在变频器的处理器中以低优先级执行本发明的FEM计算。当要求处理器容量用于其它较高优先级的任务时，中断计算并且将计算的值存储在可由处理器访问的存储器中。当再次启动中断的FEM计算时，可以从遭受中断的点启动该计算而无需从头启动计算。当结束FEM计算并且对结果进行可能的校准时，可以将计算的参数存储在可由处理器访问的存储器中，使得处理器可以在实际控制操作中利用获得的结果。计算的点也被存储在非易失性存储器中，使得在可能的断电情形之后，计算的数据是可用的。

对本领域的技术人员来说将明显的是，随着技术进步，本发明的概念可以以各种方式来实现。本发明及其实施方式不限于以上所述的示例，但是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (10)

1.一种对连接至旋转电机的变频器中使用的参数进行优化的方法，所述方法包括：

使用电气量识别所述电机的参数，识别的参数在所述变频器中使用且在第一操作点中进行识别，其特征在于，

向所述变频器提供所述旋转电机的机电模型，所述机电模型包括所述电机的几何形状和所述电机的构造材料的信息；

当所述变频器的处理器容量可用时，在所述变频器中以所述旋转电机的机电模型的方式使用有限元法来计算所述旋转电机在所述第一操作点中的状态；

当所述变频器的处理器容量可用时，在所述变频器中以所述旋转电机的机电模型的方式使用有限元法来计算所述旋转电机在选择的操作点中的状态；

使用在所述第一操作点中计算的状态和识别的参数对所述旋转电机的在选择的操作点中计算的状态进行校正；以及

根据所述旋转电机的校正的状态来计算要在所述变频器中使用的所述电机的一个或多个参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一操作点是所述电机的额定操作点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

当要求所述变频器的处理器用于具有较高优先级的操作时，中断对所述旋转电机的状态的计算；

将计算的当前状态存储在可由所述处理器访问的存储器中；以及

当处理器容量再次可用时，通过从所述存储器读取存储的计算状态来继续所述计算。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

进一步计算所述旋转电机在多个操作点中的状态；

根据所述旋转电机的计算的状态来计算所述电机的一个或多个参数；

存储所述操作点和对应的一个或多个参数；以及

当所述变频器的操作点对应于存储的操作点时，在所述变频器中使用所述一个或多个参数。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

基于所述变频器的使用来选择所述操作点，在所述操作点中执行有限元计算，以获得频繁使用的操作点中的一个或多个参数。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

选择在其中执行有限元计算的操作点为最高允许操作点。

7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的方法，其特征在于，识别的参数是所述旋转电机的电感。

8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的方法，其特征在于，在以电流、磁通、电压或转矩的值的方式固定的操作点中对所述旋转电机的状态进行计算。

9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述旋转电机是电动机。

10.一种变频器，其包括用于对连接至旋转电机的变频器中使用的参数进行优化的装置，所述变频器包括：

适用于使用电气量识别所述电机的参数的装置，识别的参数在所述变频器中使用且在第一操作点中进行识别，其特征在于，

适用于向所述变频器提供所述旋转电机的机电模型的装置，所述机电模型包括所述电机的几何形状和所述电机的构造材料的信息；

适用于当所述变频器的存储器容量可用时在所述变频器中以所述旋转电机的机电模型的方式使用有限元法来计算所述旋转电机在所述第一操作点中的状态的装置；

适用于当所述变频器的处理器容量可用时在所述变频器中以所述旋转电机的机电模型的方式使用有限元法来计算所述旋转电机在选择的操作点中的状态的装置；

适用于使用在所述第一操作点中计算的状态和识别的参数对所述旋转电机在选择的操作点中的计算状态进行校正的装置；以及

适用于根据所述旋转电机的校正的状态来计算要在所述变频器中使用的所述电机的一个或多个参数的装置。