CN105144554B - 永磁电动机降级诊断系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于电动机磁体降级控制和诊断的技术。示例性技术基于电动机的所感测到的电流和电压信息确定永磁电动机的q轴电流、d轴电流、q轴电压和/或d轴电压。该信息用于确定通量信息。通量信息用在评估多个电动机磁体的集体状态条件和评估多个电动机磁体的子集的局部化状态条件中。评估可以用于标识可能作为提升的温度条件、物理降级或化学降解的结果而发生的对一个或多个磁体的降级或损坏。

Description

永磁电动机降级诊断系统

背景技术

永磁电动机为其中电动机用于驱动制冷压缩机的应用提供了明显的潜在益处，包括增强的效率、功率密度和速度控制精度。这样的电动机也呈现出控制和诊断的挑战。必须控制这样的电动机的磁性材料的温度以避免来自可以例如由不适宜的冷却或增加的定子或转子损耗引起的提升的温度条件的损坏。另外，一些应用呈现出对磁体的化学或机械攻击的风险。用于控制和诊断永磁电动机的常规技术忍受许多缺陷，除其它缺陷之外，包括不精确性、计算复杂性和低效性、频率相关性、响应速度和微处理器负担划分操作。存在对于本文所公开的独特且有创造性的控制和诊断的需要。

公开内容

为了清楚地、简明地且准确地描述本发明的示例性实施例、做出和使用所述示例性实施例的方式和过程的目的，并且为了使得能够实践、做出和使用所述示例性实施例，现在将对某些示例性实施例做出参考，包括在图中图示的那些，并且特定语言将被用于描述所述示例性实施例。应当理解的是，没有由此创建对本发明的范围的限制，并且本发明包括并且保护如本发明所涉及的领域的技术人员将容易想到的示例性实施例的这样的更改、修改和另外的应用。

发明内容

公开了用于永磁电动机磁体降级和损坏控制和诊断的独特控制和诊断技术。某些示例性实施例基于所感测到的电动机的电流和电压信息确定永磁电动机的q轴电流、d轴电流、q轴电压和/或d轴电压，并且利用该信息确定通量信息。通量信息可以用在评估多个电动机磁体的集体状态条件和评估多个电动机磁体的子集的局部化状态条件中。评估可以用于标识可能作为提升的温度条件、物理降级或化学降解的结果发生的对一个或多个磁体的降级或损坏。另外的实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从以下描述和附图变得显而易见。

附图说明

图1是示例性冷却器系统的示意图。

图2是示例性可变频率驱动器和永磁电动机的示意图。

图3和4是图示了示例性控制和诊断过程的流程图。

图5是局部化通量信息的图表。

图6是集体通量信息的图表。

具体实施方式

参照图1，图示了示例性冷却器系统100，其包括包含压缩机110、冷凝器120和蒸发器130的制冷剂回路。制冷剂在从压缩机110到冷凝器120到蒸发器130并且回到压缩机110的闭合回路中流过系统100。各种实施例还可以包括附加的制冷剂回路元件，包括例如用于控制制冷剂流动的阀门、制冷剂过滤器、节能器、油分离器和/或冷却部件以及用于各种系统部件的流动路径。

压缩机110由包括永磁电动机170的驱动单元150驱动，永磁电动机170由可变频率驱动器155驱动。在所图示的实施例中，可变频率驱动器155被配置成输出三相PWM驱动信号，并且电动机170是表面磁体永磁电动机。还设想到可变频率驱动器和永磁电动机的其它类型和配置的使用，诸如内部磁体永磁电动机。应当领会的是，本文所公开的原理和技术可以应用于多种多样的驱动器和永磁电动机配置。

冷凝器120被配置成从接收自压缩机110的经压缩的冷凝剂转移热量。在所图示的实施例中，冷凝器120是水冷冷凝器，其在入口121处接收冷却水，从冷凝剂向冷却水转移热量，并且在输出122处输出冷却水。还设想到可以利用其它类型的冷凝器，例如气冷冷凝器或蒸发冷凝器。还应当领会的是，本文对水的引用包括包含附加组分的水溶液，除非以其它方式进行限制。

蒸发器130被配置成从冷凝器120接收制冷剂，使所接收的制冷剂膨胀以降低其温度并且将热量从经冷却的介质转移到制冷剂。在所图示的实施例中，蒸发器130被配置为水冷却器，其接收提供到入口131的水，将热量从水转移到制冷剂，并且在出口132处输出冷冻水。设想到可以利用许多特定类型的蒸发器和冷却器系统，尤其包括干膨胀式蒸发器、液流类型蒸发器、裸管蒸发器、板表面蒸发器和翅片式蒸发器。

冷却器系统100还包括向可变频率驱动器155输出控制信号以控制电动机170和压缩机110的操作的控制器160。控制器160还接收关于驱动单元150的操作的信息。在示例性实施例中，控制器160接收涉及电动机电流、电动机端子电压和/或电动机的其它操作特性的信息。应当领会的是，本文所描述的控制、控制例程和控制模块可以使用硬件、软件、固件及其各种组合实现并且可以利用存储在非暂时性计算机可读介质或多个非暂时性计算机可读介质中的可执行指令。还应当理解的是，控制器160可以以各种形式提供并且可以包括许多硬件和软件模块以及诸如本文所公开的那些之类的部件。

参照图2，图示了用于可变频率驱动器200的示例性电路图。驱动器200连接到电力源210，例如400/480 VAC公用电源，其向线路滤波器模块220提供三相AC电力。线路滤波器模块220被配置成提供谐波阻尼以减轻可以由从驱动部件到电力源210的谐波反馈引起的损耗。线路滤波器模块220向整流器290输出三相AC电力，整流器290将AC电力转换成DC电力并且将DC电力提供给DC总线291。DC总线连接到反相器280。为了图示和描述的清楚性，整流器290、DC总线291和反相器280被示出为分立的块。然而应当领会的是，这些部件中的两个或更多可以提供在还可以包括各种附加电路和部件的公共模块、板或板组件中。还应当理解的是，诸如12脉冲、18脉冲、24脉冲或30脉冲整流器之类的多个脉冲整流器可以连同提供用于6脉冲、12脉冲、18脉冲、24脉冲或30脉冲操作的适当相位输入的移相变压器一起使用。

反相器模块280包括连接到DC总线291的正和负线的开关285、286和287。开关285、286和287优选地配置为基于IGBT和二极管的开关，但是也可以利用其它类型的功率电子学开关部件，诸如功率MOSFET或其它电学开关器件。开关285、286和287向电动机端子275、276和277提供输出。电流传感器281、282和283被配置成检测从反相器模块280流动到电动机270的电流并且向ID模块293发送电流信息。电压传感器也在操作上与电动机端子275、276和277耦合并且被配置成从电动机端子向ID模块293提供电压信息。

ID模块293包括结合电流感测使用的负担电阻器以设置最终提供给模拟到数字转换器以供进一步处理的电流信号上的缩放水平。ID模块293通过使用设置在ID模块293上的硬件中的标识位告知VFD大小是多少（即在当前后ADC上使用什么类型的缩放）。ID模块293还将电流和电压信息输出到门驱动模块250，并且还向门驱动模块250提供标识信息，其标识门驱动模块250连接到的负载的类型和大小。ID模块293还可以向门驱动模块250提供电流感测电源状态信息。在其它实施例中，ID模块293还可以提供用于诸如电压或通量信号之类的其它参数的缩放功能。

门驱动模块250向DSP模块260的模拟到数字转换器输入提供所感测到的电流和电压信息。DSP模块260处理所感测到的电流和电压信息并且还向门驱动模块250提供控制信号，门驱动模块250控制信号门驱动模块250向升压模块251、252和253输出电压，升压模块251、252和253进而向开关285、286和287输出经升压的电压。提供给开关285、286和287的信号进而控制提供给电动机270的端子275、276和277的输出。

电动机270包括定子271、转子273和转子与定子之间的气隙272。电动机端子275、276和277连接到提供在定子271中的绕组。转子273包括多个永磁体274。在所图示的实施例中，磁体274被配置为定位在转子273的圆周附近的表面永磁体。典型地使用永磁体以诸如在转子的表面处存在基本上恒定的磁通量的这种方式构造转子。在利用转子的旋转的操作中，形成定子中的绕组的电导体布置成产生正弦磁链。其它实施例还设想到其它磁体配置的使用，诸如内部磁体配置。应当理解的是，内部磁体配置典型地具有在q轴和d轴中不同的电感。

参照图3，图示了根据优选地实现在诸如以上结合图2图示和描述的DSP模块260之类的基于微处理器的控制模块中的示例性控制和诊断过程300的流程图300。过程300在操作310处开始，其中控制器操作成控制用于永磁电动机的驱动器。在优选形式中，控制器配置成向可变频率驱动器提供控制信号，所述可变频率驱动器输出PWM信号以驱动包括定位在转子的圆周附近的多个永磁体的同步表面永磁电动机。在其它实施例中，可以利用其它类型的电动机，诸如具有内部转子磁体的电动机，并且可以使用交流电动机驱动器。

从操作310，过程300进行到操作320，其中控制器确定与电动机相关联的通量信息。在优选形式中，通量信息由编程为依照等式1计算q轴通量信息的控制器确定：

。

在等式1中，F是要确定的q轴通量信息，Vq是q轴电动机电压，Iq是q轴电动机电流，Id是d轴电动机电流，Ld是d轴电动机电感，并且Rs是电动机定子电阻。应当领会的是，等式1的基于微处理器的实现可以使用各种控制硬件、软件及其组合来提供。

应当领会的是，还可以依照等式2描述针对d轴通量信息的类似于等式1定义的那个的关系：

。

在等式2中，Fd是要确定的d轴通量信息，Vd是d轴电动机电压，Id是d轴电动机电流，Iq是d轴电动机电流，Lq是d轴电动机电感，并且Rs是电动机定子电阻。应当领会的是，等式2的基于微处理器的实现可以使用各种控制硬件、软件及其组合来提供。

在优选形式中，控制器被配置成通过执行dq0（d轴，q轴，零轴）变换来基于所感测到的电动机电流和电压信息确定至少Vq、Iq和Id或者至少Vd、Id和Iq，并且Rs和Ld或Lq是预确定的常量。在其它形式中，Ld、Lq和/或Rs可以由控制器基于电动机操作信息确定。此外，为了计算的效率，dq0变换的零分量可以假定为零并且忽略。

应当领会的是，由等式1定义的一般关系还可以应用于除dq0坐标系统之外的参考系。例如，在不同的实施例中，参考系可以是转子参考系、静止参考系或电学参考系。为了简化，本文的公开内容参考dq0坐标系，然而应当理解的是，该描述也等同地适用于并且涵盖前述可替换的参考系。

从操作320，过程进行到条件330，其相对于与多个磁体集体相关联的准则评估所确定的通量信息。在优选形式中，通量信息被实时确定并且在预确定的时间间隔内平均以提供集体或批量代表多个磁体的经平均的通量值。在某些示例性实施例中，随时间对通量信息进行滤波以提供移动或滚动平均。在某些示例性实施例中，平均通量信息可以确定为通量信息的RMS。然后对照阈值评估经平均的通量信息。阈值可以是诸如针对一类设计定义的工程值之类的预确定的值、针对在制造或组装期间各个机器确定的值、当机器在使用时由技术人员现场调节的值，或者使用预确定的边界作为指导基于来自迭代操作的反馈调节阈值或方法参数的人工智能算法所学习到的值。在某些实施例中，系统被初始化到在制造时所测量的通量值并且该值存储在非暂时性计算机可读介质中，并且被用作判定由于损坏或温度所致的通量减小所对照的参考值。在某些实施例中，对照在制造时关于电动机的瞬时通量函数表征的系统判定由于损坏或温度所致的通量减小。

如果条件330确定经平均的通量信息在阈值以下，其向操作390提供失败输出，在操作390中控制器命令电动机和驱动器停止或减缓操作并且存储错误条件代码。如果条件330确定经平均的通量信息在阈值以下，其提供通过输出，并且过程300进行到条件340，其相对于与多个磁体的局部化子集相关联的准则评估所确定的通量信息。在优选形式中，实时确定通量信息并且将其与瞬时或局部化通量阈值比较。如果条件340确定通量信息在阈值以下，其向操作390提供失败输出，在操作390中控制器命令电动机和驱动器停止或减缓操作并且存储错误条件代码。如果条件340确定通量信息在阈值以下，过程300返回到操作310并且重复。在附加形式中，执行诸如FFT之类的傅里叶变换以从所测量的通量信号提取谐波信息。由于通量信号是正弦的，因此明显更高次的谐波的出现可以用作局部化损坏或超过温度条件的指示。

应当领会的是，许多不同的现象可以导致针对条件330和340的失败条件。例如，磁体过温条件、化学降解或对磁体的损坏，或物理降级或对磁体的损坏可以导致生成失败条件的经平均的通量信息。还应当领会的是，可以在执行以上评估之前进一步处理通量信息，例如通过使用将通量信息与磁体温度相关的常量转换到温度信息。此外，应当领会的是，条件330和340可以以相反的次序或并行地执行。

参照图4，图示了根据优选地实现在基于微处理器的控制模块中的示例性控制和诊断过程400的流程图。过程400在操作410处开始，操作410在输入401处接收d轴电流信息Id，在输入402处接收q轴电流信息Iq，并且在输入403处接收q轴电流信息Vq。算子412将Iq与Rs相乘并且输出到算子413。算子413从Vq减去算子412的输出并且输出到算子414，算子414关于时间对其输入积分并且输出到算子415。算子411将Id和Ld相乘并且输出到算子415。算子415从算子414的积分输出减去算子411的输出并且结果得到的通量信息输出被提供给算子416，例如关机阈值、减缓阈值或二者。

将算子416的通量信息提供给算子420，算子420处理通量信息以例如使用诸如本文以上所公开的那些之类的技术确定集体可归因于多个磁体的集体通量信息。算子420将集体通量信息输出到算子422，算子422相对于一个或多个集体准则评估集体通量信息。如果集体通量信息满足集体准则，过程400进行到操作470，其返回到操作410。如果集体通量信息不满足集体准则，过程400进行到操作490，其中控制器命令电动机和驱动器停止或减缓操作并且存储错误条件代码和/或减缓或使系统关机。

还向算子430提供算子416的通量信息，算子430处理通量信息以例如使用诸如本文以上公开的那些之类的技术确定可归因于多个磁体的局部化区或子集的局部化通量信息。算子430向算子422输出局部化通量信息，算子422相对于例如关机阈值、减缓阈值或这二者的一个或多个准则评估局部化通量信息。如果局部化通量信息满足局部化准则，过程400进行到操作470，其返回到操作410。如果局部化通量信息不满足局部化准则，过程400进行到操作490，其中控制器命令电动机和驱动器停止或减缓操作并且存储错误条件代码。

参照图5，图示了用于表面磁体永磁电动机（SMPMM）的气隙磁链相对于时间的图表。通量波形510图示了在范围511内的基本上正弦的运行，以及在位置513和515处的谐波失真行为。可以相对于瞬时通量阈值520评估波形510以标识指示可归因于提升的温度、物理损坏或化学损坏的磁体降级或损坏的错误条件。错误条件可以通过在离散点处对波形510的值采样并且将经采样的值与瞬时通量阈值520比较来确定。

参照图6，图示了用于SMPMM的RMS平均气隙通量相对于时间的图表。通量曲线610图示了可以相对于经平均的通量阈值620评估的RMS平均通量。可以相对于经平均的通量阈值620评估曲线610上的任何点以标识可接受的操作（诸如在范围611内），或者指示诸如在范围613内的磁体降级或损坏的错误条件。降级或损坏可能可归因于提升的温度、物理损坏或化学损坏。

应当理解的是，以上归纳和详细描述并且在图中图示的示例性实施例是说明性而非限制性或约束性的。仅仅示出和描述了目前优选的实施例，并且要保护进入本发明的范围内的所有改变和修改。应当领会的是，以下描述的实施例和形式可以组合在某些实例中并且可能在其它实例中彼此排斥。同样地，应当领会的是，以下描述的实施例和形式可以或者可以不与本文其它地方公开的其它方面和特征组合。应当理解的是，以上描述的实施例的各种特征和方面可能不是必需的并且还保护缺少所述特征和方面的实施例。在阅读权利要求过程中，意图在于当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”之类的词语时，不存在将权利要求限制到仅一个项目的意图，除非在权利要求中明确地相反陈述。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，项目可以包括一部分和/或整个项目，除非明确地相反陈述。

Claims (13)

1.一种用于永磁电动机磁体降级和损坏控制和诊断的方法，包括：

操作包括永磁电动机（170）和可变频率驱动器（155）的系统（100），永磁电动机（170）包括包含电气耦合到端子（275,276,277）的多个绕组的定子（271）和包含多个永磁体（274）的转子（273），可变频率驱动器（155）包括与端子（275,276,277）电气耦合的多个输出；

基于指示电动机电流的信息、指示端子电压的信息、指示电动机电感的信息以及指示电动机电阻的信息确定磁通量信息，所述磁通量信息表示永磁电动机（170）的磁通量；

基于磁通量信息标识与多个永磁体（274）集体相关联的集体通量错误条件；以及

基于与包括至少一个磁体的多个永磁体（274）的子集相关联的磁通量信息标识局部化通量错误条件。

2.根据权利要求1的方法，还包括基于所感测到的电动机操作信息确定d轴电流信息、q轴电流信息和q轴电压信息；

其中确定磁通量信息的动作是基于d轴电流信息、q轴电流信息、q轴电压信息、d轴电感信息和定子电阻信息，

其中d轴电流信息、q轴电流信息和q轴电压信息定义在转子参考系中，以及

其中确定磁通量信息的动作包括：

将q轴电流信息与定子电阻信息相乘以确定第一乘积值；

从q轴电压信息减去第一乘积值以确定差值；

随时间对差值积分以确定积分值；

将d轴电流值和d轴电感相乘以确定第二乘积值；以及

通过从积分值减去第二乘积值确定磁通量信息的值。

3.根据权利要求1的方法，其中基于与多个永磁体（274）集体相关联的通量信息标识集体通量错误条件的动作包括相对于阈值评估经平均或滤波的通量信息，以及阈值(520,620)包括在电动机（170）的组装之后测量的预确定的通量值，或阈值(520, 620)是基于电动机（170）的组装之后表征的电动机（170）的瞬时通量函数。

4.根据权利要求1的方法，其中基于与多个永磁体（274）的子集相关联的通量信息标识局部化的通量错误条件的动作包括相对于阈值(520)评估经采样或连续的瞬时通量信息。

5.根据权利要求1的方法，其中磁通量信息包括用于转子（273）和定子（271）之间的气隙的磁链的值，用于确定d轴电流信息、q轴电流信息和q轴电压信息的所感测到的电动机操作信息包括定子电流信息和端子电压信息，或d轴电感信息和定子电阻信息由预确定的值代表。

6.根据权利要求1的方法，其中确定磁通量信息的动作包括基于所感测到的电动机操作信息确定d轴电流信息、q轴电流信息和d轴电压信息，并且确定磁通量信息是基于d轴电流信息、q轴电流信息、d轴电压信息、q轴电感信息和定子电阻信息，以及d轴电流信息、q轴电流信息和d轴电压信息定义在定子参考系中，以及确定磁通量信息的动作包括：

将d轴电流信息与定子（271）电阻信息相乘以确定第一乘积值；

从d轴电压信息减去第一乘积值以确定差值；

随时间对差值积分以确定积分值；

将q轴电流信息和q轴电感相乘以确定第二乘积值；以及

通过从积分值减去第二乘积值确定通量信息的值。

7.一种用于永磁电动机磁体降级和损坏控制和诊断的系统，包括：

包括包含电气耦合到端子的多个绕组的定子（271）和包含多个永磁体的转子（273）的永磁电动机（170）；

包括与端子（275,276,277）电气耦合的多个输出的可变频率驱动器（155）；

被配置成向可变频率驱动器提供控制信号并且接收涉及永磁电动机（170）的操作的所感测到的信息的控制器；

其中控制器被配置成基于指示电动机电流的信息和指示端子电压的信息确定磁通量特性，基于磁通量特性评估多个永磁体（274）的集体退化条件，

其特征在于所述控制器被配置成基于磁通量特性评估多个永磁体（274）的局部化部分的局部化退化条件。

8.根据权利要求7的系统，其中控制器被配置成基于所感测到的电动机电流和所感测到的端子电压确定d轴电流信息、q轴电流信息和q轴电压信息，并且基于d轴电流信息、q轴电流信息、q轴电压信息、d轴电感信息和定子电阻信息确定磁通量信息，d轴电流信息、q轴电流信息和q轴电压信息定义在旋转坐标系中。

9.根据权利要求7的系统，其中集体退化条件包括过度温度、其他物理损坏和化学损坏中的一个或多个，以及局部化退化条件包括过度温度、其他物理损坏和化学损坏中的一个或多个。

10.根据权利要求7的系统，其中控制器被配置成基于所感测到的电动机电流和所感测到的端子电压确定d轴电流信息、q轴电流信息和d轴电压信息，并且基于d轴电流信息、q轴电流信息、d轴电压信息、d轴电感信息和定子电阻信息确定磁通量信息，以及d轴电流信息、q轴电流信息和d轴电压信息定义在静止坐标系中。

11.一种非暂时性计算机可读介质，配置有可由计算机执行从而执行权利要求1所述的方法的指令。

12.根据权利要求11的非暂时性计算机可读介质，其中指令由计算机可执行以依照以下等式执行确定磁通量值的动作：

其中Fq是磁通量值，Vq是q轴电动机电压，Iq是q轴电动机电流，Id是d轴电动机电流，Ld是d轴电动机电感，并且Rs是电动机定子电阻，

或依照以下等式：

其中Fd是磁通量值，Vq是q轴电动机电压，Iq是q轴电动机电流，Id是d轴电动机电流，Ld是d轴电动机电感，并且Rs是电动机定子电阻。

13.根据权利要求11的非暂时性计算机可读介质，其中相对于阈值(520, 620)评估磁通量值以确定退化或损坏条件，所述阈值具有以下特征之一：

基于针对一类设计定义的值，

基于单独电动机（170）的测量，

在操作期间可调节，以及

通过人工智能算法确定，该人工智能算法使用预确定的边界作为指导基于来自迭代操作的反馈来调节阈值(520, 620)或方法参数。