CN105553376B - 用于估计转矩的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种估计运行中电动机的轴的转矩的方法，包括：接收指示供应到电动机的总有效电功率P的数据；使用指示总有效电功率P的数据来确定供应到轴的机电功率P_em；接收指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据；使用指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据来确定轴的转子角频率ω_r；以及使用所确定的机电功率P_em和所确定的转子角频率ω_r来确定机电轴转矩T_em。

Description

用于估计转矩的方法和装置

技术领域

本公开涉及用于估计转矩的方法和装置，并且具体地涉及用于估计运行中电动机的轴的转矩的方法和装置。

背景技术

在许多应用中，知道运行中电动机的转矩是有用的。测量转矩的一种已知方法涉及使用机械耦合到电动机轴的一个或多个传感器。然而，存在与转矩测量传感器的使用相关联的某些缺点。具体地，传感器需要被内置到转动设备中，这通常在机械上是困难的、不实际的，或者简单地说是不可能的。在某些应用中，机械系统中传感器的存在可能干扰电动机的操作。例如，在高速主轴应用中，机械传感器可能将不平衡引入系统（除了其他的问题之外）。此外，转矩传感器通常是昂贵的。

还已知使用间接测量来确定转矩。例如，“斯坦梅茨等效电路”可以用于描述感应电动机的电气输入如何被变换成有用的机械能输出。斯坦梅茨等效电路的参数可以通过在“无负载”条件下并且在“锁定转子”条件下启动电动机来获得。然而，这两个条件都破坏电动机的正常操作，因为它们中的每一个都需要电动机处于非运行状态。

获得斯坦梅茨等效电路参数的另一方法是基于通过数字信号处理（DSP）分析对电动机启动电流的分析。该方法涉及针对每个个体电动机的学习时段，并且还需要电动机系统的正常操作的中断。

美国专利NO.6505132（Takaku）描述了一种用于检测三相电动机的瞬时生成的转矩和平均生成的转矩的检测设备。在确定瞬时生成的转矩之前，需要所描述的设备检测电动机的“无负载”电流。

因此，存在对一种用于估计运行中电动机的转矩的方法和/或装置的需要，该方法和/或装置不与电动机的操作发生干扰。

本公开的特定实施例的目的是克服与现有技术相关联的至少一些缺点。

发明内容

在所附权利要求中限定了本发明的各方面。

根据这里公开的第一方面，其提供了一种估计运行中电动机的轴的转矩的方法，包括：

接收指示供应到电动机的总有效电功率P的数据；

使用指示总有效电功率P的数据来确定供应到轴的机电功率P_em；

接收指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据；

使用指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据来确定轴的转子角频率ω_r；以及

使用所确定的机电功率P_em和所确定的转子角频率ω_r来确定机电轴转矩T_em。

指示供应到电动机的总有效电功率P的数据可以通过测量供应到电动机的总有效电功率P来获得。测量供应到电动机的总有效电功率P可以包括：测量电动机的每个连接相上的瞬时电动机电压和瞬时电动机电流中的一个或全部二者。

接收指示总有效电功率P的数据可以包括：接收指示总有效电功率P的一个或多个频率分量P₁、P₂、P₃、P₄……的数据，并且接收指示基频分量P₁的对称分量P⁺、P^-的数据。指示总有效电功率P的一个或多个频率分量P₁、P₂、P₃、P₄……的数据可以通过对总有效电功率P的傅里叶分析来获得，和/或指示基频分量P₁的对称分量P⁺、P^-的数据可以通过基频分量P₁的对称分解来获得。

接收指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据可以包括接收指示下述各项中的一个或多个的数据：供应到电动机的电流的电基频f₁、电动机的负载相关滑差s、由于转子滑差而导致的频移Δf、和电动机的极数p。该方法可以进一步包括确定轴的转子速度n_r或转子频率f_r的步骤，其中f_r(Hz) = (1-s).f_s = (1-s).2.f₁/p = n_r(rpm)/60，并且f_s是电动机的同步频率。附加或替代地，该方法可以进一步包括确定电动机的极数p的步骤，其中p =INTEGER((120.f_nom)/n_nom)，其中n_nom是电动机以其标称频率f_nom进行操作时的标称速度。

该方法可以进一步包括通过分析供应到电动机的电流的频谱来确定负载相关滑差s的步骤。

可以从供应到电动机的电流的频谱确定供应到电动机的电流的电基频f₁和由于转子滑差而导致的频移Δf，并且负载相关滑差s被确定为s = 2.Δf/ f₁。

该方法可以进一步包括创建供应到电动机的电流的频谱的步骤。

轴的转子角频率ω_r可以通过计算ω_r (rad/s) = 2.π.f_r = 4.π.(1-s).f₁/p来确定。

机电轴转矩T_em可以通过计算T_em = P_em/ω_r来确定。

电动机可以是异步感应电动机。

根据本公开的第二方面，其提供了一种装置，该装置配置为执行与本公开的第一方面有关的上述方法中的任何一个。

附图说明

以下参考附图进一步描述本公开的实施例，在附图中：

图1示出了根据本公开的实施例的方法；

图2示出了根据本公开的实施例的装置的示意图；以及

图3示出了与电动机电流相关联的频谱。

具体实施方式

本公开的实施例提供了一种用于估计运行中电动机的轴的转矩的方法和装置。有利地，该方法和装置可以用于在不中断电动机的操作的情况下估计转矩。

图1图示了确定运行中电动机的轴的机电转矩T_em的方法10。

方法10可以通过装置40来执行，如图2中所示。装置40可以位于电源30和电动机50之间。

返回图1，方法10包括步骤12，接收指示由电源30供应到电动机50的总有效电功率P的数据。此外，在步骤12，接收指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据。在步骤14，使用指示总有效电功率P的数据来确定供应到电动机50的轴的机电功率P_em。此外，在步骤16，使用指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据来确定轴的转子角频率ω_r。在步骤20，使用所确定的机电功率P_em和所确定的转子角频率ω_r来确定机电轴转矩T_em。

因此，仅使用与由电源供应到电动机50的总有效电功率P以及轴的转子速度n_r或转子频率f_r有关的数据来估计机电轴转矩T_em。有利地，该数据可以在不中断电动机50的操作的情况下被接收。

在至少一个实施例中，通过测量供应到电动机50的总有效电功率P来获得指示供应到电动机50的总有效电功率P的数据。例如，供应到电动机50的总有效电功率P可以通过测量电动机50的每个连接相上的瞬时电动机电压和瞬时电动机电流来确定。具体地，供应到电动机50的总有效电功率P可以使用测量的电压和电流来得到。例如，可以根据通过引用合并于此的IEC 61000-4-30来测量电压和/或电流，和/或可以根据也通过引用合并于此的IEEE Std 1459来计算总有效电功率P。

在电动机轴处的机械功率由于供应到电动机的有效电功率P而产生。然而，并非所有的有效电功率P都被转换成机械功率。因此，总有效电功率可以被分解成三类，即（i）对机械功率有正贡献的有效电功率分量，（ii）对机械功率有负贡献的有效电功率，以及（iii）对机械功率无贡献的有效电功率分量。

总有效电功率P可以被分解成其个体频率分量。例如，该分解可以通过傅立叶分析来实现。在特别优选的实施例中，该分解可以根据通过引用合并于此的标准IEC 61000-4-7由快速傅里叶变换（FFT）来实现。一旦被分解，总有效电功率P就可以被表达为一系列谐波分量：

P = P₁ + P₂ + P₃ + P₄……+ P_N，

其中P₁是由连接到该电动机的电压的基频供应的功率，并且P_N是由该基频的N次谐波分量供应的功率。基频通常是主频（例如，50 Hz或60 Hz），然而在电子变速驱动电路的情况下，基频可以是变化的频率。

基频分量P1可以使用已建立的方法，对称分解（起初由C.L. Fortescue提出）而进一步被分解成其对称分量。具体地，基频分量P1可以被分解如下：

P₁ = P⁺ + P^- + P⁰，

其中，如由Fortescue所描述的，P⁺是正序功率，P^-是负序功率，并且P⁰是零序功率。

将P1的该表达式代入总有效电功率P的分解系列中并且在第25次谐波分量处终止该系列给出：

P = P⁺ + P^- + P⁰+ (P₂ + P₃ + P₄……+ P₂₅)。

如上所述，要理解，该表达式的某些项为轴处的机械功率提供正贡献，而某些项提供负贡献或完全无贡献。例如，基波以同步速度n_s同步地旋转，而第三次、第五次、第七次……谐波可以分别以n_s/3、n_s/5、n_s/7……的速度正向或反向旋转。偶次谐波不对转矩有贡献。下表展示了特定谐波如何对转矩有正贡献或负贡献（或完全无贡献）（关于高达第25次的奇次谐波）。

谐波	总相移（度）	最近的完整周期（度）	有效相移	转矩
					1	120	0	+120	Pos
3	360	360	0	n/a
					5	600	720	-120	Neg
7	840	720	+120	Pos
					9	1080	1080	0	n/a
11	1320	1440	-120	Neg
					13	1560	1440	+120	Pos
15	1800	1800	0	n/a
					17	2040	2160	-120	Neg
19	2280	2160	+120	Pos
					21	2520	2520	0	n/a
23	2760	2880	-120	Neg
					25	3000	2880	+120	Pos

考虑到上述情况，以下关系使用（考虑到有限系列）：

正贡献：P_pos = P⁺ + P₇ + P₁₃ + P₁₉；

负贡献：P_neg = P^- + P₅ + P₁₁ + P₁₇ + P₂₃；

无贡献：所有其余功率分量。

不对轴处的机械功率有贡献的功率分量可能例如生成热、噪声或机械故障，但是对供应到轴的机械功率既无正贡献也无负贡献。

机电功率P_em可以被表达为：

P_em = P_pos–P_neg = P⁺ + P₇ + P₁₃ + P₁₉ - P^- - P₅ - P₁₁ - P₁₇ - P₂₃。

因此，一种用于确定机电功率P_em的方法是：测量或以其他方式获得指示供应到轴的总有效电功率P的数据（例如，通过如上所述那样测量瞬时电压和电流），并且然后分解总有效功率P，以获得确定P_em所需要的分量。在本公开的范围内可以使用指示总有效电功率P的数据被接收并且然后用于确定机电功率P_em的任何方法或装置。

如上所述，步骤12还包括：接收指示轴的转子速度n_r或转子频率f_r（n_r (rpm) =60.f_r (Hz)）的数据。转子速度n_r可以被表达为：

n_r = (1-s).n_s，

其中s是电动机的负载相关滑差，并且n_s是同步速度（即，没有滑差的情况下电动机将运行在的速度）。类似地，转子频率f_r可以被表达为：

f_r = (1-s).f_s，

其中，f_s是同步频率，并且n_s (rpm) = 60.f_s (Hz)。因此，轴的转子速度n_r或转子频率f_r可以通过接收指示滑差s以及同步速度n_s或频率f_s的数据来确定，并且同步速度n_s可以被表达为：

n_s = (120.f₁) / p，

其中，f₁是电基频，并且p是电动机极数。类似地，同步频率f_s可以被表达为：

f_s = 2.f₁ / p。

因此，可以通过接收指示滑差s、电基频f₁和电动机的极数p的数据来确定轴的转子速度n_r或转子频率f_r。

电动机的极数p可以通过以下表达式从处于标称频率f_nom（其通常是50 Hz或60Hz）的电动机的标称速度n_nom来推导出：

p = INTEGER((120.f_nom) / n_nom)，

其中INTEGER函数截断结果。

标称速度n_nom和标称频率f_nom是在大多数（如果不是全部的话）电动机上发现的电动机铭牌（也称为电动机类型罩或电动机标牌）上定义的量（通常仅被列出为“速度”和“频率”）。

如果负载相关滑差s是未知的，则可以使用以下表达式来计算滑车s：

s = 2.Δf / f₁，

其中Δf是由于转子滑差而导致频移。Δf（和f₁，如果f₁未知的话）可以通过对电动机电流的频谱的分析来获得。图3示出了基频f₁是60Hz的情况下电动机电流频谱的示例。在基频f₁的任何一侧，存在相对于基频f₁偏移了±Δf的明显边带频率。因此，对频谱的分析可以提供Δf的值。为了从测量的频谱成功得到Δf，频谱的分辨率应当足够大。在某些优选实施例中，0.1至0.5Hz的分辨率是足够的。而且，假定边带信号可以显著低于处于基频f₁的信号，则优选地获得具有足够大的动态范围的频谱，以允许准确地识别边带。在图3中所示的示例中，边带低于基频分量f₁大约60 dB。

考虑上述转子频率f_r的表达式并且代入同步频率f_s的表达式，提供了：

f_r = (1-s).2.f₁ / p。

假定转子角频率ω_r被定义为ω_r = 2.π.f_r，其可以被表达（以rad/s为单位）为：

ω_r= 2.π. (1-s).2.f₁ / p。

因此，仅通过分析电动机电流频谱并且获得指示电动机的标称速度n_nom和标称频率f_nom的数据（其可以容易地从电动机铭牌获得），可以确定转子角频率ω_r。

一旦确定了机电功率P_em和转子角频率ω_r，就可以使用以下表达式来计算电动机的机电轴转矩T_em：

T_em = P_em / ω_r。

根据本公开的实施例的某些方法特别适合于计算异步电动机中的机电轴转矩。技术人员将理解，对于同步电动机，滑差的效果将不适用。

本公开的某些实施例包括被配置为执行该方法装置。返回图2，装置40可以是用于依照根据本公开的实施例的方法获得所需要的数据并且确定机电轴转矩T_em的任何适当的装置。装置40可以包括用于测量电动机50的每个连接相上的瞬时电压和电流的任何适当的装置、传感器或系统。该装置40可以包括控制单元形式的控制装置，控制单元包括用于执行计算机软件指令的一个或多个处理器，该计算机软件指令可以在被执行时被布置为执行根据本公开的实施例的方法。软件指令可以被存储在非临时性计算机可读介质（诸如控制单元的存储器）中。控制单元可以以通信方式耦合到该装置、传感器或系统（如果存在的话），以用于测量电动机50的每个连接相上的瞬时电压和电流。装置40的可以包括用于显示信息的显示器，信息可以包括例如所计算的机电轴转矩T_em。该装置可以包括用于传送和/或接收数据的一个或多个发射机和/或接收机。例如，装置40可以被配置为传送指示机电轴转矩T_em的数据。

遍及本说明书的描述和权利要求，词语“包括”和“包含”及其变体表示“包括但不限于”，并且他们不意在（并且不）排除其他部分、附加物、组件、整体或步骤。遍及本说明书的描述和权利要求，单数包含复数，除非上下文另有要求。具体地，当使用不定冠词时，本说明书应当被考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。

结合这里公开的具体方面、实施例或示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或组应当被理解为适用于这里公开的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不相容。在本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中所公开的所有特征和/或这样公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合被组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些互相排斥的组合。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明扩展到在本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中公开的特征中任何新颖一个或任何新颖的组合、或者扩展到这样公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖一个或任何新颖的组合。

读者的注意力被引导到与关于本申请的这个说明书同时提交或在其之前提交的、并且与该说明书一起向公众检查开放的所有论文和文献，并且所有这样的论文和文献的内容通过引用合并于此。

Claims (15)

1.一种估计运行中电动机的轴的转矩的方法，包括：

接收指示供应到所述电动机的总有效电功率P的数据；

将所述总有效电功率P分解成基频分量P₁和谐波频率分量；

将所述基频分量P₁分解成包括至少正序功率分量P⁺和负序功率分量P^-的对称分量；

使用指示所述总有效电功率P的数据通过从正序功率分量P⁺与对所述轴处的机械功率提供正贡献的谐波频率分量的总和减去负序功率分量P^-与对所述轴处的机械功率提供负贡献的谐波频率分量的总和来确定供应到所述轴的机电功率P_em；

基于指示电动机的负载相关滑差s和同步速度n_s或频率f_s的数据来确定指示所述轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据；

使用指示所述轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据来确定所述轴的转子角频率ω_r；以及

使用所确定的机电功率P_em和所确定的转子角频率ω_r来确定机电轴转矩T_em。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，指示供应到所述电动机的总有效电功率P的数据通过测量供应到所述电动机的总有效电功率P来获得。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，测量供应到所述电动机的总有效电功率P包括测量所述电动机的每个连接相上的瞬时电动机电压和瞬时电动机电流中的一个或全部两个。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，接收指示所述总有效电功率P的数据包括：接收指示所述总有效电功率P的一个或多个频率分量P₁、P₂、P₃、P₄……的数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，指示所述总有效电功率P的一个或多个频率分量P₁、P₂、P₃、P₄……的数据通过对总有效电功率P的傅里叶分析来获得。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，确定指示所述轴的转子速度n_r或转子频率f_r的数据包括：接收指示下述各项中的一个或多个的数据：供应到所述电动机的电流的电基频f₁、所述电动机的负载相关滑差s、由于转子滑差而导致的频移Δf、和所述电动机的极数p。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述轴的转子速度n_r或转子频率f_r，其中f_r(Hz) = (1-s)

f_s=(1-s)

2

f₁/p= n_r(rpm)/60，并且f_s是所述电动机的同步频率。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法进一步包括确定所述电动机的极数p的步骤，其中p = INTEGER((120

f_nom)/n_nom)，其中n_nom是所述电动机以其标称频率f_nom进行操作时的标称速度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法进一步包括如下步骤：通过分析供应到所述电动机的电流的频谱来确定所述负载相关滑差s。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，从供应到所述电动机的电流的频谱来确定供应到所述电动机的电流的电基频f₁和由于转子滑差而导致的频移Δf，并且所述负载相关滑差s被确定为s = 2

Δf/ f₁。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述方法进一步包括创建供应到所述电动机的电流的频谱的步骤。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述轴的转子角频率ω_r通过计算ω_r (rad/s) =2

π

f_r = 4

π

(1-s)

f₁/p来确定。

13.根据权利要求1-3、5和7-10中任一项所述的方法，其中，所述机电轴转矩T_em通过计算T_em = P_em/ω_r来确定。

14.根据权利要求1-3、5和7-10中任一项所述的方法，其中，所述电动机是异步感应电动机。

15.一种用于估计运行中电动机的轴的转矩的装置，被配置为执行任一前述权利要求所述的方法。

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