CN106471733B - 用于确定转子温度的方法和装置、机器可读的载体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电的机器特别是异步机器的转子温度的方法，其中，至少根据无功功率和/或根据所述电的机器的损耗来确定所述转子温度。规定，第一转子温度根据所述无功功率来确定，并根据所述电的机器的工作范围利用根据所述损耗确定的第二转子温度予以核实或替代。

Description

用于确定转子温度的方法和装置、机器可读的载体

技术领域

本发明涉及一种用于确定电的机器特别是异步机器的转子温度的方法，其中，至少根据无功功率和/或根据电的机器的损耗来确定转子温度。

本发明还涉及一种相应的装置以及一种计算机程序和一种计算机程序产品。

背景技术

异步机器的转子温度既是磁场定向控制中的扭矩精度的重要信息，也是电的机器的温度保护的重要信息。出于成本原因，在系列应用中通常不采用遥测系统来测量转子温度。因此往往通过模型计算来确定转子温度。这里已知的是，通过电磁模型来求取转子温度，或者根据热学模型来求取转子温度，所述电磁模型根据电的机器的无功功率来确定转子温度，所述热学模型根据损耗来确定转子温度。电磁模型基于在由相电压和电流算得的无功功率与由磁通模型算得的无功功率之间的比较，该磁通模型与电机参数、定子频率和电流有关。这些方法的组合也是已知的，以便扩展其应用范围。

热学模型需要损耗作为输入参数，其中，损耗计算的精确度对估计的或确定的转子温度有明显影响。然而，精确分析地计算或者根据经验求取在电的机器中特别是在异步机器中的损耗是非常繁琐的。

发明内容

本发明的方法具有下述特征：至少根据无功功率和/或根据所述电的机器的损耗来确定所述转子温度，其中，第一转子温度根据所述无功功率来确定，并根据所述电的机器的工作范围利用根据所述损耗确定的第二转子温度予以核实或替代。具有上述特征的方法具有如下优点：克服已知方法的缺点，提出用于转子温度确定的可行方案，其保证在电的机器的任何工作状态下或工作范围内都可靠地且足够精确地确定转子温度。根据本发明为此规定，第一转子温度根据无功功率来确定，并根据电的机器的工作范围利用根据损耗确定的第二转子温度予以核实或替代。前面提到的用于转子温度确定的两种方法因而以一种特殊的方式相互组合，其中，根据工作范围，要么将第一转子温度要么将第二转子温度确定为要予以求取的转子温度。由此可以通过巧妙地设定工作范围来保证这些方法在总是对其最佳的工作范围内工作，并由此相应地提供良好的结果。如果这个温度未用另一个温度予以替代，它就优选利用另一转子温度至少予以核实。

根据本发明的一种有利的改进规定，第一转子温度在部分负载工作范围内利用第二转子温度予以替代。特别是当相电压很低或者处于低转速范围内例如处于部分负载范围内时，就无法再最佳地基于无功功率进行温度估计。在该工作范围内，转子温度最好根据损耗来求取。于是，在该工作范围内利用第二转子温度来替代第一转子温度，这样就保证了仍然仅仅输出一个转子温度作为要予以观察的有说服力的参数。

此外优选地规定，为了确定第一转子温度，求取由系统引起的误差，并根据无功功率存储在特性曲线中。特别地规定，在采用遥测术构造的电的机器中求取由系统引起的误差，并相应地存储为特性曲线。与设有遥测术的电的机器相应的电的机器也可以基于所述特性曲线。根据于是检测的或求取的无功功率，可以通过使用特性曲线来推断出第一转子温度。

此外有利地规定，第二转子温度利用第一转子温度予以核实，如果电的机器处于如下工作范围内：在该工作范围内，第一转子温度可采用上述方法足够精确地求取。由此例如可以发现系统中的误差，并提高温度检测的鲁棒性。

根据本发明的一种有利的改进规定，在电的机器的静止状态下，第一转子温度利用第二转子温度予以替代，其中，电的机器采用交流电流予以激励，以便确定电的机器的电阻，其中，作为转子温度的主要损耗，根据电阻来确定第二转子温度。因而引入了另一方法来确定转子温度，按照该方法，将第二转子温度视为至关重要，其中，电的机器以变换器的方式工作，以便产生损耗。在静止状态下，根据无功功率或损耗的用于确定转子温度的方法无法有意义地进行。通过按照变换器的方式工作，即通过电的激励来实现产生损耗，但并不产生扭矩。这样一来，即使在静止状态下也能可靠地且足够精确地确定转子温度。

此外优选地规定，由系统引起的误差在电的机器投入工作之前予以测量，或者通过测量予以检测。如此前已述，于是把检测的值特别是存储在特性曲线中，在电的机器的工作中可以调用该特性曲线。

此外优选地规定，根据损耗来求取温度变化，并用作用于确定第一转子温度的极限值。在此也规定，通过基于损耗的用于确定转子温度的方法来设定用于实施根据无功功率来确定转子温度的方法的极限。因此，这两种不同的方法途径相互影响，且产生了一种智能的系统，该系统保证可靠地检测相关的转子温度。

本发明的装置的特点是一种专门设计的控制器，该控制器被构造用于实施本发明的方法。

本发明的计算机程序规定，当该计算机程序在计算机上运行时，执行本发明的方法的全部步骤。

本发明的计算机程序产品，具有存储在机器可读的载体上的程序代码，当所述程序在计算机上运行时，所述计算机程序产品实施本发明的方法。

附图说明

下面借助实施例详述本发明。为此：

图1示出用于在不同的工作范围确定电的机器的转子温度的方法；

图2示出根据无功功率来求取第一转子温度；

图3示出调整对第一转子温度的求取；

图4示出用于根据损耗来求取第二转子温度的方法；

图5示出用于在静止状态下确定第二转子温度的方法。

具体实施方式

图1示出一种有利的用于使得电的异步机器工作的方法，要采用该方法来确定异步机器的转子温度。该方法规定了三个方法部分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，其中至少方法部分Ⅰ和Ⅱ同时地执行。这三个方法部分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ通过控制单元S予以控制和分析，以便确定转子温度。

第一方法部分Ⅰ是用于确定第一转子温度的电磁的模型。该方法基于在由相电压和电流算得的无功功率与由磁通模型（Flussmodel）算得的无功功率之间的比较，该磁通模型具有作为输入参数的电机参数、定子频率和电流。由于相电压通常无法直接测得，所以优选采用电的机器的电流调节器的电压给定值作为电压实际值。电压给定值与电压实际值之间的差是电压误差。除了电压误差外，还要考虑到由系统引起的误差，比如电机参数误差或电流传感器误差。由此整体得到的误差又与异步机器的工作点或工作范围有关，并在确定转子温度时导致相应的误差值。特别是如果相电压例如处于电的机器的部分负载范围内或者处于转速很低时所在的范围内，则采用方法Ⅰ只能不精确地确定转子温度。

方法部分Ⅱ涉及用于确定第二转子温度的热学模型。该热学模型需要损耗或损耗值作为输入参数。在此，损耗计算的精确度对由此求得的转子温度有明显影响。精确分析地计算或者根据经验求取异步机器的损耗是非常繁琐的。在工作中，误差在转子温度的求取中累积并且越来越大。

图1中的方法现在提出将两个部分方法Ⅰ和Ⅱ巧妙地组合起来，这导致能非常精确地确定转子温度。

在方法部分Ⅰ中的由系统引起的误差首先利用电的机器的采用遥测术构建的原型机（Prototypmaschine）中求得，并作为特性曲线（Kennfeld）存储起来。对于电的机器的具有相同的电磁设计或遥测术的其它的系列机来说，可以通过对无功功率的调整（Adapt.）和比较来求取第一转子温度。

热学模型（方法部分Ⅱ）与方法部分Ⅰ并行，且同时提供了估计的温度变化，作为在方法部分Ⅰ中的调整（Adapt.）的限制（Limit）。在按照方法部分Ⅰ的估计值可靠时所在的工作范围内，所求取的第一转子温度利用在第二方法部分Ⅱ中检测的转子温度予以核实（SetPlausy），使得累积的误差保持最小。

第三方法部分Ⅲ被设置用于电的机器的如下工作状态，在该工作状态下，电的机器的转子静止并且无负载产生。在该工作状态下，方法部分Ⅰ和Ⅱ不起作用，这是因为缺少所需要的输入参数。因此在方法部分Ⅲ中规定，电的机器按照变换器（Transformator）的方式被施加以激励的电流，该电流在电的机器中产生损耗。然后把由此估计的转子温度用作方法部分Ⅱ的热学模型的初始值（SetInit）。

控制单元S判定哪个估计方法的哪个转子温度在相应的当前工作点或工作范围内是足够精确或适宜的，并在此也对转子温度进行前面提到的核实。通过在不同的方法部分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的控制单元S中的信息融合，且通过其协调以及核实，能够实现特别是用于电动车辆的异步机器的可靠的转子温度估计。第一方法部分Ⅰ或者基于无功功率的流模型可以如下阐述。对于u_s>u_s.min来说，规定了如下电压方程和对无功功率的计算：

（方程1）；

（方程2）；

（方程3）；

（方程4）；

（方程5）。

方程3的左侧涉及电压和电流大小。方程3的右侧涉及电流、磁通以及电机参数。假定转子电阻是与转子温度有关的唯一的参数。如果例如因错误的磁通坐标（Koordinate）致使关于转子温度的信息是错误的，则dq组元在方程4中且在实际中不再适配（zusammenpassen）。方程4于是不等于零。在这种情况下，所估计的转子电阻或第一转子温度必须予以调整，直到方程4再次正确。为此特别是考虑先前确定的由系统引起的尤其是在电压、电流以及电机参数中的误差，并且作为特性曲线dQ_{sys_err}≠0存储起来。对于具有相同的电磁设计但无遥测术的其它系列机来说，第一转子温度通过调整（Adapt.）予以求取。可信的温度变化由第二部分方法Ⅱ的热学模型提供，并用作调整（Adapt.）的极限值。该工作原理在图2和3中示出。

如下公式符号和缩写是适用的：

Ψ=磁通链；

Ψ_rd=d轴上的磁通链（转子磁通-坐标）；

L_m=主电感；

L_σs=定子-漏电感；

σ_s=定子-散漏数：；

L_σx=漏电感，x=s：定子、x=r：转子；

σ_r=转子-散漏数：；

σ==整个散漏数；

=转子磁通角、估计的转子磁通角；

=温度、估计的温度、温度差（Temperaturhub），x=r：转子、x=s：定子；

=测量的定子温度（NTC传感器）；

=标准化的无功功率差；

=在无功功率差的计算中的由系统引起的误差；

=PI-调节器的P-部分增强和I-部分增强（调整定律）；

=电压幅度（输出-电流调节器）；

=电流幅度（电流传感器）；

=电压指示器与电流指示器之间的相位角；

=电阻，估计的电阻，x=r：转子、x=s：定子；

=损耗功率，x=r：转子、x=s：定子；

Z_Th,Z_ij=热阻抗；

n=转速；

us=定子电压；

is=Is=定子电流；

d=d轴；

q=q轴；

Isq-R=q轴实际定子电流；

Isq-M=q轴模型定子电流；

Isd-R=d轴实际定子电流；

Isd-M=d轴模型定子电流。

于是，转子温度通过如下关系式予以描述：

（方程6），

其中，R_r,20℃是20℃时的转子电阻，α_r,20℃是转子导体的电阻-温度-系数。

根据方法部分Ⅱ的基于损耗的热学模型在当前适用于：0<u_s<u_s,min。

在要求较小电压的工作中，例如在低转速情况下在部分负载工作范围内，电压误差相对较大，这是因为对于第一方法部分Ⅰ的确定方法而言，仅仅使用电压-给定-值。因此对于第二方法部分Ⅱ采用如图4中简化地示出的热学模型。电的机器的损耗可以事先要么通过分析计算予以求取，要么借助于测量予以求取，然后根据工作点或工作范围作为特性曲线存储起来。传递函数Z₁₁、Z₂₂、Z₁₂和Z₂₁优选被模型化为PT1-环节，例如作为用于更高精确度的较高阶的环节。这些传递函数的参数可以借助于测量的或模拟的温度曲线的损耗予以识别。也有利的是，考虑冷却温度ϑ_c。如果冷却温度不存在，则它可以通过在最后的转子温度和测量的定子温度之间的差的积分来算得：

（方程7）。

于是，所求得的定子温度和转子温度是：

（方程8）；

（方程9）。

在第一方法部分Ⅰ提供可靠结果的所在工作范围内，将第一转子温度用作相关的转子温度，以便矫正在第二方法部分Ⅱ的热学模型中的估计，进而使得累积的误差最小，也如图1中所示。在此，该工作原理在图4中示出。

第三方法部分Ⅲ考虑如下工作状态，在该工作状态下，电的机器处于静止状态。在这种情况下，根据Ⅰ和Ⅱ的方法不起作用。尽管如此，为了能够求取转子温度，异步机器像变换器一样工作。为此，在电的机器的d轴上激起正弦形的电流。在频率较高情况下，在电的机器的电参数和电阻之间产生如下关系：

（方程10）；

（方程11）。

转子温度最终通过根据方程6的方法部分Ⅱ予以确定。

为此，图5简化地示出第三方法部分Ⅲ。这里还适用于如下缩写：

：电流幅度（电流传感器）；

：电压幅度（输出电流调节器）；

=电压指示器与电流指示器之间的相位角；

R_s：定子电阻，温度关系可以通过测得的定子温度（绕组中的NTC传感器）予以补偿，或者在线地在逆变器中利用如下方程予以求取：。

控制单元现在根据电的机器的当前的工作范围来选择正确的方法部分Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ，用来确定用于核实的转子温度，并把结果汇总在一起，以便确定转子温度的唯一被核实的信号，如图1中所示。

Claims (9)

1.一种用于确定电的机器的转子温度的方法，其中，至少根据无功功率和/或根据所述电的机器的功率损耗来确定所述转子温度，其中所述无功功率包括第一无功功率和第二无功功率，其中所述第一无功功率由相电压和电流算得，并且所述第二无功功率由磁通模型算得，该磁通模型与电机参数、定子频率和电流有关，其特征在于，第一转子温度根据所述无功功率来确定，并根据所述电的机器的工作范围利用根据所述功率损耗确定的第二转子温度予以核实或替代，其中，所述第一转子温度在部分负载工作范围内利用所述第二转子温度予以替代。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一转子温度，求取由系统引起的误差，并根据至少一个无功功率存储在特性曲线中。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二转子温度利用所述第一转子温度予以核实。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述由系统引起的误差在所述电的机器投入工作之前予以测量。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述电的机器的静止状态下，所述第一转子温度利用所述第二转子温度予以替代，其中，所述电的机器采用交流电流予以激励，以便确定所述电的机器的电阻，其中，根据所述电阻和转子导体的电阻-温度-系数来确定所述第二转子温度。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述功率损耗来求取温度变化，并用作用于确定所述第一转子温度的极限值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电的机器是异步机器。

8.一种按照前述权利要求1~7中的任一项所述的方法来使得电的机器工作的装置，其特征在于一种专门设计的控制器，该控制器被构造用于实施根据权利要求1~7中任一项所述的方法。

9.一种机器可读的载体，在该机器可读的载体上存储程序代码，当程序在计算机上运行时，所述程序代码用于实施根据权利要求1~7中任一项所述的方法。