CN109217739B - 用于检测负载差异的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测负载差异的方法。本发明涉及一种用于检测由变流器(3)供电的至少一个第一电机(1)和至少一个与其并联的第二电机(2)之间的负载差异的方法，其中，电机分别经由三个供电线(5，6)与变流器(3)连接，并且在至少一个第一电机(1)的两个供电线(5)中以及在至少一个第二电机(2)的供电线(6)中的一个中，借助相应的供电线中的电流测量传感器(7，8)测量电流，并且基于至少一个第一电机(1)的测量的电流值估计至少一个第二电机(2)的对应的未测量的电流，并且采集至少一个第二电机(2)的供电线(6)的估计的总电流，作为至少一个第二电机(2)与至少一个第一电机(1)的电流的偏差度量。

Description

用于检测负载差异的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测由变流器供电的至少一个第一电机和至少一个与其并联的第二电机之间的负载差异的方法，其中，电机分别经由三个供电线与变流器连接。

此外，本发明涉及一种用于检测并联的电机之间的负载差异的设备，其具有到至少一个第一电机的三个第一供电线和到至少一个第二电机的三个另外的供电线。

背景技术

在具有变流器的电机的许多应用中，在供电线中需要电流测量传感器，以便可以正确地采集电机当前的运行状态。因此，例如当在变流器上控制异步电机时，在各个供电线中接入电流测量传感器，其向控制设备提供测量的电流值。由此，可以推断出待控制的电机当前的运行状态，并相应地对异步电机的运行期间的变化做出反应。如果到异步电机使用三个供电线，则相应地需要三个电流测量传感器。通过应用基尔霍夫节点规则(Kirchhoffschen Knotenregel)，众所周知可以省去电流测量传感器中的一个，而在此不需要承受关于供电线中的电流的信息损失，由此不仅可以排除可能的误差源，还可以降低成本。

如果多个电机在共同的变流器上并联运行，则它们可能部分地暴露于不同的负载下，因此可能采取彼此不同的运行状态。由于该原因，为了有针对性地进行控制，需要确定或至少估计各个电机彼此的偏差。

以共同的变流器对多个驱动供电在一些参考文献中也称为“组驱动”或者“多电机”。这个概念尤其在有轨电车或火车中得到应用并且不断地继续发展。对此，从现有技术中已知多个设备和方法。

因此，尤其US 2009/0309529 A1示出了一种用于运行多个并联的(线性)电机的系统，其中每个单个的电机具有三个供电线路。在供电线路中的相应的两个中布置电流传感器，以便能够确定各个电机的运行状态并且能够保护其免于过载。但是，为了对电机进行实际控制，设置了另外的电流传感器，其测量分配到各个电机之前的供电线中的总电流。

US 2006/0012322 A1公开了一种用于在变流器上运行多个并联的异步电机(ASM)的驱动设备。在ASM的共同的供电线路中设置电流传感器，利用其测量值可以确定偏差度量，以采集各个ASM之间的负载差异。还基于该偏差度量提出了相应的控制措施。

US 4,298,831同样示出了一种用于控制多个并联的ASM的设备，其中，在ASM的各个供电线路中的每一个中布置有电流传感器。

专利文献JP 2002112404A公开了用于控制并联的ASM的多种变形方案。一种特别的实施方式涉及在多个ASM的相同的相中布置电流传感器，其中，可以通过比较测量的电流测量值来确定电机的不同的负载。

JP 2011 072062 A公开了一种在共同的变流器上运行的BLDC模式下的至少两个永磁激励的同步电机的互连。在此，借助总电流互感器确定第一同步电机的两个供电线电流和第二同步电机的一个供电线电流的电流总和，以便能够借助电流总和的符号来确定同步电机在持续运行期间的可能的故障。但是，JP 2011 072062 A的缺点是，没有关于各个同步电机的运行状态的信息，从而不能计算电流空间矢量，也不能使用矢量控制或者场定向控制。此外，在JP 2011 072062 A中，由于缺乏关于各个供电线中的电流的信息，不能确定参考参量，可以将所确定的电流总和与该参考参量相关联，以确定各个电机之间的相对偏差。

此外，从US 2007/273310 A1中已知一种共同的变流器上的两个电机的并联电路，其中，在每个电机的至少两个供电线中接入电流测量传感器。因此，随着使用的电机的数量增加，电流测量传感器的数量也不利地增加。

现有技术的缺点一方面在于所需要的电流测量传感器的数量多，这些传感器在通常找到的变形方案中布置在相应的三个或者两个电机供电线路中。因此，在传感器的这种布置中，电流测量传感器的数量与驱动的数量成比例地增加，并且以因数2或3增加。但是，每个另外的电流测量传感器都蕴藏着潜在的误差源的风险，还产生附加的成本，这需要避免。

另一方面，在到多个电机的共同的供电线路中具有电流测量传感器的变形方案中，由于仅存在所有电机的一种类型的一般信息，因此不能关于各个电机的状态做出更准确的陈述。由此，虽然可以省去电流传感器，但是这是以可利用的信息为代价来实现的。

此外，在将电流传感器布置在多个并联的电机的相同的相(例如JP 2002112404A)的情况下，不能有针对性地控制各个电机或确定各个电机的运行状态，因为仅比较测量值，但是不获得能够作为准确的控制的基础的足够的信息。

发明内容

与此相对，本发明要解决的技术问题是至少消除或减轻现有技术的各个缺点。本发明的目的特别是在于，实现开头提及的类型的方法或设备，其使得能够省去电流传感器，而不会与此伴随更大的信息损失。

该技术问题通过具有本发明的特征的方法和具有本发明的特征的设备来解决。在说明书中给出本发明的优选实施方式。

因此，根据本发明设置为，在至少一个第一电机的两个供电线中以及在至少一个第二电机的供电线中的一个中，借助相应的供电线中的电流测量传感器测量电流，并且基于所测量的至少一个第一电机的电流值估计对应的未测量的至少一个第二电机的电流，其中，对于所估计的至少一个第二电机的未测量的电流的电流值，采用所测量的至少一个第一电机的对应的供电线中的电流值；并且采集所估计的至少一个第二电机的供电线的总电流，作为至少一个第二电机与至少一个第一电机的电流的偏差度量。

因此，根据本发明的方法基于如下假设：在未测量的至少一个第二电机的供电线中流过与在至少一个第一电机的对应的供电线中相同的电流。在这种情境下，“对应的”意为“相同的供电线/相”。在负载的偏差小的情况下，这种估计在良好的近似方面是准确的。

通常，到电机的三个绕组线路或供电线用U，V和W表示，并且为了进行区分，作为下标添加到电气参量。为了能够将至少一个第一电机的电气参量与至少一个第二电机的电气参量进行区分，还使用索引1或2。此外，对估计的参量设置顶标。因此，到至少一个第二电机的供电线U中的估计的电流例如用

表示。此外，下面以相对参量进行计算。因此，如果在供电线中流过额定电流，则电流的值为1。

所使用的电机特别地可以是异步电机。至少一个第一电机的供电线中的电流可以仅利用两个电流测量传感器来准确地确定，因为如下关系成立：

I_U1+I_V1+I_W1＝0。

在至少一个第一电机的三个供电线中的哪两个中布置电流测量传感器，由于上面的关系是不重要的。由于已知至少一个第一电机的所有对应的供电线中的电流，因此可以在至少一个第二电机的任意供电线中接入一个电流测量传感器，而本方法不会因此受到限制。可以在任何时候估计至少一个第二电机的供电线中的缺少的两个电流，因为已知至少一个第一电机的所有对应的电流。

通过估计至少一个第二电机的供电线中的未测量的电流，可以做出关于至少一个第二电机的状态的陈述。因此，通过测量至少一个第二电机的供电线W中的电流，可以通过形成总电流

来确定偏差度量，其中，

和

成立。因此，通过至少一个第一电机的供电线U和V中的电流来估计至少一个第二电机的供电线U和V中的电流。当然，电流测量传感器可以布置在至少一个第二电机的任意一个供电线中。有利地，在根据本发明的方法中，可以使所确定的偏差度量δ与测量的电流相关，由此可以确定再现至少一个第一电机和至少一个第二电机之间的相对偏差的相对偏差度量。此外，基于当前的信息，例如基于测量的至少一个第一电机的供电线中的电流，已经可以使用针对电机的控制。

现在，如果估计的电流对应于实际电流，即，

和

成立，则偏差度量δ＝0。这种情况通常出现在电机的负载相同的情况下。但是，如果估计的电流偏离实际电流，则偏差度量δ是正数或者负数，这取决于至少一个第二电机的负载更强、还是更弱。无论如何，偏差度量δ于是不再为零。

此外，有利的是，根据至少一个第一电机的供电线中的测量的电流确定第一电流空间矢量，并且根据至少一个第二电机的供电线中的测量的电流和对两个未测量的电流的估计确定第二电流空间矢量。由此，可以使用基于例如本身从现有技术中已知的空间矢量表示的合适的控制。在此，电流空间矢量一般按照下面的公式计算：

i＝2/3(I_U+I_V*e^j120°+I_W*e^j240°)。

用i₁和i₂表示第一和第二电流空间矢量。第一电流空间矢量i₁可以由测量或者计算的值I_U1,I_V1和I_W1确定为i₁＝2/3(I_U1+I_V1*e^j120°+I_W1*e^j240°)。第二电流空间矢量又计算为

在此，再次假设，所述一个电流测量传感器布置在至少一个第二电机的供电线W中，并且估计供电线U和V中的电流。利用两个电流空间矢量i₁和i₂，可以使用从文献中已知的各种控制方法。

此外，可以基于第二电流空间矢量估计至少一个第二电机的转矩。这可以借助针对电机的转矩的已知的公式、例如T＝IM{Ψi₂*}进行。为此，还需要关于电机的其它知识，例如磁通链空间矢量。其确定或计算同样从文献中已知。

此外，可以基于第一电流空间矢量计算至少一个第一电机的转矩。由于计算、而不估计电流空间矢量i₁，因此也可以计算至少一个第一电机的转矩。

为了能够更好地确定至少一个第一电机与至少一个第二电机的偏差，有利的是，根据第一电流空间矢量与第二电流空间矢量的相位和/或量值差来确定至少一个第二电机与至少一个第一电机的电流的偏差度量。当估计的电流值

和

与实际电流值一致时，两个电流空间矢量i₁和i₂具有相同的量值和相同的相位。当偏差度量δ≠0时，则一般第一电流空间矢量也相对于第二电流空间矢量产生量值和相位的差。因此，相位和/或量值差是至少一个第二电机与至少一个第一电机的电流的附加偏差度量。例如，可以根据应用确定阈值，从该阈值起进行控制并且抵消两个电机的偏差。这种阈值例如是两个电流空间矢量i₁和i₂的百分之十的量值偏差。但是，具体的值与应用有关。但是也可以想到基于相位或者量值和相位的阈值。

此外，有利的是，通过在供电线中接入电压跳变ΔU产生电流变化，通过电流测量传感器采集该电流变化，并且根据测量的对应的电流变化来确定绕组电阻。供电线中的电压跳变ΔU在供电线中引起电流变化，其可以借助电流测量传感器来采集。在(例如由电感引起的)暂态效应消退之后，可以确定电流跳变ΔI。因此，可以通过根据欧姆定律求供电线的电压跳变和电流跳变的商来计算绕组电阻。对于电压跳变或者电流跳变，使用跳变之前和之后以及暂态效应消退之后的差电压和差电流。

此外，对于电机的运行状态的确定有利的是，通过使用与温度相关的电阻模型来计算绕组中的温度。例如如果使用如下形式的线性温度模型：

R≈R₀+(T-T₀)*α

则在知道温度T₀下的电阻R₀、温度系数α和所确定的电阻R的情况下，可以确定绕组中的温度T。

为了获得关于电机状态的附加信息，可以通过在包含电流测量传感器的供电线中施加电压，并且通过测量对应的电流的增大，来确定电感。为此，可以再次使用供电线中的电压跳变ΔU。如果使用紧接在供电线中的电压跳变ΔU之后的供电线的电流增大，则可以在忽略电阻的情况下确定电感。根据转子的位置，电机的电感由于开槽效应(Nutungseffekten)而具有不同的值。

此外，可以基于所确定的电感来确定转子位置的变化，特别是静止状态。如果转子不旋转，则所确定的电感也保持不变。由此，在至少一个第二电机中也可以识别出静止状态。如果在至少一个第二电机中在测量的供电线中通过多次测量记录了相同的电流增大，则可以假设转子静止。

开头提到的类型的根据本发明的设备的特征在于，在第一供电线中的两个中以及在另外的供电线中的一个中布置电流测量传感器，并且估计单元与电流测量传感器连接，其被设计为用于基于第一供电线的对应的测量的电流值来估计另外的供电线的未采集的电流。估计单元例如可以作为微处理器形式的独立的组成部分存在或者集成到其它组成部分中，其中，估计单元对于所估计的另外的供电线的未采集的电流的电流值，采用所测量的对应的第一供电线中的电流值。

附图说明

下面，借助优选实施例来详细解释本发明，但是本发明不局限于优选实施例。附图详细地示出：

图1示出了变流器上的两个并联的电机的布置；

图2示出了具有对应于第一和第二电流空间矢量的两个电流空间矢量的坐标系；

图3示出了用于绕组电阻确定的电压曲线和电流曲线；以及

图4示出了根据本发明的方法或根据本发明的设备的扩展。

具体实施方式

图1示出了由共同的变流器3供电的第一电机1和第二电机2。在此，变流器3具有三个变流器输出导线4。第一电机1和第二电机2分别经由三个供电线5或6连接到变流器输出导线4，因此连接到变流器3。在第一电机1的供电线5中的两个中，在这种情况下在供电线U和V中，布置两个电流测量传感器7，其测量这两个供电线中的电流。在第二电机2的供电线6中的一个中，在这种情况下在供电线W中，布置另外一个电流测量传感器8。在这里应当再次提及，电流测量传感器7在第一电机1的供电线5中的布置以及传感器8在第二电机2的供电线6中的布置可以是任意的。

下面，现在示出示例性运行情况，利用其详细解释根据本发明的方法。为此，首先假设第一电机1和第二电机2在时间点t＝T₁具有相同的负载。变流器3根据预给定参数在输出端施加电压，因此在供电线5和6中流过电流。在时间点t＝T₁，在供电线5和6中流过电流I_U1＝I_U2＝1,I_V1＝I_V2＝-0.5以及I_W1＝I_W2＝-0.5。借助电流测量传感器7测量电流I_U1和I_V1，由此能够借助I_U1+I_V1+I_W1＝0确定电流I_W1。借助电流测量传感器8能够测量电流I_W2。

基于至少一个第一电机1的测量的电流值I_U1和I_V1，估计至少一个第二电机2的对应的未测量的电流

和

对估计的参量设置顶标。在这种情境下，“对应的”意为“相同的供电线/相”。因此，在该例子中假设，在时间点t＝T₁，在第二电机2的供电线6中的未测量的供电线U和V中流过电流

和

随后，形成偏差度量δ，其由估计的总电流

计算为

在选择的时间点，计算为δ＝0，因为所有对应的供电线中的电流相等。

在另一个时间点t＝T₂，在电机的负载不同的情况下，例如在第一电机1的供电线5中流过电流I_U1＝1，I_V1＝-0.5和I_W1＝-0.5，并且在第二电机2的供电线6中流过电流I_U2＝1.2，I_V2＝-0.6和I_W2＝-0.6。偏差度量δ因此计算为δ＝-0.1。由此可以推断出电机在时间点t＝T₂具有不同的负载。利用该信息，现在可以采取如从文献中已知的控制措施。

在图2中绘制了具有实轴和虚轴的坐标系9。在一个优选的实施方式中，由至少一个第一电机1的供电线5中的测量的电流，根据

i₁＝2/3(I_U1+I_V1*e^j120°+I_W1*e^j240°)

形成第一电流空间矢量10。由至少一个第二电机2的供电线6中的测量的电流I_W2以及两个未测量的电流的估计值

和

根据

确定第二电流空间矢量11。将其以量值和相位描绘到坐标系9中。在上面的时间点t＝T₂的值的情况下，从图2中可以看出，第一电流空间矢量10在量值和相位上与第二电流空间矢量不同。在时间点t＝T₁，第二电流空间矢量11在量值和相位上与第一电流空间矢量10相同，这些电流空间矢量10，11因此在坐标系9中重叠。借助第二电流空间矢量i₂，可以估计第二电机2的转矩，这本身从现有技术中是已知的。此外，借助第一电流空间矢量i₁可以计算第一电机1的转矩。

当确定了第一电流空间矢量10和第二电流空间矢量11时，可以根据第一电流空间矢量10与第二电流空间矢量11的相位差和/或量值差确定第一电机的电流相对于第二电机的电流的偏差度量。因此，量值差和相位差可以直接用作偏差度量。由此，提供表示电机的负载差异的第二偏差度量。如果第一电流空间矢量10和第二电流空间矢量11的量值和相位重合，则第一电机1和第二电机1具有相同的负载。

图3示出了说明绕组电阻确定的图。在此，横坐标示出了时间轴12，并且纵坐标示出了电机2的供电线或相W的电流I和电压U的共同的轴13。在该图中示出了第二电机2的供电线W的具有电压跳变ΔU的示例性电压曲线14以及具有电流跳变ΔI的示例性电流曲线15。这种电压曲线通过将电压空间矢量u₁切换为另一个电压空间矢量u₂形成。电压空间矢量由变流器3预先给定并且根据

u＝2/3(U_U+U_V*e^j120°+U_W*e^j240°)

计算。电压空间矢量u₁在各个供电线中引起电流，该电流借助相应的供电线中的电流测量传感器7和8来采集。在图3中示出的第二电机2的供电线W的电流曲线15借助电流测量传感器8来测量。在该例子中，在时间ΔT之后，由于电压空间矢量以跳变的方式从u₁切换为u₂而出现电压跳变ΔU。由于施加新的电压空间矢量u₂，电机2的供电线/相W的电压U也从电压U₁改变为电压U₂，其中，ΔU＝U₂-U₁成立。因此，供电线W中的电流I_W根据电流曲线15也近似地以跳变的方式改变。在暂态效应消退之后确定电流跳变ΔI，并且通过

R_W2＝ΔU/ΔI

确定第二电机2的相W的绕组电阻R_2W。在此，仅使用了电压和电流的差，即跳变ΔU和ΔI。绕组电阻确定可以在也可以测量或计算电流的所有供电线中类似地进行。因此，这在第一电机1的所有三个供电线5中和在布置了电流测量传感器8的第二电机2的供电线中都可以进行。在该例子中，这是供电线W。

当已知绕组电阻时，可以通过使用与温度相关的电阻模型来确定绕组中的温度。如果例如使用如下形式的线性模型：

R_2W≈R₀+(T-T₀)*α，

则当已知温度T₀下的电阻R₀和温度系数α时，可以通过等式的变换推断出第二电机2的绕组W中的温度T。也可以使用更高阶的温度模型。

此外，从图3中可以看出，电流跳变不是瞬间产生的，而是具有初始电流增加16。该电流增加16的原因在于第二电机2的电感。当然，这适用于使用的所有电机。电感可以借助电流增加16来确定。这根据等式ΔU≈L*dI/dt来进行，其中，L表示电感，并且dI/dt表示电流增加16。如果紧接在电压跳变ΔU之后出现电流增加16，则可以忽略绕组电阻R，因为紧接在电压跳变ΔU之后的时间点ΔT的电流I_W2保持近似恒定并且电感处的总电压ΔU下降。因此，电感由下式来计算：

L≈ΔU/(dI/dt)。

当电机的转子旋转时，电感发生变化。这例如在异步电机的情况下是由于开槽效应。反之，如果转子静止，则电感保持恒定。由此，可以基于所确定的电感来确定转子的位置的变化，特别是静止状态。因此，如果借助电流增加16和电压跳变ΔU来确定第二电机的相W的电感，则当电感保持稳定时，可以可靠地识别出转子静止状态。

图4示出了本方法或本设备的进一步扩展。在此，设置两个第一电机1a和1b以及两个第二电机2a和2b。这些电机由变流器3a供电。第一电机1a和1b并联并且由供电线5a供电。在供电线5a中的两个中分别布置电流测量传感器7a。供电线5a在电流测量传感器7a之后分成电机供电线18a和18b。第二电机2a和2b同样并联并且经由供电线6a供电。在供电线6a中的一个中布置电流测量传感器8a。供电线6a在电流测量传感器8a之后分成电机供电线19a和19b。供电线5a和6a经由变流器输出导线4a与变流器3a连接。借助电流测量传感器7a可以测量电流I_1U和I_1V。根据等式I_U1+I_V1+I_W1＝0，可以确定电流I_1W。基于如此确定的供电线5a中的电流，可以估计供电线6a中的未测量的电流，如也在根据图1的实施方式中所进行的。由此，随后同样可以确定根据

计算的偏差度量δ。当然，电流测量传感器7a和8a在供电线5a和6a中的布置在此也是任意的，本方法不会因此受到限制。由于供电线5a和6a在电流测量传感器7a和8a之后分为电机供电线18a,b和19a,b，因此测量的电流是第一电机或第二电机的平均值。因此，估计值

和

(在这种情况下是针对第二电机2a和2b的供电线U和V的估计值)也是第二电机2a和2b的平均值。根据图1至3描述的图示和方法步骤现在可以类似地应用于根据图4的扩展布置上。当然也可以使用多于两个的第一电机1a和1b或多于两个的第二电机2a和2b。所示出的原理在此保持相同。

Claims (12)

1.一种用于检测由变流器(3)供电的至少一个第一电机(1)和至少一个与其并联的第二电机(2)之间的负载差异的方法，其中，电机分别经由三个供电线(5，6)与变流器(3)连接，其特征在于，在至少一个第一电机(1)的两个供电线(5)中以及在至少一个第二电机(2)的供电线(6)中的一个中，借助相应的供电线中的电流测量传感器(7，8)测量电流，并且基于至少一个第一电机(1)的测量的电流值估计至少一个第二电机(2)的对应的未测量的电流，其中，对于所估计的至少一个第二电机(2)的未测量的电流的电流值，采用所测量的至少一个第一电机(1)的对应的供电线中的电流值，并且采集至少一个第二电机(2)的供电线(6)的估计的总电流，作为至少一个第二电机(2)与至少一个第一电机(1)的电流的偏差度量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据至少一个第一电机(1)的供电线(5)中的测量的电流确定第一电流空间矢量(10)，并且根据至少一个第二电机(2)的供电线(6)中的测量的电流和对两个未测量的电流的估计确定第二电流空间矢量(11)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于第二电流空间矢量(11)估计至少一个第二电机(2)的转矩。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，基于第一电流空间矢量(10)计算至少一个第一电机(1)的转矩。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据第一电流空间矢量(10)与第二电流空间矢量(11)的相位差和/或量值差，来确定至少一个第二电机(2)与至少一个第一电机(1)的电流的偏差度量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在供电线(5，6)中接入电压跳变ΔU产生电流变化，电流变化通过电流测量传感器(7，8)来采集，并且根据测量的对应的电流变化来确定绕组电阻。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过使用与温度相关的电阻模型来计算绕组中的温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在包含电流测量传感器(7，8)的供电线(5，6)中施加电压并且通过测量对应的电流的电流增加(16)来确定电感。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所确定的电感确定转子位置的变化。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所确定的电感确定转子的静止状态。

11.一种用于检测并联的电机之间的负载差异的设备，其具有到至少一个第一电机(1)的三个第一供电线(5)和到至少一个第二电机(2)的三个另外的供电线(6)，其特征在于，在第一供电线(5)中的两个中并且在另外的供电线(6)中的一个中布置电流测量传感器(7)，并且估计单元与电流测量传感器连接，估计单元被设计为用于基于第一供电线(5)的对应的测量的电流值来估计另外的供电线(6)的未采集的电流，其中，估计单元对于所估计的另外的供电线(6)的未采集的电流的电流值，采用所测量的对应的第一供电线(5)中的电流值。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，至少一个第一电机(1)和至少一个第二电机(2)是异步电机。

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