CN110798119A - 一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法 - Google Patents

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CN110798119A CN201911105254.9A CN201911105254A CN110798119A CN 110798119 A CN110798119 A CN 110798119A CN 201911105254 A CN201911105254 A CN 201911105254A CN 110798119 A CN110798119 A CN 110798119A
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Abstract

本发明公开了一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法，属于电机测控领域。本发明通过在线计算的方式，能够更加实时的获取感应电机的输入功率信息，为感应电机系统运行监控、故障诊断扩展研究提供了基础。通过软件模块在系统实现，不需要在电机驱动系统中增加额外的装置，不会增加系统的成本。利用本周期的重构电压与上一个开关周期的重构电压的平均值代替本周期初始时刻逆变器输出电压，从而对齐测量电流和重构电压的相位，在每一个电流环周期计算一次感应电机输入功率，提高了功率获取的实时性，更新时间短。在重构电机端电压中考虑逆变器中非线性部分的影响，提高了重构电压的准确性，进一步提高功率估算的准确性。

Description

一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法
技术领域
本发明属于电机测控技术领域，更具体地，涉及一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法。
背景技术
感应电机由于结构简单，制造方便，成本低廉等优点被广泛应用在工农业以及家用电器等领域。随着现代工业的飞速发展，对于感应电机系统运行状态的监控以及故障诊断的研究提出了更高的要求。感应电机系统中感应电机输入有功功率可以反映感应电机系统中负载的运行特性，输入无功功率可以反映电机本身以及逆变器的运行状态，这些信息的在线实时获取对于感应电机系统状态监控以及故障诊断具有重要意义。
传统的感应电机输入功率的获取多采用功率分析仪或外接电量传感器配合信号采集分析系统进行测量，不仅增加了成本，而且功率分析仪更新数据的时间较长，获取的功率数据的实时性较差，不能快速掌握感应电机系统的运行状态。
发明内容
针对现有技术感应电机输入功率的获取方法成本高、周期长、实时性差的问题，本发明提供了一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法，其目的在于不增加系统成本的前提下，在每一个电流环周期中实时计算感应电机输入功率。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法，该方法包括以下步骤：
S1.获取感应电机驱动系统中逆变器的开关管开通延迟时间tdon、开关管关断延迟时间tdoff、开关管导通压降Vs、续流二极管导通压降VD和死区时间推荐值，根据死区时间推荐值设置开关管死区时间Td；
S2.当驱动系统中电机电流反馈信号的采样时刻到达时，获取PWM发生器比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc以及电机电流反馈信号ia、ib；
S3.根据Td、tdon、tdoff、Vs、VD、CMPRa、CMPRb、CMPRc、ia、ib，进行电机端电压的重构；
S4.对重构电压进行处理，实现重构电压与电机电流反馈信号的相位同步性；
S5.根据处理后的电压和电机电流反馈信号，计算感应电机输入有功功率与无功功率。
具体地，步骤S3包括以下步骤：
S31.根据PWM发生器输入的比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc，计算逆变器三相桥臂上开关管的理想导通时间txon，其中，x分别为a、b、c；
S32.根据txo以及ia、ib，计算x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4；
S33.根据x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4，利用伏秒原理计算逆变器x相相对于直流母线低电位点的电压VxN；
S34.根据逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压，计算三相电压。
具体地，逆变器三相桥臂上开关管的理想导通时间taon、tbon、tcon的计算公式如下：
其中，PWMreg为PWM发生器中开关周期寄存器的值，TPWM为逆变器开关周期。
具体地，所述根据txo以及ia、ib，计算x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4，具体如下：
(1)当ix>0且txon>(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000032
导通时间tx1＝(txon-Td-tdon+tdoff)，x相下桥臂功率开关管Sxx导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管导通时间tx3＝0，x相下桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000034
导通时间tx4＝(TPWM-tx1)；
(2)当ix>0且txon≤(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000035
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000036
导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000037
导通时间tx3＝0，x相下桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000038
导通时间tx4＝TPW；
(3)当ix≤0且TPWM-txon>(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000039
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管
Figure BDA00022695428900000310
导通时间tx2＝(txon-Td-tdon+tdoff)；x相上桥臂续流二极管
Figure BDA00022695428900000311
导通时间tx3＝(TPWM-tx2)，x相下桥臂续流二极管
Figure BDA00022695428900000312
导通时间tx4＝0；
(4)当ix≤0且TPWM-txon≤(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure BDA00022695428900000313
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管
Figure BDA00022695428900000315
导通时间tx3＝TPWM，x相下桥臂续流二极管
Figure BDA00022695428900000316
导通时间tx4＝0；
其中，ic＝(-ia-ib)。
具体地，相对于直流母线低电位点的电压VxN的计算公式如下：
其中，tx1为x相上桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000042
导通时间，tx2为x相下桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000043
导通时间，tx3为x相上桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000044
导通时间，tx4为x相下桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000046
导通时间，TPWM为逆变器开关周期，Vdc为直流母线电压。
具体地，所述三相电压计算公式如下：
Figure BDA0002269542890000045
其中，Vsa、Vsb、Vsc为逆变器三相输出电压，VaN、VbN、VcN为逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压。
具体地，步骤S4中，利用当前周期的重构电压与上一周期的重构电压的平均值表示当前周期初始时刻逆变器输出的电压。
具体地，所述步骤S5为：
根据等幅变换原则，将逆变器三相输出电压转换到两相静止坐标系，转换后的电压为VSα、Vsβ，将电机电流反馈信号转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ；根据P＝1.5*(Vsαisα+Vsβisβ)计算感应电机输入有功功率，根据Q＝1.5*(Vsβisα-Vsαisβ)计算感应电机输入无功功率；或者，
根据等功率变换原则，将逆变器三相输出电压转换到两相静止坐标系，转换后的电压为Vsα、Vsβ，将电机电流反馈信号转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ；根据P＝Vsαisα+Vsβisβ计算感应电机输入有功功率，根据Q＝Vsβisα-Vsαisβ计算感应电机输入无功功率。
具体地，该方法还包括步骤：
在计算感应电机输入有功功率与无功功率前，对电机电流反馈信号与重构电压进行低通滤波。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明改变了传统的感应电机输入功率的获取方式，运用在线计算的方式，能够更加实时的获取感应电机的输入功率信息，反映感应电机系统的运行状态，为感应电机系统运行监控、故障诊断扩展研究提供了基础。
(2)本发明通过软件模块在感应电机数字化矢量控制系统实现，仅占用系统处理器计算资源，不需要在电机驱动系统中增加额外的装置，不会增加系统的成本。
(3)本发明利用本周期的重构电压与上一个开关周期的重构电压的平均值代替本周期初始时刻逆变器输出电压，从而对齐测量电流和重构电压的相位，在每一个电流环周期计算一次感应电机输入功率，提高了功率获取的实时性，更新时间短。
(4)本发明在重构电机端电压中考虑逆变器中非线性部分的影响，提高了重构电压的准确性，进一步提高功率估算的准确性；通过滤波处理去除电流中的测量噪声以及重构电压中开关频率相关的谐波，避免对获取的感应电机输入功率的准确性的影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法流程图；
图2为本发明实施例提供的逆变器主电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的逆变器x相电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.获取感应电机驱动系统中逆变器的开关管开通延迟时间tdon、开关管关断延迟时间tdoff、开关管导通压降Vs、续流二极管导通压降VD和死区时间推荐值，根据死区时间推荐值设置开关管死区时间Td。
根据交流感应电机驱动系统中逆变器型号，获取开关管开通延迟时间tdon、开关管关断延迟时间tdoff、开关管导通压降Vs和续流二极管导通压降VD。
根据逆变器手册中死区时间推荐值设置开关管死区时间Td。
步骤S2.当驱动系统中电机电流反馈信号的采样时刻到达时，获取PWM发生器比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc以及电机电流反馈信号ia、ib。
获取到的PWM发生器比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc用于驱动逆变器中的功率开关管。
步骤S3.根据Td、tdon、tdoff、Vs、VD、CMPRa、CMPRb、CMPRc、ia、ib，进行电机端电压的重构。
现有技术电机端电压重构时，由于未考虑开关管开关延迟时间、开关管导通压降和二极管导通压降的非线性特性的影响，导致重构电压和电机输入的端电压不对应。
逆变器主电路结构如图2所示，步骤S3包括以下步骤：
S31.根据PWM发生器输入的比较值信息CMPRa、CMPRb、CMPRc，计算逆变器三相桥臂上开关管的理想导通时间taon、tbon、tcon，计算方式为：
Figure BDA0002269542890000071
其中，PWMreg为PWM发生器中开关周期寄存器的值，TPWM为逆变器开关周期。
S32.根据taon、tbon、tcon以及ia、ib，计算x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2、续流二极管的导通时间tx3、tx4。
逆变器x相电路图如图3所示，x分别为a、b、c，且ic＝(-ia-ib)，即可通过以下方式，判断三相桥臂中功率开关管与续流二极管的导通状态，计算x相桥臂中功率开关管与续流二极管的导通时间的导通时间：
(1)当ix>0且txon>(Td+tdon)时
x相上桥臂功率开关管
Figure BDA0002269542890000072
导通或者x相下桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000073
导通。此时，
Figure BDA0002269542890000074
导通时间tx1＝(txon-Td-tdom+tdoff)，
Figure BDA0002269542890000075
导通时间tx2＝0；
Figure BDA0002269542890000076
导通时间tx3＝0，
Figure BDA0002269542890000077
导通时间tx4＝(TPWM-tx1)，x分别为a、b、c。
(2)当ix>0且txon≤(Td+tdon)时
x相下桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000078
导通。此时，
Figure BDA0002269542890000079
导通时间tx1＝0，
Figure BDA00022695428900000710
导通时间tx2＝0；
Figure BDA00022695428900000711
导通时间tx3＝0，
Figure BDA00022695428900000712
导通时间tx4＝TPWM，x分别为a、b、c。
(3)当ix≤0且TPWM-txon>(Td+tdon)时
x相下桥臂功率开关管
Figure BDA00022695428900000713
导通或者x相上桥臂续流二极管
Figure BDA00022695428900000714
导通。此时，
Figure BDA00022695428900000715
导通时间tx1＝0，
Figure BDA00022695428900000716
导通时间tx2＝(txon-Td-tdon+tdoff)；
Figure BDA00022695428900000717
导通时间tx3＝(TPWM-tx2)，
Figure BDA0002269542890000081
导通时间tx4＝0，x分别为a、b、c。
(4)当ix≤0且TPWM-txon≤(Td+tdon)时
x相上桥臂续流二极管
Figure BDA0002269542890000082
导通。此时，
Figure BDA0002269542890000083
导通时间tx1＝0，
Figure BDA0002269542890000084
导通时间tx2＝0；
Figure BDA0002269542890000085
导通时间tx3＝TPWM，
Figure BDA0002269542890000086
导通时间tx4＝0，x分别为a、b、c。
S33.根据x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2、续流二极管的导通时间tx3、tx4，利用伏秒原理计算逆变器x相相对于直流母线低电位点的电压VxN。
Figure BDA0002269542890000087
其中，x分别为a、b、c，VxN为逆变器x相相对于直流母线低电位点的电压，tx1为x相桥臂中功率开关管
Figure BDA0002269542890000088
导通时间，tx2为x相桥臂中功率开关管
Figure BDA0002269542890000089
导通时间，tx3为x相桥臂中续流二极管
Figure BDA00022695428900000810
导通时间，tx4为x相桥臂中续流二极管
Figure BDA00022695428900000811
导通时间，TPWM为逆变器开关周期，Vdc为直流母线电压，Vs为功率开关管导通压降，VD为续流二极管导通压降。
S34.根据逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压，计算三相电压。
Figure BDA00022695428900000812
其中，Vsa、Vsb、Vsc为逆变器三相输出电压，VaN、VbN、VcN为逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压。
步骤S4.对重构电压进行处理，实现重构电压与电机电流反馈信号的相位同步性。
重构电压计算的是每个开关周期内电压的平均值，开关周期相对于电压周期非常小，可以近似认为在开关周期内，电压是线性变化的，那么重构电压可以近似认为是开关周期时间中点的瞬时值。
利用本周期的重构电压与上一周期的重构电压的平均值即可表示本周期初始时刻逆变器输出的电压，电流信号是开关周期初始时刻采集的电机电流反馈信号，则通过上述处理，实现了电压电流信号的同步性。
步骤S5.对电机电流反馈信号与重构电压进行滤波处理。
电流测量信号中存在测量噪声，重构电压信号中存在和开关频率相关的谐波部分，影响功率估算结果的准确性，需要通过低通滤波处理去除该信号中的高频部分，提高功率计算结果的准确性。
滤波处理后的电压为Vsal、Vsbl、Vscl，处理后的电流为ial、ibl。
步骤S6.利用处理后的电压电流信息计算感应电机输入有功功率与无功功率。
根据等幅变换原则，将Vsal、Vsbl、Vscl转换到两相静止坐标系，转换后的电压为Vsα、Vsβ，将ial、ibl转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ。根据P＝1.5*(Vsαisa+Vsβisβ)计算感应电机输入有功功率。根据Q＝1.5*(Vsβisα-Vsαisβ)计算感应电机输入无功功率。
或者，根据等功率变换原则，将Vsal、Vsbl、Vscl转换到两相静止坐标系，转换后的电压为Vsα、Vsβ，将ial、ibl转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ。根据P＝Vsαisα+Vsβisβ计算感应电机输入有功功率。根据Q＝Vsβisα-Vsαisβ计算感应电机输入无功功率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.获取感应电机驱动系统中逆变器的开关管开通延迟时间tdon、开关管关断延迟时间tdoff、开关管导通压降Vs、续流二极管导通压降VD和死区时间推荐值，根据死区时间推荐值设置开关管死区时间Td；
S2.当驱动系统中电机电流反馈信号的采样时刻到达时，获取PWM发生器比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc以及电机电流反馈信号ia、ib；
S3.根据Td、tdon、tdoff、Vs、VD、CMPRa、CMPRb、CMPRc、ia、ib，进行电机端电压的重构；
S4.对重构电压进行处理，实现重构电压与电机电流反馈信号的相位同步性；
S5.根据处理后的电压和电机电流反馈信号，计算感应电机输入有功功率与无功功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
S31.根据PWM发生器输入的比较值CMPRa、CMPRb、CMPRc，计算逆变器三相桥臂上开关管的理想导通时间txon，其中，x分别为a、b、c；
S32.根据txon以及ia、ib，计算x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4；
S33.根据x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4，利用伏秒原理计算逆变器x相相对于直流母线低电位点的电压VxN；
S34.根据逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压，计算三相电压。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，逆变器三相桥臂上开关管的理想导通时间taon、tbon、tcon的计算公式如下：
Figure FDA0002269542880000021
其中，PWMreg为PWM发生器中开关周期寄存器的值，TPWM为逆变器开关周期。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据txon以及ia、ib，计算x相桥臂中功率开关管的导通时间tx1、tx2和续流二极管的导通时间tx3、tx4，具体如下：
(1)当ix＞0且txon＞(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure FDA0002269542880000022
导通时间tx1＝(txon-Td-tdon+tdoff)，x相下桥臂功率开关管
Figure FDA0002269542880000023
导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管
Figure FDA0002269542880000024
导通时间tx3＝0，x相下桥臂续流二极管
Figure FDA0002269542880000025
导通时间tx4＝(TPWM-tx1)；
(2)当ix＞0且txon≤(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure FDA0002269542880000026
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管
Figure FDA0002269542880000028
导通时间tx3＝0，x相下桥臂续流二极管
Figure FDA0002269542880000029
导通时间tx4＝TPWM；
(3)当ix≤0且TPWM-txon＞(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure FDA00022695428800000210
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管
Figure FDA00022695428800000211
导通时间tx2＝(txon-Td-tdon+tdoff)；x相上桥臂续流二极管
Figure FDA00022695428800000212
导通时间tx3＝(TPWM-tx2)，x相下桥臂续流二极管
Figure FDA00022695428800000213
导通时间tx4＝0；
(4)当ix≤0且TPWM-txon≤(Td+tdon)时，x相上桥臂功率开关管
Figure FDA00022695428800000214
导通时间tx1＝0，x相下桥臂功率开关管
Figure FDA00022695428800000215
导通时间tx2＝0；x相上桥臂续流二极管
Figure FDA00022695428800000216
导通时间tx3＝TPWM，x相下桥臂续流二极管
Figure FDA00022695428800000217
导通时间tx4＝0；
其中，ic＝(-ia-ib)。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，相对于直流母线低电位点的电压VxN的计算公式如下：
Figure FDA0002269542880000031
其中，tx1为x相上桥臂功率开关管
Figure FDA0002269542880000032
导通时间，tx2为x相下桥臂功率开关管
Figure FDA0002269542880000033
导通时间，tx3为x相上桥臂续流二极管
Figure FDA0002269542880000034
导通时间，tx4为x相下桥臂续流二极管导通时间，TPWM为逆变器开关周期，Vdc为直流母线电压。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三相电压计算公式如下：
其中，Vsa、Vsb、Vsc为逆变器三相输出电压，VaN、VbN、VcN为逆变器三相相对于直流母线低电位点的电压。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4中，利用当前周期的重构电压与上一周期的重构电压的平均值表示当前周期初始时刻逆变器输出的电压。
8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S5为：
根据等幅变换原则，将逆变器三相输出电压转换到两相静止坐标系，转换后的电压为Vsα、Vsβ，将电机电流反馈信号转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ；根据P＝1.5*(Vsαisα+Vsβisβ)计算感应电机输入有功功率，根据Q＝1.5*(Vsβisα-Vsαisβ)计算感应电机输入无功功率；或者，
根据等功率变换原则，将逆变器三相输出电压转换到两相静止坐标系，转换后的电压为Vsα、Vsβ，将电机电流反馈信号转换到两相静止坐标系，转换后的电流为isα、isβ；根据P＝Vsαisα+Vsβisβ计算感应电机输入有功功率，根据Q＝Vsβisα-Vsαisβ计算感应电机输入无功功率。
9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：
在计算感应电机输入有功功率与无功功率前，对电机电流反馈信号与重构电压进行低通滤波。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～9任一项所述的感应电机输入有功功率与无功功率在线获取方法。
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