CN111164880B - 高能效的异步电机 - Google Patents

Abstract

在一种用于确定异步电机(1)的通量(4)的方法中，根据异步电机(1)的损耗(7)来设定通量(4)。因此，用于确定异步电机(1)的通量(4)的装置具有用于根据异步电机的通量计算异步电机(1)的损耗(7)的模型(5)和用于根据损耗来选择通量(7)的选择装置(8)。

Description

高能效的异步电机

技术领域

本发明涉及一种异步电机。异步电机可以在一个运行点或不同的运行点中运行。为此可以设置各种控制器或调节器。

背景技术

已知有用于异步电机的控制和/或调节的各种概念。

EP 0 019 138 B1示出了一种用于调节由逆变器供电的异步电机的方法。在不检测转子转速的情况下，由预定的转速额定值与替换实际值之间的调节偏差形成与额定有效电流相对应的电流控制参量。根据由额定有效电流和与预设通量相对应的额定磁化电流形成的额定定子电流的振幅，来调节逆变器输出电流的振幅。由定子电流和定子电压的实际值计算有效电流和通量值的实际值，并由此作商形成负载状态变量，其在稳定运行中对应于负载角的切线。逆变器输出电流的频率基于频率控制参量来进行控制，该频率控制参量由实际值和由电流控制参量形成的负载状态参量的额定值的调节偏差形成。频率控制参量用作替换实际值。

从WO 2005/018086 A1中已知一种方法，该方法用于受控地施加用于由变流器供电的感应电机的定子电流额定值和转矩额定值，其中，根据预定的转子通量额定值和确定的转子通量实际值计算定子电流额定值的形成磁场的电流分量，并且根据预定的转矩额定值、所确定的转子通量实际值和所测量的定子电流的所确定的形成转矩的电流分量来计算定子电流额定值的形成转矩的电流分量，其中，根据所确定的转子滑差频率和角频率来确定定子角频率实际值，其中，由这些计算出的值根据与频率相关的漏感和定子电阻的参数计算出定子电压的积分作为调节参量，并由此导出从存储的离线优化通量曲线中选择出的通量曲线。

从DE 4138066 B4中也已知另一种磁场定向的调节。磁场定向的调节的结构对于有效电流实际值和通量ψ的准确性至关重要，因此也对适应过程的准确性至关重要。转子温度模型可用于提高精度。

从DE 195 24 654 A1中已知一种用于异步电机的无传感器的磁场定向的调节方法。在此使用机器模型来形成例如用于定子电阻的估计值。

由EP 0 771 067 B1已知另一种用于转子电阻的温度模型。

发明内容

在异步电机的情况中，越来越需要以高能效的方式运行它们。本发明的目的是改善异步电机的调节和/或控制。这实现了对异步电机的更高效的运行。

本发明的目的由根据本发明第一方面的用于确定异步电机的通量的方法或根据本发明第二方面的用于确定异步电机的通量的设备来实现。为此，本发明的目的还通过用于调节异步电机的方法来实现，其中使用了确定异步电机的通量的方法。该方法尤其用于使异步电机的损耗最小化和/或优化异步电机的效率。

异步电机可以在电压设定范围内以异步电机的额定通量运行。但是，预定的负载状态(固定转矩和固定转速)也可以利用不同的通量值实现。通量值可以在大约50％到120％的范围内自由选择(根据负载状态)。此自由度可被用于优化，例如用于效率优化。

在用于确定异步电机的通量的方法中，根据异步电机的损耗来设定通量。通过减少/最小化异步电机的损耗，可以提高/优化异步电机的效率(损耗优化)。

在该方法的一个设计方案中，在此使用了非线性饱和特性曲线。借助于非线性饱和特性曲线可以更精确地计算损耗。

在异步电机中，存在有可能与损耗相关的不同区域。这些区域例如是定子中的欧姆损耗、转子中的欧姆损耗、铁损、机械损耗等。

机械损耗包括摩擦损耗，例如轴承中的损耗。冷却过程中可能出现的通风损耗也增加总体损耗。在自主通风的机器中，功率要求与转速的三次方成比例地变化。还可以考虑由于定子和转子之间的空气涡流而产生的电流损耗，但是它们通常很小，因此可以忽略不计。

在确定损耗功率时，可以分为损耗功率的直接确定和损耗功率的间接确定。在直接确定的情况下，损耗类型通过有针对性的测量来获得。在间接测量时，定义输入和输出功率。而损耗功率被定义为差。由于在此形成差的是两个大致相等的参量，因此必须非常精确地确定各个功率P_in和P_out，以便以足够的精度获得损耗功率P_V：P_V＝P_in-P_out。尽管机械损耗在某些情况下非常相关，但它们在逆变器的能量优化中并不重要，因为由转速和转矩确定的工作点没有给出足够的范围。这种损耗类型的减少通过结构性措施、例如外部通风来实现。

例如根据DIN EN 60034-2-1的定义，未单独考虑的所有类型的损耗都称为“额外损耗”。

在该方法的一个设计方案中，使用模型来确定损耗。该模型特别考虑马达中、即电机中的损耗。这尤其是欧姆损耗、即电机定子中的欧姆损耗和/或电机转子中的欧姆损耗。铁损也是电机的损耗，也可以在模型中对其加以考虑。由于在静止状态下转子频率相对较低，因此与定子相比，转子中的基础振动铁损可以忽略不计。由于谐波分量很大(电流，电压)，因此逆变器运行中的铁损要高于市电运行中的铁损。在电机的等效电路图中，例如可以通过与主电感并联的电阻来考虑铁损。在模型中也可以考虑磁滞损耗。在电压设定范围内，磁滞损耗远超(dominieren)铁损。其如下地得出：

P_h＝k_h*f*ψ²。

在模型中也可以考虑涡流损耗。涡流损耗在磁场弱势区域远超铁损。

其如下地得出：

P_w＝k_w*f²*ψ²。

在该方法的一个设计方案中，在模型中考虑非线性饱和特性曲线。该特性曲线可以直接存储在模型中。

在该方法的一个设计方案中，借助于模型来确定损耗，其中，为了减少(最小化)损耗，通量或者被降低到100％以下或增高到100％以上。

异步电机可以在电压设定范围内以100％通量下的异步电机的额定通量运行。预设的负载状态(固定转矩和固定转速)也可以利用其它的通量值实现。通量值例如可以在大约50％至120％的范围内选择(取决于负载状态)。通过所选通量来影响异步电机的损耗。根据异步电机的运行状态，将通量增加到额定通量的100％以上可以减少损耗。

在该方法的一个设计方案中，通过迭代地设定通量来逐步逼近最小损耗，由此来达到新的待设定的通量。在该方法的一个设计方案中，确定一通量，在该通量下损耗最小，并且在一个步骤中设定所确定的通量。

在该方法的一个设计方案中，电机的模型具有热学模型。异步电机中的至少一部分损耗可以使用热学马达模型来计算。该热学模型也可以用于马达保护和电阻适配。在一个设计方案中，热学模型的计算(也)用于效率优化。

在该方法的一个设计方案中，考虑欧姆损耗。欧姆损耗与电流的平方成正比，并且与导体的电阻线性相关。该电阻值与温度有关，并且通常不能忽略此关系：

R_θ＝R_20℃*(1+α*ΔT)。

其中，因子α与材料相关。

在铜的情况下，值为在铝的情况下，值为/>

一般的经验法则是，随着温度增加100K，可以预期电阻会增加40％。在静止状态中的基本振荡频率下，电流位移通常不发挥特别重要的作用。然而，在逆变器运行中，由于减小的穿透深度，无法再忽略电流中的谐波和由它们引起的欧姆损耗。第n阶谐波R_n的等效电阻例如可以如下建模，其中n是相应谐波的阶数，f是谐波的频率(基于额定频率)：

R_n＝R_s，DC*(1+k_n*f_n ^0.5)。

参数k_n可以使用有限元方法获得。定子中的欧姆损耗根据以下公式计算：

P_s，Cu＝3*R_s*I_s²。

在测量R_s(定子电阻)时应注意，在调节中应考虑可能一同被测量到的电缆电阻，但它不会像定子绕组的电阻那样与温度相关地变化。在定子中的欧姆损耗的情况中应注意的是，电流的纵向分量i_d和相应的横向分量i_q均对此有用作。转子中的欧姆损耗可以根据下式计算：

P_r，Cu＝3*R_r*I_r²。

在瞬态条件下出现的转子频率的情况下，由电流位移引起的电阻变化可能不可忽视。

在该方法的一种设计方案中，设定损耗最小时的通量(电机的磁通量)。选择一通量，使损耗最小。为此，使用电机模型，通过该模型可以计算损耗。这尤其涉及电机的总损耗的仅仅一部分。

在该方法的一个设计方案中，将电机的纵向电流I_d设置为不等于电机的横向电流I_q。这源于以下知识：在I_q＝I_d的条件下，通常无法实现电机的最优运行点。

在该方法的一种设计方案中，对电机的效率进行优化。为了优化目的，借助于模型在模型中计算电机的损耗、例如与温度相关的欧姆损耗。计算出的损耗根据模型中所选择的通量而变化。在电机上设定使得模型中的损耗最小的通量。

在该方法的一个设计方案中，在所设定的通量下的电流值不同于最小电流值。如果出现这种情况，则很明显，即使在电流值不是最小时所选择的通量也可以实现电机的最优高效的运行。

在该方法的一个设计方案中，可以与负载无关和/或相关地来实现通量的设定。在该方法的一个设计方案中，由预定的负载状态(由转矩和/或转速给定)和已知的通量值来计算当前的损耗功率。然后，对于相同的负载条件，以设定的更小一些(例如约5％)和更大一些的通量来计算损耗功率。用于计算损耗功率的通量之间的差也可以在1％和10％的范围内移动，或从该范围中选择。也可以根据电机的运行状态选择百分比例。根据这三个损耗值(在较小的通量，当前的通量，较大的通量下)，尤其可以通过抛物线近似来计算最小的损耗功率。与最小损耗功率相关的通量被设定为最优通量。该方法可以具有其他的迭代步骤。

在该方法的一种设计方案中，根据通量的变化来计算损耗的变化，其中，根据所计算的损耗来设定通量。这可以实现为快速、稳定的方法。通量尤其被设定为，使得效率达到在测量技术上最大可达的值。该方法无需迭代即可执行。由于直接计算(无迭代)，因此该方法比迭代方法更快、更可靠。对铁损(仍可占额定损耗的15％到25％，并且在考虑条件Id＝Iq的方法中被完全忽略)的考虑实现了改进的、尤其是最大程度的效率优化。

根据所描述的设计方案，该方法尤其是直接、快速和可靠的。特别地，为此不需要新的马达参数，已知的和现有的参数就足够了。迄今可能存在的电机数据库不需要扩展。所描述的用于确定电机通量以对其进行优化的方法需要少量计算时间并且可以低成本地实现。

在该方法的一种设计方案中，在异步电机的运行中的当前通量下，在相对减小的通量下以及在同样相对增大的通量下计算损耗，其中，借助于所计算的损耗来确定曲线的最小值，其中，设定最小损耗下的通量。也就是说，在异步电机运行期间的当前通量下，借助于(针对/用于异步电机的)模型来计算当前的损耗。此外，借助于该模型计算一个当通量降低时将出现的损耗。此外，借助于该模型计算一个当通量增加时将要出现的损耗。在此，减少或降低涉及对于当前通量所假定的变化。针对当前通量、假定减少的通量和假定增加的通量来计算损耗。由这些针对损耗的值可以形成函数，特别是多边形函数或抛物线函数。对于反映损耗并取决于通量的这个所形成的函数，能够找到最小值，即一个使得损耗被最小化和/或最小的值。然后可以设定或逼近使得异步电机的损耗最小化和/或最小的通量值。因此，通量的设定可以在一个步骤中实现。不再需要使用用于设定最优通量的迭代方法。当前的通量的假设变化，即用于计算损耗或损耗函数的假设提高的通量的值和假设降低的通量的值，尤其被选择为，使得其足以形成抛物线函数或多边形函数。

该目的也可以借助于一种设备来实现。用于确定异步电机的通量的设备具有用于根据异步电机的通量来计算异步电机的损耗的模型以及用于根据损耗来选择通量的选择装置。通量被选择为，在该通量下损耗相比是最小的。

在设备的一种设计方案中，该设备具有用于该设备的激活装置。由此可以根据异步电机的负载动态进行激活。

在设备的一个设计方案中，该设备被集成在变流器中。这样，还可以随附使用存储在变流器中的电机数据。还可以随附使用可用于调节电机的变流器的计算能力。

可以借助于该设备来执行所描述的方法之一，或者该设备可以在其中一种方法中使用。

在一个设计方案中，在异步电机以能量最优的方式运行时，在计算通量的额定值时考虑饱和度和铁损。

附图说明

下面根据实施例并参照附图进一步说明本发明，在附图中，相同类型的元件具有相同的附图标记。在此示出：

图1示出了异步电机的效率与通量的预定值的相关性；

图2示出了损耗确定的实例；

图3示出了具有变流器的异步电机；

图4示出了转速、电流和电机温度的测量值；

图5示出了通量的测量值和计算出的损耗功率；以及

图6示出了异步电机的不同优化方式的比较。

具体实施方式

根据图1的图示示出了一个图表，其示例性地示出了在异步电机的情况中效率η10与通量ψ4的相关性。相对于电流(I[Aeff])的轴线9，还示出了电流值I的曲线11、横向电流额定值I_{q soll}的曲线12和电流的d分量的额定值I_{d soll}的曲线13。曲线12与曲线13的交点是大于在效率(η)的曲线10为最大值时的通量4的值的通量4的值。在电流值的曲线11为最小值时的通量4的值，小于在效率(η)的曲线10为最大值时的通量4的值。这显示出，作为对于为了实现最大的效率(曲线10的最大值)而对通量4进行设定的条件，还可以改善作为设定通量4的条件的电流值11的最小值或者曲线12和13(I_{q soll}＝I_{d soll})的交点。

根据图2的图示示出了用于在异步电机的各种稳定运行状态下进行损耗确定的实例a)至e)。示出了具有计算出的损耗功率、尤其是总损耗的曲线14，以及具有测量的有功功率减去测量的机械功率之差的曲线15。曲线14具有最小值16，其由菱形表示。曲线15具有最小值17，其由正方形标识。分别示出了与通量的相关性。这显示出，曲线15的最小值总是曲线14的最小值的附近。为了优化异步电机，因此选择一种通量，在该通量时计算出的损耗(计算出的损耗功率)最小。

通过饱和度特性曲线来确定I_{d soll}(i_sd)的值。可以从通量值和转矩计算出值I_{q soll}(i_sq)。滑差由转子电阻、横向电流和通量值得出。由此这得出定子频率。这意味着热学马达模型的所有参量都是已知的，并且可以明确地计算出电机损耗。由此能够得出以下等式：

其中：

根据图3的图示示出了异步电机1，该异步电机可以由变流器3经由电缆2供电。变流器2具有变流器调节装置30。在变流器调节装置中集成有模型5。该模型5例如涉及机器模型(马达模型)和/或机器的温度模型。替选于或除了温度模型、或者代替计算马达损耗，可以测量单个马达体(定子绕组、转子、定子叠片组)的温度。温度是一种经滤波的损耗。电机在给定的运行状态下温度越低，其能量就越优化。也可以想到通过下级的能量优化对单个电机组件进行温度监控。

然后通过其中集成有选择装置8的优化装置29对机器进行优化。利用选择装置8例如可以设置优化类型和/或可以设定(选择)最优通量。优化尤其涉及效率的优化。为此，特别是在不同选择的磁通量值下从机器损耗的计算值中得出这些值的曲线，并选择一个通量的值，在数学上生成的曲线在该值处具有最小值。激活装置31设置用于激活优化。

异步电机的最优运行点或其附近的运行点位于由热学马达模型计算出的损耗最小的位置。基于该事实，可以实现针对待设定的通量的搜索功能。在异步电机的稳定状态下，在通量发生实际变化之前，即在通量的额定值变化之前，可以计算出通量值在假定方向上的变化(例如增加通量或减少通量)会对效率产生正面的影响还是负面的影响。然后相应地改变通量额定值。

该计算基于预定的负载状态，以便确定速度和扭矩。另外，还有假定的通量。通量通过饱和度特性曲线确定了I_sd。I_sq可以根据磁通量和转矩来计算。滑差是由转子电阻、横向电流和通量得出的。也由此得出定子频率。因此，热学马达模型的所有参数都是已知的，并且可以明确地计算马达损耗。

计算出的最优通量界定在例如50％到120％之间。在用于对异步电机变频器的调节中，例如可以完全地考虑、不考虑或平滑地考虑计算出的最优通量。如此，例如可以在用于优化效率与用于优化损耗的功能之间切换，相应的优化完全地起作用、不起作用或部分地起作用，或者在优化变量之间实现了平滑过渡。

根据图4、5和6的图示示出了异步电机中的测量值的图表。图4示出了转速、电流和马达温度的测量值。图5示出了通量的测量值和计算出的损耗功率。图6示出了对异步电机的不同优化方式的比较。

对于图4和5中的测量值记录来说，引入了30个负载点(六个不同的转速，五个不同的转矩)。在所有负载点进行了三个测量：

1.无通量优化

2.利用效率优化(I_sd＝I_sq)

3.利用损耗优化(最小损耗是最优的)。

在测量过程中还记录了定子绕组的温度。

在上面列出的第2点的情况中，对异步电机的优化在调节模式(伺服模式和矢量模式)中例如如下地进行，励磁电流被设定为，使得其值对应于形成转矩的电流(I_d＝I_q方法)。这种方法减少了通量，尤其是在小负载的情况下。在过载区域中，通量保持不变。方法I_d＝I_q仅考虑了欧姆损耗，因此无法达到最优工作点。

根据图4的图示示出了在时间21上的电机温度(定子绕组温度)18、转速实际值19(不平滑)和电流实际值19(平滑)的量。从左到右选择以下值作为转速：n＝120％，n＝100％，n＝75％，n＝50％，n＝30％和n＝10％。如果未对通量值进行优化(在每种情况下均为首次测量)，则只要不发生磁场减弱，通量就会达到100％的期望值。“效率优化”(每种情况下的第二种测量)仅通过减少通量并且仅在很小的负载下起作用，在该实例中，损耗优化的方法几乎总是起作用的：在随通量减小的小负载下，随通量增加的高负载下。在此，总损耗功率几乎一直在降低。如果异步电机在额定点的范围内运行，则在电机大致正确设时，优化潜力会降低。

除了电流实际值19(平滑)的数值之外，根据图5的图示还绘入了通量实际值24(设定的通量)和在各种方法的情况中计算出的总损耗功率32：

1.无通量优化

2.利用效率优化(I_sd＝I_sq)

3.利用损耗优化(最小损耗是最优的)。

可以看出，在过载状态下，只要电压限制不起作用，电机就会被过度磁化。此外，可以观察到，在确定的工作状态下，使用损耗优化(上方的第3点)时，相比其他两种方法(上方的第1点和第2点)在减少通量时有更多的电流流动。尽管如此，总损耗却减少了。由于通量减少，铁损的减少比定子和转子中铜损的总体增加程度更大。

在根据图6的图示中，再次对三种方法进行了区分：

1.在第一阶段26中不进行通量优化

2.在第二阶段27中利用效率优化(I_sd＝I_sq)

3.在第三阶段28中利用损耗优化(最小损耗是最优的)。

还示出了定子22的计算出的损耗功率，定子绕组23的计算出的损耗功率，通量实际值24以及转子25的计算出的损耗功率。

图中显示的图表表明，对于不同的负载条件和不同的优化方式，从测量参量计算出的效率是不同的。特别是在较低转速或部分负载范围内，可以实现改进。

Claims (12)

1.一种用于确定异步电机(1)的通量(4)的方法，其中，确定根据所述异步电机的通量来计算所述异步电机的损耗的模型，根据所述异步电机(1)的损耗来选择所述通量(4)，其中，所述模型使用非线性饱和特性曲线，其中，所述通量(4)根据预定负载状态来设定，其中，所述异步电机的预定负载状态是基于固定的转矩和固定的转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述通量(4)或被降低至低于100％或被增高至高于100％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述模型(5)具有热学模型(5)。

4.据权利要求1所述的方法，其中，设定在最小损耗下的通量(4)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，对效率进行优化。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述损耗的变化根据所述通量(4)的变化来计算，并且所述通量(4)根据所计算的损耗来设定。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在当前的通量(4)的情况下、降低的通量的情况下和增高的通量的情况下计算所述损耗，其中，借助于所计算的损耗来确定曲线或函数的最小值，其中，设定在最小损耗下的通量(4)。

8.一种用于确定异步电机(1)的通量(4)的设备，具有用于根据所述异步电机的通量计算所述异步电机(1)的损耗的模型(5)，以及用于根据所述损耗来选择通量的选择装置(8)，其中，所述通量(4)根据预定负载状态来设定，其中，所述异步电机的预定负载状态是基于固定的转矩和固定的转速。

9.根据权利要求8所述的设备，具有用于所述设备的激活装置(31)，所述激活装置与所述异步电机(1)的负载动态相关。

10.根据权利要求8所述的设备，所述设备被集成在变流器中。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述异步电机(1)的效率能够通过用于选择通量(4)的所述选择装置来优化。

12.根据权利要求8所述的设备，所述设备被设置用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。