CN113839604A - 堵转识别 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防止电动马达在堵转情况下过载的装置和方法，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行。

Description

堵转识别

技术领域

本发明涉及一种用于防止电动马达过载的装置，所述电动马达优选是BLDC马达。

背景技术

如果在堵转状态下用标称马达电流为电动马达(特别是BLDC马达)馈电，绕组就会出现不允许的发热。这会毁坏马达，而且可能引发火灾。马达正常工作时通过自身的旋转运动得到冷却。出于这个原因，正常运行时的允许马达电流可以比马达堵转(Motorblockade)时高。现有技术中有不同方案来防止这样的状态。

例如，DE 101 21 766 A1揭示一种用于汽车中的风扇的驱动机组，具有依赖直流电源工作的电动风扇马达以及用于通过改变风扇马达上的工作电压来控制风扇马达转速的装置。然而，风扇马达的堵转和/或运转不畅不是总能被识别到，从而导致风扇马达及其馈电线发生不允许的过热，在负载持续存在的情况下，这种不允许的过热将导致风扇马达毁坏。

DE 103 36 953 A1揭示一种装置，具有用于检测风扇马达的马达电流的构件。这些构件例如可包括电流测量电阻。该装置还包含具有存储构件的控制电路。例如专业车间的维护技师、风扇马达的制造商等可在这个存储构件中存储风扇马达的允许最大电流。继而在控制电路中将检测到的马达电流与存储的最大电流进行比较，一旦检测到的马达电流超过存储的最大电流，控制电路即识别到风扇马达发生堵转和/或运转不畅。由于最大电流是固定的，这就无法对马达的完整功率范围进行利用。为了根据转速来提高功率范围，必须检测马达的机械转速。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是安全且可靠地识别马达的堵转和/或运转不畅，特别是在尚未对马达或周围环境造成热致损害且尤其还能防止马达及其馈电线发生不允许的过热的时候。

这个目的通过根据权利要求1所述的特征组合而达成。

因此，本发明提出一种用于防止电动马达过载的装置，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行，所述装置包括用于识别马达堵转和/或运转不畅的构件，其中为此设置电流测量装置，其用于直接或间接地通过电动马达被电流测量装置所检测到的中间电路电流来检测电动马达的有功功率和损耗功率，并且，所述装置的分析电路被设计为将有功功率与欧姆损耗功率进行比较或者将中间电路电流

的峰值

与中间电路电流

的平均值

进行比较，且其中分析电路通过检测上述功率或中间电路电流的特定比率来检测马达的堵转和/或运转不畅。

换言之，本发明有两种检测堵转状态的方法。下文还将予以更详细的说明的第一种方法涉及的是功率相关观察。另一种方法涉及的是效率相关观察，下文同样将对其进行阐述。

其中，特别是以下边界条件对本发明来说是重要的。技术上不检测马达的机械转速。仅系统的电变量可供使用。在故障情况下，马达电流的电性旋转频率不等于机械旋转频率，而是有可能偏离机械旋转频率。

在本发明的有利实施方式中，在直流电压中间电路的通往末级电桥的负馈电线中设置分流电阻以作为用于检测中间电路电流的测量电阻。

进一步有利的是：在马达相中，优选在分流电阻上检测中间电路电流

的峰值

以检测堵转状态，且进一步优选地，除中间电路电流

的峰值

外，也还检测平均值

并且根据平均值

与峰值

的数学比率测定马达转速ω_mech，其中通过以下方式识别堵转或运转不畅，即，针对根据中间电路电流所测定的马达转速ω_mech，适用以下：

ω_mech＝0或

除所述装置外，本发明的另一个方面涉及一种优选借助上述装置来防止电动马达过载的方法，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行，所述方法包括以下步骤：

a.检测中间电路电流I_zk的峰值

和中间电路电流I_zk的平均值

b.测定中间电路电流I_zk的峰值

与中间电路电流I_zk的平均值

之间的比率v_{I_block}；

c.测定或检测v_{I_block}的当前值与值v_{I_norm}的比率，值v_{I_norm}是不堵转也非运转不畅的正常运行时中间电路电流I_zk的峰值

与中间电路电流

的平均值

之间的比率；

d.一旦检测到或超过v_{I_block}与v_{I_norm}之间的特定比率，即确定马达堵转且/或运转不畅。

在说明接下来的实施例时，下文还将对此进行更具体地阐述。

作为替代方案，如果进行功率相关分析，则所述方法也可包括以下步骤：

a.检测马达的绕组的欧姆损耗功率P_Vmot；

b.检测电动马达的有功功率P_mot；

c.测定或检测损耗功率P_Vmot在电动马达的有功功率P_mot中所占的份额；

d.一旦超过损耗功率P_Vmot与电动马达的有功功率P_mot之间的特定比率，特别是当电动马达的有功功率P_mot几乎与损耗功率P_Vmot一致时，即确定马达堵转且/或运转不畅。

关于本发明其他有利改进方案的特征请参阅从属权利要求，下面参照附图并结合本发明的优选实施予以详细说明。

附图说明

其中：

图1为根据本发明的装置的示意图，

图2为基于功率数据采集的堵转检测的框图，以及

图3为基于中间电路电流值采集的堵转检测的框图，所述中间电路电流值也就是中间电路电流I_zk的峰值

和中间电路电流I_zk的平均值

具体实施方式

下面借助优选实施例并参照图1至图3对本发明进行详细阐述。

图1示范性地示出提供中间电路电压U_ZK的直流电压中间电路10。在下方的负支路中，在以中间电路电流I_S(在说明书中又称I_zk)为马达M或绕组馈电的三重半桥30与中间电路10之间设有分流电阻20。电动马达M正常工作时具有包含转矩M_i的马达转速ω_mech以获得马达的功率P_mech。马达M的端子上存在有功功率Pmot。

可以假设(接近于堵转情况时或堵转情况下)马达中的损耗功率只是由铜损造成。因此，例如针对具有三相马达的实施例，适用以下：

R绕组的相电阻(Ω)

三相电流的相电流的峰值(A)

其中，针对电动马达的机械输出功率，适用以下：

P_mech＝M_i·ω_mech

M_i轴体上的转矩(Nm)

ω_mech轴体的机械旋转频率(rad/s)

在EC马达的轴体上输出的转矩(通过交链磁通而)与该马达的绕组电流成比例，即：

K_M马达的转矩常数(Nm/A)

本发明所称的马达堵转是指：尽管马达被馈电，但马达或被驱动的负载运转不畅，因此轴体旋转得极慢或者甚至不再旋转。其结果是，机械功率同样为零或接近于零。因此，堵转情况下在电动马达的端子上接收的有功功率约等于马达的损耗功率。

P_mot＝PV_mot，bzw.P_mot＝P_Vmot+P_mechmit P_mech＜＜P_Vmot

正常运行期间(不堵转)，机械输出功率一般远高于马达的损耗功率。其原因在于马达是以尽可能高的效率而实现，因为效率随着损耗功率的减小而升高。

由此适用以下：

针对典型效率例如为η＝0.8的正常运行，由此得出P_Vmot＝0.25P_mech，从而正常运行可表征为：P_Vmot《P_mot(小很多)。

借此可将这种不一致当作本发明方案的一部分来检测堵转马达，因为就有功功率而言，堵转情况与正常运行情况之间的差异很明显。

堵转：P_mech《P_Vmot＝P_mot

正常运行：P_Vmot《P_mot

在堵转情况下，所接收的有功功率约等于与绕组电流成比例的损耗功率。正常运行时，所接收的有功功率比马达的损耗功率大很多。因此可以利用这一比较或关联来检测堵转。如果堵转情况下或接近于堵转情况时所接收的有功功率尚略大于欧姆损耗，这就表明马达还在缓慢旋转，因为无法进行其他形式的功率输出。可以结合上述方程式按以下方式测定此时还存在的机械最小旋转频率：

P_mot＝P_mech+P_Vmot

中间电路电流I_zk的峰值

与绕组相中流动着的绕组电流I_S成比例，因为绕组电流根据半桥30中的末级开关在PWM周期中的不同开关状态而流经中间电路分流器20。如果观测一段足够长的时间，中间电路电流的这个峰值就会等于绕组电流的峰值，也就是：

一个周期内的中间电路电流I_zk的平均值

与马达的所接收的有功功率P_mot成比例，因为DC中间电路上的功率是中间电路电压与中间电路电流的乘积。因此，马达的剩余转速为：

如前所述，本发明有两种检测堵转状态的方法。第一种方法涉及的是功率相关观察或者说从功率平衡角度观察中间电路电流的峰值与平均值之比。

如果在堵转情况下中间电路电流的峰值与平均值之比v_I明显不同于正常运行，就可以借助分析装置利用这一点来检测堵转状态。满足这个条件的前提是v_I＝v_{I_block}足够严重地偏离v_I＝v_{I_norm}，这意味着二者之比较大。如果在堵转情况下P_mech＝0，则得出的值为：

正常运行时则是：

由此得出两种运行状况或者说两个工作点的具体比率，即：

据此就可通过分析来明确测定当前是哪种运行状况。

另一种检测堵转状态的方法涉及的是效率相关观察。通过电动马达的效率得出中间电路电流的峰值与平均值之比，即：

P_Vmot＝(1-η)P_mot

得到

在这个方程式中，中间电路电流峰值还可被替换成马达在工作点中的要求转矩。由此得出的比率为：

在堵转状态下，P_mech＝0且因此效率η＝0，由此得出的中间电路电流之比为：

堵转时的最大绕组电流或最大转矩是对系统的绕组进行限流的结果。正常运行时，关于典型效率η_typ适用以下：

如果在堵转情况下中间电路电流的峰值与平均值之比明显不同于正常运行，本发明就可以利用这一点来检测堵转状况。满足这一点的前提是v_{I_block}足够严重地偏离v_I＝v_{I_norm}，也就是说存在较大比率，例如5倍或更大。

如果正常运行时允许与堵转情况时一样的电流，则检测质量(堵转和正常运行的判据分离)仅取决于正常运行时工作点的效率，即：

当典型的马达效率例如为η_typ＝0.8时，得出v_{I_block}和v_{I_norm}这两个比率的比值为5。这意味着，堵转情况下中间电路电流的峰值与平均值之比总是为正常运行时的5倍。因此，利用这种方法就能以足够的公差可靠检测堵转。可以借助绕组电阻、中间电路电压以及绕组电流的最大值来测定检测堵转所需要的平均值与峰值之比的极限值。

图2和图3各示出一个用于实现上述实施方式的框图。其中，图2为基于功率数据采集的堵转检测的框图，且图3为基于中间电路电流值采集的堵转检测的框图，所述中间电路电流值也就是中间电路电流I_zk的峰值

和中间电路电流I_zk的平均值

为了使马达能够从停止状态安全起动，有必要以延时“Td on”延迟堵转检测。这个时间常数取决于马达或其绕组的热性能。同样地，再起动的延时被定义为Td off。这一延时必须保证马达或其绕组在重新起动前已充分冷却。Poff是功率偏置。

本发明的实施范围不限于前述优选实施例。凡是运用图示解决方案的技术变体，即便以完全不同的方式进行实施，也落入本发明的范围。

Claims (6)

1.一种用于防止电动马达过载的装置，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行，所述装置包括用于识别所述马达堵转和/或运转不畅的构件，其中为此设置电流测量装置，其用于直接或间接地通过所述电动马达被所述电流测量装置所检测到的中间电路电流来检测所述电动马达的有功功率和损耗功率，并且，所述装置的分析电路被设计为将所述有功功率与所述欧姆损耗功率进行比较或者将所述中间电路电流I_zk的峰值

与所述中间电路电流I_ZK的平均值

进行比较，且其中所述分析电路通过检测所述功率或中间电路电流的特定比率来检测所述马达的堵转和/或运转不畅。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述直流电压中间电路的通往末级电桥的负馈电线中设有分流电阻以作为用于检测所述中间电路电流的测量电阻。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在马达相中，优选在所述分流电阻上检测所述中间电路电流I_zk的所述峰值

以检测所述马达的堵转和/或运转不畅。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，除所述中间电路电流I_zk的所述峰值

外，也还检测所述平均值

并且根据所述平均值

与所述峰值

的数学比率测定马达转速ω_mech，其中通过以下方式识别堵转或运转不畅，即，针对所述马达转速ω_mech，适用以下：ω_mech＝0或

5.一种优选借助根据权利要求1至4中任一项所述的装置来防止电动马达过载的方法，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行，所述方法包括以下步骤：

a.检测中间电路电流I_zk的峰值

和中间电路电流I_zk的平均值

b.测定所述中间电路电流I_zk的所述峰值

与所述中间电路电流I_zk的所述平均值

之间的比率v_{I_block}；

c.测定或检测v_{I_block}的当前值与值v_{I_norm}的比率，所述值v_{I_norm}是不堵转也非运转不畅的正常运行时所述中间电路电流I_zk的所述峰值

与所述中间电路电流I_zk的所述平均值

之间的比率；

d.一旦检测到或超过v_{I_block}与v_{I_norm}之间的特定比率，特别是大于5时，即确定所述马达堵转且/或运转不畅。

6.一种优选借助根据权利要求1至4中任一项所述的装置来防止电动马达过载的方法，所述电动马达优选是BLDC马达并且在变换器的直流电压中间电路上运行，所述方法包括以下步骤：

a.检测所述马达的绕组的欧姆损耗功率P_Vmot；

b.检测所述电动马达的有功功率P_mot；

c.测定或检测所述损耗功率P_Vmot在所述电动马达的所述有功功率P_mot中所占的份额；

d.一旦超过所述损耗功率P_Vmot与所述电动马达的所述有功功率P_mot之间的特定比率，特别是当所述电动马达的所述有功功率P_mot几乎与所述损耗功率P_Vmot一致时，即确定所述马达堵转且/或运转不畅。

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