CN1248325A - 无发送器的磁场定向控制感应电机的定子电阻和转子电阻系统参数的识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于识别无发送器的磁场定向控制感应电机(DM)的系统参数即定子电阻()及转子电阻()的方法,其中在已磁化的感应电机(DM)的静止状态下实施该方法。根据本发明首先将直流电压()供给感应电机(DM),并求出直流电流实际值(is),再由它们计算出定子电阻(),接着接入一个预定的转矩给定值,并借助一个参考空间矢量将一个所求得的定子电流实际空间矢量(is)及一个计算出的定子电流模型空间矢量转换到一个磁场定向复数参考系中,将它们分解成实轴及虚轴分量(BG,,WG,,其中借助虚轴分量(WG,求出调节偏差(丨△丨,,并用它来调节系统参数即转子电阻(Rr),使该调节偏差(丨△丨,变为零。由此,尤其在牵引技术的低及中等功率区域(市郊交通)中,在每次停车后即将出发前识别出无发送器的磁场定向控制感应电机(DM)的电机参数,即定子电阻()及转子电阻(),并由此可精确地由电机调节器调节所需的牵引力。
Description
本发明涉及一种无发送器的磁场定向控制感应电机、尤其是牵引用感应电机的系统参数即定子电阻及转子电阻的识别方法,其中在已磁化的感应电机的静止状态下实施该方法,以及涉及实施该方法的装置。
为了使无发送器的磁场定向控制感应电动机工作,除了所使用的脉冲式变流器的模型化以外,不可避免地要精确描述感应电动机。在一种等效电路中必须根据工作点及温度来跟踪感应电动机模型化所需的参数。漏电感及主电感与工作点的关系在此情况下可通过离线测量足够准确地求得。其中漏电感与电流的关系对于许多感应电机是可忽略的,因此在可忽略的小误差时,将假设漏电感是恒定的。感应电机的主电感与电机的饱和状态有关,它在准稳态工作时可通过两个状态量明确地描述。有意义的是,电机的饱和状态通过定子电流及定子磁通的基波空间矢量的幅值来描述,因为定子电流易于测量,及定子磁通在精确的定子电阻及精确的脉冲式变流器模型的情况下可简单地用数字计算确定。所述漏电感及主电感与工作点的关系可以用离线测量求得并可在一个信号处理机上以简单的方式方法数字式地复制。
但是定子电阻及转子电阻对温度的依赖关系必须在线地被观察。在此情况下,在牵引时的大功率区域通常对定子绕组的温度进行测量。然而温度测量易于发生误差,并且该误差随测量单元的布置而相当不精确,因而合乎愿望的是,对所有工作区域中的定子电阻及转子电阻以另外足够精确的方式进行确定。
在牵引技术的低及中功率区域(近距离交通)完全放弃了温度测量,故这里不能知道其真实电阻值。定子电阻通常也不用另外方式求得,这种作法在起动区域之外也不会造成大的影响。转子电阻的确定通常从约5Hz开始进行。然而正是在起动区域,这两种电阻值的精确识别是重要的,否则所需的牵引力不能被电机调节装置精确地调节。此外,对于一个无发送器的磁场定向控制的感应电动机,仅当定子电阻被精确确定时,才可能在从小定子频率到零频率上工作。为了在放弃使用转速发送器的情况下能尽可能精确地识别转速及尽可能好地调节所需转矩,也需要知道转子电阻。
转子电阻例如可基于原边电流,滑差频率,端子电压等来导出。在进行精确电动机转速控制时,只要异步电动机在稳定条件下连续地被驱动,这种求解是有效的。不过在异步电动机负载经常变化及不管温度条件如何要求平稳的加速度值及减速度值的情况下,这种方法不能提供令人满意的响应参数值。为了能得到在次边电阻变化时令人满意的高响应速度,就必须设置热传感器或类似装置。
在论文“即时标称化-异步感应电动机驱动用自调节控制器的发展状况及趋向”(发表在DE-杂志“Maschinenmarkt”(“机器市场”),维尔茨堡98(1992),第5期第52-56页上)中描述了如何确定电动机参数:定子电阻及转子电阻,总漏电感及主电感的各种可能性。在自调节情况下求出这些电动机参数,该自调节是用于起动的一种辅助,它在起动时能使这些参数及调节系数自适应于接通的电动机。为了确定这些参数,可以一方面由铭牌数据进行计算,另一方面使用现有的各种测量方法,它们被描述在该论文的图表1上。所有方法是公同的,即由对逆变器输出端的电流及电压之间的关系进行分析来求得电动机阻抗。由于逆变器通常不设置电压检测装置,其端子电压将由控制组件的给定电压推导出。利用直流电流检测,可以从已起振状态下电压及电流的关系来简单及可靠地求得定子电阻。当将逆变器的非理想特性(闭锁时间,阀值电压降)校正时,其结果是很精确的。借助短路测量可由电压及电压幅值之间的关系求得漏电抗参数。当逆变器的电流值可被分解成有功电流及无功电流时,可以从确定的有功功率求出定子电阻及转子电阻的电阻和,以致由已知的定子电阻亦可求出转子电阻。通过空载测量及求得的电压和电流幅值可以求出定子电抗。
这种空载测量的最大难度在于起动的控制。此外,例如在提升机的范围中,实施空载测量是极困难的,因为仅能短时间地以恒定转速运行。
在论文“自起动-现代感应电机传动的新特性”(发表在DE杂志“自动化技术实践-atp”,卷32(1990)第7期第372-376页上)中公知了另一种用于识别电动机参数的另一种测量方法,这如果没有逆变器根本是不可想象的。在该测量方法中,在由静止状态时供给变化的直流电压并由电动机电流的动态特性来确定电动机电抗。在静止状态测量时,电动机的漏电感实质上由对很快的电压变化的响应所确定,转子电阻及主电感由对慢速变化的响应来确定。在该测量方法中结合采用用于确定定子电阻的直流电流测量。该测量方法的整个过程仅需几秒钟。
由EP 0313671B1公知了另一种测量电动机参数即原边电阻及次边电阻的方法。在这种识别方法中在静止状态中根据原边电流及原边电压来计算原边电阻。次边电阻则根据原边电阻来求得。对此将假设,在大容量异步电动机的情况下:例如它是为一个电梯厢的驱动设计的,在原边及次边绕组中原边及次边电阻随温度的变化是彼此成正比的。通过原边电阻随温度变化的推导,可以根据推导的原边电阻来“投影”次边电阻随温度的变化。在此情况下,将原边电流调节到一个固定值上并求出原边电压相对原边电压参考值的变化。将该变化值乘以次边电阻参考值,以使得借助该简单的算术运算获得“投影”的次边电阻。因为当异步电动机暂时激磁时可求得该投影的次边电阻,故可使该识别开始于异步电机的起动。
这种识别方法的前提是,必须离线地确定次边电阻参考值及原边电压参考值。这就是说,必须在一个温度参考值时测量次边电阻参考值及原边电压参考值。此外,借助电压的测量来求得温度变化时的次边电阻。如前面所述,逆变器通常不设有电压测量装置。
现在,本发明的目的在于,提供一种用于识别无发送器的磁场定向控制感应电动机的系统参数,即定子电阻及转子电阻的方法,该方法尤其可应用于牵引。
本发明的目的通过权利要求1所述的特征来实现。
在根据本发明的方法中,在磁化的感应电动机的静止状态下首先将直流电压供给感应电动机及求出直流电流实际值。借助这两个值通过一个调制对策计算出定子电阻。接着加载一个预定的转矩,并由所测得的定子电流求出定子电流实际空间矢量,及借助一个共轭复数参考空间矢量将计算出的定子电流模型空间矢量转换到一个磁场定向的复数参考系中。接着将这些转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量分别分解成实轴分量及虚轴分量。借助这些转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴分量计算出调节偏差量。如果存在调节偏差,则转子电阻还未精确地确定。该调节偏差的幅值是转子电阻确定误差的量度。通过借助一个调节器将该调节偏差调节到零,将得到转子电阻的真实值。
因此,可以通过加载一个预定转矩值及对一个定子电流实际空间矢量和一个定子电流模型空间矢量的求值来求解对于感应电动机转子电阻的模型转子电阻的偏差量度并进行调整。根据本发明的方法,可在感应电动机静止状态时在短时间(小于1秒)内识别出定子电阻及转子电阻。
在求解参数时必须考虑识别顺序。这就是说,首先识别定子电阻,然后识别转子电阻。一个带误差的定子电阻值在求解转子电阻时将导致错误的结果。与之相反的是,在分析确定定子电阻时转子电阻对其没有影响。在对这个识别顺序不加注意的情况下将不能精确地识别定子电阻及转子电阻。以致在起动时将不能由电机调节器精确地调节到所需的牵引力。
调节偏差的求解可用不同方式及方法来确定。
在第一实施形式中,由所求得的转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴分量分别确定出一个值,接着将它们彼此进行比较。如果所求得的转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴分量值不相同,则转子电阻值仍未被精确地确定。
在第二实施形式中,由所求得的转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴分量确定一个模型转子角速度,并使它与一个预定转矩给定值的符号相乘。如果该模型转子角速度不为零,则感应电动机的转子电阻还未被精确地确定。因此在识别一个无发送器的磁场定向控制感应电动机的系统参数时可使用模型转子角速度,因为这种系统参数识别在感应电机静止状态时进行。
在一个有利的方法中,定子电阻不是通过分析关系式而是借助调节来确定的。这种调节方法类似于识别转子电阻的调节方法,然而在识别定子电阻的调节方法中却不使用转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴分量,而是使用其实轴分量并对它们相互比较来识别定子电阻。所求得的一个调节偏差是模型定子电阻相对于感应电机定子电阻失调的量度,它将借助一个调节器被调节到零。
由于该识别方法是在感应电机静止状态时进行的并且该方法仅需要几毫秒,因此可在牵引中使用该方法,在每次起动前精确地识别定子电阻及转子电阻,由此可由电机调节装置精确地调节所需的牵引力。正是在牵引领域,尤其在近距离交通中,感应电动机的负载频繁地变化,并不管温度条件如何要求平稳地加速及减速。借助于本发明的方法可在每次起动前自行地识别定子电阻及转子电阻,因此可精确地由电机调节器调节所需的牵引力。
为了参照附图进一步说明本发明,在附图中概要地表示出用于实施本发明的用于识别无发送器的磁场定向控制感应电机的定子电阻及转子电阻系统参数的方法的装置的多个实施例。
图1表示用于实施本发明方法的装置的第一实施形式的电路框图;
图2表示该第一实施形式装置的一个有利的电路框图;
图3表示用于实施本发明方法的装置的第二实施形式的电路框图;
图4及图5表示在感应电动机制停处于静止状态时定子电阻及转子电阻随时间t适配变化的曲线图;
图6表示图1所示装置的第三实施形式的电路框图。
在图1所示电路框图中,用SR表示脉冲式逆变器,用DM表示感应电动机。在该脉冲式逆变器SR的输入端上施加直流电压2Ed,它借助一个测量装置4测出。该无发送器的感应电机DM与脉冲式逆变器SR的端子a,b,c相连接。为了对该无发送器的磁场定向控制电动机DM进行控制与调节,设置了一个信号处理器2,它又包括一个调制器、一个调节器及一个完整电机模型。
该信号处理器2的输出侧通过一个滞后时间单元16分别与第一及第二复数乘法器18及20的一个输入端相连接。第一乘法器18的第二输入端通过滞后时间单元14与信号处理器2的一个输入端相连接,而第二乘法器20的第二输入端则与一个坐标转换器8的输出端相连接。该坐标转换器8的输入侧与一个测量单元6相连接,利用该测量单元可测量感应电机DM的两个相电流ib及ic。在测量链中信号的行进时间借助一个滞后时间单元12来描述。借助这些复数乘法器18及20可求出转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量的虚轴及实轴分量,它们在以下将称为感应电机DM及信号处理器2的电机模型的转矩有功参量及无功参量WG,BG及
借助复数乘法器20来计算真实感应电动机DM的转矩无功参量BG及转矩有功参量WG。借助复数乘法器18来计算电机模型转矩的无功参量
及有功参量
。这些转换的定子电流实际空间矢量及模型空间矢量
及
的实轴分量BG及BG输入一个比较器30中、其虚轴分量WG及
输入一个比较器24中,从而分别求得实际参量与模型参量的偏差值。虚轴分量WG及
的调节偏差Δ⊥经由一个补偿调节器22及后置开关59传送给信号处理器2,其中实轴分量BG及
的调节偏差Δ‖通过一个乘法器34及后置的补偿调节器32和一个开关62同样传送给信号处理器2。
上述装置被详细地描述在官方案号为19531771.8的在先国际专利申请中,借助该装置,在开关59及62闭合的情况下,借助模型转子角速度
可求得无发送器的感应电动机DM的转子角速度ω,其中调节偏差Δ⊥是模型转子角速度
误差的量度。由于模型定子电阻
随绕组温度强烈地变化,因此当定子电阻Rs的模型值
不能跟随时,即便模型转子角速度
与转子角速度ω一致,补偿调节器22的输入端上的调节偏差Δ⊥也不等于零。模型定子电阻
一直被调节,直到所求得的调节偏差Δ‖为零值为止。
但是借助该装置不能使两个系统参数即定子电阻
及转子电阻
,尤其是转子电阻
在起动区域中被确定。正是在感应电机DM的负载频繁变化,并不管温度条件如何要求平稳加速及减速的情况下,例如在低及中等功率区域的牵引技术(近距离交通)中,所需的牵引力必须由电机调节装置精确地调节。这就是说,在每次起动前必须有精确的系统参数值,即定子电阻值及转子电阻值
这将用本发明的方法来达到,其中将实施该方法的装置一体化地设置在用于确定无发送器的磁场定向控制的感应电机DM转速的装置中。按照本发明方法对起动的控制由一个系统控制器36来执行,该控制器也称为牵引控制器。
用于实施本发明的用于识别系统参数即定子电阻
及转子电阻
的方法的装置具有一个用于求得调节偏差|Δ⊥|的装置64,一个调节器44及一个开关46。该装置64具有两个幅值形成器38及40,一个比较器42和两个开关48及50。开关46将坐标变换器8的输出端与信号处理器2相连接,其中该开关46借助系统控制器36的控制信号S46被操作。在输入侧,幅值形成器38的输入端通过开关48与第一复数乘法器18的一个输出端相连接,在该输出端上输出转换的定子电流模型空间矢量
的虚轴分量
。幅值形成器40的输入端通过开关50与复数乘法器20的一个输出端相连接,在该输出端上输出转换的定子电流实际空间矢量
的虚轴分量WG。在输出侧,幅值形成器38与比较器42的非反相输入端相连接;相反地,幅值形成器40的输出端与其反相输入端相连接。该比较器42的输出端与调节器44相连接,后者的输出端与信号处理器2的一个参数输入端相连接。这里设置I-调节器(积分调节器)作为调节器44。但也可使用PI-调节器(比例积分调节器)。
借助该电路框图,现在来详细说明本发明的方法:
首先必须使该感应电动机DM磁化。对此系统控制器36输出一个旋转磁场磁化强度的给定值
。电机DM的饱和状态可通过定子磁通及定子电流
的基波空间矢量的幅值来描述。该定子电流实际空间矢量
出现在坐标变换器8的输出端,并通过闭合的开关46到达信号处理器2。如果感应电机DM被磁化,则该电机DM在静止状态时被供给直流电压
,此时求出定子电流实际空间矢量
借助分析关系,由直流电压值
及测得的定子电流平均值
通过调制对策精确求出定子电阻
。接着开关48,50被系统控制器36借助控制信号S48/50闭合,由系统控制器36向信号处理器2输出一个预定的转矩给定值
。在此时刻开关46将重新断开。此外在识别该系统参数的过程中开关59和62也被断开。为此由系统控制器36产生控制信号S59及S62。对转矩给定值
进行选择,使得能保证转数值为零。例如该给定值
等于感应电机DM的倾覆转矩Mkipp的20%。借助信号处理器2和两个复数乘法器18及20可以得到一个转矩有功量WG及模型转矩有功量,由它们并借助幅值形成器38及40分别计算出其电机模型转矩有功量的幅值|WG|及电机转矩有功量的幅值|WG|。这些幅值虚轴分量及|WG|借助比较器42进行相互比较。由装置64求得的调节偏差|Δ⊥|被传送到调节器44,其输出参数:转子电阻
又被传送到信号处理器2的一个输入端。该转子电阻
将一直被调节,直到调节偏差|Δ⊥|变为零为止。如果该调节偏差|Δ⊥|为零,则系统参数:定子电阻
及转子电阻
就被确定,并被接收在信号处理器2中。这时开关48和50将被系统控制器36断开,而开关59和62被闭合,由此能用所需的牵引力起动感应电机DM。
图2表示图1所示第一实施形式的一个有利改进的电路框图。该有利的实施形式与图1所示实施形式的区别在于用于求得调节偏差
的装置64的结构。该装置64具有一个比较器,一个调节器及一个乘法器66。由于在官方案号为19531771.8的在先国际专利申请的装置中已具有一个比较器24和一个被称为补偿调节器的调节器22,因此也将这两个元件用于求解调节偏差
。由于这两个元件24和22是在不同的时间非同步进行的过程中采用,因而可在调节器22之后连接一个转换开关68。借助这个由系统控制器36通过控制信号S68操作的转换开关68,可使补偿调节器22的输出端一方面能与信号处理器2的一个参数输入端相连接(位置I),另一方面能与装置64的乘法器66相连接(位置II)。
在补偿调节器22的输出端上输出模型转子角速度
的值,它借助乘法器66用一个预定转矩给定值的符号信号
加权。在该乘法器66的输出端输出一个调节偏差
,它被传送到调节器44,后者的输出参数转子电阻
被传送给信号处理器2。
该转子电阻
将一直被调节,直到调节偏差Δ⊥和所求得的模型转子角速度
变为零为止。如果满足了该条件,就确定了系统参数:定子电阻
及转子电阻
,该系统参数将由信号处理单元2接收。接着,开关46被断开,转换开关68被转换到位置I,从而可用所需的牵引力起动感应电动机DM。
在牵引中,尤其是在市郊旅客列车上使用这种识别方法时,需在关上车门后即将重新出发前输入预定的转矩给定值
,若车门还打开着,则不输入转矩额定值
。为了使机车不会因被输入转矩给定值
而起动,则需对牵引机车实施机械制动。
为了免除机械制动,譬如可以对各个驱动机组依次地加载必要的转矩。减少制动需求的另一可能性是,设置一个无直流分量的交变量作为转矩给定值
。在此情况下,必须将转矩给定值
的频率选择得足够大,以便基于系统惯性该转矩对外不起作用。在使用多个对不同电动机供电的脉冲式逆变器的情况下,可以这样进行控制,即对各电动机施加相反方向的、相同大小的转矩。通过电动机这种相顶力,使合成的转矩抵消为零。通过该方法可以使机械制动力极大地去除。
图3表示图1所示装置的第二实施形式的电路框图。与图1所示的实施形式相比,该第二实施形式具有另一个调节器52,另外两个开关54及56和另一比较器58。在输出转换的定子电流实际空间矢量
及模型空间矢量
的实轴分量BG及
的复数乘法器18及20的输出端借助开关56及54分别与另一比较器58的输入端相连接。该另一比较器58的输出端通过另一调节器52与信号处理器2的一个参数输入端相连接。该比较器58将这两个实轴分量BG和
相互比较。所求出的调节偏差Δ‖被输入调节器52,在其输出端上输出系统参数,即定子电阻
的值。该定子电阻值
一直在信号处理器2中被调节,直到调节偏差Δ‖为零为止。一旦调节偏差Δ‖为零,该定子电阻
就被确定,并可如上所述地识别转子电阻
。在第二实施形式中定子电阻
并非借助分析关系来计算,而是借助调节来求得。
在图5中表示出转子电阻
的适配曲线。该转子电阻
在误差起始值达50%的情况下,在譬如三个转子漏感时间常数值以内被调毕。
在图6中表示出图1所示装置的第三实施形式。该实施形式与图3中的实施形式的区别在于,设置了一个转换开关60来取代另一调节器52,它一方面可使补偿调节器32与乘法器34(位置I)相连接,另一方面可使补偿调节器32与另一比较器58(位置II)相连接。该转换开关60也借助系统控制器36的控制信号S60来操作。通过使用转换开关60可使已存在的补偿调节器32也用于感应电机DM处于静止状态时对定子电阻Rs进行识别。对定子电阻的识别在其它方面都与图3中所示实施形式相同。
Claims (15)
1.一种用于识别无发送器的磁场定向控制感应电机(DM)、尤其是牵引用感应电机的系统参数,即定子电阻
和转子电阻
的方法,其中在已磁化的感应电机(DM)的静止状态下实施以下方法步骤:
a)将直流电压
供给感应电机(DM),
b)求出直流电流实际值(is)及随后根据供给的直流电压
及该直流电流实际值(is)计算出系统参数即定子电阻
c)给感应电机(DM)接入一个预定转矩给定值
d)通过将所求得的该转换的定子电流空间矢量及模型空间矢量
的实轴分量(BG,
)相比较,确定用于调节系统参数即定子电阻
的调节偏差(Δ‖),
e)使用该调节偏差(Δ‖)来调节系统参数即定子电阻
使所求得的调节偏差(Δ‖)变为零。
8.一种实施如权利要求1所述方法的装置,其具有一个系统控制器(36);一个信号处理器(12),它还包括一个完整的电机模型和一个调制器;一个后接有坐标变换器(18)的测量装置(6);两个复数乘法器(18,20)及两个比较器(24,30),其中信号处理器(2)的输出一个共轭复数参考空间矢量
的一个输出端分别与复数乘法器(18,20)的一个输入端相连接,其中坐标变换器(8)的输出端与第二乘法器(20)的第二输入端相连接,其中信号处理器(2)的输出所求得的定子电流模型空间矢量
的一个输出端与第一乘法器(18)的第二输入端相连接,其中这两个乘法器(18,20)的虚数输出端分别与第一比较器(24)的输入端相连,它们的实数输出端与第二比较器(30)的输出端相连接,其特征在于:坐标转换器(8)的输出端另外通过一个开关(46)与信号处理器(2)相连接;两个复数乘法器(18,20)的虚数输出端通过一个求解调节偏差(|Δ⊥|,)的装置(64)与一个调节器(44)相连接,后者的输出侧与信号处理器(2)的一个用于系统参数即转子电阻
的参数输入端相连接;该装置(64)和信号处理器(2)与系统控制器(36)相连接。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于:所述用于求解调节偏差(|Δ⊥|)的装置(64)具有两个开关(48,50),两个幅值形成器(38,40)及一个比较器(42),其中这些幅值形成器(38,40)的输入侧分别与一个开关(48,50)相连接,它们的输出侧分别与比较器(42)的一个输入端相连接,后者的输出端上输出所求得的调节偏差(|Δ⊥|),此时开关(48,50)的输入侧与复数乘法器(18,20)的虚数输出端相连接。
13.根据权利要求8,9,10,11或12中任一项所述的装置,其特征在于:作为调节器(44,52)设置一个I-调节器。
14.根据权利要求8,9,10,11或12中任一项所述的装置,其特征在于:作为调节器(44,52)设置一个PI调节器。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的装置,其特征在于:所述装置和信号处理器(2)构成一个结构单元。
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