TWI471579B - 使用馬達驅動裝置來決定交流馬達中之定子繞線阻抗之系統和方法 - Google Patents

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Description

使用馬達驅動裝置來決定交流馬達中之定子繞線阻抗之系統和方法
本發明大體上關於交流(AC)感應馬達，且更特別地，關於一種利用一馬達驅動裝置來決定交流馬達之定子繞線阻抗以提供交流馬達熱保護、改善的馬達控制執行效率、及交流馬達狀況監控之系統和方法。
基於越來越多對馬達操作方面之節能和控制彈性的需求，各種工業中對馬達驅動裝置的利用最近變得更普遍。根據這些需求，改善馬達控制執行效率變得越來越重要。一個改善馬達控制執行效率的因素係為馬達參數測量之精確度，其對於馬達驅動裝置的整體控制執行效率係非常重要。在例如定子和轉子阻抗、定子和轉子漏電感、磁性電感等等之許多可能被測量的馬達參數中，定子阻抗係因為它每單位數值小而為最難辨識的參數。然而，定子阻抗測量之精確度對於精確地決定許多相關馬達參數係重要的。例如，精確的定子阻抗測量可用於進一步之測量轉子/定子磁通量、轉子速度、氣隙轉矩、定子銅損失、和其它類似參數。因此，精確的定子繞線阻抗測量有利於馬達控制並被廣泛地使用於馬達狀況監控、故障診斷及預言、和瞬間效率評量。
另一已知之測量定子繞線阻抗所使用為決定定子繞線溫度，其可被使用於該馬達之熱保護。在該定子繞線上的熱應力被視為定子繞線絕緣作用失敗的主要理由中其中之一時，熱保護係馬達狀況監控上的一個重要觀點。通常假設溫度超過定子繞線可接受溫度限制每10℃，該馬達壽命減少50%。因此，正確監控該定子繞線溫度係有利於馬達保護效果。
各種決定該定子繞線溫度的方法有提議測量來自該些定子繞線阻抗之平均繞線溫度。過去幾年，基於不同目的而提議各種定子繞線阻抗測量方法。大體上，該些方法被分為三類：直接測量方法、以等效電路為基礎之方法、和以訊號注入為基礎之方法。例如該IEEE標準-118之直接方法給予最精確定子阻抗測量值，但卻因為阻抗只在某一溫度被測量且溫度變化所導致之阻抗改變未被考慮之事實而具有限制和缺失。直接測量方法的又一缺失為必須中斷該馬達的服務以執行所需測試。
以等效電路為基礎的Rs 測量方法依據一交流馬達等效電路(也就是該交流馬達模型)使用馬達電流和電壓來計算該定子阻抗。這類以模型為基礎之方法雖是非侵入性且可反應冷卻狀況中的變化，但是大體上因為該些馬達參數在例如操作速度、磁性飽和等等之不同狀況下可能會有變化之事實所導致對馬達參數變化過度敏感而無法提供精確Rs 測量。也就是說，以模型為基礎之方法之測量誤差可能大於20%。熱溫度變化和熱參數辨識的困難可能導致以模型為基礎之方法進一步不精確。
用以決定定子阻抗之以訊號注入為基礎的方法將一直流偏壓注入該定子供應電壓中並使用該電壓和電流中的直流成分來計算該定子阻抗。在一直流訊號注入方法中，與一電晶體並聯的一電阻器被安置在該馬達一相位中，其引出該感應馬達中的等效阻抗，該等效阻抗係與輸入電流為交流電時有所不同，並因此產生一直流成分。雖然此方法對於冷卻狀況及馬達參數的變化係精確且堅固，但因需要將一額外的直流訊號注入電路與該些馬達導線中其中之一串接安置而受到它侵入性本質的損害。同時，因為半導體裝置的電流限制之故，前面以訊號注入為基礎的方法大體上不能直接被應用於超過100馬力的馬達。
因此，設計一精確、非侵入性方法來決定定子繞線阻抗係受到期待的。使用一現存裝置以注入該直流成分來決定定子阻抗並據以測量該定子繞線溫度係受到進一步期待。
本發明提供一種利用一馬達驅動裝置來決定交流馬達之定子繞線阻抗之系統和方法。該定子繞線阻抗之決定提供交流馬達熱保護、改善的馬達控制執行效率、及交流馬達狀況監控。
根據本發明一觀點，一種用以測量一交流馬達之定子繞線阻抗之系統包含一交流馬達驅動裝置，該交流馬達驅動裝置具有一可連接至一交流電源之輸入及一可連接至一交流馬達輸入端之輸出。該交流馬達驅動裝置進一步包含一脈寬調變(PWM)轉換器和一連接至該脈寬調變轉換器的一控制系統，該脈寬調變轉換器內具有控制該交流馬達中之電流和端電壓之複數個開關。該控制系統產生一命令訊號以引起該脈寬調變轉換器控制對應於該交流馬達之輸入的交流馬達驅動裝置的輸出、選擇性地產生一修正命令訊號以引起該脈寬調變轉換器將一直流訊號注入該交流馬達驅動裝置之輸出中、並依據該電壓及電流中至少其中之一之直流訊號來決定該交流馬達之定子繞線阻抗。
根據本發明另一觀點，一種用以決定一交流馬達之定子繞線阻抗之方法包含提供串接於一交流電源及該交流馬達之間的一交流馬達驅動裝置之步驟，該交流馬達驅動裝置包含一脈寬調變(PWM)轉換器，藉以調節該交流馬達之電壓和電流。該方法也包含選擇性地以一標準模式及一直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置之步驟，其中，以該直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置包含下列步驟：將一直流命令加入至一交流電壓命令及一交流電流命令中至少其中之一以形成一複合命令；依據該複合命令產生一用於該脈寬調變轉換器之開關圖案；和根據該開關圖案操作該脈寬調變轉換器以將一直流訊號注入該交流馬達電壓及電流中。以該直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置進一步包含下列步驟：測量提供至該交流馬達之電壓及電流中至少其中之一之直流訊號；並依據所測量之直流訊號決定該定子繞線之阻抗。
根據本發明又一觀點，提供一種用以控制電壓及電流自一交流電源傳輸至一具有一定子繞線之交流馬達所架構之交流馬達驅動裝置。該交流馬達驅動裝置包含一脈寬調變(PWM)轉換器以調節該感應馬達之交流馬達線電壓及相位電流，該脈寬調變轉換器包括複數個開關且被架構以根據一空間向量調變(SVM)控制方案來操作，藉以控制該複數個開關。該交流馬達驅動裝置同時包含一控制系統，該控制系統被架構以選擇性地修正用於該脈寬調變轉換器之空間向量調變控制方案，以將一直流訊號注入該交流馬達線電壓及相位電流中，並依據該直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
本發明各種其它特徵及優勢會在下列詳細說明及圖式中變得顯而易見。
在此所提出之本發明實施例關於用於遠端定子繞線阻抗測量以提供感應馬達熱保護之系統和方法。控制一交流馬達以將一直流訊號注入一至該感應馬達之交流馬達線電壓及相位電流中。由該交流馬達驅動裝置中之控制系統所產生之參考電壓及/或參考電流被修正以於其中包含一直流命令，藉以修正用於該交流馬達驅動裝置中之脈寬調變(PWM)轉換器之控制方案以將該直流訊號注入該交流馬達線電壓及相位電流中。分析這個直流訊號以決定一定子繞線阻抗。
本發明實施例係指向包括複數個結構及控制方案之交流馬達驅動裝置。一交流馬達驅動裝置10之一般性結構係示於圖1。該馬達驅動裝置10可被架構為例如一可調速驅動裝置(ASD)，該可調速驅動裝置被設計來接收一三相交流電輸入、整流該交流輸入、並對該整流段執行一直流/交流轉換而成為供應至一負載之可改變頻率和振幅之三相交流電壓。在一較佳實施例中，根據一示範性電壓-每赫茲特徵曲線來操作該可調速驅動裝置。據此，該馬達驅動裝置以小於3%總諧波失真提供±1%穩態電壓調節，則輸出頻率為±0.1赫茲，且快速動態步進負載響應涵蓋全部負載範圍。
在一示範實施例中，一三相交流輸入12a-12c被饋入一三相橋式整流器14中。該輸入線阻抗係等於全部三個相位。該橋式整流器14轉換該交流電輸入成為一直流電，使一直流匯流排電壓出現於該橋式整流器14和一開關陣列16之間。該匯流排電壓係經由一直流匯流排電容器庫18變平滑。該開關陣列16係由一串之絕緣閘極雙極性電晶體開關20及反向並聯二極體22所構成，其一起形成一脈寬調變反相器24。該脈寬調變反相器24合成具有一固定頻率和振幅之交流電壓波形以傳送至例如感應馬達26般之負載。透過一控制系統28操作該反相器24，該控制系統可進一步由複數個比例-積分-微分(PID)控制器所構成，每個具有一系統層和一可程式應用層以執行例如空間向量調變、直流匯流排電壓去耦合、和保護之類之高速操作。該控制系統28透過閘極驅動訊號及該直流匯流排電壓和磁極電流(例如經由一電壓感測器34)介接至該脈寬反相器24，使得直流匯流排電壓變化可被感測到。這些電壓變化可被視為暫態負載狀況並被使用來控制該脈寬反相器24之開關陣列16之開關，使得接近穩態負載狀況可被維持。
該馬達驅動裝置10係針對封閉迴路及開放迴路兩種控制本發明實施例說明於下。先參考至圖2，根據本發明一實施例顯示一用於馬達驅動裝置10之馬達控制之一般性封閉迴路方案30。在該封閉迴路方案之一示範性實施例中，馬達驅動裝置10之控制系統28包含一速度控制器32以依據自一輸入裝置(未顯示)所接收之速度命令ω＊ 及一測量或度量轉子速度ω產生一期待磁通量λ＊ 及轉距命令T＊ 。一磁通量/轉距測量器34也包含於馬達驅動裝置10之控制系統28並使用測量三相電壓Vabc 及電流Iabc 來測量該感應馬達26之磁通量λ及轉距T。該期待磁通量λ＊ 及轉距命令T＊ 和該感應馬達26之測量磁通量λ及轉距T係分別由該速度控制器32及該磁通量/轉距測量器34輸出至一磁通量/轉距控制器36，以依據該測量λ及T、該磁通量命命λ＊ 、和轉距命令T＊ 產生一定子電流命令Iabc ＊ 。一電流控制器38隨著一測量定子電流Iabc 一起接收到該定子電流命令Iabc ＊ 而產生一定子電壓命令Vabc ＊ 。該定子電壓命令Vabc ＊ 被傳送至一開關訊號產生器40，以依據該定子電壓命令Vabc ＊ 產生複數個開關訊號(也就是一開關圖案)來控制該脈寬調變轉換器24中之開關陣列之開關。依據該開關訊號產生器40所產生之開關圖案，該脈寬調變反相器24合成具有一固定頻率及振幅之交流電壓波形以傳送至感應馬達26。
同時包含於馬達驅動裝置10之控制系統28者係一控制器42。根據本發明一實施例，控制器42被架構以選擇性地產生一直流電流命令訊號來傳送至該磁通量/轉距控制器36。由控制器42選擇產生之直流電流命令訊號可讓馬達驅動裝置10交替操作於一標準模式和一直流注入模式之間。在交流馬達驅動裝置10之標準操作期間，控制器42係處於不動作狀態中，因而沒有直流命令訊號被產生。該標準模式因此被視為該交流馬達驅動裝置10之“正常”操作模式。控制器42進一步被架構/程式化以選擇性地操作該馬達驅動裝置10於該直流注入模式中，以將一直流訊號或成分注入該馬達線電壓及相位電流中。在該直流注入模式期間，操作控制器42以於一直流電流命令形式中產生一直流命令來傳送至該磁通量/轉距控制器36。也就是，參考至圖2，對於一封閉迴路電流控制電壓饋入馬達驅動裝置而言，該直流命令被引入或添加至該磁通量/轉距控制器36中以修正該電流命令Iabc ＊ 。
當控制器42產生並添加一直流電流命令至該磁通量/轉距控制器36中時，該磁通量/轉距控制器36產生一修正電流命令iabc ’(也就是，合成電流命令)，其被描寫成為：
iabc ’=iabc ＊ +iabc dc 　[公式1]
其中，iabc ’係具有注入直流電流命令之新電流命令，iabc dc 係所述之直流電流命令，以及iabc ＊ 係磁通量/轉距控制器36所產生之電流命令。回應磁通量/轉距控制器36所產生之修正電流命令，電流控制器38因而產生一修正電壓命令Vabc ’來回應之。
依據控制器42所產生/添加之直流電流命令iabc dc ，一修正電流命令iabc ’及導致之修正電壓命令Vabc ’係由控制系統28所產生。該導致之修正電壓命令Vabc ’引起對該開關訊號產生器40所產生之開關圖案之修正。那就是說，相較於該開關訊號產生器40在該馬達驅動裝置10之標準操作期間所產生之開關圖案，該開關訊號產生器40在控制器42(形成一導致之修正電壓命令Vabc ’)添加一直流電流命令iabc dc 時所產生用以控制該脈寬調變轉換器24之開關圖案被修正。在該標準模式中，該開關訊號產生器40所產生之開關圖案控制該脈寬調變轉換器24產生一用於該馬達之控制交流馬達線電壓及相位電流。在該直流注入模式中，該開關訊號產生器40所產生之修正開關圖案控制該脈寬調變轉換器24以將一直流訊號/成分注入感應馬達26之交流馬達線電壓及相位電流中。該脈寬調變轉換器24中之開關頻率及/或時序係根據該修正開關圖案進行控制以引起該交流馬達26相位中其中之一之擾動或失真(也就是，該相位電流之位移及該線電壓之凹陷)，其產生或注入一直流成分至該些馬達線電壓及相位電流中。這些直流成分可於每一個直流注入模式期間被內含於馬達驅動裝置10中之電壓及/或電流感測器44所測量並決定之。
在上述封閉迴路控制方案中，理解到該注入直流訊號對該速度控制的影響必須被消除。有鑑於此，利用一低通濾波器(未顯示)以一低取樣頻率對該馬達速度進行取樣，藉此可經由該低通濾波器移除該速度振盪。該注入直流訊號對該磁通量/轉距測量器34的影響也應經由將饋入該磁通量/轉距測量器34中之該些定子三相電壓之直流成分移除而被消除以避開不穩定。
同時理解到控制系統28中之控制方法和該磁通量/轉距測量方法可針對不同類型之交流馬達封閉迴路控制而變。同時，針對不同類型之封閉迴路控制方法，該測量磁通量可以是定子磁通量、轉子磁通量、和連結線磁通量；該些三相電壓及電流也可以例如同步參考標準、轉子參考標準、固定參考標準等等之不同參考標準使用不同轉換類型來表示之。假設該轉換器為理想轉換器，該測量定子電壓Vabc 可由該定子電壓命令Vabc ＊ 所取代，或使用該開關訊號及該脈寬調變轉換器24之直流匯流電壓來計算之。
現在參考至圖3，根據本發明一實施例顯示用於馬達驅動裝置10之磁場導向式控制方案之示範性封閉迴路控制方案。在該磁場導向式控制方案46中，使用該同步參考標準(d-q標準)之定子電流及電壓被表示為iq 、id 、Vq 、Vd ，而使用固定參考標準(α-β標準)之定子電流及電壓被表示為iα 、iβ 、vα 、vβ 。本方案所使用之同步參考標準係以角度θ與該定子磁通量進行對準。
如圖3所示，馬達驅動裝置10中之磁通量測量器48使用該些測量三相電流和電壓iabc 、vabc 來測量該轉子磁通量。依據該測量轉子磁通量及該馬達速度，速度控制器50及磁通量控制器52動作產生定子電流命令iq ＊ 和id ＊ ，其又分別為已知之轉距命令和速度命令。電流控制器38接著依據該些定子電流命令iq ＊ 和id ＊ 及該測量定子電流來產生該電壓命令Vdq ＊ 。在變壓器56進行參考標準轉換後，該轉換電壓命令Vαβ 被開關訊號產生器40所接收，其依據該定子電壓命令產生用於該脈寬調變轉換器24之開關訊號。
控制器42被架構以選擇性地產生一直流電流命令訊號並將該直流電流命令訊號引入該控制迴路內之電流命令中。根據馬達驅動裝置10之磁場導向式控制方案之一實施例，一直流電流命令被引入該控制迴路內之電流命令中，(例如iq ＊ 和id ＊ )。在該d-q軸中，該些更新電流命令係：
iq ＊＊ =iq ＊ -idc ×sin(θ)
id ＊＊ =id ＊ +idc ×cos(θ)　[公式2]
其中，iq ＊ 和id ＊ 係前面d-q軸電流命令；iq ＊＊ 和id ＊＊ 係具有直流訊號注入之已變d-q軸電流命令；且idc 係該注入直流訊號之大小。如該α-β軸中所應用，該些更新電流命令係：
iα ＊＊ =iα ＊ +idc
iβ ＊＊ =iβ ＊ 　[公式3]
其中，iα ＊ 和iβ ＊ 係前面α-β軸電流命令；iα ＊＊ 和iβ ＊＊ 係具有直流訊號注入之已變α-β軸電流命令；且idc 係該注入直流訊號之大小。
所致之修正電流命令iq ＊＊ 、id ＊＊ (或iα ＊＊ 和iβ ＊＊ )引起電流控制器38所產生之電壓命令改變(自Vdq ＊ 變至Vdq ＊＊ )，因而進一步引起該開關訊號產生器40所產生之開關圖案修正。根據馬達驅動裝置10之磁場導向式控制方案46，開關訊號產生器40修正一“標準”空間向量修正(SVM)電流命令方案或開關圖案以回應該修正電流命令(及所致之修正電壓命令)。如圖4所示，一額外直流成分58被加至該參考向量60中以取代提供該脈寬調變轉換器一正常6向量空間命令方案。在本修正空間向量控制中，一額外q軸成分Vs 60被加至原參考向量Va中。例如，若Va=Vq+jVd係該參考向量，則該修正向量為Va＊ =(Vq+Vs)+jVd。在一示範實施例中，加入Vs之大小應可在0至5伏特間調整。
該修正空間向量控制產生一修正開關圖案以控制該脈寬調變轉換器24將一直流訊號/成分注入該馬達26之交流馬達線電壓及相位電流中。該脈寬調變轉換器24中之開關頻率及/或時序係根據該修正空間向量控制進行控制以引起該交流馬達相位中至少其中之一之擾動或失真(也就是，該相位電流之位移及該線電壓之凹陷)，其產生或注入一直流成分58至該些馬達線電壓及/或相位電流中，如圖5所顯示的。這些直流成分可於每一個直流注入模式期間被內含於馬達驅動裝置10中之電壓及/或電流感測器44所測量並決定，用以決定該些定子繞線內之阻抗，如下面所更詳加說明的。
根據本發明另一實施例，馬達驅動裝置10係根據一開放迴路控制方案來操作。現在參考至圖6，一用於交流馬達驅動裝置10之開放迴路控制方案60被顯示，其根據一示範實施例係一純量式開放迴路控制方案。根據該開放迴路控制方案60，該馬達驅動裝置10之控制系統28被架構以接收來自一輸入裝置(未顯示)之速度(或頻率)命令，用以產生一電壓大小命令V1 。該電壓大小命令V1 係由該速度命令函數K(ω)所賦予，典型地稱之為伏特/赫茲曲線。用以在低速條件下操作該馬達26之提升電壓V0 與該電壓大小命令V1 相結合以產生一電壓大小V＊ 。
該電壓大小V＊ 及該速度命令ω＊ 接著被傳送至一電壓控制器62並被使用以產生一三相電壓命令Vabc ＊ ，其可被表示成為：
Va =Vsin(ωt)
Vb =Vsin(ωt-2/3Π)
Vc =Vsin(ωt+2/3Π)　[公式4]
該三相電壓命令Vabc ＊ 係由該電壓控制器62依據速度或頻率命令所賦予。該定子電壓命令Vabc ＊ 被使用於控制脈寬調變轉換器24中之開關陣列之開關。如該定子電壓命令Vabc ＊ 所決定地，依據該些開關之開關圖案，該脈寬調變轉換器24合成具有一固定頻率和振幅之交流電壓波型以傳送至感應馬達26。
如圖6所進一步顯示，控制器42被架構以選擇性地產生一直流電壓命令訊號Vabc dc 來傳送至該電壓控制器62，以便將該馬達驅動裝置10之操作自一標準模式切換至直流注入模式。依據控制器42所添加之直流電壓命令訊號Vabc dc ，電壓控制器所產生之修正電壓命令Vabc ，之每一個相位描述係為：
Vas ’=Vas +2/3*Vdc
Vbs ’=Vbs -1/3*Vdc
Vcs ’=Vcs -1/3*Vdc 　[公式5]
其中，Vas 、Vbs 、Vcs 係分別不含相位A、B、和C之直流偏壓之前電壓命令，Vas ’、Vbs ’、Vcs ’係分別含有相位A、B、和C之直流偏壓之新電壓命令，且Vdc 係該注入直流偏壓。
替代性地，電壓控制器所產生之修正電壓命令Vabc ’也可利用該q-d參考標準來描述：
Vq ’=Vq +Vdc
Vd ’=Vd 　[公式6]
其中，Vq 、Vd 係固定q-d參考標準中不含該直流偏壓之前電壓命令；Vq ’、Vd ’係固定q-d參考標準中含有該直流偏壓之新電壓命令；Vdc 係該注入直流偏壓。
依據控制器42所產生/添加之直流電壓命令訊號Vabc dc ，如公式5所提出之修正電壓命令Vabc ’係由控制系統28所產生。該修正電壓命令Vabc ’引起對該脈寬調變轉換器24中之開關之開關圖案之修正，其將一直流訊號/成分注入該馬達26之交流馬達線電壓及相位電流中。根據本發明一示範實施例，該修正開關圖案係經由如圖4所示之修正空間向量調變控制方案所產生，其中，一額外直流命令/成分被加入該空間向量調變控制方案之參考向量中。該脈寬調變轉換器中之開關頻率及/或時序係根據該修正開關圖案進行控制以引起該交流馬達相位中至少其中之一之擾動或失真(也就是，如圖7所示，該相位電流之位移及該線電壓之凹陷)，其產生或注入一直流成分至該些馬達線電壓及相位電流中。這些直流成分可於每一個直流注入模式期間被內含於馬達驅動裝置10中之電壓及/或電流感測器44(圖6)所測量並決定之。
現在參考至圖8，在直流成份注入上，不是透過封閉迴路就是透過開放迴路控制方案來說明具有馬達驅動裝置10之交流馬達26之等效直流模型。因為注入輸入電壓及電壓中之直流成分並未經過該交流馬達(也就是，該轉子/定子氣隙)之氣隙，它們對該交流馬達10之轉子電路沒有影響。利用注入該些三相定子電流中其中之一，例如ia 之直流訊號，該定子阻抗Rs 可自該些定子端電壓及電流中測得：
其中，及分別為該馬達線電壓vab 及相位電流ia 之直流成分。在圖7顯示相位a之相位電流被測得且介於相位a和b間之線間電壓被測得時，同時想到一不同相位之相位電流可被測得且介於相位a和該不同相位間之線間電壓可被測得。那就是，該馬達線電壓及相位電流之直流成分係出現於該交流馬達所有相位中。
依據來自該直流訊號注入之測量Rs ，馬達26之定子繞線溫度Ts 可被監控。Rs 變異係線性正比於Ts 變異：
其中，Ts0 和Rs0 代表室溫下之Ts 和Rs ；和係來自直流訊號注入之測量Ts 和Rs ；且α係電阻率溫度係數。
該電壓及電流及之直流成分決定後，該定子阻抗Rs 可根據公式7來測得，據此，該定子繞線溫度Ts 接著可依據操作該交流馬達時所即時決定之Rs 並根據公式8來監控之。在本發明一實施例中，若該定子繞線溫度超過一預定臨界值，則控制器42被架構以產生一警示(聽覺或視覺警示)。本警示允許一操作員採取一要求動作，例如關閉該交流馬達26。
根據本發明另一實施例，理解到可以只使用例如圖6所示之用於開放迴路交流驅動裝置之電流測量來測量定子繞線溫度。在穩態狀況(定值負載及定值直流電壓命令)下，假設實際注入直流電壓係定值，該直流電流比值可被導出如下：
其中，Idc 及Idc0 係該定子阻抗為Rs 及Rs0 時各自之測量直流電流。
就負載變化(也就是非穩態狀況)而言，假設負載變化前後之定子繞線溫度改變可被忽略，該參考直流電流Idc0 可被重新度量成為：
其中，Idc,before 及Idc,after 分別為負載變化前後之測量直流電流；I’ dc0 係負載變化後新的重新度量參考點；Idc0 係前參考點。利用該重新度量參考點，該些更新公式可保持不變。
依據上面決定之直流電流(用於穩態或非穩態負載)比值，該定子繞線溫度可被測量。最初，該定子阻抗可被表示成為：
Rs =Idc0 (Rcable +Rdrive +Rs0 )/Idc -Rcable -Rdrive 　[公式11]
Ts 接著可再被測量成為：
其中，Ts0 及Rs0 代表室溫下之Ts 及Rs ；及係來自直流訊號注入之測量Ts 及Rs ；且α係電阻率溫度係數。因此，利用該纜線阻抗及測量或度量之驅動裝置內阻抗，開放迴路交流驅動裝置之定子繞線溫度可以只使用該電流感測器來監控之。
根據一實施例，當該纜線阻抗Rcable 無法度量時，它可被測量。那就是說，假設該纜線溫度係相同於背景溫度，給予美國線規(AWG)標準之纜線編號，依據該AWG標準給予之電阻率ρ，Rcable 可被測量，該纜線近似長度l 及該背景溫度TA 為：
其中，μ係電阻率溫度係數且T0 係室溫。
根據上面用以得到一更精確Rs 測量值(透過使用定子端電壓及電流，或只使用電流)之技術，想要引入更大直流電壓命令訊號及/或直流電流命令訊號以增加該些馬達電壓及電流中之直流成分百分比。然而，理解到該直流成分注入引起該交流馬達26中之轉距脈動。因此，根據本發明一實施例，控制器42被程式化以藉由引入一最大直流電壓/電流命令訊號將最大直流成分注入該電壓及電流中，而在一預設容限範圍下保持所致之轉距脈動。
為了決定一可接受直流電壓/電流命令訊號，該交流馬達中之轉距脈動被分析。那就是說，使用序列分析理論以一d-q參考標準來分析該些轉距脈動中之主要成分及它們與該些注入直流成分之關連。這些轉距脈動被分解成該基本頻率倍頻處之成分，每一個成分可藉由觀察該些馬達電流之序列成分而被個別監控。因此，該定子電壓、定子電流、和總磁通量連結線被描述成為該d-q固定參考標準中之空間向量，並分別被定義為、、。
依據這些變數，一氣隙轉距Tag 可根據下列公式而計算成為及之向量外積：
其中，P係磁極數量。
該些磁通量及電流空間向量可使用一傅立葉轉換來分解成為不同頻率處之向量如下：
其中，每一個分解向量f之下標指示它在該向量空間中之轉動方向及轉動頻率。
假設該主要輸入頻率係ωe ，則該總磁通量連結線中之主要成分為。忽略該磁通量連結線中之其它諧波，該注入直流電流所導致之轉距失真可被評量成為：
其在頻率ωe 處振盪。該注入直流電流所引起之振盪轉距導致該轉子速度之振盪，大致估算為：
其中，代表該速度振盪，且J代表該馬達系統之總轉動慣性。因此，根據公式14-17所提供之交流馬達中之轉距脈動分析，一可接受直流電壓/電流命令訊號可被決定。
注意，上面所提出將一直流成分注入一交流馬達電力供應中之系統及方法可以只使用該些馬達端電壓及電流(或只使用該些電流)進行線上Rs 測量，而不需要例如速度及轉距變換器之任何其它感測器。這類安排能夠提供一非侵入性、無感測器、又低價之技術以即時決定操作中之交流馬達之定子繞線阻抗。
現在參考至圖9，測量該馬達中之定子繞線溫度之技術64被提出。該技術開始於步驟66處之決定是否要在那個特定時間進行該定子繞線溫度測量。本決定可例如依據溫度測量(例如，每5分鐘)間之時間間距來進行之。若決定在那個時間68不要溫度測量，則該技術移動至繼續以標準模式操作該馬達驅動裝置之步驟70。然而，若決定要溫度測量72，則該技術移動至該馬達驅動裝置被切換至直流注入模式之步驟74，其中，根據上面詳細提出之封閉迴路及開放迴路控制方案中其中之一引入一直流命令以使該馬達驅動裝置將一直流訊號注入該馬達驅動裝置輸出中。
在步驟76處，送至該感應馬達之交流馬達線電壓及相位電流中之直流成分Vab 、Ia 被計算。依據該計算馬達線電壓及相位電流，該定子繞線之阻抗及溫度接著係例如上面公式7和8中所提出般地分別於步驟78及80處決定之。該計算定子繞線阻抗及溫度可接著於步驟82處被傳送/報告至例如該馬達驅動裝置中之控制器。該已定定子繞阻抗及溫度接著被分析以決定例如是否超過該馬達之溫度臨界值。
現在參考至圖10，以電流為基礎來測量該馬達中之定子繞線溫度之技術84被提出，據此只有該感應馬達之相位電流需被分析。該技術可應用於圖6所示之開放迴路控制技術並開始於步驟86之直流訊號(也就是，直流電流)注入。出現於該感應馬達之相位電流中之直流電流接著例如公式9中所提出般地於步驟88處進行測量。對該馬達驅動裝置及連接該馬達驅動裝置和馬達之纜線之阻抗補償係例如公式13中所提出般地(依據該馬達驅動裝置阻抗Rdrive 及該纜線阻抗Rcable 之已知或測量值)於步驟90處進行之。該技術84繼續步驟92處之決定該馬達負載是否已有變化。若該負載未有變化94，則該定子繞線溫度係依據公式11及12於步驟96處測量之。若該負載有變化98，則該定子繞線溫度係如公式10所提出般地於步驟100處(相較於步驟88處所度量之電流)重新度量之。依據此重新度量，該定子繞線溫度接著於步驟96處測量之。
在其內包含控制器42之上述馬達驅動裝置被提出時，也理解到控制器42可於模組/裝置中與該馬達驅動裝置及其相關控制分開安置。現在參考至圖11，根據本發明另一實施例，所示控制器102為一與馬達驅動裝置104分開之裝置。控制器102可被整合至用以例如透過一有線或無線連接將該直流命令訊號傳送至馬達驅動裝置104而架構之遠端控制或計算裝置中。如上所詳述實施例中所提出地，馬達驅動裝置104可根據一開放迴路或封閉迴路控制技術來操作，因此，根據本發明實施例，在使用於控制馬達驅動裝置104之控制方案類型已定時，控制器102可被架構以產生並傳送一直流電流命令訊號或一直流電壓命令訊號。一直流訊號因而被注入送至負載26之交流馬達線電壓及相位電流中，且本直流訊號被分析以決定一定子繞線阻抗。
所揭示方法及裝置之技術貢獻係在於它提供一決定定子繞線阻抗之電腦配置技術以提供交流馬達熱保護。該技術控制一交流馬達驅動裝置之脈寬調變轉換器內之開關以在對應於一至該交流馬達之輸入之馬達驅動裝置之輸出中產生一直流成分，並由該直流成分中決定一定子繞線阻抗。該定子繞線溫度也可於該技術中依據該定子繞線阻抗來決定之。
因此，根據本發明一實施例，一種用以測量一交流馬達之定子繞線阻抗之系統包含一交流馬達驅動裝置，該交流馬達驅動裝置具有一可連接至一交流電源之輸入及一可連接至一交流馬達輸入端之輸出。該交流馬達驅動裝置進一步包含一脈寬調變(PWM)轉換器和一連接至該脈寬調變轉換器的一控制系統，該脈寬調變轉換器內具有控制該交流馬達中之電流和端電壓之複數個開關。該控制系統產生一命令訊號以引起該脈寬調變轉換器控制對應於該交流馬達之輸入的交流馬達驅動裝置的輸出、選擇性地產生一修正命令訊號以引起該脈寬調變轉換器將一直流訊號注入該交流馬達驅動裝置之輸出中、並依據該電壓及電流中至少其中之一之直流訊號來決定該交流馬達之定子繞線阻抗。
根據本發明另一實施例，一種用以決定一交流馬達之定子繞線阻抗之方法包含提供串接於一交流電源及該交流馬達之間的一交流馬達驅動裝置之步驟，該交流馬達驅動裝置包含一脈寬調變(PWM)轉換器，藉以調節該交流馬達之電壓和電流。該方法也包含選擇性地以一標準模式及一直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置之步驟，其中，以該直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置包含下列步驟：將一直流命令加入至一交流電壓命令及一交流電流命令中至少其中之一以形成一複合命令；依據該複合命令產生一用於該脈寬調變轉換器之開關圖案、和根據該開關圖案操作該脈寬調變轉換器以將一直流訊號注入該交流馬達電壓及電流中。以該直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置進一步包含下列步驟：測量提供至該交流馬達之電壓及電流中至少其中之一直流訊號並依據所測量之直流訊號決定該定子繞線之阻抗。
根據本發明又一實施例，提供一種用以控制電壓及電流自一交流電源傳輸至一具有一定子繞線之交流馬達所架構之交流馬達驅動裝置。該交流馬達驅動裝置包含一脈寬調變(PWM)轉換器以調節一至該感應馬達之交流馬達線電壓及相位電流，該脈寬調變轉換器包括複數個開關且被架構以根據一空間向量調變(SVM)控制方案來操作，藉以控制該複數個開關。該交流馬達驅動裝置同時包含一控制系統，該控制系統被架構以選擇性地修正用於該脈寬調變轉換器之空間向量調變控制方案，以將一直流訊號注入該交流馬達線電壓及相位電流中，並依據該直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
本發明已就該較佳實施例進行說明，並理解到除了那些特別陳述外，還有等效者、替代者、和修改者係可行且落在所附申請專利範圍之範圍內。
10．．．交流馬達驅動裝置
12．．．電力供應器
12a-12c．．．交流輸入
14．．．橋式整流器
16．．．開關陣列
18．．．直流匯流排電容器庫
20．．．絕緣閘極雙極性電晶體開關
22．．．反向並聯二極體
24．．．脈寬調變反相器
26．．．感應馬達
28．．．控制系統
30．．．封閉迴路控制方案
32．．．速度控制器
34．．．磁通量/轉距測量器
36．．．磁通量/轉距控制器
38．．．電流控制器
40．．．開關訊號產生器
42．．．控制器
44．．．電壓及/或電流感測器
46．．．磁場導向控制方案
48．．．磁通量測量器
50．．．速度控制器
52．．．磁通量控制器
56．．．變壓器
58．．．直流成分
60．．．參考向量
62．．．電壓控制器
63．．．相位電流
64．．．測量馬達中之定子繞線溫度之技術
66-82．．．技術64之每個步驟
84．．．以電流為基礎來測量馬達中定子繞線溫度之技術
66-100．．．技術84之每個步驟
102．．．控制器
104．．．馬達驅動裝置
該些圖式說明目前用以實現本發明所思量之較佳實施例。
在該些圖式中：
圖1係根據本發明一觀點之交流馬達驅動裝置。
圖2係根據本發明一實施例之用於圖1馬達驅動裝置之直流注入之封閉迴路控制方案之示意圖。
圖3係根據本發明一實施例之用於圖1馬達驅動裝置之直流注入之磁場導向式封閉迴路控制方案之示意圖。
圖4係根據本發明一實施例將一直流命令注入至一空間向量調變(SVM)控制方案之控制向量以控制一脈寬調變(PWM)轉換器中之切換。
圖5係針對圖2和圖3之封閉迴路控制方案所產生之具有和沒有一注入直流成分之定子電流圖。
圖6係根據本發明一實施例之用於圖1馬達驅動裝置之直流注入之開放迴路控制方案之示意圖。
圖7係針對圖6之開放迴路控制方案所產生之具有和沒有一注入直流成分之定子電流圖。
圖8係圖1中操作於直流注入模式時之交流馬達系統之直流等效電路之示意圖。
圖9係根據本發明一實施例說明用以測量一定子繞線溫度之技術之流程圖。
圖10係根據本發明一實施例說明用以測量一馬達驅動裝置開放迴路控制方案中之定子繞線溫度之技術之流程圖。
圖11係根據本發明一實施例為了產生傳輸至一馬達驅動裝置之直流命令所架構之控制器方塊圖。
10．．．交流馬達驅動裝置
12a-12c．．．交流輸入
14．．．橋式整流器
16．．．開關陣列
18．．．直流匯流排電容器庫
20．．．絕緣閘極雙極性電晶體開關
22．．．反向並聯二極體
24．．．脈寬調變反相器
26．．．感應馬達
28．．．控制系統
34．．．電壓感測器

Claims (24)

  1. 一種用以測量一交流馬達之定子繞線的阻抗之系統，該系統包括：一交流馬達驅動裝置，具有一可連接至一交流電源之輸入及一可連接至一交流馬達輸入端之輸出，該交流馬達驅動裝置包括：一脈寬調變(PWM)轉換器，其內具有複數個開關以控制該交流馬達中之電流和端電壓；以及一控制系統，連接至該脈寬調變轉換器並被架構以：產生一命令訊號以引起該脈寬調變轉換器控制該交流馬達驅動裝置之輸出，該輸出對應於該交流馬達之輸入；選擇性地產生一修正命令訊號以引起該脈寬調變轉換器將一直流訊號注入該交流馬達驅動裝置之輸出中；以及依據該電壓及電流中至少其中之一之直流訊號來決定該交流馬達之定子繞線阻抗。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該控制系統進一步被架構以：產生一直流電壓命令訊號；結合該直流電壓命令訊號和一交流電壓命令訊號以形成該修正命令訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中，該交流馬達驅動裝置包括一開放迴路馬達驅動裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該控制系統進一步被架構以：產生一直流電流命令訊號；結合該直流電流命令訊號和一相對應的交流電流命令訊號以形成該修正命令訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該交流馬達驅動裝置包括一封閉迴路馬達驅動裝置。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該控制系統進一步被架構以依據操作該交流馬達時所即時決定之定子阻抗來決定該定子繞線之溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中，該控制系統進一步被架構以在該定子繞線溫度超過一預定臨界值時產生一警示。
  8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該控制系統被架構以依據該修正命令訊號來決定該脈寬調變轉換器中之複數個開關之開關圖案，藉以使該直流訊號注入該交流馬達至少其中一個相位中。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中，該控制系統被架構以決定一空間向量調變(SVM)控制方案來提供該脈寬調變轉換器中之複數個開關之開關圖案。
  10. 如申請專利範圍第8項之系統，進一步包括電壓及電流感測器於其中，其中，該控制系統決定來自一線對線電壓之直流訊號之振幅及來自於由該開關圖案於其中所引起之擾動所產生之相位電流之直流訊號的振幅。
  11. 如申請專利範圍第8項之系統，進一步包括電壓及電流感測器於其中，其中，該控制系統決定來自於由該開關圖案於其中所引起之擾動所產生之相位電流中之直流訊號的振幅。
  12. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該控制系統被架構以：在馬達操作期間以預先定義次數週期性地產生該修正命令訊號；以及在該複數個預先定義次數中，每一次都對注入之直流訊號進行度量。
  13. 一種用以決定一交流馬達之定子繞線阻抗之方法包括：提供串接於一交流電源及該交流馬達之間的一交流馬達驅動裝置，該交流馬達驅動裝置包含一脈寬調變(PWM)轉換器以調節至該交流馬達之電壓和電流；選擇性地以一標準模式及一直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置，其中，以該直流注入模式操作該交流馬達驅動裝置包括：將一直流命令添加至一交流電壓命令及一交流電流命令中至少其中之一以形成一複合命令；依據該複合命令產生一用於該脈寬調變轉換器之開關圖案；根據該開關圖案操作該脈寬調變轉換器以將一直流訊號引入該交流馬達電壓及電流中；度量提供至該交流馬達之電壓及電流中至少其中之一之直流訊號；以及依據所度量之直流訊號決定該定子繞線之阻抗。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，添加該直流命令包括添加一直流電壓命令訊號及一直流電流命令訊號中其中之一。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，產生該開關圖案包括產生用於該脈寬調變轉換器之一空間向量控制方案。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，決定該定子繞線之阻抗包括依據提供至該交流馬達之電流中之度量直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，決定該定子繞線之阻抗包括依據提供至該交流馬達之電壓及電流中每一者之度量直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包括依據所決定之定子繞線阻抗來決定該定子繞線之溫度。
  19. 一種用以控制電壓及電流自一交流電源傳輸至一具有一定子繞線之交流馬達之交流馬達驅動裝置，該交流馬達驅動裝置包括：一脈寬調變(PWM)轉換器，用以調節該感應馬達之交流馬達線電壓及相位電流，該脈寬調變轉換器包括複數個開關且被架構以根據一空間向量調變(SVM)控制方案來操作，藉以控制該複數個開關；以及一控制系統，其被架構以：選擇性地修正用於該脈寬調變轉換器之空間向量調變控制方案，以將一直流訊號注入該交流馬達線電壓及相位電流中；及依據該直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
  20. 如申請專利範圍第19項之交流馬達驅動裝置，其中，該控制系統被架構以將一直流成分引入一控制向量中以修正該空間向量調變控制方案。
  21. 如申請專利範圍第20項之交流馬達驅動裝置，其中，該直流成分包括一直流電壓命令訊號及一直流電流命令訊號中其中之一。
  22. 如申請專利範圍第19項之交流馬達驅動裝置，其中，該控制系統被架構以依據該相位電流中之直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
  23. 如申請專利範圍第19項之交流馬達驅動裝置，其中，該控制系統被架構以依據該馬達線電壓及該相位電流中每一者之直流訊號來決定該定子繞線之阻抗。
  24. 如申請專利範圍第19項之交流馬達驅動裝置，其中，該控制系統進一步被架構以依據操作該交流馬達時所即時決定之定子阻抗來決定該定子繞線之溫度。
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