CN1242646A - 计算异步电动机产生的转矩的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便于计算异步电动机的转矩的装置,甚至考虑了在超过额定励磁的升压状态时的铁损。本发明的装置根据馈送给驱动异步电动机的逆变器的基准电压值、在随异步电动机转子旋转的转动坐标系上从异步电动机的检测电流中分解出的q轴电流分量和d轴电流分量、异步电动机的一次阻抗以及一次角频率计算异步电动机的转矩,它包括:铁损计算器,它根据异步电动机的定子铁芯的磁滞特性计算异步电动机的铁损;除法器,把计算得到的铁损除以一次角频率;以及加法器,从计算得到的没有考虑铁损的转矩减去相除结构,计算产生的转矩。

Description

计算异步电动机产生的转矩的装置

本发明涉及一种计算PWM逆变器驱动的异步电动机产生的转矩的装置(下文有时称之为“感应机”)。

根据已有技术，如“通用逆变器的转矩有限控制”(1990 NATIONALCONVENTION RECORD I.E.E.JAPAN，No.579)所描述的，获得感应机产生的转矩，以根据感应机的一次磁通矢量与一次电流矢量的矢量积控制感应机。

然而，根据这种方法，由于这种方法没有考虑铁损，所以在相对于基准角频率设置大于通常基准电压的超过额定励磁的升压状态时，在计算结果中会产生较大的误差。

如上所解释的，如下式(1)所述，根据感应机的一次磁通矢量与一次电流矢量的矢量积获得异步电动机产生的转矩。一次磁通矢量是根据一次电压矢量、一次电流矢量和一次阻抗值计算得到的。 $\mathrm{\τ}={\stackrel{\→}{\mathrm{\φ}}}_1\×{\stackrel{\→}{i}}_1---\left(1\right)$ ${\stackrel{\→}{\mathrm{\φ}}}_1=\∫({\stackrel{\→}{v}}_1-r_1\·{\stackrel{\→}{i}}_1)\·\mathrm{dt}$ 公式(1)和(2)中的量值如下：

：一次电流矢量：一次磁通矢量

：一次电压矢量r₁：一次阻抗值在稳定状态时，随感应机的转子旋转的转动坐标系(d-q轴坐标系)上求解公式(1)和(2)获得下面的公式(4)。τ＝_1d·i_1q-_1q·i_1d $=[(v_{1q}\·i_{1q}+v_{1d}\·i_{1d})-r_1(i_{1q}^2+i_{1d}^2)]/{\mathrm{\ω}}_1---\left(3\right)$ 在公式(3)中，ω1表示一次角频率。从公式(3)获得公式(4a)和(4b)。_1d＝(v_1q-r₁·i_1q)/ω₁    …(4a)_1q＝(r₁·i_1d-v_1d)/ω₁    …(4b)

公式(3)右侧的分子是从输入到感应机中的电功率中减去铜损获得的电功率的式子。因此，该式不包括所谓的铁损，即定子芯产生的损耗。

换句话说，由于公式(3)没有考虑铁损，所以在相对于基准角频率设置大于通常基准电压的超过额定励磁的升压状态时，在计算结果中会产生较大的误差。

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种计算装置，它在计算异步电动机产生的转矩时考虑了铁损。

公式(3)右侧把从输入的电功率(v_1q·i_1q+v_1d·i_1d)减去铜损[r₁(i_1q ²+i_1d ²)]得到的结果(二次输入)除以一次角频率ω1来计算转矩τ。

公式(3)可重写成下式(5)，其中P₀表示二次输入(同步功率)。

τ＝P₀/ω1        …(5)

下面的公式(6)涉及输入电功率P、二次输入P₀、铜损W_c与铁损W_i之间的关系。公式(6)忽略了机器损耗。

P＝P₀+W_c+W_i       …(6)

根据公式(5)和(6)，用下面的公式(7)来表示感应机产生的转矩。

                   τ＝(P-W_c-W_i)/ω₁ $=[(v_{1q}\·i_{1q}+v_{1d}\·i_{1d})-r_1(i_{1q}^2+i_{1d}^2)-W_i]/{\mathrm{\ω}}_1---\left(7\right)$

                     ＝_1d·i_1q-_1q·i_1d-W_i/ω₁

铁损Wi用公式(8)来表示。公式(8)中的磁滞损失Wh与涡流损失We分别由下面的公式(9)和(10)来表示。

W_i＝W_h+W_e         …(8)

W_h＝σ_h·f·B_m ²   …(9)

W_e＝σ_e·d²·f²·B_m ²          …(10)

公式(9)和(10)中的量值如下：

f：一次频率

B_m：磁通密度的最大值

σ_h：芯子材料决定的常数

σ_e：芯子电阻率决定的常数

d：芯子厚度

因此，利用考虑了感应机铁损的公式(7)可以计算感应机产生的转矩。

本发明是基于把二次输入P₀除以一次角频率ω1获得感应机产生的转矩τ的。二次输入P₀是通过从输入电功率P中减去铜损W_c和铁损W_i计算得到的。把二次输入P₀除以一次角频率ω1可以精确地计算得到考虑了铁损的感应机产生的转矩。

换句话说，把利用上述公式(3)计算得到的计算转矩(它没有考虑铁损)减去铁损W_i除以一次角频率ω1得到的除法结果而计算得到产生的转矩。

根据本发明的一个方面，提供一种计算异步电动机产生的转矩的装置，它是基于馈送给驱动异步电动机的逆变器的基准电压值、在随异步电动机转子旋转的转动坐标系上从异步电动机的检测电流中分解出的q轴电流分量和d轴电流分量、异步电动机的一次阻抗以及一次角频率，该装置包括铁损计算器，它根据异步电动机的定子铁芯的磁滞特性计算异步电动机的铁损；除法器，把计算得到的铁损除以一次角频率；以及加法器，从计算得到的没有考虑铁损的转矩减去相除结果，计算产生的转矩。

根据本发明的另一个方面，提供一种计算异步电动机产生的转矩的装置，它是基于在随异步电动机转子旋转的转动坐标系上从驱动异步电动机的输出电压中分解出的q轴电压分量和d轴电压分量、在转动坐标系上从异步电动机的检测电流中分解出的q轴电流分量和d轴电流分量、异步电动机的一次阻抗以及一次角频率，该装置包括：铁损计算器，它根据异步电动机的定子铁芯的磁滞特性计算异步电动机的铁损；除法器，把计算得到的铁损除以一次角频率；以及加法器，从计算得到的没有考虑铁损的转矩减去相除结果，计算产生的转矩。

铁损计算器还有利地根据流过异步电动机定子铁芯的涡流特性计算涡流损耗，利用计算得以的涡流损耗计算铁损。

铁损计算器还有利地计算由于逆变器的载频引起的磁滞损耗和涡流损耗，并利用计算得到的磁滞和涡流损耗计算铁损。

图1是控制异步电动机的控制装置的框图。

图2是根据本发明第一实施例的计算图1的异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

图3是根据本发明第二实施例的计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

图4是根据本发明第三实施例的计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

图5是控制异步电动机的另一种控制装置的框图。

图6是根据本发明第四实施例的计算图5的异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

图7是根据本发明第五实施例的计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

图8是根据本发明第六实施例的计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

现在将参照图示出的本发明较佳实施例的附图解释本发明。

图1是控制异步电动机的控制装置的框图。现在参照图1，把一组一次角频率值ω1^*输入到加速和减速调节器7，并转换成PWM逆变器3输出的电功率的基准一次角频率ω1^**。根据本发明的第一实施例，基准一次角频率ω1^**被馈送到V/F转换器8、积分器6和转矩计算器9。

V/F转换器8响应于基准一次角频率ω1^**产生基准电压值v_1q ^*。把基准电压值v_1q ^*输入到坐标变换器4。积分器6根据基准一次角频率ω1^**计算基准矢量位置θ^*。把基准矢量位置θ^*输入到坐标变换器4和另一坐标变换器5。

坐标变换器4根据基准电压值v_1d ^*、基准电压值v_1q ^*和基准矢量位置θ计算输出电压值，并把计算得到的输出电压值馈送给PWM逆变器，使PWM逆变器产生电压。异步电动机1就由该电压来驱动。电流检测器2检测异步电动机1的电流。坐标变换器5把检测电流分解成与基准电压值v_1q ^*同相的q轴电流分量i_1q(转矩电流分量)和与q轴电流分量垂直的d轴电流分量i_1d(磁化电流分量)。

分解得到的电流分量i_1q，i_1d、基准电压值V_1q ^*，V_1d ^*、基准一次角频率ω1^**、异步电动机1的一次阻抗r₁ ^*和基准磁滞损耗W_h ^*都输入给转矩计算器9。转矩计算器9按下述方法计算异步电动机产生的转矩。

图2是计算图1中异步电动机产生的转矩的转矩计算器9的框图。

现在参照图2，分解得到的电流分量i_1q，i_1d、基准电压值V_1q ^*，V_1d ^*、基准一次角频率ω1^**和异步电动机1的一次阻抗r₁ ^*输入给一次磁通计算器10。一次磁通计算器10运算前面的公式(4a)和(4b)获得一次磁通分量φ_1d和φ_1q。

铁损计算器11运算前面的公式(9)获得磁滞损耗W_h。公式(9)中的最大磁通密度B_m是根据基准电压V₁ ^*与一次频率f之比获得的。V₁ ^*是矢量分量V_1q ^*，V_1d ^*的矢量和的绝对值。因此，B_m ²＝{(v_1q ^*)²+(v_1d ^*)²}/f²。基准磁滞损耗W_h ^*是变量B_m和f都为1[p.u(每个单位)]时的磁滞损耗W_h的值，因而，对应于常数σ_h。

在第一实施例中，假设铁损W_i等于磁滞损耗W_h，而忽略公式(8)中的涡流损耗W_e。

除法器16把铁损Wi(即在本实施例中为磁滞损耗)除以基准一次角频率ω1^**，计算公式(7)的右边的第三项。

乘法器12计算公式(7)右边的第一项。乘法器13计算公式(7)右侧的第二项。加法器14把乘法器12和13的输出相加。感应机产生的转矩τ的估计值通过从加法器14的输出(该输出为根据公式(3)计算得到的转矩，没有考虑铁损)中减去除法器16的输出计算得到。

图3是根据本发明第二实施例计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。下面，为了简洁起见，省略了对与图2中的构成部件相同的重复解释。

现在参照图3，该转矩计算器考虑了涡流损耗W_e。根据公式(10)计算涡流损耗。以与第一实施例相似的方式获得磁通密度的最大值。铁损计算器17根据公式(8)计算铁损W_i。与基准磁滞损耗Wh^*与常数σ_h的关系相同，基准涡流损耗We^*对应于常数σ_e。

图4是根据本发明第三实施例计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

现在参照图4，该转矩计算器包括附加计算器，用于计算由于载频引起的铁损(下文称为“载波损耗”)。

由于获得的铁损W_i，如公式(8)所描述的，利用公式(9)中的磁滞损耗W_h和公式(10)中的涡流损耗W_e，根据一次频率f和载频f_c与一次频率f的调制比获得计算载波损耗的频率。利用计算载波损耗的频率和从调制比获得的高次谐波电压分量计算磁通密度B_m的最大值。铁损计算器18运行上述计算式计算铁损W_i。

图5是控制异步电动机的另一种控制装置的框图。图6是根据本发明第四实施例的计算图5中的异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

现在参照图5，控制装置包括检测逆变器的输出电压的输出电压检测器20和坐标变换器19，该坐标变换器19把检测到的输出电压分解成与基准电压值v_1q ^*同相的q轴电压分量v_1q和与基准电压值v_1q ^*垂直的d轴电压分量v_1d。图5的控制装置与图1的控制装置不同，图5的控制装置利用检测到的和分解得到的电压分量v_1d和v_1q来计算转矩。

现在参照图6，把检测得到的和分解得到的电压分量v_1d和v_i输入到一次磁通计算器10中。一次磁通计算器10分别根据公式(4a)和(4b)计算一次磁通分量φ_1d和φ_1q。其它运算与第一实施例相同。

由于利用了逆变器的输出电压值，所以进一步提高了转矩计算的精确性。

图7是根据本发明第五实施例的计算图5中的异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

下面，将描述与第二实施例不同的结构。与第四实施例相同的方式，输出电压检测器20检测逆变器的输出电压，坐标变换器19把检测到的输出电压分解成与基准电压v_1q ^*同相的q轴电压分量v_1q和与基准电压值v_1q ^*垂直的d轴电压分量v_1d。图7的转矩计算器利用检测到的和分解得到的电压分量v_1d和v_1q计算转矩。除了在图7中把检测得到的和分解得到的电压分量v_1d和v_1q输入到一次磁通计算器10之外，图7的转矩计算器的结构与图3相同。

图8是根据本发明第六实施例的计算异步电动机产生的转矩的转矩计算器的框图。

下面，将描述结构与第三实施例不同的部分。与第四和第五实施例相同，输出电压检测器20检测逆变器的输出电压，坐标变换器19把检测得到的输出电压分解成与基准电压值v_1q ^*同相的q轴电压分量v_1q和与基准电压值v_1q ^*垂直的d轴电压分量v_1d。图8的转矩计算器利用检测得到的和分解得到的电压分量v_1d和v_1q计算转矩。除了图8中把检测得到的分解得到的分量v_1d和v_iq输入到一次磁通计算器10中之外，图8的转矩计算器的结构与图4相同。

根据本发明，即使在升压状态，也可以通过从输入的电功率中减去铜损和铁损，并把相减得到的结果除以一次角频率来没有误差地计算异步电动机产生的转矩。

Claims (6)

1、一种计算异步电动机产生的转矩的装置，它是基于馈送给驱动异步电动机的逆变器的基准电压值、在随异步电动机转子旋转的转动坐标系上从异步电动机的检测电流中分解出的q轴电流分量和d轴电流分量、异步电动机的一次阻抗以及一次角频率，该装置包括：

铁损计算器，它根据异步电动机的定子铁芯的磁滞特性计算异步电动机的铁损；

除法器，把计算得到的铁损除以一次角频率；以及

加法器，从计算得到的没有考虑铁损的转矩减去相除结果，计算产生的转矩。

2、一种计算异步电动机产生的转矩的装置，它是基于在随异步电动机转子旋转的转动坐标系上从驱动异步电动机的输出电压中分解出的q轴电压分量和d轴电压分量、在转动坐标系上从异步电动机的检测电流中分解出的q轴电流分量和d轴电流分量、异步电动机的一次阻抗以及一次角频率，该装置包括：

铁损计算器，根据异步电动机的定子铁芯的磁滞特性计算异步电动机的铁损；

除法器，把计算得到的铁损除以一次角频率；以及

加法器，从计算得到的没有考虑铁损的转矩减去相除结果，计算产生的转矩。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，铁损计算器还根据流过异步电动机定子铁芯的涡流特性计算涡流损耗，并利用计算得到的涡流损耗计算铁损。

4、如权利要求2所述的装置，其特征在于，铁损计算器还根据流过异步电动机定子铁芯的涡流特性计算涡流损耗，并利用计算得到的涡流损耗计算铁损。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，铁损计算器还计算由于逆变器的载频引起的磁滞损耗和涡流损耗，并利用计算得到的磁滞损耗和涡流损耗计算铁损。

6、如权利要求4所述的装置，其特征在于，铁损计算器还计算由于逆变器的载频引起的磁滞损耗和涡流损耗，并利用计算得到的磁滞损耗和涡流损耗计算铁损。

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