阅读说明：本技术 用于确定转子的温度的方法和设备 (Method and device for determining the temperature of a rotor ) 是由 M·福格尔斯贝格尔 M·巴让特 T·沃尔班克 于 2019-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种确定电感应式机器(1)的转子的温度(RT)的方法和设备,所述方法包括以下步骤：-在参考坐标系中确定一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角(CSA),-根据包括至少一个与转子温度有关的参数的机器模型(MM)在参考坐标系中确定实际的定子磁通饱和凸极角(ASA),-确定与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角(CSA),-确定实际的定子磁通饱和凸极角(ASA)和与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角(CSA)之间的偏差,-将转子温度(RT)确定为使所述偏差最小化的温度。(The invention relates to a method and a device for determining the temperature (RT) of a rotor of an electric induction machine (1), said method comprising the following steps: -determining a set of temperature-independent comparative stator flux saturation salient angles (CSA) in a reference coordinate system, -determining an actual stator flux saturation salient angle (ASA) in the reference coordinate system based on a Machine Model (MM) comprising at least one rotor temperature-dependent parameter, -determining a temperature-independent comparative stator flux saturation salient angle (CSA), -determining a deviation between the actual stator flux saturation salient angle (ASA) and the temperature-independent comparative stator flux saturation salient angle (CSA), -determining a Rotor Temperature (RT) as a temperature at which said deviation is minimized.)

用于确定转子的温度的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定电感应式机器的转子的温度的方法和设备。

背景技术

在感应式机器的控制领域中，已知所谓的无传感器控制，其使得能够降低电机的成本和尺寸并提高系统可靠性。

特别是对于用于公共或货物运输的铁路系统，需要这种提高的系统可靠性。第一无传感器控制策略依赖于电机的基波表示。然而，其准确度在低速范围内降低，并且在零电频率的情况下会失效。这种方法例如在文献C.Spiteri等，“Sensorless control ofinduction machines at zero and low frequency using zero sequence currents(感应式机器在零和低频率下利用零序电流的无传感器控制)”，IEEE Transactions onIndustrial Electronics(IEEE工业电子汇刊)，卷53，第1期，第195–206页，2005中描述。

另一种方法使用基于电机的非基波特性的策略，并涉及跟踪电机的固有或特别构造的凸极(Saliencies)。这种策略例如在文献D.Reigosa等，“Sensorless Control ofDoubly-Fed Induction Generators Based on Stator High-Frequency SignalInjection(基于定子高频率信号注入的双馈感应发电机无传感器控制)”，IEEETransactions on Industry Application(IEEE工业应用汇刊)，in print(已出版)，2014中描述。

凸极提取通常通过测量对频率与基频波激励不相同的电压激励的电流响应来完成。特别已知的是所谓的电压脉冲激励，其中，可以建立与脉冲宽度调制分离的脉冲激励，或者将脉冲激励集成到基波脉冲宽度调制激励中。这例如在EP 2405570 A1中描述。

相应的控制方法能够跟踪转子位置，从而建立感应式机器的速度无传感器控制。

除了该控制问题之外，还需要准确估计和监测转子温度，因为这使得能够防止电感应式机器的转子或相邻部件过热。

通常，特别是在标准应用中，用于检测转子温度的温度传感器不能用在转子侧上。在已知的方法中，可用定子绕组上的传感器，其中，转子温度基于所述传感器的输出和热模型来估算。

估计温度的其它方法涉及基于热模型的估计，例如，在文献PH Mellor和D.R.Turner，“Real Time Prediction of Temperatures in an Induction Motor Usinga Microprocessor(使用微处理器的感应式机器中温度的实时预测)”，Electric MachinePower Systems(电机功率系统)，第333-352页，1988中描述。这些方法通常基于温度变化引起的转子电阻变化的直接检测，并且需要精确地知晓注入的定子电压。

发明内容

存在提供用于以准确且可靠的方式确定电感应式机器的转子的温度的方法和设备的技术问题。

所述技术问题的解决方案由具有权利要求1和权利要求12的特征的主题提供。本发明的进一步有利实施例由具有从属权利要求的特征的主题提供。

本发明的基本思想是基于对固有的电机凸极的分析来确定转子温度。尤其可使用定子磁通饱和凸极的角度来监测转子电阻并基于转子电阻确定转子温度。

本发明基于以下事实：转子的温度显著地影响转子电阻和进而的转子时间常数，所述转子时间常数为使用基于所谓的转子等式的机器模型的电机的控制提供一个主要参数。为了确定转子电阻或时间常数的值，例如通过利用电机的具有由逆变器产生的电压脉冲的激励，分析固有的电机凸极。电机的反应是主要受电机瞬态电感影响的电流变化。定子电阻和DC(直流)链路电压幅度提供了额外的影响。通过所谓的INFORM方法提供了一种利用上述激励来确定固有电机凸极的示例性方法，例如，在上述EP 2405570A1或文献M.Schroedl，“Sensorless control of AC machines at low speed and standstillbased on the INFORM method(AC电机在低速和静止时基于INFORM方法的无传感器控制)”，IEEE Industry Applications Conference(IEEE工业应用会议)，第270-277页，1996中描述。

本文提出了一种确定电感应式机器的转子的温度的方法。该方法包括以下步骤：

在预先步骤中，在参考坐标系中确定一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角(comparative stator flux saturation saliency angles)。优选的参考坐标系是关联至定子电流角(stator current angle)或定子电流角的倍数的坐标系。但是，也可使用其它参考坐标系。比较定子磁通饱和凸极角将在所提出的方法的之后的步骤中用于比较的目的。特别地，所述凸极角提供参考值。这些参考值可例如在电机调试期间例如针对不同的负载电流来确定。换句话说，这些参考值可配属于例如由不同的负载电流表示的不同的负载值。

在这种情况下，重要的是要注意表示负载值与定子磁通饱和凸极角的幅度之间的关系的函数的形状仅与电机的设计有关而与转子温度无关。因此，不必执行定子磁通饱和凸极角在不同的温度值下的所述参考值的确定。

所述一组与温度有关的比较定子磁通饱和凸极角可存储在例如存储器单元。

在第一步骤中，在上述参考坐标系中确定实际的定子磁通饱和凸极角。实际的定子磁通饱和凸极角根据包括至少一个与转子温度有关的参数的机器模型来确定。机器模型可包括所谓的转子或者可以基于转子电流模型。这种等式包括以下等式中的一个或多个：

0＝i_R×r_R+j(ω_S-ω_m)×Ψ_R，式1，

Ψ_R＝l_R×(i_S+i_R)，式2，

Ψ_R＝(i_S×r_R)/(1/τ_R+j(ω_S-ω_m))，式3

arg(Ψ_R)＝-atan[(ω_S-ω_m)×τ_R]，式4。

在这些等式中，参数i_R表示转子电流矢量，所述参数Ψ_R表示转子磁链矢量，参数l_R表示转子电感，参数r_R表示转子电阻，参数τ_R表示转子时间常数，参数i_S表示定子电流矢量，参数ω_S表示电频率，以及参数ω_m表示机械频率。在此设置中，转子电阻r_R是与温度有关的参数。

实际的定子磁通饱和凸极角可根据定子电流矢量i_S来确定。更特别地，实际的定子磁通饱和凸极角可根据实际操作点处的转子磁通来确定，其中，转子磁通与温度有关。更特别地，实际的定子磁通饱和凸极角可确定为与温度有关的转子磁链角或根据所述与温度有关的转子磁链角来确定。

特别地可根据定子电流矢量i_S确定转子磁链矢量。还可根据用于测量电机的至少一相、优选所有相中的相电流的电流传感器的输出信号确定定子电流矢量i_S。此外，例如通过使用适当的传感手段，也可测量电气和/或机械性能、例如频率。此外，对于实际给定的负载值(实际的负载值)确定实际的定子磁通饱和凸极角，其中，负载值例如由磁化电流和/或负载电流的值表示。这种电流可例如由例如电流传感器测量。换句话说，电机的基波模型可在第一步骤中用于确定定子磁通饱和凸极角。

还可使用基于电流的控制方案来控制在操作期间提供给电机的电流。电流控制可使用上述机器模型特别是基于转子磁链矢量进行。特别地，电流控制可以是所谓的场定向控制。

实际的定子磁通饱和凸极角可例如使用上述INFORM方法来确定。

在第二步骤中，特别是根据实际的负载值，确定与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角。替代地或附加地，可根据磁通值、例如实际的定子磁通或转子磁通值来确定与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角。

该比较凸极角表示上述一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角中的对于相同或相似的负载值确定的一个角。表述“相似”可表示用于确定的负载、即磁化和/或负载电流之间的偏差不会彼此偏离超过预定的量。所述与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角可为磁通饱和凸极角提供设定值或参考值。

在第三步骤中，确定在第一步骤中确定的实际的磁通饱和凸极角与在第二步骤中确定的与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角之间的偏差。

在第四步骤中，将电感应式机器的转子温度确定为使所述偏差最小化的温度。例如可将转子温度的值以及进而的转子时间常数的值调节或调整到使得实际的定子磁通饱和凸极角和比较定子磁通饱和凸极角之间的偏差最小化的值。换句话说，改变上述机器模型的一个与温度有关的参数，使得在第一步骤中确定的实际的定子磁通饱和凸极角尽可能接近、优选地等于在第二步中确定的提供设定值的确定的比较凸极角。

该方法基于如下事实：如果机器模型中的转子时间常数不适应真正存在的转子温度，则使用机器模型确定的转子磁链角与真正存在的转子磁链角之间将存在偏差。因此，基于机器模型确定的转子磁链角不代表真正的转子磁链角，并导致在电机控制中不适当地调整电流。电流分量或电机控制的这种不准确的调整导致电机操作点的不准确的调整，这进而影响定子磁通凸极角。因此，实际的定子磁通饱和凸极角和提供设定值的与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角之间也存在偏差。

该方法有利地使得能够准确、可靠且快速地确定转子温度。此外，该方法有利地使用现有部件、特别是用于无速度传感器控制的部件，因此不需要额外的部件、例如传感器。另外的优点在于，不需要评估复杂的热模型来准确确定转子温度。此外，可在不使用速度传感器的情况下确定转子温度。然而，如果设有这种速度传感器，也可确定转子温度。另外的优点在于，对于小速度值，也可以可靠地确定转子温度。

在另一个实施例中，确定机器模型的使偏差最小化的与温度有关的转子电阻参数，其中，根据所述转子电阻参数确定转子温度。转子电阻参数例如可以是前面提到的转子电阻参数r_R。换句话说，转子温度被确定为使得在机器模型的评估中用于确定实际的定子磁通饱和凸极角的所得的转子电阻参数被调整为使得凸极角之间的上述偏差最小化。这有利地使得能够易于实现转子温度的确定，因为可使用公认的机器模型及其参数。

在另一个实施例中，参考坐标系是关联至定子电流角或其倍数、即定子电流角的倍数的坐标系。这有利地使得能够简单且易于实现地确定实际的定子磁通饱和凸极角。

在另一个实施例中，对于不同的磁化电流和/或不同的负载电流值，关于一组定子电流矢量确定所述一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角。例如可存储上述组中的每个定子磁通饱和凸极角和相应的定子电流矢量和/或相应的磁化电流值和/或相应的负载电流值。

这有利地使得能够简化与在第三步骤中确定的实际的定子磁通饱和凸极角对应的比较定子磁通饱和凸极角的确定。

在另一个实施例中，在选定的电机温度、特别是在环境温度下确定所述一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角。如前所述，定子磁通饱和凸极角的值与实际的转子温度无关，例如在温度变化时不会发生变化。因此，仅使用单一电机温度就提供了所需的所述一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角，同时也减少确定和进而的实现所提出的方法的花费。

在另一个实施例中，相对于或作为主磁通饱和凸极角确定定子磁通饱和凸极角。

在一个替代实施例中，相对于或作为泄漏磁通饱和凸极角确定定子磁通饱和凸极角。

在本文中，主磁通和漏磁通可以是定子磁通的不同部分。相对于或作为主磁通饱和凸极角或泄漏磁通饱和凸极角确定定子磁通饱和凸极角有利地提供了准确且可靠的替代方法来确定定子磁通饱和凸极角。

在另一个实施例中，温度作为控制函数的输出值被确定，其中，控制函数的输入是偏差或与偏差有关的值。如前所述，改变输出值将影响输入值，即偏差。控制函数特别是被选择为使得它确定使输入值最小化的输出值。

这有利地使得能够在计算上快速但准确且可靠地确定转子温度。

在一优选实施例中，控制函数是PI(比例积分)控制函数。选择控制函数作为PI控制函数有利地使得能够非常高效地确定转子温度，因为I部分使得偏差最小化并且P部分使得能够在计算上快速地确定。

在另一个实施例中，定子磁通饱和凸极角根据定子电流矢量、特别是使用上述机器模型来确定。上文已经解释了这一点和相应的优点。

在另一个实施例中，机器模型是电流模型，其中，至少一个与转子温度有关的参数是转子时间常数。上文已经解释了这一点和相应的优点。

本文还提出了一种用于确定电感应式机器的转子的温度的设备。该设备构造成能够执行根据本文公开的实施例之一的确定转子的温度的方法。特别地，该设备包括用于在参考坐标系中确定或提供一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角的装置。此外，该设备包括用于根据包括至少一个与转子温度有关的参数的机器模型在参考坐标系中确定实际的定子磁通饱和凸极角的装置。此外，该设备包括用于确定与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角以及实际的定子磁通饱和凸极角和与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角之间的偏差的装置，以及用于将转子温度确定为使所述偏差最小化的温度的装置。

用于确定或提供一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角的装置例如可由处理单元提供，其中，处理单元例如可以是由微控制器提供或包括微控制器的处理单元。替代地，该装置可由存储器单元提供或包括存储器单元。

用于确定实际的定子磁通饱和凸极角的装置例如可包括处理单元或另外的处理单元。此外，所述装置可包括一个或多个传感器、例如用于感测定子相电流的传感器。

用于确定预定的偏差的装置和用于确定转子温度的装置可包括评估单元或另外的评估单元。

附图说明

本发明将参考附图进行描述。附图示出了：

图1是用于确定转子温度的方法的示意性框图，

图2是转子磁链角误差的示例性图示，

图3是对于不同负载值的定子磁通饱和凸极角示意图，

图4是对于不同温度偏差的定子磁通饱和凸极角的示例图，以及

图5是电感应式机器和相应的控制单元的示意性框图。

具体实施方式

在下文中，相同的附图标记将表示相同或相似的技术特征。

图1示出了用于确定电感应式机器1(参见图5)的转子温度RT的方法的示意性框图。该方法的第一输入由一组与温度无关的比较定子磁通饱和凸极角CSA提供。所述比较定子磁通饱和凸极角使与温度无关的定子磁通饱和凸极角，并且由预定的值、特别是由在调试电机1时确定的值提供。此外，这些比较定子磁通饱和凸极角的CSA在参考坐标系中确定。

该方法的另一输入是实际的定子磁通饱和凸极角ASA，其也在参考坐标系中确定。所述实际的定子磁通饱和凸极角ASA可例如提供INFORM方法确定。

此外，确定实际的定子磁通饱和凸极角ASA与比较定子磁通饱和凸极角CSA之间的偏差。这由减号运算符表示。

实际的定子磁通饱和凸极角ASA和比较定子磁通饱和凸极角CSA是在相同或相似的磁化电流值和/或负载电流值的条件下确定的凸极角。例如确定实际的定子磁通饱和凸极角的磁化电流值和/或负载电流值可被确定，然后可利用这个/这些电流值从预定的所述一组与温度无关的比较定子磁通饱和角中确定比较定子磁通饱和凸极角CSA。

偏差为控制函数、特别是PI控制函数CF提供输入。控制函数的输出值是转子电阻参数r_R。该转子电阻r_R提供机器模型MM的参数，其用于确定转子磁链矢量Ψ_R。基于具有实际的转子电阻参数r_R的机器模型MM，可确定相应的实际的定子磁通饱和凸极角。这例如可使用所谓的电流-衍生-矢量计算CDPC来执行，电流-衍生-矢量计算CDPC可以是上述INFORM方法的一部分。

图1所示的控制回路调整转子电阻参数r_R，使得偏差、即实际的定子磁通饱和凸极角ASA与相应的比较定子磁通饱和凸极角CSA之间的差最小化。然后，可以将相应的转子温度RT确定为转子电阻参数r_R的函数。例如转子温度RT可根据下述关系来确定：

r_R＝r₀×(1+α×δT) 式5，

其中，r₀表示在预定的参考温度下确定的参考转子电阻，α表示温度系数，δT确定参考温度和实际的转子温度RT之间的差。在此，转子温度可确定为：

RT＝RT₀+δT 式6，

其中，RT₀表示参考温度下的参考电阻。

图2示出了转子磁链角度误差的示意图。真实的转子磁链矢量Ψ_R代表实际存在于电机1中的转子磁通。基于机器模型MM(见图1)，可计算出计算的转子磁链矢量Ψ'_R，其中，该计算的转子磁链矢量Ψ'_R的值与转子温度RT有关。如图2所示，真实的转子磁链矢量Ψ_R与计算的转子磁链矢量Ψ'_R之间存在角度误差。由于电机控制、特别是电机1的所谓的场定向控制中的电流控制是基于计算的转子磁链矢量Ψ'_R，因此，定子相线电流i_s的电流分量i_X、i_Y将由所述电流控制不正确地调整，这相应地导致电机1的操作点的偏移。该偏移相应地影响定子磁通饱和凸极角，所述定子磁通饱和凸极角可通过利用公知的INFORM方法来确定。

图3示出了对于表示不同电机负载值的不同负载电流值i_load的定子磁通饱和凸极角ASA。可以看出，如果机器模型中的转子电阻或转子时间常数正确地调整成适应实际的转子温度RT，则25℃(由虚线表示)、40℃(由实线表示)和60℃(由点线表示)的转子温度RT值提供相同的定子磁通饱和凸极角ASA。这相应地意味着转子温度RT不会影响定子磁通饱和凸极角ASA对于不同负载值的变化特性。

图4示出了在机器模型MM(见图1)被用于特别是在基于电流的控制中控制电机1(见图5)的情况下，在实际的转子温度RT相对于正确的转子温度的不同偏差的情况下对于不同负载值(由不同的负载电流值i_load表示)确定的定子磁通饱和凸极角ASA。

实线表示0℃的偏差，例如定子磁通饱和凸极角ASA对于正确的转子温度的变化特性。点线表示70℃的偏差，短虚线表示90℃的偏差，点划线表示110℃的偏差，长虚线表示120℃的偏差，

可以看出，在转子温度值不正确的情况下，参考定子磁通饱和凸极角CSA与实际的定子磁通饱和凸极角ASA之间存在偏差。进一步示出的是，相对于正确温度值的温度偏差越大，则正确的、即参考定子磁通饱和凸极角与实际的定子磁通饱和凸极角ASA之间的偏差就越大。

图5示出了感应式机器1和相应的控制单元2的示意性框图。感应式机器1电连接到逆变器3。另外，设置电流传感器4，其能够测量各相中的定子相电流。控制单元2连接到电流传感器4和逆变器3。控制单元2使得能够根据上述机器模型MM在参考坐标系中确定实际的定子磁通饱和凸极角ASA(见图1)，该机器模型MM包括至少一个与转子温度有关的参数。此外，控制单元2使得能够确定上述偏差并将转子温度RT确定为最小化所述偏差的温度。为了确定实际的定子磁通饱和凸极角ASA，可利用测量的定子相电流。