用于控制和調節電磁機械的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于對包括轉子和定子的電磁機械進行控制和調節的方法，其中，利 用數學模型在空間矢量圖中確定機械的電磁狀態變量，測量定子上電流矢量的實際值，并 且確定磁通矢量的估算值。本發明還涉及一種電磁機械。
【背景技術】
[0002] 對于僅需調節其速度的異步電機而言，有利的是，能夠在沒有速度傳感器的情況 下調節速度。沒有速度信號反饋的調節系統更有利、更簡單并且更穩健。在這種情況下，調 節系統必須根據一個或多個其它被測變量（例如定子電流和/或者電壓）以及電機的切換 模型算出速度。如果使用磁場定向調節，那么除了速度之外也需要磁通的值和方向。可以 通過所謂的觀測器確定這三個所述變量。在此，所涉及的可以是復雜的估算理論模型，或者 涉及基于電機感應電壓的直接計算。
[0003] Holtz，J.和Quan，J.在2003年出版的第39卷第4期IEEE工業應用會刊 上 發表的"Drift-andparameter-compensatedfluxestimatorforpersistant zero-stator-frequencyOperationofsensorless-controlledinductionmotors"一文 中就公開了這種調節系統。這里對感應電壓進行積分，以便算出定子磁通。在電流測量或 者電壓產生過程中存在偏移的情況下，由于單純積分必然趨向于無窮發散，因此要在感應 電壓的被積函數中加入校正項，以便在所述情況下防止發散以及與此相關的調節丟失。通 過估算磁通與參考磁通理論值之間的放大偏差求算該校正項。
[0004] 異步電機可以作為電動機和發電機運行。在電動機運行情況下，所述調節的特性 在全部速度范圍內很大程度上穩定。而在轉速低的發電機模式下，無法正確估算磁通和速 度，從而導致該工作范圍內的調節不穩定。例如可在異步電機驅動的卷揚機中出現這種情 況，當載荷下降時通過異步電機將電能回饋給電流源。如果從電機模式轉變為發電機運行 模式，也就是從載荷升高轉變為下降的時候，在此，調節失控可能會導致系統性過低估算下 降過程的速度，并且可能會使得載荷實際上以自由落體方式加速下降。
[0005] 然而，該問題并非局限于具體的調節系統，而是在所述前提條件下異步電機調節
技術領域的普遍現象。提高調節系統的數學復雜性可以克服該問題，例如通過使用自適應 全狀態觀測器或者卡爾曼濾波器。以這種方式提高數學復雜性盡管可以排除發電機運行模 式下低轉速情況調節失控的問題，但是需要為此進行非常復雜的計算，對此，需要性能強大 的處理器，個別情況下可能不希望如此。
【發明內容】
[0006] 本發明的任務在于，闡述一種調節電磁機械的方法，不需要直接測量速度，能以盡 可能簡單的數學方式實現，不僅在電動機模式下、而且在發電機模式下也能在所要求的機 械轉速范圍內盡可能穩定。本發明的任務還在于闡述一種不僅在電動機模式下、而且在發 電機模式下也能在所要求的轉速范圍內盡可能穩定調節的電磁機械。
[0007] 所述第一個任務涉及對包括轉子和定子的電磁機械進行控制和調節的方法，其 中，利用數學模型在空間矢量圖中確定機械的電磁狀態變量，預先設定定子上調節電壓矢 量的理論值，測量定子電流矢量的實際值，根據調節電壓矢量的理論值和電流矢量的實際 值確定感應電壓矢量，預先設定校正電壓矢量，由校正電壓矢量和感應電壓矢量確定磁通 矢量的估算值，且由磁通矢量的估算值確定相位角的估算值并且確定旋轉磁場頻率的估算 值，按照本發明，解決第一個任務的方式為：如果定子上電流的形成轉矩的分量具有與旋轉 磁場頻率的估算值相反的符號，就給校正電壓矢量乘以一個系數，由電流矢量的所測定的 實際值和估算的相位角確定定子上電流的形成轉矩的分量。
[0008] 在此，尤其可以在共同旋轉的參照系中將定子上電流的形成轉矩的分量確定為電 流的虛數部分，所述虛數部分可根據定子上測定電流的矢量得出，圍繞估算的負相位角旋 轉。
[0009] 在此，本發明首先基于這樣的考慮：現有技術所述的調節系統在發電機運行模式 的低轉速范圍內會變得不穩定，并且在所有其它運行范圍內基本上沒有問題。因此如果能 做到在調節系統中簡單、可靠識別不穩定的運行范圍，以便盡可能有效地適配調節系統并 且否則不作改動，就可以放棄麻煩的測量或者復雜的數學方法。
[0010] 現在通過定子上電流的形成轉矩的分量進行識別。該變量特別好地適合于臨界運 行范圍的檢驗條件，因為定子上電流矢量的實際值在這里是一個直接的被測變量。隨后據 此確定相位角，將估算量納入與旋轉磁場頻率的估算值進行比對的轉矩形成分量之中。以 電動機運行模式下全轉速范圍的穩定調節和與此相關的估算值可靠性為基礎，正好可在尤 其是臨界轉變為發電機運行模式時保證檢驗條件的性能，因為可以將相位角和旋轉磁場頻 率的實值與用于檢驗條件的估算值的偏差視作很小。
[0011] 在該轉變過程中還起到穩定作用的是如下事實，僅僅比較形成轉矩的電流分量和 旋轉磁場頻率估算值的符號。當轉矩充分大的時候，可以以如下程度補償形成轉矩的電流 分量中的誤差（例如可由估算的相位角與實值的偏差產生誤差），使得符號不受誤差的影 響。如前所述，在電動機運行模式下可以將旋轉磁場頻率的估算值視作可靠的。因此臨界 轉變為發電機運行模式時的估算誤差最多可能會導致略微延遲給校正電壓乘以系數。
[0012] 現在可以根據以下物理觀念解釋本發明的作用原理的核心思想：感應電壓是磁通 對時間的導數。這尤其意味著感應電壓的相位角與磁通相位角變化有關，也就是與旋轉磁 場頻率有關。當從電動機運行模式轉變為發電機運行模式、同時旋轉方向反轉的時候，就會 發生旋轉方向變化以及旋轉磁場頻率的過零點。在此，感應電壓短時間丟失通過旋轉磁場 的旋轉給其確定的相位基準。校正電壓可以通過所乘的系數重現建立該相位關系，校正電 壓應首先考慮電磁機械的估測行為與所需行為的偏差。
[0013] 已證明有利的是，使用形式eiY的相位系數作為與校正電壓相乘的系數。調節系 統本身在轉速較高的發電機運行模式和電動機運行模式下是穩定的。只有轉速較低的發電 機運行模式，尤其是以上所述轉變為發電機運行模式的過程，才被視作臨界。值為1的相位 因數在此特別適合以"微創"方式重現磁通的所述相位關系。
[0014] 對于趨于零的旋轉磁場頻率估算值，優先將相位系數eiY中的相位角Y選為 /2,并且該相位角隨著旋轉磁場頻率估算值的絕對值上升而單調減小。在此，從以下觀念 出發：根據校正電壓和感應電壓的矢量確定磁通矢量的估算值。在固定不變的情況下，也就 是當值和頻率恒定時，感應電壓正交于磁通。如果并非動態觀察轉變為發電機運行模式的 過程，而是將其視作靜態情況的很小干擾，那么簡單來說，針對校正電壓的相位系數Y選 擇31/2即可確定與磁通的相位關系，即感應電壓在無干擾的靜態情況下具有的相位關系。 因此校正電壓能以準靜態方式修正感應電壓。在發電機運行模式下，隨著旋轉磁場頻率的 絕對值增大，電磁機械就會進入現有技術所述的調節系統也能重新在很大程度上穩定的運 行范圍。因此，隨著旋轉磁場頻率的增大，在發電機運行模式下也能放棄相位系數Y。
[0015] 可以使得相位系數eiY中的相位角Y與旋轉磁場頻率的估算值具有以下函數關 系
[0016]
【主權項】
1. 用于對包括轉子和定子的電磁機械進行控制和調節的方法，利用數學模型在空間矢 量圖中確定機械的電磁狀態變量，為定子上調節電壓矢量(^ 8)預先設定一個理論值， 測量定子上電流矢量（Iafi)的實際值， 由調節電壓矢量(G/J)的理論值和電流矢量（Iafi)的實際值確定感應電壓矢量（Eap)， 預先設定校正電壓矢量(f&)， 由校正電壓矢量和感應電壓矢量（Eafi)確定磁通矢量(供;s)的估算值，并且 由磁通矢量的估算值確定相位角（0S)的估算值，并且確定旋轉磁場頻率（ω3) 的估算值， 其特征在于， 如果定子上電流的形成轉矩的分量（iq)具有與旋轉磁場頻率（ω3)的估算值相反的符 號，就給校正電壓矢量(％)乘以一個系數（eiY)，由電流矢量（Iafi)的所測定的實際值和 估算的相位角（Θ s)確定定子上電流的形成轉矩的分量QJ。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，使用形式為e iY的相位系數（e iY)作為與 校正電壓(G)相乘的系數。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，對于旋轉磁場頻率（ω s)的趨于零的估算 值，將相位系數（eiY)中的相位角γ選為π/2,并且該相位角隨著旋轉磁場頻率（ω 3)的 估算值的絕對值上升而單調減小。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，相位系數（eiY)中的相位角γ與旋轉磁 場頻率（ω3)的估算值具有以下函數關系 n c~ I I ^ ^ , , ^ X ^ ，右0彡I ω」彡c， 2 c γ = 〇,若 I ω」> c 其中，c是預先設定的閾值。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，相位角γ隨著旋轉磁場頻率（ω s)的估 算值的絕對值上升漸近趨向于零。
6. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，由調節電壓矢量（【?)的理論 值減去定子電阻（Rs)與從電流矢量（I afi)的實際值導出的電流值的乘積確定感應電壓矢 量（Ea ρ)。
7. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過對校正電壓矢量和 感應電壓（Eafi)矢量之和進行積分確定磁通矢量(仏）的估算值。
8. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，確定相位角（Θ s)的估算值作 為磁通矢量?)的估算值的相位角，并且由相位角（0S)的估算值隨時間的變化導出旋轉 磁場頻率（ω 3)的估算值。
9. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，給磁通（W)預先設定一個理 論值，并且將校正電壓矢量(【?)預先設定為 ν：β=0·{βιθ^φ：-φ：β) 其中，4是磁通矢量(<8)的估算值，，是對應于相位角（Θ s)估算值的相位，且G是實 值的放大系數。
10.電磁機械，包括用于執行上述權利要求中任一項所述方法的控制單元。
【專利摘要】本發明涉及一種用于控制和調節電磁機械的方法，其中，利用數學模型在空間矢量圖中確定電磁機械的狀態變量，預先設定定子上調節電壓矢量的理論值，測量定子上電流矢量的實際值，由調節電壓矢量的理論值與電流矢量的實際值確定感應電壓矢量，預先設定校正電壓矢量，由校正電壓矢量和感應電壓矢量確定磁通矢量的估算值，且由磁通矢量的估算值確定相位角的估算值和旋轉磁場頻率的估算值，其中，如果定子上電流的形成轉矩的分量具有與旋轉磁場頻率的估算值相反的符號，就給校正電壓矢量乘以一個系數，由電流矢量的所測定的實際值和估算的相位角確定定子上電流的形成轉矩的分量。本發明還涉及一種包括用于執行這種方法的控制單元的電磁機械。
【IPC分類】H02P21-14
【公開號】CN104734594
【申請號】CN201410858508
【發明人】R·烏林
【申請人】包米勒公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年12月19日
【公告號】CA2875264A1, EP2887538A1, US20150180396