專利名稱：計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算PWM逆變器驅(qū)動的異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置(下文有時稱之為“感應(yīng)機(jī)”)。
根據(jù)已有技術(shù)，如“通用逆變器的轉(zhuǎn)矩有限控制”(1990 NATIONALCONVENTION RECORD I.E.E.JAPAN，No.579)所描述的，獲得感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，以根據(jù)感應(yīng)機(jī)的一次磁通矢量與一次電流矢量的矢量積控制感應(yīng)機(jī)。
然而，根據(jù)這種方法，由于這種方法沒有考慮鐵損，所以在相對于基準(zhǔn)角頻率設(shè)置大于通?；鶞?zhǔn)電壓的超過額定勵磁的升壓狀態(tài)時，在計算結(jié)果中會產(chǎn)生較大的誤差。
如上所解釋的，如下式(1)所述，根據(jù)感應(yīng)機(jī)的一次磁通矢量與一次電流矢量的矢量積獲得異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。一次磁通矢量是根據(jù)一次電壓矢量、一次電流矢量和一次阻抗值計算得到的。τ=φ→1×i→1---(1)]]>φ→1=∫(v→1-r1·i→1)·dt]]>公式(1)和(2)中的量值如下一次電流矢量一次磁通矢量一次電壓矢量r1一次阻抗值在穩(wěn)定狀態(tài)時，隨感應(yīng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系(d-q軸坐標(biāo)系)上求解公式(1)和(2)獲得下面的公式(4)。τ＝1d·i1q-1q·i1d=[(v1q·i1q+v1d·i1d)-r1(i1q2+i1d2)]/ω1---(3)]]>在公式(3)中，ω1表示一次角頻率。從公式(3)獲得公式(4a)和(4b)?，?d＝(v1q-r1·i1q)/ω1…(4a)1q＝(r1·i1d-v1d)/ω1…(4b)公式(3)右側(cè)的分子是從輸入到感應(yīng)機(jī)中的電功率中減去銅損獲得的電功率的式子。因此，該式不包括所謂的鐵損，即定子芯產(chǎn)生的損耗。
換句話說，由于公式(3)沒有考慮鐵損，所以在相對于基準(zhǔn)角頻率設(shè)置大于通?；鶞?zhǔn)電壓的超過額定勵磁的升壓狀態(tài)時，在計算結(jié)果中會產(chǎn)生較大的誤差。
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種計算裝置，它在計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時考慮了鐵損。
公式(3)右側(cè)把從輸入的電功率(v1q·i1q+v1d·i1d)減去銅損[r1(i1q2+i1d2)]得到的結(jié)果(二次輸入)除以一次角頻率ω1來計算轉(zhuǎn)矩τ。
公式(3)可重寫成下式(5)，其中P0表示二次輸入(同步功率)。
τ＝P0/ω1…(5)下面的公式(6)涉及輸入電功率P、二次輸入P0、銅損Wc與鐵損Wi之間的關(guān)系。公式(6)忽略了機(jī)器損耗。
P＝P0+Wc+Wi…(6)根據(jù)公式(5)和(6)，用下面的公式(7)來表示感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
τ＝(P-Wc-Wi)/ω1=[(v1q·i1q+v1d·i1d)-r1(i1q2+i1d2)-Wi]/ω1---(7)]]>＝1d·i1q-1q·i1d-Wi/ω1鐵損Wi用公式(8)來表示。公式(8)中的磁滯損失Wh與渦流損失We分別由下面的公式(9)和(10)來表示。
Wi＝Wh+We…(8)Wh＝σh·f·Bm2…(9)
We＝σe·d2·f2·Bm2…(10)公式(9)和(10)中的量值如下f一次頻率Bm磁通密度的最大值σh芯子材料決定的常數(shù)σe芯子電阻率決定的常數(shù)d芯子厚度因此，利用考慮了感應(yīng)機(jī)鐵損的公式(7)可以計算感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明是基于把二次輸入P0除以一次角頻率ω1獲得感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩τ的。二次輸入P0是通過從輸入電功率P中減去銅損Wc和鐵損Wi計算得到的。把二次輸入P0除以一次角頻率ω1可以精確地計算得到考慮了鐵損的感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
換句話說，把利用上述公式(3)計算得到的計算轉(zhuǎn)矩(它沒有考慮鐵損)減去鐵損Wi除以一次角頻率ω1得到的除法結(jié)果而計算得到產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置，它是基于饋送給驅(qū)動異步電動機(jī)的逆變器的基準(zhǔn)電壓值、在隨異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從異步電動機(jī)的檢測電流中分解出的q軸電流分量和d軸電流分量、異步電動機(jī)的一次阻抗以及一次角頻率，該裝置包括鐵損計算器，它根據(jù)異步電動機(jī)的定子鐵芯的磁滯特性計算異步電動機(jī)的鐵損；除法器，把計算得到的鐵損除以一次角頻率；以及加法器，從計算得到的沒有考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩減去相除結(jié)果，計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置，它是基于在隨異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從驅(qū)動異步電動機(jī)的輸出電壓中分解出的q軸電壓分量和d軸電壓分量、在轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從異步電動機(jī)的檢測電流中分解出的q軸電流分量和d軸電流分量、異步電動機(jī)的一次阻抗以及一次角頻率，該裝置包括鐵損計算器，它根據(jù)異步電動機(jī)的定子鐵芯的磁滯特性計算異步電動機(jī)的鐵損；除法器，把計算得到的鐵損除以一次角頻率；以及加法器，從計算得到的沒有考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩減去相除結(jié)果，計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
鐵損計算器還有利地根據(jù)流過異步電動機(jī)定子鐵芯的渦流特性計算渦流損耗，利用計算得以的渦流損耗計算鐵損。
鐵損計算器還有利地計算由于逆變器的載頻引起的磁滯損耗和渦流損耗，并利用計算得到的磁滯和渦流損耗計算鐵損。


圖1是控制異步電動機(jī)的控制裝置的框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的計算圖1的異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
圖5是控制異步電動機(jī)的另一種控制裝置的框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的計算圖5的異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
現(xiàn)在將參照圖示出的本發(fā)明較佳實施例的附圖解釋本發(fā)明。
圖1是控制異步電動機(jī)的控制裝置的框圖。現(xiàn)在參照圖1，把一組一次角頻率值ω1*輸入到加速和減速調(diào)節(jié)器7，并轉(zhuǎn)換成PWM逆變器3輸出的電功率的基準(zhǔn)一次角頻率ω1**。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，基準(zhǔn)一次角頻率ω1**被饋送到V/F轉(zhuǎn)換器8、積分器6和轉(zhuǎn)矩計算器9。
V/F轉(zhuǎn)換器8響應(yīng)于基準(zhǔn)一次角頻率ω1**產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓值v1q*。把基準(zhǔn)電壓值v1q*輸入到坐標(biāo)變換器4。積分器6根據(jù)基準(zhǔn)一次角頻率ω1**計算基準(zhǔn)矢量位置θ*。把基準(zhǔn)矢量位置θ*輸入到坐標(biāo)變換器4和另一坐標(biāo)變換器5。
坐標(biāo)變換器4根據(jù)基準(zhǔn)電壓值v1d*、基準(zhǔn)電壓值v1q*和基準(zhǔn)矢量位置θ計算輸出電壓值，并把計算得到的輸出電壓值饋送給PWM逆變器，使PWM逆變器產(chǎn)生電壓。異步電動機(jī)1就由該電壓來驅(qū)動。電流檢測器2檢測異步電動機(jī)1的電流。坐標(biāo)變換器5把檢測電流分解成與基準(zhǔn)電壓值v1q*同相的q軸電流分量i1q(轉(zhuǎn)矩電流分量)和與q軸電流分量垂直的d軸電流分量i1d(磁化電流分量)。
分解得到的電流分量i1q，i1d、基準(zhǔn)電壓值V1q*，V1d*、基準(zhǔn)一次角頻率ω1**、異步電動機(jī)1的一次阻抗r1*和基準(zhǔn)磁滯損耗Wh*都輸入給轉(zhuǎn)矩計算器9。轉(zhuǎn)矩計算器9按下述方法計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
圖2是計算圖1中異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器9的框圖。
現(xiàn)在參照圖2，分解得到的電流分量i1q，i1d、基準(zhǔn)電壓值V1q*，V1d*、基準(zhǔn)一次角頻率ω1**和異步電動機(jī)1的一次阻抗r1*輸入給一次磁通計算器10。一次磁通計算器10運(yùn)算前面的公式(4a)和(4b)獲得一次磁通分量φ1d和φ1q。
鐵損計算器11運(yùn)算前面的公式(9)獲得磁滯損耗Wh。公式(9)中的最大磁通密度Bm是根據(jù)基準(zhǔn)電壓V1*與一次頻率f之比獲得的。V1*是矢量分量V1q*，V1d*的矢量和的絕對值。因此，Bm2＝{(v1q*)2+(v1d*)2}/f2?；鶞?zhǔn)磁滯損耗Wh*是變量Bm和f都為1[p.u(每個單位)]時的磁滯損耗Wh的值，因而，對應(yīng)于常數(shù)σh。
在第一實施例中，假設(shè)鐵損Wi等于磁滯損耗Wh，而忽略公式(8)中的渦流損耗We。
除法器16把鐵損Wi(即在本實施例中為磁滯損耗)除以基準(zhǔn)一次角頻率ω1**，計算公式(7)的右邊的第三項。
乘法器12計算公式(7)右邊的第一項。乘法器13計算公式(7)右側(cè)的第二項。加法器14把乘法器12和13的輸出相加。感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩τ的估計值通過從加法器14的輸出(該輸出為根據(jù)公式(3)計算得到的轉(zhuǎn)矩，沒有考慮鐵損)中減去除法器16的輸出計算得到。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。下面，為了簡潔起見，省略了對與圖2中的構(gòu)成部件相同的重復(fù)解釋。
現(xiàn)在參照圖3，該轉(zhuǎn)矩計算器考慮了渦流損耗We。根據(jù)公式(10)計算渦流損耗。以與第一實施例相似的方式獲得磁通密度的最大值。鐵損計算器17根據(jù)公式(8)計算鐵損Wi。與基準(zhǔn)磁滯損耗Wh*與常數(shù)σh的關(guān)系相同，基準(zhǔn)渦流損耗We*對應(yīng)于常數(shù)σe。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實施例計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
現(xiàn)在參照圖4，該轉(zhuǎn)矩計算器包括附加計算器，用于計算由于載頻引起的鐵損(下文稱為“載波損耗”)。
由于獲得的鐵損Wi，如公式(8)所描述的，利用公式(9)中的磁滯損耗Wh和公式(10)中的渦流損耗We，根據(jù)一次頻率f和載頻fc與一次頻率f的調(diào)制比獲得計算載波損耗的頻率。利用計算載波損耗的頻率和從調(diào)制比獲得的高次諧波電壓分量計算磁通密度Bm的最大值。鐵損計算器18運(yùn)行上述計算式計算鐵損Wi。
圖5是控制異步電動機(jī)的另一種控制裝置的框圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的計算圖5中的異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
現(xiàn)在參照圖5，控制裝置包括檢測逆變器的輸出電壓的輸出電壓檢測器20和坐標(biāo)變換器19，該坐標(biāo)變換器19把檢測到的輸出電壓分解成與基準(zhǔn)電壓值v1q*同相的q軸電壓分量v1q和與基準(zhǔn)電壓值v1q*垂直的d軸電壓分量v1d。圖5的控制裝置與圖1的控制裝置不同，圖5的控制裝置利用檢測到的和分解得到的電壓分量v1d和v1q來計算轉(zhuǎn)矩。
現(xiàn)在參照圖6，把檢測得到的和分解得到的電壓分量v1d和vi輸入到一次磁通計算器10中。一次磁通計算器10分別根據(jù)公式(4a)和(4b)計算一次磁通分量φ1d和φ1q。其它運(yùn)算與第一實施例相同。
由于利用了逆變器的輸出電壓值，所以進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)矩計算的精確性。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的計算圖5中的異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
下面，將描述與第二實施例不同的結(jié)構(gòu)。與第四實施例相同的方式，輸出電壓檢測器20檢測逆變器的輸出電壓，坐標(biāo)變換器19把檢測到的輸出電壓分解成與基準(zhǔn)電壓v1q*同相的q軸電壓分量v1q和與基準(zhǔn)電壓值v1q*垂直的d軸電壓分量v1d。圖7的轉(zhuǎn)矩計算器利用檢測到的和分解得到的電壓分量v1d和v1q計算轉(zhuǎn)矩。除了在圖7中把檢測得到的和分解得到的電壓分量v1d和v1q輸入到一次磁通計算器10之外，圖7的轉(zhuǎn)矩計算器的結(jié)構(gòu)與圖3相同。
圖8是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩計算器的框圖。
下面，將描述結(jié)構(gòu)與第三實施例不同的部分。與第四和第五實施例相同，輸出電壓檢測器20檢測逆變器的輸出電壓，坐標(biāo)變換器19把檢測得到的輸出電壓分解成與基準(zhǔn)電壓值v1q*同相的q軸電壓分量v1q和與基準(zhǔn)電壓值v1q*垂直的d軸電壓分量v1d。圖8的轉(zhuǎn)矩計算器利用檢測得到的和分解得到的電壓分量v1d和v1q計算轉(zhuǎn)矩。除了圖8中把檢測得到的分解得到的分量v1d和viq輸入到一次磁通計算器10中之外，圖8的轉(zhuǎn)矩計算器的結(jié)構(gòu)與圖4相同。
根據(jù)本發(fā)明，即使在升壓狀態(tài)，也可以通過從輸入的電功率中減去銅損和鐵損，并把相減得到的結(jié)果除以一次角頻率來沒有誤差地計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
權(quán)利要求
1.一種計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置，它是基于饋送給驅(qū)動異步電動機(jī)的逆變器的基準(zhǔn)電壓值、在隨異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從異步電動機(jī)的檢測電流中分解出的q軸電流分量和d軸電流分量、異步電動機(jī)的一次阻抗以及一次角頻率，該裝置包括鐵損計算器，它根據(jù)異步電動機(jī)的定子鐵芯的磁滯特性計算異步電動機(jī)的鐵損；除法器，把計算得到的鐵損除以一次角頻率；以及加法器，從計算得到的沒有考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩減去相除結(jié)果，計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
2.一種計算異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的裝置，它是基于在隨異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從驅(qū)動異步電動機(jī)的輸出電壓中分解出的q軸電壓分量和d軸電壓分量、在轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從異步電動機(jī)的檢測電流中分解出的q軸電流分量和d軸電流分量、異步電動機(jī)的一次阻抗以及一次角頻率，該裝置包括鐵損計算器，根據(jù)異步電動機(jī)的定子鐵芯的磁滯特性計算異步電動機(jī)的鐵損；除法器，把計算得到的鐵損除以一次角頻率；以及加法器，從計算得到的沒有考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩減去相除結(jié)果，計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，鐵損計算器還根據(jù)流過異步電動機(jī)定子鐵芯的渦流特性計算渦流損耗，并利用計算得到的渦流損耗計算鐵損。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，鐵損計算器還根據(jù)流過異步電動機(jī)定子鐵芯的渦流特性計算渦流損耗，并利用計算得到的渦流損耗計算鐵損。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，鐵損計算器還計算由于逆變器的載頻引起的磁滯損耗和渦流損耗，并利用計算得到的磁滯損耗和渦流損耗計算鐵損。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，鐵損計算器還計算由于逆變器的載頻引起的磁滯損耗和渦流損耗，并利用計算得到的磁滯損耗和渦流損耗計算鐵損。
全文摘要
本發(fā)明提供一種便于計算異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩的裝置,甚至考慮了在超過額定勵磁的升壓狀態(tài)時的鐵損。本發(fā)明的裝置根據(jù)饋送給驅(qū)動異步電動機(jī)的逆變器的基準(zhǔn)電壓值、在隨異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系上從異步電動機(jī)的檢測電流中分解出的q軸電流分量和d軸電流分量、異步電動機(jī)的一次阻抗以及一次角頻率計算異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩,它包括:鐵損計算器,它根據(jù)異步電動機(jī)的定子鐵芯的磁滯特性計算異步電動機(jī)的鐵損;除法器,把計算得到的鐵損除以一次角頻率;以及加法器,從計算得到的沒有考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩減去相除結(jié)構(gòu),計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
文檔編號H02P21/10GK1242646SQ9911066
公開日2000年1月26日 申請日期1999年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月22日
發(fā)明者石井新一, 田島宏一 申請人:富士電機(jī)株式會社