[发明专利]在使用电动机驱动器的AC电动机中确定定子绕组电阻的系统和方法

说明书

政府许可权利

本申请至少部分地基于合同No.DE-FC36-04GO14000在美国能源部授予的政府支持下做出。政府可具有对本发明的特定权利。

技术领域

本发明一般涉及交流(AC)感应电动机，特别涉及用于通过电动机驱动器确定定子绕组电阻的系统和方法，定子绕组电阻用于AC电动机的热保护——其改进了电动机控制性能——以及AC电动机的条件监视。

背景技术

近来，基于电动机运行中对于能量节省和控制灵活性的越来越多的需求，多种工业中电动机驱动器的使用已经变得更为普遍。基于这些需求，电动机控制性能中的改进已经变得越来越重要。改进的电动机控制性能的一个因素在于电动机参数推定的准确性，其对于电动机驱动器的整体控制来说是非常重要的。在可能被推定的多个电动机参数中，例如在定子和转子电阻、定子与转子漏感、励磁电感(magnetic inductance)等等之中，定子电阻是有待识别的最为重要的参数，因为其小的每单位值。然而，定子电阻推定的准确性对于准确确定多个相关的电动机参数来说是必需的。例如，定子电阻的准确推定允许进一步推定转子/定子通量、转子速度、气隙转矩、定子铜损以及其他类似的参数。定子绕组电阻的准确推定因此对于电动机控制是有利的，并广泛用于电动机条件监视、缺陷诊断和预报以及即时效率评估。

推定的定子绕组电阻的另一种已知用途是用于确定定子绕组温度，其可用于电动机的热保护。热保护在电动机条件监视中是一个重要的方面，因为定子绕组上的热应力被认为是定子绕组绝缘故障的主要原因之一。通常假设对于高于可接受定子绕组温度限制值的每10℃的温升，电动机寿命减少50％。因此，准确监视定子绕组温度对于电动机保护目的是有益的。

已经提出了确定定子绕组温度的多种方法，以便由定子绕组电阻推定平均绕组温度。多年以来，已经出于不同的目的提出了多种定子绕组电阻推定方法。一般而言，它们分为三个大类：直接测量方法，基于等效电路的方法，以及基于信号注入的方法。直接方法——例如IEEE标准118——给出了最为准确的定子电阻推定，但由于电阻仅仅在特定温度下测量且由于温度变化引起的电阻变化未被考虑在内而具有限制和缺点。直接测量方法的另一缺点在于电动机必须从服务中断开，以便进行所要求的测试。

基于AC电动机等效电路(即AC电动机的模型)，基于等效电路的R_S推定方法使用电动机电流和电压来计算定子电阻。这种基于模型的方法不是侵入性的，并能响应于冷却条件的变化，但通常对电动机参数变化太过敏感，以至于不能提供准确的R_S推定，这是由于电动机参数可能在不同条件——例如运行速度、磁饱和等——下变化。也就是说，基于模型的方法的推定误差可能大于20％。热参数变化和热参数识别的困难度可能导致基于模型的方法中的进一步的不准确性。

用于确定定子电阻的基于信号注入的方法向定子供电电压注入DC偏置，并使用电压和电流的DC分量来计算定子电阻。在一种DC信号注入方法中，与晶体管并联的电阻器安装在电动机的一相中，其在感应电动机中导致当输入电流为正以及负时不同的等效电阻，因此产生DC分量。尽管这种方法能够是准确的并且对于冷却条件以及电动机参数中的变化具有鲁棒性，其缺点在于其侵入性，因为额外的DC信号注入电路需要与电动机引线之一串联安装。另外，由于半导体器件的电流限制，先前的基于信号注入的方法通常不能直接施加到超过100马力的电动机。

因此，可能希望设计出一种准确的非侵入性方法，以便确定定子绕组电阻。进一步地，还可能希望使用已有的装置来注入用于确定定子电阻的DC分量，并相应地推定定子绕组温度。

发明内容

本发明提供了一种用于借助电动机驱动器确定AC电动机的定子绕组电阻的系统和方法。定子绕组电阻的确定提供了AC电动机的热保护、改进的电动机性能以及AC电动机的条件监视。

根据本发明一实施形态，用于推定AC电动机定子绕组电阻的系统包含AC电动机驱动器，其具有可连接到AC源的输入以及可连接到AC电动机输入端子的输出。AC电动机驱动器还包含：脉宽调制(PWM)转换器，其中具有多个开关，以便控制AC电动机中的电流和端子电压；控制系统，其被连接到PWM转换器。控制系统被配置为产生指令信号，以便使得PWM转换器控制与到AC电动机的输入对应的AC电动机驱动器的输出，有选择地产生修改后的指令信号，以便使得PWM转换器向电动机驱动器的输出注入DC信号，并基于电压和电流中至少一个的DC信号来确定AC电动机的定子绕组电阻。