專利名稱：電機熱保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機保護領(lǐng)域，且特別涉及一種應(yīng)用于永磁同步電動機的伺服控制領(lǐng)域，實現(xiàn)電機的熱保護和智能控制運行的電機熱保護方法。
背景技術(shù)：
電機的熱保護通常是在電機的內(nèi)部設(shè)置一個熱保護繼電器，該熱繼電器的雙金屬 片(熱敏元件)直接或間接感知繞組的電流及繞組附近的感溫元件產(chǎn)生的電流，當電流與 時間的關(guān)系在熱保護的反時限特性曲線以上時，雙金屬片受熱發(fā)生變形并帶動熱繼電器的 觸點動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)；當雙金屬片自然冷卻到一定溫度以下時，熱繼電器的觸點 反向動作，電機恢復(fù)運行。然而現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足之處①在電機的內(nèi)部單獨設(shè)置熱保護裝置，占用一 定的空間，無法應(yīng)用于功率密度大、體積小、重量輕的永磁同步電動機；②采用繼電保護，需 要進行現(xiàn)場熱保護整定，不容易進行合適的整定；③裝置的可靠性差、壽命短，容易老化失 去保護作用；④無法根據(jù)繞組溫度和運行工況要求進行熱保護和運行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種電機熱保護方法，其對永磁同步電動機實施了有效的熱保護，根 據(jù)繞組溫度和運行工況要求進行運行控制，提高了電動機的運行壽命和可靠性，促進永磁 同步電動機應(yīng)用于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)。為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種電機熱保護方法，包括根據(jù)電機繞組和鐵芯損耗參數(shù)計算得出繞組溫度；當繞組溫度上升到絕緣允許的溫度時，對輸出電流幅值進行限制，直至電流為零， 封鎖脈沖寬度調(diào)制的輸出；當繞組溫度低于絕緣允許的溫度達到設(shè)定下限值時，增大電流的限幅值。進一步的，所述繞組溫度的計算公式為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，C1, C2分別為定子鐵芯和機座的熱容、定子繞組的熱容，R1, R2分別為定子鐵 芯與外界冷卻介質(zhì)之間的熱阻、定子鐵芯與定子繞組之間的熱阻，Ta^T1和T2分別為外界冷 卻介質(zhì)的溫度、定子鐵芯的平均溫度和繞組的平均溫度，pfe> Pcu繞組的鐵耗和銅耗。進一步的，所述繞組的鐵耗和銅耗計算公式為<formula>formula see original document page 3</formula>
其中，I、f和R分別為相繞組的電流、頻率和電阻，B為磁通密度峰值，kh、ke和mst分別為定子鐵芯的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和質(zhì)量，β為斯坦梅茨常數(shù)。進一步的，所述對輸出電流幅值進行限制使用電流控制器。進一步的，所述電機熱保護方法采用電機控制芯片進行電機熱保護控制。進一步的，所述電機控制芯片為TM320C280X。本發(fā)明根據(jù)繞組的電流和頻率(或電機的轉(zhuǎn)速)實施計算出繞組的溫度，再根據(jù) 繞組的溫度、電機絕緣系統(tǒng)的溫度要求和電機的運行工況要求對電機的輸出電流進行控 制，利用驅(qū)動控制系統(tǒng)基本的硬件配置如處理器芯片、接口、電流或轉(zhuǎn)速的測量單元等完成 繞組溫度的計算和保護控制，不需要增加額外的硬件投入。本發(fā)明可對電機實施有效熱保 護，根據(jù)繞組的溫度、電機絕緣系統(tǒng)的溫度要求對電機的輸出電流進行控制，一定程度上提 高了電機的動態(tài)性能，促進永磁同步電動機應(yīng)用于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)。


圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的電機熱保護方法功能方塊圖。
具體實施例方式為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。本發(fā)明提出一種電機熱保護方法，其對永磁同步電動機實施了有效的熱保護，根 據(jù)繞組溫度和運行工況要求進行運行控制，提高了電動機的運行壽命和可靠性，促進永磁 同步電動機應(yīng)用于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)。引起繞組溫度升高的原因主要是繞組的銅耗和鐵耗，它們可依據(jù)以下公式計算 出<formula>formula see original document page 4</formula>
式(1)中I、f和R分別為相繞組的電流、頻率和電阻，B為磁通密度峰值，kh、ke和 mst分別為定子鐵芯的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和質(zhì)量，β為斯坦梅茨(Steinmetz)常 數(shù)。同時根據(jù)銅耗和鐵耗這兩個熱源的分布和以下公式計算繞組溫度\<formula>formula see original document page 4</formula>式(2)中，Cl、C2分別為定子鐵芯和機座的熱容、定子繞組的熱容，R1^ R2分別為定 子鐵芯與外界冷卻介質(zhì)之間的熱阻、定子鐵芯與定子繞組之間的熱阻，Ta、I\和T2分別為外 界冷卻介質(zhì)的溫度、定子鐵芯的平均溫度和繞組的平均溫度。請參考圖1，圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的電機熱保護方法功能方塊圖。對于采 用永磁同步電動機10的伺服系統(tǒng)可應(yīng)用式(1)、(2)并使用繞組溫度計算20在線計算出繞 組溫度，當繞組溫度上升到接近絕緣允許的溫度時(根據(jù)電機繞組的絕緣等級可確定出絕 緣允許的溫度，電機的絕緣等級可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)或技術(shù)手冊查到)，電流調(diào)節(jié)器30輸出的電流經(jīng)過限幅器進行限幅，直至電流為零，封鎖脈沖寬度調(diào)制(PWM)40的輸出，確保變頻器的輸出電流為零，這樣電機的輸入電流為零，電機停止運行，繞組能夠盡快冷卻下來。根據(jù) 式(1)銅耗下降，繞組溫度降低，從而控制繞組溫度不超過絕緣允許的溫度；當繞組溫度遠 遠低于絕緣允許的溫度時，如當其低于絕緣允許的溫度達到設(shè)定下限值時(具體范圍值取 決于冷卻介質(zhì)的溫度和繞組的絕緣等級)，可適當增大電流的限幅值，以改善電機的動態(tài)性 能，附圖為伺服控制系統(tǒng)框圖，圖中點畫線框內(nèi)的功能由數(shù)字控制器100實現(xiàn)，它可有電機 專有控制芯片如TM320C280X等配以必要的數(shù)據(jù)通訊、顯示等接口電路構(gòu)成?，F(xiàn)有技術(shù)方案在電機的內(nèi)部設(shè)置一個熱保護繼電器，該熱保護器根據(jù)相電流或感 溫元件產(chǎn)生電流的熱效應(yīng)進行過流、過熱保護，存在按裝空間的限制和可靠性差等種種不 足之處。本技術(shù)方案依托伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制器等計算控制能力根據(jù)電流和電流的頻率
(或轉(zhuǎn)速，對于永磁同步電動機，定子電流頻率和轉(zhuǎn)速之間有確定的關(guān)系，即<formula>formula see original document page 5</formula>
式中ρ為電機的極對數(shù)，因此使用頻率或轉(zhuǎn)速計算都可以)，實時計算出繞組的溫 度，再根據(jù)繞組的溫度、電機絕緣系統(tǒng)的溫度要求和電機的運行工況要求對電機的輸出電 流進行控制，徹底克服了現(xiàn)有技術(shù)方案的不足。圖1中的位置調(diào)節(jié)器是對給定的位置信號 和實際位置的偏差進行調(diào)節(jié)控制，最終消除這種偏差。相應(yīng)地，速度調(diào)節(jié)器是對速度偏差進 行調(diào)節(jié)控制，工程中常用的調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器。圖1中使用速度計算，也可根據(jù)同步電機 中速度和頻率的計算公式轉(zhuǎn)化成頻率進行計算，其結(jié)果是一樣的。本發(fā)明可對電機實施有效熱保護，根據(jù)繞組的溫度、電機絕緣系統(tǒng)的溫度要求對 電機的輸出電流進行控制，一定程度上提高了電機的動態(tài)性能，促進永磁同步電動機應(yīng)用 于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技 術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因 此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。
權(quán)利要求
一種電機熱保護方法，其特征在于，包括根據(jù)電機繞組和鐵芯損耗參數(shù)計算得出繞組溫度；當繞組溫度上升到絕緣允許的溫度時，對輸出電流幅值進行限制，直至電流為零，封鎖脈沖寬度調(diào)制的輸出；當繞組溫度低于絕緣允許的溫度達到設(shè)定下限值時，增大電流的限幅值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機熱保護方法，其特征在于，所述繞組溫度的計算公式為 <formula>formula see original document page 2</formula>其中，C1, C2分別為定子鐵芯和機座的熱容、定子繞組的熱容，R1, R2分別為定子鐵芯與 外界冷卻介質(zhì)之間的熱阻、定子鐵芯與定子繞組之間的熱阻，Ta、I\和T2分別為外界冷卻介 質(zhì)的溫度、定子鐵芯的平均溫度和繞組的平均溫度，Pfe> Pcu繞組的鐵耗和銅耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機熱保護方法，其特征在于，所述繞組的鐵耗和銅耗計算 公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，I、f和R分別為相繞組的電流、頻率和電阻，B為磁通密度峰值，kh,ke和mst分別 為定子鐵芯的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和質(zhì)量，β為斯坦梅茨常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機熱保護方法，其特征在于，所述對輸出電流幅值進行限 制使用電流控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機熱保護方法，其特征在于，所述電機熱保護方法采用電 機控制芯片進行電機熱保護控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機熱保護方法，其特征在于，所述電機控制芯片為 TM320C280X。
全文摘要
本發(fā)明提出一種電機熱保護方法，包括根據(jù)電機繞組和鐵芯損耗參數(shù)計算得出繞組溫度；當繞組溫度上升到絕緣允許的溫度時，對輸出電流幅值進行限制，直至電流為零，封鎖脈沖寬度調(diào)制的輸出；當繞組溫度低于絕緣允許的溫度達到設(shè)定下限值時，增大電流的限幅值。本發(fā)明提出的電機熱保護方法，其對永磁同步電動機實施了有效的熱保護，根據(jù)繞組溫度和運行工況要求進行運行控制，提高了電動機的運行壽命和可靠性，促進永磁同步電動機應(yīng)用于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)。
文檔編號H02H7/08GK101820167SQ200910046829
公開日2010年9月1日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者王愛元 申請人:上海電機學(xué)院