动态限制设备以及实施这种设备的动态限制方法与流程

本发明涉及驱动直流或交流电动机或电机的领域。其涉及电动机的加速度和/或功率的动态限制设备。本发明还涉及实施这种设备的动态限制方法。

背景技术：

例如，电机可以工作于启动器模式，以启动涡轮机，然后工作于发电机模式，以向需要电力的任何系统提供必要的电力。在启动器模式下，在启动阶段期间，需要非常特别的速度曲线(profile)。例如，在这种情况下生成电流，并且该电流使得在驱动轴处生成扭矩，以启动涡轮机。有时的情况是，由此产生的驱动轴加速度超过最大加速度值。这尤其会导致系统的机械部件过早磨损，因此必须限制驱动轴的加速度。

存在基于对所生成的电流的固定限制的原理的解决方案。这种解决方案过于限制电机的使用。事实上，在启动阶段期间，扭矩设定点(setpoint)相对重要的。在环境温度足够高时的炎热天气中，由于良好的润滑，总阻力扭矩将相当低。在这种特定情况下，电机可能超过最大加速度值。然而，通过对固定电流加以限制，在寒冷天气中使用的情况下，当由于润滑剂变稠而总阻力扭矩更大时，在任何情况下将不会达到最大加速度值，并且固定电流限制将限制电机的性能。其在某些条件下甚至会阻止启动。

因此，期望具有一种解决方案，其允许不超过最大加速度值，但仍然使得能够最佳地使用电机，换言之，具有作为时间的函数而变化的电流饱和值。

类似地，有时需要限制在电动机输出部处发出的功率。

技术实现要素：

因此，本发明提出了基于对最大电流的动态限制而将不会周期性地超过给定加速度值。本发明类似地提出了针对功率限制而对最大电流的相同的调整方法。

加速度限制的目的是限制对系统的机械部件过早磨损。该加速度限制还允许在工作模式过渡阶段期间减小喘振。因此，所述加速度限制对于恒定加速启动尤其重要。

为此，本发明的目的在于针对能够接收至少一个工作设定点的电动机的至少一个动态输出参数的动态限制设备，其特征在于，所述动态限制设备包括：

·动态最大电流的发生器，所述动态最大电流与电动机的第一工作设定点成比例，并且旨在供应给所述电动机，以便生成所述电动机的轴的作为第一设定点的函数的旋转扭矩，

·所述电动机的所述至少一个动态输出参数中的第一动态输出参数的第一估计器，

·所述电动机的第一输出参数的第一动态限制器，并且其特征在于，所述电动机的所述第一输出参数的第一动态限制器包括：

·第一估计的参数的值与第一参数的预定义最大值的第一比较器，

·第一校正器，其旨在生成第一校正电流，所述第一校正电流的值取决于所述比较的结果，并且旨在被加到所述动态最大电流以供应给所述电动机。

有利地，所述动态限制设备包括电动机的至少一个动态输出参数中的第二动态输出参数的第二估计器、电动机的第二输出参数的第二动态限制器，并且发动机的第二输出参数的第二动态限制器包括第二估计的参数的值与第二参数的预定义最大值的第二比较器、旨在生成第二校正电流的第二校正器，所述第二校正电流的值取决于所述比较的结果并且旨在被加到所述动态最大电流以供应给所述电动机，选择模块，其旨在从第一校正电流与第二校正电流之间选择较弱的电流，以加到动态最大电流相加以供应给所述电动机。

有利地，第一参数的最大值是能调节的，并且可以大于第一参数的任何可能值。

有利地，第二参数的最大值是能调节的，并且可以大于第二参数的任何可能值。

根据一个实施例，第二参数的最大值是能调节的，并且其可以大于第二参数的任何可能值。

根据另一实施例，动态输出参数可以是驱动轴的加速度。

有利地，动态输出参数可以是电动机输出功率。

根据另一实施例，动态限制设备还包括：电动机的矢量控制驱动设备，所述电动机包括具有绕组的定子，所述定子能够接收驱动电流并且产生旋转磁场，定子绕组在电动机端子处生成电压，转子产生旨在跟随所述旋转磁场的磁场，并且所述驱动设备包括：矢量域中的电流的发生器、被配置为执行将电流从矢量域变换到允许生成驱动电流的实域的计算器、被配置为执行逆变换以将定子绕组上的在实域中的测量的参数逆变换到矢量域中的参数的逆计算器、参数的逆变换的值与预定义最大参数值的比较器，其结果允许驱动矢量域中的电流的发生器。

有利地，由矢量域中的电流的发生器所生成的电流是在Park坐标中建立的直接设定点电流，并且所述计算器被配置为接收在Park坐标中建立的并且与工作设定点成比例的正交设定点电流。

有利地，实域中的测量的参数为电动机的端子处的电压。

根据一个实施例，电流的发生器为递送电流的去校正器(defluxing corrector)：

·如果参数的逆变换的值小于预定义最大参数值，则所述电流为零，或者

·如果参数的逆变换的值大于或等于预定义最大参数值，则所述所述电流为非零。

本发明还涉及实施这种设备的动态限制方法，包括如下步骤：

·将第一估计的参数的值与预定义第一参数的最大值进行比较，

·生成第一校正电流，所述第一校正电流的值取决于所述比较的结果，所述第一校正电流旨在被加到动态最大电流以供应给电动机，以这种方式使得第一参数不超过第一参数的最大值，并且第一参数对应于工作设定点。

所述动态限制方法可以包括如下步骤：

·将第二估计的参数的值与第二预定义参数的最大值进行比较，

·生成第二校正电流，所述第二校正电流的值取决于所述比较的结果，所述第二校正电流旨在被加到动态最大电流以供应给电动机，以这种方式使得第二参数不超过第二参数的最大值，并且第二参数对应于工作设定点。

此外，所述动态限制方法可以包括用于从第一校正电流与第二校正电流之间选择较弱的电流以加到动态最大电流以供应给电动机的阶段。

附图说明

通过阅读以范例的方式给出的实施例的详细描述，将更好地理解本发明，并且其他优点将变得显而易见，以附图展示了上述描述，在附图中，

图1示意性示出了根据本发明的驱动轴的加速度的动态限制设备；

图2示意性示出了根据本发明的加速度限制器；

图3示意性示出了根据本发明的对于驱动轴的加速度和电动机输出部处的功率的动态限制设备；

图4示意性示出了根据本发明的电动机的矢量控制驱动设备；

图5示出了根据本发明的对参数的动态限制方法的步骤；

图6示出了根据本发明的对两个参数的动态限制方法的步骤；

图7示出了图示根据本发明的由具有动态加速度限制的启动模拟所产生的速度、加速度和电流值的曲线图；

图8描绘了图示根据本发明的由具有对加速度的动态限制的、对扭矩喘振的速度斜变的启动模拟所产生的速度、加速度和电流值的曲线图；

图9描绘了表示根据本发明的由具有对加速度和功率的动态限制的启动模拟所产生的速度、加速度和电流值的曲线图。

具体实施方式

为清楚起见，在不同的附图中相同的元件将被分配相同的附图标记。

在本申请中，我们讨论一般意义上的电动机。应当注意，本发明涉及为旋转机器供电的任何AC或DC变换器，无论是直流机器还是交流机器。

图1示意性示出了根据本发明的驱动轴的加速度的动态限制设备10。设备10是针对能够接收至少一个工作设定点12的电动机11的至少一个动态输出参数的动态限制设备。根据本发明，动态限制设备10包括动态最大电流的发生器，所述动态最大电流与电动机11的第一工作设定点12成比例，并且旨在生成电动机11的轴的作为第一设定点12的函数的旋转扭矩。根据本发明，动态限制设备10还包括电动机11的至少一个动态输出参数中的第一动态输出参数14的第一估计器13。其还包括电动机11的第一输出参数14的第一动态限制器15。

以驱动轴加速度作为第一参数14为范例，首先，能够看到，生成工作设定点12，例如速度设定点。然后，电流朝向逆变器循环，以将对应的电流传送到电动机11。对应的电流必须不超过特定最大值Imax。该电流使电动机11生成旋转扭矩，令驱动轴转动。由此产生驱动轴的加速度。然后，由第一估计器13估计或测量加速度。在第一参数14为加速度的范例中，第一估计器13可以是加速度计，或者可以通过若干速度导数并且通过找到所获得的值的平均值、或者通过卡尔曼滤波或者通过用于估计加速度的任何算法来获得所估计的加速度。期望该测量或估计以提供良好程度的准确度。尽管如此，重要的是考虑针对该估计的响应时间，但必须在准确度与响应时间之间达到合理的平衡。然后，借助第一比较器16将估计或测量的加速度值与预定义最大值进行比较。

图2示意性示出了根据本发明的第一加速度限制器15。电动机11的第一输出参数14(在该范例中为加速度)的第一动态限制器15包括估计的第一参数14的值17与第一参数14的预定义最大值18的第一比较器16。第一限制器15还包括旨在生成第一校正电流20的第一校正器19，第一校正电流20的值取决于所述比较的结果，旨在被加到所述动态最大电流以供应给电动机11。第一校正器电动机19可以是比例积分校正器。

如果所测量或估计的加速度值小于预定义最大值18，则电流限制保持不变。另一方面，如果所测量或估计的加速度值大于预定义最大值18，那么电流限制减小，直到获得等于最大加速度值18的测量或估计的加速度值。

第一比例积分校正器19允许确保零误差。如在图2中所示，校正器19的积分动作针对正值在0处饱和，并且针对负值在-Imax处饱和，Imax为最大许可电流值。换言之，如果所测量或估计的加速度值小于预定义最大值18，则不需要限制加速度，第一校正电流20为零。如果所测量或估计的加速度值大于预定义最大值18，那么有必要限制加速度，以便避免上文所提到的关于磨损部件的任何问题以及其他缺点。第一校正电流20具有在0与-Imax之间的值，为估计值与最大值之间的差的函数。所估计或测量的加速度越高，第一校正电流20将越接近-Imax的值。基于相同的原理，当估计的加速度值高于但接近预定义最大值时，第一校正电流20将取接近0的值。第一校正电流20被加到动态最大电流。如果所测量或估计的加速度值大于预定义最大值18，则将负电流，换言之，将第一校正电流20加到静态最大电流。这产生了减小的动态最大电流。

图3示意性示出了根据本发明的、对驱动轴的加速度和电动机输出部处的功率的动态限制设备30。在图3中能够找到与图1中相同的元件，即，电动机11能够接收至少一个工作设定点12。动态限制设备30包括动态最大电流的发生器，所述动态最大电流与电动机11的第一工作设定点12成比例，并且旨在供应给电动机11，以便生成电动机11的轴的作为第一设定点12的函数的旋转扭矩。动态限制设备30还包括电动机11的轴的第一参数14、即加速度的第一估计器13。此外，其包括电动机11的轴的第一参数14、即加速度的第一动态限制器15。

动态限制设备30包括电动机11的至少一个动态输出参数中的第二动态输出参数24的第二估计器23。动态限制设备30包括电动机11的第二输出参数24的第二动态限制器25。并且，电动机11的第二输出参数24的第二动态限制器25与第一动态限制器15类似，包括第二估计的参数24的值与第二参数的预定义最大值的第二比较器。根据本发明的动态限制设备30包括旨在生成第二校正电流27的第二校正器，第二校正电流27的值取决于所述比较的结果，旨在被加到所述动态最大电流以供应给电动机11。第二参数24例如可以是电动机11的输出功率。第二动态限制器25与第一动态限制器15相同，但这里利用第二参数24而非第一参数14来进行推理，换言之，通过将所估计的功率与预定义最大功率进行比较，而非将所估计的加速度与预定义最大加速度进行比较。

最后，根据本发明的动态限制设备30包括选择模块26，其旨在从第一校正电流20与第二校正电流27之间选择较弱的电流以加到所述动态最大电流以供应给电动机。由于对加速度的动态限制以及对功率的动态限制两者都作用于为动态最大电流的相同参数，因此动态最大电流必须能够满足加速度和功率这两个要求。通过在分别来自加速度限制环路的校正器和功率限制环路的校正器的两个可能校正电流中选择较弱的电流，来获得两个可能的动态最大电流中的较小的动态最大电流。备选地，校正电流中的每个校正电流可以被预先加到动态最大电流，并且选择模块26选择来自两个限制回路中的每个限制回路的两个动态最大电流中的较弱的动态最大电流。

能够获得第一参数的能调节的最大值，并且其可以大于第一参数的任何可能值。备选地，第二参数的最大值可以是能调节的，并且其可以大于第二参数的任何可能值。或者，第一参数和第二参数的两个最大值分别可以是能调节的，并且所取的值分别大于第一参数和第二参数的任何可能值。换言之，所允许的最大加速度和/或功率值被固定在比标准最大值宽泛更多的值。因此，当第一比较器和/或第二比较器将第一和/或第二估计的参数值与第一和/或第二参数的预定义最大值进行比较时，所估计的值总是低于相关的最大值，因此不存在限制。通过以这种方式进行，存在动态加速度限制回路和动态功率限制回路，但是大于该参数的任何可能值的参数的最大值允许对应的动态限制回路不工作，换言之，对应的动态限制回路以所说的方式被去激活。

同样地，可以注意到，能够利用参数的最大值的绝对值来实现这一推理。实际上，如果第一和/或第二参数是负值参数，则第一和/或第二校正器将生成校正电流，校正电流的值将落在0与饱和值Imax之间。并且，在这种情况下，通过类推，第一参数的最大值的绝对值可以是能调节的，并且其可以大于第一参数的任何可能值。

此外，根据本发明的动态限制设备可以包括电动机11的矢量控制驱动设备29。

图4示意性示出了能够接收工作设定点12的这种类型的电动机11的矢量控制驱动设备29。工作设定点12可以是速度设定点或者可以是由电动机11递送的扭矩设定点。电动机11包括具有绕组的定子。定子适合于接收驱动电流并产生旋转磁场，定子绕组在电动机11的端子处产生电压fcem。该电压通常被称为反电动势。电动机11包括具有永磁体的转子，转子产生旨在跟随所述旋转磁场的磁场。驱动设备29包括在矢量域中的电流Idref的发生器33。所述设备还包括计算器34，计算器34被配置为执行将电流Idref从矢量域变换到实域，从而允许生成用于三相电流的驱动电流i1、i2、i3。设备29包括逆计算器35，逆计算器35被配置为执行逆变换以将电动机11的定子绕组上的在实域中的测量的参数逆变换到矢量域中的参数Ddq。在实域中测量的参数例如可以是在电动机端子处的电压fcem，通常也被称为使用术语反电动势，或者是在电动机11的端子处测量的速度。在为速度的情况下，逆计算器35执行逆变换以将在电动机11的端子处测量的速度变换到速度，以给出值w，对应于与通过运算w＝2πf从电频率f获得的电脉冲(电频率f自身通过将电机的极数乘以转子的旋转频率而获得)。值w被传送到计算器34。

更具体地，根据电流Idref、Iq并且根据电脉冲w来分别计算矢量域中的纵轴d和横轴q上的电压的分量，即，值vdref和vqref。值vdref和vqref被减小到对应于电压处在0与1之间的图像的占空比。所述占空比的模数为值Ddq。换言之，本发明使得能够利用实域中的电压和矢量域中的这些电压的图像，而无需电压传感器。

设备29最终包括参数Ddq的逆变换的值与该参数的预定义最大值Dmax的比较器36，其结果使得能够驱动矢量域中的电流的发生器33。

实域的量对应于设备29上测量的真实的量。特别地，能够引用真实电压或真实电流。

矢量域是指在其中将一个量分解为纵轴d和横轴q上的两个分量的域。矢量域对应于链接到定子的磁场的旋转参考系。

因此，由矢量域中的电流的发生器33所生成的电流Idref是在Park坐标中建立的直接设定点电流，并且计算器35被配置为接收在Park坐标中建立的并且与电机11接收的速度(或扭矩)设定点成比例的正交设定点电流Iqref。

更具体地，电流的发生器33为递送电流Idref的去校正器，如果参数的逆变换的值小于预定义最大参数值(换言之，小于值Dmax)，则电流Idref为零，或者如果参数的逆变换的值(换言之，电压Ddq)大于或等于预定义最大参数值Dmax，则电流Idref不为零。

比较器36确定Ddq的值小于、大于还是等于值Dmax。然后，去校正器37递送对应的电流Idref。去校正器37例如可以是比例积分校正器或纯积分校正器。

应当注意，如果Ddq的值小于值Dmax，则电流Idref为零。当Ddq的值大于值Dmax时，则校正器37生成负电流Idref。

矢量控制驱动设备29尤其允许速度调节。该速度调节可以被加到对加速度和/或功率的动态限制，但其不是必需的。

在下文中，我们任意选择加速度作为第一参数并且选择功率作为第二参数。当然，在不超出本发明的范围的情况下，它们能够进行互换。本发明同样可应用于除加速度和功率之外的参数。最终，本发明可类似地扩展到第三、第四或可能更多参数的动态限制。

图5示出了根据本发明的参数的动态限制方法中的步骤。所述限制方法包括用于将第一估计的参数的值与第一预定义参数的最大值进行比较的步骤101。然后，其包括用于生成第一校正电流的步骤102，第一校正电流的值取决于所述比较的结果。然后，在一个步骤103期间，第一校正电流被加到动态最大电流相加以获得新的动态最大电流，以这种方式使得第一参数不超过第一参数的最大值并且第一参数对应于工作设定点。

图6描绘了根据本发明的两个参数的动态限制方法的步骤。所述动态限制方法包括与在图3中所示的相同的步骤101和102。与步骤101和102并行的，根据本发明的动态限制方法包括用于将第二估计的参数的值与第二预定义参数的最大值进行比较的步骤104，以及用于生成第二校正电流的步骤105，第二校正电流的值取决于所述比较的结果。图6中所示的根据本发明的动态限制方法还包括步骤106，用于从第一校正电流与第二校正电流之间选择较弱的电流，以加到动态最大电流。最后，在步骤103期间，在步骤106期间所选择的校正电流被加到动态最大电流相加以获得新的动态最大电流，以这样的方式使得第一参数不超过第一参数的最大值，第二参数不超过第二参数的最大值，并且第一和第二参数对应于工作设定点。备选地，步骤103可以在步骤106之前实现，在这种情况下，选择步骤106然后包括从先前获得的两个动态最大电流之间选择较弱的动态最大电流。

如先前所解释的，在范例中我们已考虑了加速度和功率，但是这种方法能够扩展到多个其他参数，用于比较估计值与最大值的步骤的每个组与校正电流的生成彼此并行地进行，每个参数一组。然后跟随用于选择校正电流的步骤106以及用于将所选择的校正电流加到动态最大电流的步骤103，以便获得满足考虑中的所有参数的所有要求的新的动态最大电流。

图7示出了图示根据本发明的具有对加速度的动态限制的启动模拟的速度、加速度和电流值的曲线图。在图7中的顶部处的曲线图图示了作为时间的函数的速度，并且更具体地，图示了具有如虚线所示的设定点40000rpm的速度阶跃的受控的速度启动。从初始时间直至达到速度的设定点稳定状态，所测量的速度线性地增加。图7中间的曲线图图示了作为时间的函数的动态最大电流的变化，其中，如虚线所示，最大电流值被固定在400A。图7中的底部的曲线图图示了作为时间的函数的加速度，其中，如虚线所示，最大加速度值为450弧度/s²。在启动的开始时，由于期望速度满足速度设定点，因此生成电流。同时，所测量的加速度超过最大加速度值。然后可以看到，动态最大电流的值略微下降，使得加速度被稳定在允许的最大值处。换言之，第一限制器的第一比较器将第一估计的参数(在这种情况下为加速度)的值与第一参数的预定义最大值(在这种情况下为450弧度/s²)进行比较。所述比较的结果表明，当测量值大于最大允许值450弧度/s²时，第一校正器产生第一负校正电流。第一校正电流被加到减小的动态最大电流。

图8示出了图示根据本发明的具有对加速度的动态限制的、对扭矩喘振的速度斜变上的启动模拟所产生的速度、加速度和电流值的曲线图。中图8中的顶部处的曲线图图示了作为时间的函数的速度，更为具体地，示出了速度斜变启动，然后，速度阶跃到30000rpm。速度设定点用虚线表示。从初始时间直到达到转速设定点的稳定状态，所测量的转速设定点线性地增加。图8中的中间的曲线图图示了作为时间的函数的动态最大电流的变化，其中，如虚线所示，最大电流被值固定在400A。在图8中的底部处的曲线图图示了作为时间的函数的加速度，其中，如虚线所示，最大加速度值为450弧度/s²。在启动阶段期间，对负载施加2秒的显著扭矩阶跃。该扭矩阶跃具有阻力扭矩的作用并且导致在顶部曲线图中可见的所测量的速度的解耦。事实上，在启动的这一阶段，达到电流的最大值。不能够生成更多的电流。一旦扭矩阶跃超过t＝5秒，为了恢复速度设定点，则产生更大的加速度，超过允许的最大加速度值，如底部曲线图中在t＝5秒处所示。然后，加速度的动态限制方法通过减小动态最大电流来工作，这能够在中间曲线图中的t＝5秒处看到。在该时间点处，如之前针对图7中所示的情况所解释的，第一限制器的第一比较器将第一估计的参数(在这种情况下为加速度)的值与第一参数的预定义最大值(在这种情况下为450弧度/s²)进行比较。所述比较的结果表明，当测量值大于允许的最大值450弧度/s²时，第一校正器生成第一负校正电流。该第一校正电流被加到减小的动态最大电流。

因此，对于t＝8秒，动态最大电流再次增加，并且所测量的速度与速度设定点一致。因此，本发明允许速度返回到设定点速度，而具有有限加速度的启动，换言之，如果没有动态限制，则将不允许返回到速度设定点。

因此，本发明允许不超过给定的加速度，而不管所施加的速度设定点和所施加的可能的扭矩阶跃，同时允许最佳地观察设定点。因此，能够防止在启动阶段期间所涉及的所有机械部件过早磨损。

图9描绘了图示根据本发明的具有对加速度和功率的动态限制的启动模拟所产生的速度、加速度和电流值的曲线图。在图9中的顶部处的曲线图图示了作为时间的函数的速度，具体地，图示了速度斜变启动，然后，速度阶跃到30000rpm。速度设定点用虚线表示。从初始时间直到达到转速设定点的稳定状态，所测量的转速设定点线性地增加。在速度曲线图下方示出了图示作为时间的函数的功率的曲线图，其中，最大功率值为到10秒的60kW，然后从10秒开始为180kW，如虚线所示。功率曲线图下方示出了图示作为时间的函数的加速度的曲线图，其中，最大加速度值为350弧度/s²。加速度曲线图下方示出了图示作为时间的函数的电流的曲线图，其中，最大电流值、即饱和电流为400A，如虚线所示。在启动的开始时，功率和加速度增加，以这种方式使得速度返回到速度设定点。在t＝1秒附近，加速度超过最大值，这导致动态最大电流减小。换言之，第一限制器的第一比较器将第一估计的参数(在这种情况下为加速度)的值与第一参数的预定义最大值(在这种情况下为350弧度/s²)进行比较。所述比较的结果表明，当测量值大于允许的最大值350弧度/s²时，第一校正器生成第一负校正电流。该第一校正电流被加到减小的动态最大电流。

在t＝5秒处，功率超过最大功率值60kW。功率限制阶段使速度减慢。这种情况下的动态最大电流大大降低。换言之，第二限制器的第二比较器将第二估计的参数(在这种情况下为功率)的值与第一参数的预定义最大值(在这种情况下为60kW)进行比较。所述比较的结果表明，当测量值大于最大允许的值60kW时，第二校正器生成第二负校正电流。在存在第一校正电流和第二校正电流的情况下，选择模块从第一校正电流与第二校正电流之间选择电流以加到动态最大电流，以便获得将响应于功率和加速度两个限制的动态最大电流。所选择的是两个动态最大电流中的较小者。

在t＝10秒处，最大功率值从60kW变为180kW；则不再存在任何功率限制。为了获得返回到速度设定点的速度，产生显著的加速度。因为该加速度大于值350弧度/s²，因此对加速度的动态限制方法通过减小动态最大电流来工作，如在10秒与12秒之间的曲线图上能看到的。还将注意到，本发明允许速度快速达到速度设定点，同时确保不超过最大加速度和功率值。本发明的另一优点在于，对加速度和/或功率的限制是动态的。所述参数中的每个参数在允许的值范围内变化，并且允许最佳地、即尽可能快地满足工作设定点，并且针对某些参数不超过预定义最大值。