CN107251403B - 用于异步机的控制设备以及用于运行异步机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行异步机的方法，具有步骤：针对所述异步机的多个额定扭矩,通过计算在所述异步机的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2‑元组,确定用于该异步机的工作点轨迹；针对计算出的、由纵向电流值和横向电流值构成的2‑元组中的每个2‑元组来计算所述异步机的转差频率；获取所述异步机的当前的转子转速；通过计算出的转差频率与利用所述异步机的极对数来加权的、当前的转子转速的总和来计算所述异步机的激励频率；将所述异步机的计算出的激励频率与该异步机的至少一个预先确定的共振频率值相比较；以及在恒定地保持的额定扭矩的情况下，通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例，针对所述2‑元组中使计算出的激励频率与至少一个共振频率值一致的那些2‑元组来校正确定的工作点轨迹。

Description

用于异步机的控制设备以及用于运行异步机的方法

本发明涉及一种用于异步机的控制设备以及一种用于运行异步机的方法。

背景技术

文献CH 477 124 A 公开了一种在异步机中用于控制转差频率（Schlupffrequenz）的机构。

具有旋转场机械的电驱动器根据通过转速和扭矩确定的运行点在三相交流机中激励不同的频率，在固体声响的或者空气声响的发送中，以及在发送的扭矩的波动性的影响中，所述频率能够表现出来。尤其在激励所述三相交流机的固有频率时，例如通过在位于定子和转子之间的气隙中的力的传递，或者在与该机器的驱动轴法兰连接的部件的固有频率下，出现所述机器和/或耦接的部件的共振，所述共振能够不利地影响该电驱动器的、发射的空气声响。

在一定的转速范围内，在所述电驱动的组件之内的固有频率通过所述三相交流机的高次谐波（Oberwellen）被激励，并且发射的空气声响的水平（Pegel）在这些固有频率的情况下跳跃式地上升。不过，应当在运行中将由电驱动器放射的噪声降低至最小限度。

因此，在没有必须实质上限制该机器的设计和所述机器的功率密度情况下，存在有越过整个运行范围能够最小地保持噪声发展的、针对异步机的运行的解决方案的需要。

发明内容

本发明按照第一方面建立了一种用于运行异步机的方法，具有下述步骤：针对所述异步机的多个额定扭矩（Solldrehmomenten），通过计算在所述异步机的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组确定用于该异步机的工作点轨迹；针对计算出的由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组计算所述异步机的转差频率；获取该异步机的当前的转子转速；通过计算出的转差频率与利用所述异步机的极对数来加权的、当前的转子转速的总和来计算所述异步机的激励频率（Anregungsfrequenz）；以及将计算出的所述异步机的激励频率与该异步机的至少一个预先确定的共振频率值相比较。在此，在恒定地保持额定扭矩的情况下，通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例针对所述2-元组中的下述2-元组来校正确定的工作点轨迹：在所述2-元组的情况下，计算出的激励频率与所述至少一个共振频率值一致。

按照另一方面，本发明建立了一种用于异步机的控制设备，具有控制模块，所述控制模块被设计用于：针对所述异步机的多个额定扭矩，通过计算在所述异步机的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组，确定用于该异步机的工作点轨迹；针对计算出的由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组，计算所述异步机的转差频率；以及通过计算出的转差频率与利用所述异步机的极对数来加权的、当前的转子转速的总和来计算所述异步机的激励频率。所述控制设备此外包括比较模块，所述比较模块与控制模块是耦接的，并且所述比较模块被设计用于：将通过所述控制模块计算出的、所述异步机的激励频率与该异步机的至少一个预先确定的共振频率值相比较，并且在恒定地保持额定扭矩的情况下，通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例，针对所述2-元组中的下述2-元组来校正通过所述控制模块确定的工作点轨迹：其中计算出的激励频率与所述至少一个共振频率值一致。

按照另一方面，本发明建立了一种电驱动系统，具有异步机、逆变器（Wechselrichter），所述逆变器与所述异步机是耦接的并且被设计用于提供针对所述异步机的多相的电流供给，以及具有根据本发明的控制设备，所述控制设备与所述逆变器是耦接的，并且所述控制设备被设计用于按照根据本发明的、用于运行所述异步机方法来操控所述逆变器。

本发明的优点

本发明的构思是：借助调节算法（Regelalgorithmus）在异步机中这样推移被激励的频率：使得固有频率和/或共振频率在所述电驱动系统中不再被激励。这能够通过以下方式得到保证：在预定的额定扭矩时，转差频率通过在纵向电流和横向电流之间的比例作为附加的、用于确定所述异步机的运行点或者说工作点的调整量来变化。

因此设计标准（根据该设计标准，必须满足对在整个频谱上的以及在几乎所有转速范围内的声学的要求）显著放宽。由所述异步机造成的、在放射的空气声响中的音量差异（Lautstärkeunterschiede）通过避免激励所述异步机的共振频率明显减少。

虽然所述工作点轨迹的变动导致所述异步机的效率（Wirkungsgrades）的负荷，但是并不必要的是：持久地将所述工作点远离该异步机的、在效率方面最佳的工作点地进行校正。因此，利用根据本发明的做法，获得在操控所述异步机中附加的自由度，所述自由度在负荷点中——在这些负荷点中，所述驱动系统的不希望的固有频率会被激励——能够实现动力学的和临时的调节机制，用于阻止激励此相同的固有频率。

按照根据本发明的方法的一种实施方式，确定所述工作点轨迹能够包括：针对所述异步机的多个额定扭矩中的每个额定扭矩，最小化由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，所述异步机的至少一个预先确定的共振频率值能够包括：在与所述异步机连接的传动装置中的固有频率、由在该异步机中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。

在此，能够在另一种实施方式中通过依据转速的空气声响测量确定所述异步机的预先确定的共振频率值。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，在纵向电流值和横向电流值之间的比例的变化能够包括：在恒定地保持额定扭矩的情况下，由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流的提高。

按照根据本发明的控制设备的一种实施方式，所述控制设备此外能够包括转速检测模块，所述转速检测模块与所述控制模块是耦接的，并且所述转速检测模块被设计用于检测所述异步机的当前的转子转速。

按照根据本发明的控制设备的另一种实施方式，所述控制设备此外能够包括参考值存储器，所述参考值存储器与所述比较模块是耦接的，并且所述参考值存储器被设计用于存储所述异步机的预先确定的共振频率值。

按照根据本发明的控制设备的另一种实施方式，所述预先确定的共振频率值能够包括：在与所述异步机连接的传动装置中的固有频率、由在该异步机中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。

按照根据本发明的控制设备的另一种实施方式，所述控制模块能够被设计用于：针对所述异步机的多个额定扭矩中的每个额定扭矩，通过最小化由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流，确定用于所述异步机的工作点轨迹。

本发明的实施方式的其他的特征和优点由后续的、关于附图的说明得出。

附图说明

附图中：

图1 按照本发明的一种实施方式的、用于操控异步机的方法的示意图；

图2 按照本发明的另一种实施方式的、具有异步机的电驱动系统的示意图；并且

图3 按照本发明的另一种实施方式的、用于异步机的控制设备的示意图。

具体实施方式

在异步机的电动机运行中，存在有在所述定子的转速ns和所述转子的实际上的转速nr、也就是实际转速之间的差异，从而所述转子的实际转速是比所述定子的转速更小的。所述差异也称为转差率（Schlupf）——对应的转差频率fs因此被添加到依据所述异步机的极对数p的转子频率fr=p·nr，以便计算所述定子频率fst：

。

在异步机的场取向的调节运行中，其中，通过所述异步机的定子的电流按照具有所谓的纵轴d和与该纵轴正交的横轴q的场取向的坐标系被调节，所述d-轴因此始终向着所述转子磁通（läuferfluss）的空间指针的方向。所述定子电流的空间指针因此在所述场取向的坐标系中划分为纵向电流部分Id以及横向电流部分Iq。

所述转差频率fs不是在所述异步机的整个运行范围内恒定的，而是成比例地依赖于转差因子ks，所述转差因子又与所述定子电流的纵向分量（所述纵向电流部分Id）以及与所述定子电流的横向分量（所述横向电流部分Iq）成比例。在场取向的调节时，为了最佳化所述效率，能够如此地调整在所述定子电流的纵向分量和所述定子电流的横向分量之间的比例：使得在恒定的额定扭矩时得出最小的相电流。

在此，所述相电流拥有由所述定子电流的纵向分量和横向分量的向量式总和的值算出的值。因此针对每个额定扭矩和每个转子转速得出每相电流最大扭矩（“最大扭矩每相电流（maximum torque per phase current）”，MTPC）的工作点。这些工作点依据所述额定扭矩和所述转子转速得出工作点轨迹，根据所述工作点轨迹能够调节所述异步机的运行。

通过将所述定子电流的纵向分量和横向分量由所述场取向的坐标系变换到所述异步机的定子固定的坐标系中，针对希望的工作点得出用于供给所述异步机的n-相的、例如3-相的逆变器的操控信号。

图1示出了用于操控异步机的方法20的示意图。所述方法20能够例如在用于供给所述异步机的逆变器的控制设备中执行，例如在下面联系图3解释的、用于图2的所述电驱动系统10的控制设备2中。

首先，对于第一步骤21来说，针对所述异步机的多个额定扭矩确定用于所述异步机的工作点轨迹。这通过计算在所述异步机的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组来实现。能够例如在考虑所述异步机的最佳的效率情况下确定所述2-元组，在所述2-元组中所述纵向电流和所述横向电流向量式相加，并且最小化由此产生的相电流的值。由此能够针对所述异步机的多个额定扭矩中的每个额定扭矩，确定配属于相应的工作点的2-元组，这些2-元组一起形成所述工作点轨迹。

针对计算出的、由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组，随后在步骤22中计算所述异步机的转差频率。一般适用的是：（在保持恒定的额定扭矩时）在提高在纵向电流值和相应的横向电流值之间比例时，所述转差频率下降。例如，对于示范的异步机的60Nm的额定扭矩，所述转差频率能够大约为18Hz，该异步机以40A的纵向电流值和450A的横向电流值运行。与此相对地，所述转差频率能够下降到3Hz以下，当所述纵向电流值被提高到200A并且所述横向电流值被降低到189A时。

如同上面说明的那样，所述转差频率对传递到所述异步机上的激励的频率有影响。为了计算实际上传递到所述异步机的激励的频率，对关于所述异步机的极对数的了解以及对当前的转子转速的了解还是必需的。在所述方法20的步骤23中，所述异步机的这种当前的转子转速能够被获取，例如通过转速传感器、增量发送器（Inkrementalgeber）或者合适的无发送器的测量方法。随后，能够在步骤24中通过计算出的转差频率与利用所述异步机的极对数来加权的当前的转子转速的总和来计算所述异步机的激励频率。

如果现在知道了所述异步机的所有被激励的基波（Grundwellen）和高次谐波以及连接到所述异步机的轴上的驱动分量，那么可以预见所述电驱动系统的固有频率在计算出的激励频率时是否以及在何种范围上被激励。所述异步机的共振频率值能够例如包括：在与所述异步机连接的传动装置中的固有频率、由在该异步机中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。所述异步机的这样的共振频率值能够例如通过依据转速的空气声响测量测出。

为了能够避免特别是这种固有频率的激励，在所述方法20的步骤25中，将计算出的所述异步机的激励频率与该异步机的至少一个预先确定的共振频率值相比较。当证实了计算出的激励频率与至少一个共振频率值一致时，针对这个激励频率在步骤26中通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例来校正确定的工作点轨迹。在此，所述额定扭矩恒定地被保持。所述2-元组能够例如如此地变化：使得在纵向电流值和横向电流值之间的比例的变化包括在恒定地保持额定扭矩的情况下的、由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流的提高。

通过在纵向电流值和横向电流值之间的比例的变化，能够获得所述转差频率的变化，从而在相应的转子转速和预定的额定扭矩的情况下，所述异步机的激励频率不再与临界的共振频率值一致。换句话说，在损失某些效率的情况下，有目的性地变动所述工作点轨迹，以便始终在所述电驱动系统的固有频率的范围之外保持传递到所述异步机的激励频率。

所述工作点轨迹的这种声学的最佳化不必持久地进行，而是能够仅短期地在所述临界的共振频率值的相应的转速范围内被维持，从而对所述异步机的效率的负面的影响在时间上的平均值中可忽略不计。

极其有益的是：所述方法20是在电驱动系统的基本转速范围内，在所述基本转速范围内，在变动在纵向电流值和横向电流值之间的比例时充分地调节储备是存在的。从声学的角度出发，最临界的运行点当然也处在基本转速范围内，因为在更高的转速时所述异步机的噪声通常掩盖了其他的系统组件的附带噪声或者就车辆而言的行驶噪声。利用本方法能够对于示范的异步机将噪声水平在临界的共振频率值时以直至5dB的幅度下降。

图2示出了具有异步机1的电驱动系统10的示意图，所述异步机由逆变器3被供应以n-相的相电流。所述逆变器3就其而言能够例如由通过中间直流电路4支持的直流电源5、如例如车辆的牵引电池被供应以能量。

所述电驱动系统10具有控制设备2，所述控制设备与所述逆变器3是耦接的，并且所述控制设备被设计用于按照用于运行所述异步机1的所述方法20如同联系图1解释的那样来操控所述逆变器3。所述控制设备2在图3中更详细地在示意图中示出。

所述控制设备2包括转速检测模块6，所述转速检测模块与控制模块7是耦接的。所述控制设备2的控制模块7又与比较模块8耦接，所述比较模块有到参考值存储器9的访问权限。所述转速检测模块6是与所述异步机1耦接的，并且被设计用于检测所述异步机1的当前的转子转速nr。

所述当前的转子转速被传达到所述控制模块7上，所述控制模块被设计用于针对所述异步机1的多个额定扭矩，通过计算在所述异步机1的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组确定用于所述异步机1的工作点轨迹。针对计算出的、由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组，计算所述控制模块7，随后计算所述异步机1的转差频率。所述控制模块7由所述异步机1的转差频率能够计算该异步机1的激励频率。这在所述控制模块7中通过计算出的转差频率与利用所述异步机1的极对数来加权的当前的转子转速nr的总和来实现。用于所述异步机1的工作点轨迹能够例如针对所述异步机1的多个额定扭矩中的每个额定扭矩通过最小化由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流来确定。

随后将所述确定的工作点轨迹发送给与所述控制模块7耦接的比较模块8。所述比较模块8被设计用于将所述异步机1的、由所述控制模块7计算出的激励频率与该异步机1的至少一个预先确定的共振频率值相比较。对于下述2-元组：在这些2-元组中，计算出的激励频率与至少一个共振频率值一致，所述控制模块8能够随后校正由所述控制模块7确定的工作点轨迹。这在恒定地保持额定扭矩的情况下通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例来进行。

所述比较模块8能够例如从所述参考值存储器9中取得所述共振频率值。在所述参考值存储器9中，所述异步机1的预先确定的共振频率值能够被存储，例如在与所述异步机1连接的传动装置中的固有频率、由在该异步机1中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。这些共振频率值能够例如通过在不同的转速范围内的空气声响测量事先已被测量。

必要时通过所述比较模块8校正的工作点轨迹随后被传送回给所述控制模块7，从而所述控制模块7能够利用相应的控制信号c操控所述逆变器3。

所述控制设备2能够例如应用在用于电动和混合动力车辆的电驱动系统10中，所述控制设备动用异步机1并且受制于相应的、对在所有的转速范围中最大的音量水平的要求。

Claims (11)

1.用于运行异步机（1）的方法（20），具有以下步骤：

针对所述异步机（1）的多个额定扭矩,通过计算在所述异步机（1）的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组,确定（21）用于该异步机（1）的工作点轨迹；

针对计算出的、由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组来计算（22）所述异步机（1）的转差频率；

获取（23）所述异步机（1）的当前的转子转速；

通过计算出的转差频率与利用所述异步机（1）的极对数来加权的、当前的转子转速的总和来计算（24）所述异步机（1）的激励频率；

将所述异步机（1）的计算出的激励频率与该异步机（1）的至少一个预先确定的共振频率值相比较（25）；以及

在恒定地保持的额定扭矩的情况下，通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例，针对所述2-元组中使计算出的激励频率与至少一个共振频率值一致的那些2-元组来校正（26）确定的工作点轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法（20），其中，确定（21）所述工作点轨迹包括：

针对所述异步机（1）的多个额定扭矩中的每个额定扭矩，最小化由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法（20），其中，所述异步机（1）的至少一个预先确定的共振频率值包括：在与所述异步机（1）连接的传动装置中的固有频率、由在所述异步机（1）中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。

4.根据权利要求3所述的方法（20），其中，所述异步机（1）的预先确定的共振频率值通过依据转速的空气声响测量来确定。

5.根据权利要求1所述的方法（20），其中，在纵向电流值和横向电流值之间的比例的变化在恒定地保持的额定扭矩的情况下包括：由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流的提高。

6.用于异步机（1）的控制设备（2），具有：

控制模块（7），所述控制模块被设计用于：针对所述异步机（1）的多个额定扭矩，通过计算在所述异步机（1）的同步旋转的坐标系中由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组确定用于该异步机（1）的工作点轨迹；针对计算出的、由纵向电流值和横向电流值构成的2-元组中的每个2-元组，计算所述异步机（1）的转差频率；以及通过计算出的转差频率与利用所述异步机（1）的极对数来加权的、当前的转子转速的总和来计算所述异步机（1）的激励频率；

和比较模块（8），所述比较模块与所述控制模块（7）是耦接的，并且所述比较模块被设计用于：将通过所述控制模块（7）计算出的、所述异步机（1）的激励频率与该异步机（1）的至少一个预先确定的共振频率值相比较，并且在恒定地保持的额定扭矩的情况下，通过变化在纵向电流值和横向电流值之间的比例，针对所述2-元组中使计算出的激励频率与至少一个共振频率值一致的那些2-元组来校正由控制模块（7）确定的工作点轨迹。

7.根据权利要求6所述的控制设备（2），此外具有：

转速检测模块（6），所述转速检测模块与所述控制模块（7）是耦接的，并且所述转速检测模块（6）被设计用于检测所述异步机（1）的当前的转子转速。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的控制设备（2），此外具有：

参考值存储器（9），所述参考值存储器与所述比较模块（8）是耦接的，并且所述参考值存储器被设计用于存储所述异步机（1）的预先确定的共振频率值。

9.根据权利要求8所述的控制设备（2），其中，所述预先确定的共振频率值包括：在与所述异步机（1）连接的传动装置中的固有频率、由在所述异步机（1）中的气隙力激励的共振频率和/或其谐波。

10.根据权利要求6所述的控制设备（2），其中，所述控制模块（7）被设计用于：针对所述异步机（1）的多个额定扭矩中的每个额定扭矩，通过最小化由所述纵向电流和所述横向电流的向量式相加而得到的相电流，确定用于所述异步机（1）的工作点轨迹。

11.电驱动系统（10），具有：

异步机（1）；

逆变器（3），所述逆变器与所述异步机（1）是耦接的，并且被设计用于提供用于所述异步机（1）的多相的电流供给；以及

按照权利要求6至10中任一项所述的控制设备（2），所述控制设备与所述逆变器（3）是耦接的，并且所述控制设备被设计用于按照根据权利要求1至5中任一项所述的、用于运行所述异步机（1）方法来操控所述逆变器（3）。