用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510997294.4
(22)申请日 2015.12.25
H02P 21/14(2016.01)
(71)申请人杭州乾景科技有限公司
地址310000 浙江省杭州市经济技术开
发区白杨街道6号大街452号2幢
A1718-1720号
(72)发明人金立川 蒋金生 陈南干 尹学超
江晨 李华晶
(74)专利代理机构杭州裕阳专利事务所(普通
合伙) 33221
代理人
应圣义
(54)发明名称
用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方
法
(57)摘要
本发明公开了一种用于潜油交流永磁同步
电机防退磁的保护方法，包括以下步骤：1)获得
三相电流，根据三相电流得到反馈电流I d 和I q ；
2)得到线性电压值；3)计算出实时的定子绕组电
阻；4)得到当前的电机定子温度值；5)将得到的
电机定子温度值与预存的温度阈值比对，当电机
定子温度值大于温度阈值时，进入步骤6)；6)降
低永磁同步电机的转速，重复步骤1)至步骤5)，
直至电机定子温度值小于等于温度阈值。

本发明
的保护方法，不需要增加任何外置的检测装置，且
运算量小，实现简单有效；当出现温度异常，可通
过降低转速保证永磁同步电机在正常的温度下工
作，能够有效防止退磁，本申请的保护方法能够大
大增强永磁同步电机的使用寿命。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 105490606 A 2016.04.13
C N 105490606
A
1.一种用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在电流控制模式下，给永磁同步电机发出电流值指令I d-ref，永磁同步电机在电流值指令下运行稳定后，采样获得永磁同步电机的三相电流，根据三相电流得到d轴的反馈电流
I d和q轴的反馈电流I q；
2)根据步骤1)中得到的d轴的反馈电流I d，得到线性电压值U d；
3)根据步骤1)得到的d轴的反馈电流I d、q轴的反馈电流I q以及步骤2)得到的线性电压值U d，计算出实时的定子绕组电阻R S；
4)根据步骤3)的定子绕组电阻R S，得到当前的电机定子温度值；
5)将步骤4)得到的电机定子温度值与预存的温度阈值比对，判断永磁同步电机的运行状态是否正常，当电机定子温度值大于温度阈值时，进入步骤6)；
6)降低永磁同步电机的转速，重复步骤1)至步骤5)，直至永磁同步电机的电机定子温度值小于等于温度阈值。

2.如权利要求1所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤1)中，电流值指令I d-ref为d轴电流空间矢量；采样获得永磁同步电机的三相电流的具体步骤如下：
2.1)通过电流传感器对电机的三相电流进行采样，得到采样值；
2.2)将步骤2.1)的采样值进行漏电流消除，获得电机的三相电流I A、I B、I C。

3.如权利要求2所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤1)中，根据三相电流得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q的具体步骤如下：
3.1)通过编码器获取当前永磁同步电机的角度θ；
3.2)对三相电流I A、I B、I C进行Clarke变换得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q，其中，Clarke变换公式为：
4.如权利要求3所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤2)中，得到线性电压值U d的具体方法为：将电流值指令I d-ref与d轴的反馈电流I d的差值e
(t)作为输入，以作为响应函数，以线性电压值U d作为输出，得到线性电压值U d，
其中，K o为比例系数，T H为采用周期，S为拉普拉斯算子。

5.如权利要求4所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤3)中，计算出实时的定子绕组电阻R S的公式如下：
其中，L d为d轴电感，L q为q轴电感，ω为转子的角速度，L d、L q由永磁同步电机给出，是永磁同步电机的d轴，q轴电压方程所对应的电机参数。

6.如权利要求1所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤4)中，通过将定子绕组电阻与电阻-温度对应关系表进行匹配，得到当前的电机定子温度值。

7.如权利要求1所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤4)中，通过将定子绕组电阻与电阻-温度对应关系曲线图进行匹配，得到当前的电机定子温度值。

8.如权利要求1所述的用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，其特征在于，步骤6)中，降低永磁同步电机的转速时，每次控制永磁同步电机降低速度30～100rpm，且在永磁同步电机运行若干预设时长的周期后，再重复步骤1)至步骤5)。

用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法
技术领域
[0001]本发明涉及永磁同步电机技术领域，特别设计用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法。

背景技术
[0002]目前，永磁同步电机因其结构简单，体积小，重量轻，功率惯量比大、效率高、精度高和调速范围宽等优点，近年来在各领域都得到广泛的应用。

然而，在一些特殊领域，电机所处的工作环境十分复杂且非常极端，甚至无法实时监测到电机的状态，导致电机高温长期运行无法预防，电机逐渐退磁，严重影响电机的使用寿命。

更换永磁同步电机会造成巨大的人力物力损失。

[0003]例如，油田开采领域，潜油采油设备，永磁同步电机及相关组件伸入地下千余米，对于电机及组件寿命等有着严格的要求。

影响永磁同步电机寿命，除了其它原因素外，主要原因是电机处于高温的状态下长期运行，导致退磁，缩短电机寿命。

当永磁同步电机因负载波动或控制器参数不匹配等原因导致温度升高，也可能会发生退磁现象。

其中，当永磁同步电机退磁时，电机相电流将加大，发热亦将增大，从而导致电机的运行效率降低，寿命短。

另外，对于无传感器控制的永磁同步电机，转子退磁可能导致位置估计误差过大，进而导致电机无法正常运行。

发明内容
[0004]本发明针对上述问题，提出了一种用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法。

解决了现有永磁同步电机逐渐退磁，严重影响电机的使用寿命的问题。

[0005]本发明采取的技术方案如下：
[0006]一种用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，包括以下步骤：
[0007]1)在电流控制模式下，给永磁同步电机发出电流值指令I d-ref，永磁同步电机在电流值指令下运行稳定后，采样获得永磁同步电机的三相电流，根据三相电流得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q；
[0008]2)根据步骤1)中得到的d轴的反馈电流I d，得到线性电压值U d；
[0009]3)根据步骤1)得到的d轴的反馈电流I d、q轴的反馈电流I q以及步骤2)得到的线性电压值U d，计算出实时的定子绕组电阻R S；
[0010]4)根据步骤3)的定子绕组电阻R S，得到当前的电机定子温度值；
[0011]5)将步骤4)得到的电机定子温度值与预存的温度阈值比对，判断永磁同步电机的运行状态是否正常，当电机定子温度值大于温度阈值时，进入步骤6)；
[0012]6)降低永磁同步电机的转速，重复步骤1)至步骤5)，直至永磁同步电机的电机定子温度值小于等于温度阈值。

[0013]本申请的保护方法，不需要增加任何外置的检测装置，且运算量小，实现简单有效；系统因电机故障、电源波动、通风散热等问题出现永磁同步电机任何温度异常，都可以
及时的被采集到实现早发现早预防，保证了电机故障及退磁保护的及时性；系统在恶劣的环境或负载波动的情况下工作，当出现温度异常(没有其它故障)，可通过实时得到的电机定子温度值与预设的温度阈值对比得到，并通过降低转速保证永磁同步电机在正常的温度下工作，能够有效防止退磁，本申请的保护方法能够大大增强永磁同步电机的使用寿命。

[0014]进一步的，步骤1)中，电流值指令I d-ref为d轴电流空间矢量；采样获得永磁同步电机的三相电流的具体步骤如下：
[0015] 2.1)通过电流传感器对电机的三相电流进行采样，得到采样值；
[0016] 2.2)将步骤2.1)的采样值进行漏电流消除，获得电机的三相电流I A、I B、I C。

[0017]进一步的，步骤1)中，根据三相电流得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q的具体步骤如下：
[0018] 3.1)通过编码器获取当前永磁同步电机的角度θ；
[0019] 3.2)对三相电流I A、I B、I C进行Clarke变换得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q，其中，Clarke变换公式为：
[0020]
[0021]进一步的，步骤2)中，得到线性电压值U d的具体方法为：将电流值指令I d-ref与d轴的反馈电流I d的差值e(t)作为输入，以线性电压值U d作为输出，通过PI调节器，获得线性电压值U d，PI调节器的表达式为：
[0022]
[0023]其中，K o为比例系数，T H为采用周期，S为拉普拉斯算子；
[0024]由上述PI调节器的公式可知，PI控制器输出信号u(t)同时成比例地反映输入e(t)及其积分，即有：
[0025]
[0026]于实际应用中，可以对公式进行离散化，离散化的PI控制
器表达式为：
[0027]
[0028]其中，
[0029]k——采样序号；
[0030]e(j)——0到k次采样值内，第j次采样时刻的输入值；
[0031]K H——积分系数；
[0032]u(k)——第k次采样时刻的控制器输出值；
[0033]e(k)——第k次采样时刻的输入值。

[0034]进一步的，步骤3)中，计算出实时的定子绕组电阻R S的公式如下：
[0035]
[0036]其中，L d为d轴电感，L q为q轴电感，ω为转子的角速度，L d、L q由永磁同步电机给出，是永磁同步电机的d轴，q轴电压方程所对应的电机参数。

[0037]进一步的，步骤4)中，通过将定子绕组电阻与电阻-温度对应关系表进行匹配，得到当前的电机定子温度值。

[0038]进一步的，步骤4)中，通过将定子绕组电阻与电阻-温度对应关系曲线图进行匹配，得到当前的电机定子温度值。

[0039]进一步的，步骤6)中，降低永磁同步电机的转速时，每次控制永磁同步电机降低速度30～100rpm，且在永磁同步电机运行若干预设时长的周期后，再重复步骤1)至步骤5)。

[0040]本申请中，rpm表示转每分钟。

[0041]本发明的有益效果是：不需要增加任何外置的检测装置，且运算量小，实现简单有效；系统因电机故障、电源波动、通风散热等问题出现永磁同步电机任何温度异常，都可以及时的被采集到实现早发现早预防，保证了电机故障及退磁保护的及时性；系统在恶劣的环境或负载波动的情况下工作，当出现温度异常(没有其它故障)，可通过实时得到的电机定子温度值与预设的温度阈值对比得到，并通过降低转速保证永磁同步电机在正常的温度下工作，能够有效防止退磁，本申请的保护方法能够大大增强永磁同步电机的使用寿命。

附图说明：
[0042]图1是本发明用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法的流程图。

具体实施方式：
[0043]下面结合各附图，对本发明做详细描述。

[0044]如图1所示，一种用于潜油交流永磁同步电机防退磁的保护方法，包 括以下步骤：[0045]1)在电流控制模式下，给永磁同步电机发出电流值指令I d-ref，永磁同步电机在电流值指令下运行稳定后，采样获得永磁同步电机的三相电流，根据三相电流得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q；
[0046]2)根据步骤1)中得到的d轴的反馈电流I d，得到线性电压值U d；
[0047]3)根据步骤1)得到的d轴的反馈电流I d、q轴的反馈电流I q以及步骤2)得到的线性电压值U d，计算出实时的定子绕组电阻R S；
[0048]4)根据步骤3)的定子绕组电阻R S，得到当前的电机定子温度值；
[0049]5)将步骤4)得到的电机定子温度值与预存的温度阈值比对，判断永磁同步电机的运行状态是否正常，当电机定子温度值大于温度阈值时，进入步骤6)；当电机定子温度值小于等于温度阈值时，永磁同步电机保持当前参数，继续正常工作；
[0050]6)降低永磁同步电机的转速，重复步骤1)至步骤5)，直至永磁同步电机的电机定子温度值小于等于温度阈值。

[0051]本实施例步骤1)中，电流值指令I d-ref为d轴电流空间矢量；采样获得永磁同步电机的三相电流的具体步骤如下：
[0052] 2.1)通过电流传感器对电机的三相电流进行采样，得到采样值；
[0053] 2.2)将步骤2.1)的采样值进行漏电流消除，获得电机的三相电流I A、I B、I C。

[0054]本实施例步骤1)中，根据三相电流得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q的具体步骤如下：
[0055] 3.1)通过编码器获取当前永磁同步电机的角度θ；
[0056] 3.2)对三相电流I A、I B、I C进行Clarke变换得到d轴的反馈电流I d和q轴的反馈电流I q，其中，Clarke变换公式为：
[0057]
[0058]本实施例步骤2)中，得到线性电压值U d的具体方法为：将电流值指 令I d-ref与d轴的反馈电流I d的差值e(t)作为输入，以线性电压值U d作为输出，通过PI调节器，获得线性电压值U d，PI调节器的表达式为：
[0059]
[0060]其中，K o为比例系数，T H为采用周期，S为拉普拉斯算子；
[0061]由上述PI调节器的公式可知，PI控制器输出信号u(t)同时成比例地反映输入e(t)及其积分，即有：
[0062]
[0063]于实际应用中，可以对公式进行离散化，离散化的PI控制
器表达式为：
[0064]
[0065]其中，
[0066]k——采样序号；
[0067]e(j)——0到k次采样值内，第j次采样时刻的输入值；
[0068]K H——积分系数；
[0069]u(k)——第k次采样时刻的控制器输出值；
[0070]e(k)——第k次采样时刻的输入值。

[0071]本实施例步骤3)中，计算出实时的定子绕组电阻R S的公式如下：
[0072]
[0073]其中，L d为d轴电感，L q为q轴电感，ω为转子的角速度，L d、L q由永磁同步电机给出，是永磁同步电机的d轴，q轴电压方程所对应的电机参数。

[0074]本实施例步骤4)中，通过将定子绕组电阻与电阻-温度对应关系表进行匹配，得到当前的电机定子温度值。

处理通过电阻-温度对应关系表得 到电机定子温度值，还可以通过预设的电阻-温度对应关系曲线图得到电机定子温度值。

[0075]本实施例步骤6)中，降低永磁同步电机的转速时，每次控制永磁同步电机降低速度30～100rpm，且在永磁同步电机运行若干预设时长的周期后，再重复步骤1)至步骤5)，其中rpm表示转每分钟。

[0076]本申请的保护方法，不需要增加任何外置的检测装置，且运算量小，实现简单有效；系统因电机故障、电源波动、通风散热等问题出现永磁同步电机任何温度异常，都可以及时的被采集到实现早发现早预防，保证了电机故障及退磁保护的及时性；系统在恶劣的环境或负载波动的情况下工作，当出现温度异常(没有其它故障)，可通过实时得到的电机定子温度值与预设的温度阈值对比得到，并通过降低转速保证永磁同步电机在正常的温度下工作，能够有效防止退磁，本申请的保护方法能够大大增强永磁同步电机的使用寿命。

[0077]以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

图1。