CN102710209A

CN102710209A - 一种交流异步电机离线静态参数辨识方法

Info

Publication number: CN102710209A
Application number: CN2012102003039A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 王胜勇; 卢家斌; 王国强; 康现伟; 周虎军; 金富宽; 李传涛; 李四川; 李海东
Original assignee: Wisdri Wuhan Automation Co Ltd
Current assignee: Wisdri Wuhan Automation Co Ltd
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种交流异步电机离线静态参数辨识方法,针对目前工程应用中使用的离线参数辨识方法大多难以满足实际工程应用需求的情况，基于传统的电机学实验原理，根据电机的等效电路构建出数学模型，计算出了精确的电机参数解析解，结合工程应用的经验，给出了所有电机参数的计算公式。最后实验证明该方法效率高，费时少，可计算所有辨识参数且无需做空载试验，能满足特殊场合的参数辨识需求，是一种优秀的离线参数辨识法。

Description

一种交流异步电机离线静态参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种交流异步电机离线静态参数辨识方法，具体涉及一种简单易用、无需进行空载实验即可计算出所有电机参数的离线静态参数辨识方法。

背景技术

交流异步电机具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了极广泛的应用。交流异步电机调速的方法也在不断发展，70 年代后，一种新型控制思想——矢量控制受到了推广和普及，被广泛应用于各个行业中。矢量控制是以坐标变化理论为基础，把交流电机分解为磁化电流分量和与之垂直的转矩电流分量，然后对两个分量加以控制，因此电机参数准确与否直接关系到矢量控制的性能高低。尤其是在无速度传感器矢量控制系统中，必须依赖于电机的物理参数来完成气隙磁通的估算，因此如何准确地获得这些参数是矢量控制系统需要解决的问题。

随着异步电机调速系统的发展，电机不转或投入正常运转之前的参数辨识方法，特别是不需要增加额外的硬件设备而仅靠异步电机调速系统本身来进行的参数辨识方法逐渐成为当前异步电机驱动技术发展的一个潮流，也就是所谓的离线参数辨识。

离线参数辨识的主要思想是：在变频器开机运行之前，由微处理器执行一段参数测试程序，利用变频器本身的能力向电机输入一些测试信号，然后根据采样信息离线计算出电机的参数。这种参数辨识方法的应用，使得电机调速系统具有了一定的智能，可以使电机控制系统自动建立起来。

目前国内工程应用中采用的电机参数辨识方法大多是基于电机数学模型的电机试验方法。即通过变频器对电机做直流实验、短路实验和空载实验，最终由CPU计算得到电机参数。这种方法的缺点是在进行空载实验时必须使电机转动，但在一些特定场合，电机无法进行空载实验，如经过检修的电机，在故障损坏检修后，直接投入使用，此时电机物理参数通常已经改变，需重新进行参数辨识，但往往都带有负载且难以卸载，因此空载实验就无法进行，难以取得电机参数。

在实际工程应用中，交流异步电机运行之前需要辨识的电机参数有：定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感、漏感、空载电流、直流磁化时间和消磁时间。目前基于电机数学模型的电机试验方法只能计算出前五个参数。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是：根据现有技术的上述缺陷，提供一种电机离线静态参数辨识方法，无需进行空载实验即可计算出所有电机参数，真正做到静态参数辨识，简单易用且能适用于大多数电机的工程应用场合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种交流异步电机离线静态参数辨识方法，基于电机实验模型进行参数辨识，其特征在于：考虑到实际电路中管压降和集肤效应的影响，通过补偿提高参数辨识精度；主要包括三个大步骤：

（1）直流伏安法实验，通过该实验测得定子电阻；

（2）堵转实验，通过两次堵转实验计算出定子电感、转子电感、漏感和转子电阻；

（3）通过工程经验公式计算出空载电流、直流磁化时间和消磁时间；

在（1）直流伏安法实验中，将直流母线电压经高频斩波后施加到电机两相绕组上形成回路，通过AD采样对电流进行实时监控，采用闭环PI调节输出电流；将电流从0逐步提升到电机额定电流，然后测量两相绕组间的电压，然后将电流降至额定电流的80%并测量电压，这两个采样点的斜率即为定子电阻；

在（2）堵转实验中，考虑到集肤效应的影响，分别向电机的一相施加频率为f1和f2的交流电；另外两相一个处于常开状态、一个处于常闭状态，f1和f2要小于电机额定频率；实验中采用查表的FFT方法计算电流的有功分量和无功分量，然后由测得的实验数据，根据电机的等效数学模型计算出定转子电感、漏感和转子电阻；

空载电流采用经验公式计算，其中额定功率因数采用近似计算的方式获取；直流磁化时间和消磁时间通过计算转子时间常数得出。

按上述技术方案，（1）中，直流伏安法一共进行三次，每次选择不同的两相进行试验，即两两组合，以三次试验的平均值作为定子电阻。

按上述技术方案，（3）中，空载电流经验公式为：

其中，τ：电机功率因数；K：起动电流系数；电机额定功率、额定电压、额定电流分别为P _e，U _e，I _e；

直流磁化时间计算公式：

式中R _r为转子电阻，L ₁为转子电感；

直流消磁时间计算公式：

。

按上述技术方案，（2）中，f1和f2不相等，且尽量选择20Hz以下频段。

按上述技术方案，（2）中，f1为10Hz，f2为20Hz。

本发明无需进行空载实验即可计算出所有电机参数，真正做到了静态参数辨识，满足了大多数电机的工程应用场合。

本发明是一种工程上实用的静态离线参数辨识方法，该方法基于传统的电机学实验原理，根据电机的等效电路构建出数学模型，结合工程应用的经验，计算出了精确的电机参数解析解。该方法考虑了实际电路中的管压降以及集肤效应的影响，辨识出的参数精度高，且无需转动电机，尤其适用于特殊工程场合的应用。

附图说明

图1、直流伏安法等效电路。

图2、电机堵转等效电路。

图3、交流异步电机变频调速主回路。

图4、堵转实验中SPWM的控制回路。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

根据本发明实施的一种交流异步电机离线静态参数辨识方法，基于电机实验模型进行参数辨识，其特征在于：考虑到实际电路中管压降和集肤效应的影响，通过补偿提高参数辨识精度；主要包括三个大步骤：

（1）直流伏安法实验，通过该实验测得定子电阻；

（3）通过工程经验公式计算出空载电流、直流磁化时间和消磁时间。

（1）、以下为直流伏安法实验的具体实施方式：

本发明在直流伏安法实验中采用了两点法计算定子电阻，消除了电路中的导通管压降，计算出的定子电阻精度较高。选择任意两相绕组通以直流电，然后测量绕组两端电压U和电流I，易知无论定子是Y形还是Δ形接法，等效电路中一相的定子电阻均为Rs=U/(2*I)，直流伏安法的等效电路如图1的直流伏安法等效电路所示。

由于直流母线电压有540伏左右，只有通过斩波的形式，将其化为占空比固定的高频直流电压脉冲序列，这个脉冲序列经过定子绕组中电感滤波后就是脉动很小的直流电流了，而且直流输出稳定后电感对电路的影响微乎其微，可以忽略不计，仅剩下定子电阻的影响了，通过调节占空比来调节输出电压的有效值。

由于IGBT有导通管压降，且不易计算，因此采用两点法来消除管压降的影响。具体实施方法为：

假定选择A、C两相通直流电，先将输出占空比D设为0，即输出电流为0，此时输出电压也为0；

通过闭环PI调节器逐步提升电流I，直到I提升至额定电流，根据占空比计算出直流输入电压U1，并记录下此时通过AD采样获得的电流值I1；

逐步将电流I降至额定电流的80%，同样计算出直流输入电压U₂，并记录下此时通过AD采样获得的电流值I₂；

计算定子电阻，计算公式为：

(1)

将电流I降至0，结束该次直流伏安法实验。

为了克服电机三相不对称因素的影响，为获得较佳结果，应分别测试AB相、AC相和BC相三种情况下的定子电阻，然后取其平均值作为定子电阻辨识的结果。

（2）、以下为堵转实验的具体实施方式：

堵转实验也叫短路实验，异步电机堵转时，转子速度为0，转差率为1，此时电机的等效电路如图2所示。堵转实验在任何电机学书上均有介绍，这里不再赘述。由于三相堵转实验在实际应用中难以实现，因此本发明中采用单相发SPWM波代替三相堵转实验，这种方式不会产生电磁转矩且电磁现象与三相堵转基本相同。

本发明中堵转实验具体实施方法为：选择两相绕组（如图3中旋转A、C两相）施加SPWM脉冲，使输出端产生一个频率为f1的正弦电压，同时采用PI控制器调节电流输出，使电流达到额定值，记录相应采样值；然后改变输出正弦波的频率使其变为f2，也记录下采样数据。然后根据图2的电机堵转等效电路构建数学方程，计算出定转子电感、漏感和转子电阻。f1和f2要小于电机额定频率且尽量选择低频段（20Hz以下效果较佳）。

以图3为例，选择A、C相施加电压，正弦电压的产生方式为：首先关断K5、K6，使其处于常闭状态；在0°~180°相位里令K4始终导通，K2、K3始终关断，对K1施加SPWM脉冲触发信号使其导通，此时A、C相就会产生正半波电压；在180°~360°相位里令K2始终导通，K1、K4始终关断，对K3施加SPWM脉冲触发信号使其导通，此时A、C相就会产生负半波电压。

SPWM脉冲的脉宽由等面积法计算得到，t _a~ t _b之间，由正弦波面积与矩形脉冲面积相等得：

(2)

式中ΔW为SPWM脉冲的脉宽，ω为角速度，U _m为电机电压幅值，U _dc为SPWM幅值。

推导得出：

(3)

令 (4)

可得SPWM脉宽为：

(5)

控制K_SIZE的大小就可以控制所发正弦波的幅值：

(6)

实际应用时，K_SIZE即为PI调节器的输出，如图4所示。在计算反馈电流时，选择电压相位为0的时刻开始对电流采样，采集一个周期的电流采样值，经过FFT计算得到I _msinθ和I _mcosθ，其中I _m为电流幅值，θ为电流与电压的相位差，I _m可由下式计算得出：

(7)

I _m从0开始逐渐提升，直到提升到额定电流为止，此时可以计算出U _m，以图2所示的等效电路来推导电机参数，设：

(8)

等效电路的短路阻抗为：

(9)

其中R _eq和X _eq分别为等效电阻和等效电抗，其值为：

(10)

设

，堵转实验做两次，因此在频率ω ₁和ω ₂下可计算得出电机参数值：

(11)

上式中，R _r为转子电阻，L ₁为转子电感，L _σr为转子漏感，L ₂为定子电感，L _σs为转子漏感，L _m为总漏感，R _eq(ω)和X _eq(ω)分别表示在频率ω下的等效电阻和等效电抗。

（3）、根据堵转实验所获取的电机参数值，计算空载电流、直流磁化时间、消磁时间。

空载电流计算如下：

设电机额定功率、额定电压、额定电流分别为P _e，U _e，I _e，则空载电流可根据下式计算：

(12)

其中，τ：电机功率因数；K：起动电流系数；

直流磁化时间、消磁时间计算如下：

直流磁化时间计算公式：

(13)

式中R _r为转子电阻，L ₁为转子电感；

直流消磁时间计算公式：

(14)

实施例1：

本发明方法可在异步交流矢量控制的变频器参数辨识中得到应用。该变频器采用TMS320F28335芯片作为核心控制CPU，变频器输出控制电机。分别用7.5KW变频器带7.5KW电机、5.5KW变频器带4KW电机进行参数辨识的实验，并将参数辨识的结果与常规的电机学方法实验（即做短路、堵转和空载三个实验的常规方法）结果相比较。实验所用电机都为ABB电机。

表1. 实验电机铭牌数据

额定功率(KW)	额定电压(V)	额定电流(A)	额定转速(r/min)	Φ
					7.5	380	16.2	1450	0.83
4	380	8.98	1435	0.82

表2. 本发明方法辨识结果

额定功率(KW)	定子电阻(Ω)	转子电阻(Ω)	定转子电感(mH)	漏感(mH)	空载电流(A)	磁化时间(ms)	消磁时间(ms)
								7.5	0.501	0.482	97.2	3.7	6.7	201	504
4	1.062	0.981	162	7.5	3.9	165	413

表3. 常规方法辨识结果

额定功率(KW)	定子电阻(Ω)	转子电阻(Ω)	定转子电感(mH)	漏感(mH)	空载电流(A)	磁化时间(ms)	消磁时间(ms)
								7.5	0.485	0.472	98.1	4	6.5	-	-
4	1.041	0.952	164	7.7	3.9	-	-

从上表实验数据可以看出，本发明方法参数辨识结果与常规电机学实验结果相差甚微，精度较高，且无需做空载实验，还能比常规方法多辨识出磁化时间和消磁时间两个重要参数，可以满足特殊应用场合需求，是一种优秀的电机参数辨识方法。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，如对工艺参数或装置做出的变动和改良仍属本发明的保护范围。

Claims

1.一种交流异步电机离线静态参数辨识方法，基于电机实验模型进行参数辨识，其特征在于：考虑到实际电路中管压降和集肤效应的影响，通过补偿提高参数辨识精度；主要包括三个大步骤：

（1）直流伏安法实验，通过该实验测得定子电阻；

2.根据权利要求1所述的参数辨识方法，其特征在于：（1）中，直流伏安法一共进行三次，每次选择不同的两相进行试验，即两两组合，以三次试验的平均值作为定子电阻。

3.根据权利要求1或2所述的参数辨识方法，其特征在于：（3）中，空载电流经验公式为：

直流磁化时间计算公式：

式中R _r为转子电阻，L ₁为转子电感；

直流消磁时间计算公式：

。

4.根据权利要求1或2所述的参数辨识方法，其特征在于：（2）中，f1和f2不相等，且尽量选择20Hz以下频段。

5.根据权利要求3所述的参数辨识方法，其特征在于：（2）中，f1和f2不相等，且尽量选择20Hz以下频段。

6.根据权利要求1或2或5所述的参数辨识方法，其特征在于：（2）中，f1为10Hz，f2为20Hz。