CN102809726A - 一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法。高压变频器输出单相交流电源与被测的异步电机的其中两相输入端连接，被测异步电机另一相输入端开路；设定输出的单相交流电源具有四种不同的频率，测量每一种频率下电压有效值、电流有效值，可得到四种不同频率下的异步电机正序阻抗。根据异步电机正序阻抗与电源频率、定子电阻、转子电阻、转子漏感和激磁电感的关系，可得到四元方程组。求解四元方程组就能得到被测异步电机参数。本发明利用不对称稳定短路实验，无须断开电机轴上负载及堵转，就能在用户现场比较方便和准确地测量出大容量高压异步电机的相关参数。

Description

一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体涉及一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，适用于工业现场。

背景技术

目前，在工程上的众多领域普遍采用高压大容量异步电机驱动多种负载。因工艺需要或为了节能，要求异步电机能在较宽的范围内实现平滑调速，且具有动态响应快、静态精度高等优点。为此，一般都在变频调速中采用矢量控制技术。异步电机变频调速中采用矢量控制时，为了实现定子电流的励磁分量与转矩分量解耦，保证定子电流与转子磁链的准确定向，必须预先知道异步电机的电路参数，分别是定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感和激磁电感。对于工业现场的电机，可通过实验测量这些参数。在传统的测量方法中，通常采用的是电机空载实验和三相稳态短路实验。传统的测量方法在空载实验时要求断开电机轴上的负载，短路实验时要对电机进行堵转。对于高压大容量变频调速异步电机，上述实验方法在工业现场环境中难以进行。

已有较多文献提出了电机参数在线及离线的辨识方法。这些方法利用电机的稳态或动态数学模型，在外加信号作用下测量出电机的稳态或动态响应，再利用适当的数值方法，估算出电机参数。这些辨识方法要求对测量信号进行隔离、滤波、放大调制等处理，还包括大量的坐标变换、积分运算和其他的非线性运算。这些缺点影响了这些辨识方法的工程实用性。

因此，有必要克服现有技术的不足，提供一种高压大容量异步电机参数在线测量的实用方法，使其具有工程上的可操作性和通用性。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，利用不对称稳定短路实验，无须断开电机轴上负载及堵转，就能在用户现场比较方便和准确地测量出大容量高压异步电机的相关参数。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，包括以下步骤，

步骤1、高压变频器输出单相交流电源与被测的异步电机的其中两相输入端连接，被测异步电机另一相输入端开路；

步骤2、设定单相交流电源的频率为ω₁，测量接入了单相交流电源的异步电机两相的电压有效值U、电流有效值I、单相交流电源频率为ω₁时的异步电机正序阻抗、有功功率P₁和无功功率Q₁；

步骤3、设定单相交流电源的频率为ω₂，测量频率为ω₂时的异步电机正序阻抗；

步骤4、设定单相交流电源的频率为ω₃，测量频率为ω₃时的异步电机正序阻抗；

步骤5、设定单相交流电源的频率为ω₄，测量频率为ω₄时的异步电机正序阻抗；

步骤6、将步骤2~步骤5测得的数据依次代入异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式中，获得定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的四元方程组；

步骤7、求解步骤6中的四元方程组得到定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m；

步骤8、根据异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式得到定子漏感L_1σ。

如上所述的异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m^2{R}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}=m1$

所述的异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、定子漏感L_1σ、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$\frac{\mathrm{\ω}{L}_m{R}_2^2+{\mathrm{\ω}}^3{L}_{2\mathrm{\σ}}{L}_m(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}+\mathrm{\ω}{L}_{1\mathrm{\σ}}=n1$

其中，m1为异步电机正序阻抗的实部，n1为异步电机正序阻抗的虚部，ω为单相交流电源的频率。

如上所述的单相交流电源的输出电流小于等于被测异步电机的额定电流的1.1倍。

如上所述的异步电机正序阻抗是基于以下公式：

$Z_{+}=\frac{\stackrel{.}{U}}{2\stackrel{.}{I}}$

其中，Z₊为异步电机正序阻抗，

为电源电压有效值，

为电流有效值。

如上所述的步骤7中求解四元方程组包括以下步骤：

步骤5.1、设定四元方程组的初值R₁₀、R₂₀、L_2σ0和L_m0，

$R_{10}=R_{20}=\frac{1}{2}\left(\frac{P_1}{I^2}\right);$

$L_{2\mathrm{\σ}0}=\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\left(\frac{Q_1}{I^2}\right);$

L_m0=(20～30)L_2σ0，

其中，ω为单相交流电源的频率，R₁₀为定子电阻迭代初值，R₂₀为转子电阻迭代初值，L_2σ0为定子电感迭代初值，L_m0为激磁电感迭代初值；

步骤5.2、根据步骤5.1的初值和Newton迭代法求解四元方程组。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明提出的实验方法，无须断开电机轴上负载及堵转，适用于环境恶劣的工业现场；

2、本发明提出的实验方法，操作方便，数据采集及处理简单；

3、本发明提出的实验方法具有通用性。

附图说明

图1是本发明的接线原理示意图；

图2是被测异步电机单相等效电路示意图；

图3是被测异步电机正序等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例：

一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，包括以下步骤，

步骤1、高压变频器输出单相交流电源与被测的异步电机的其中两相输入端连接，被测异步电机另一相输入端开路，其中，异步电机为三相异步电机；

步骤2、设定单相交流电源的频率为ω₁，测量接入了单相交流电源的异步电机两相的电压有效值U、电流有效值I、单相交流电源频率为ω₁时的异步电机正序阻抗、有功功率P₁和无功功率Q₁；

异步电机正序阻抗是基于以下公式：

$Z_{+}=\frac{\stackrel{.}{U}}{2\stackrel{.}{I}}$

其中，Z₊为异步电机正序阻抗，为电源电压有效值，

为电流有效值。

测试时，单相交流电源的输出电流小于等于被测异步电机的额定电流的1.1倍。

步骤3、设定单相交流电源的频率为ω₂，测量频率为ω₂时的异步电机正序阻抗；

步骤4、设定单相交流电源的频率为ω₃，测量频率为ω₃时的异步电机正序阻抗；

步骤5、设定单相交流电源的频率为ω₄，测量频率为ω₄时的异步电机正序阻抗；

步骤6、将步骤2~步骤5测得的数据依次代入异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式中，获得定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的四元方程组；

异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m^2{R}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}=m1$

其中，m1为异步电机正序阻抗的实部，ω为单相交流电源的频率。

步骤7、求解步骤6中的四元方程组得到定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m；

步骤8、根据异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式得到定子漏感L_1σ。

异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、定子漏感L_1σ、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$\frac{\mathrm{\ω}{L}_m{R}_2^2+{\mathrm{\ω}}^3{L}_{2\mathrm{\σ}}{L}_m(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}+\mathrm{\ω}{L}_{1\mathrm{\σ}}=n1$

其中，n1为异步电机正序阻抗的虚部，ω为单相交流电源的频率。

步骤7中求解四元方程组包括以下步骤：

步骤5.1、设定四元方程组的初值R₁₀、R₂₀、L_2σ0和L_m0，

$R_{10}=R_{20}=\frac{1}{2}\left(\frac{P_1}{I^2}\right);$

$L_{2\mathrm{\σ}0}=\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\left(\frac{Q_1}{I^2}\right);$

L_m0=(20～30)L_2σ0，

其中，ω为单相交流电源的频率，R₁₀为定子电阻迭代初值，R₂₀为转子电阻迭代初值，L_2σ0为定子电感迭代初值，L_m0为激磁电感迭代初值；

步骤5.2、根据步骤5.1的初值和Newton迭代法求解四元方程组。

如图1所示，被测异步电机有单相交流电源供电时，被测异步电机静止不动，处于不对称稳定运行状态，被测异步电机中的电流包括正序分量和负序分量。以A相作为参考相，利用对称分量法，可求出电流的零序分量、正序分量和负序分量如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{AO}}=\frac{1}{3}({\stackrel{.}{I}}_A+{\stackrel{.}{I}}_B+{\stackrel{.}{I}}_C)\\ {\stackrel{.}{I}}_{A+}=\frac{1}{3}({\stackrel{.}{I}}_A+\mathrm{\α}{\stackrel{.}{I}}_B+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{.}{I}}_C)=j\frac{\sqrt{3}}{3}{\stackrel{.}{I}}_B\\ {\stackrel{.}{I}}_{A-}=\frac{1}{3}(\mathrm{\α}{\stackrel{.}{I}}_A+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{.}{I}}_B+{\stackrel{.}{I}}_C)=-j\frac{\sqrt{3}}{3}{\stackrel{.}{I}}_B\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，为

电流的零序分量，

为电流的正序分量，

为电流的负序分量，

分别为三相的有效值，α=e^-j120。

图2为异步电机单相运行时的等效电路，其中，R₂/S为正序阻抗中的转子回路电阻，R₂/(2-S)为负序阻抗中的转子回路电阻,异步电机的A相输入端断开。

由图2可列出电压平衡方程式

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{.}{U}}_B-{\stackrel{.}{U}}_C=({\stackrel{.}{U}}_{B+}+{\stackrel{.}{U}}_{B-})-({\stackrel{.}{U}}_{C+}+{\stackrel{.}{U}}_{C-})={\stackrel{.}{I}}_B(Z_{+}+Z_{-})---\left(2\right)$

图1中，在单相交流电作用下，电机中产生的是脉振磁场，转子处于静止状态，转差率S=1.有R₂/S=R₂/(2-S)，进一步Z₊=Z_{_}。

由式（2）可得

$Z_{+}=\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{BC}}}{2{\stackrel{.}{I}}_B}=m1+\mathrm{jn}1---\left(3\right)$

图3是异步电机的正序阻抗等效电路，可得异步电机的正序阻抗实部为：

$R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m^2{R}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}=m1---\left(4\right)$

异步电机的正序阻抗虚部为：

$\frac{\mathrm{\ω}{L}_m{R}_2^2+{\mathrm{\ω}}^3{L}_{2\mathrm{\σ}}{L}_m(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}+\mathrm{\ω}{L}_{1\mathrm{\σ}}=n1---\left(5\right)$

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1、高压变频器输出单相交流电源与被测的异步电机的其中两相输入端连接，被测异步电机另一相输入端开路；

步骤2、设定单相交流电源的频率为ω₁，测量接入了单相交流电源的异步电机两相的电压有效值U、电流有效值I、单相交流电源频率为ω₁时的异步电机正序阻抗、有功功率P₁和无功功率Q₁；

步骤3、设定单相交流电源的频率为ω₂，测量频率为ω₂时的异步电机正序阻抗；

步骤4、设定单相交流电源的频率为ω₃，测量频率为ω₃时的异步电机正序阻抗；

步骤5、设定单相交流电源的频率为ω₄，测量频率为ω₄时的异步电机正序阻抗；

步骤6、将步骤2~步骤5测得的数据依次代入异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式中，获得定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的四元方程组；

步骤7、求解步骤6中的四元方程组得到定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m；

步骤8、根据异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式得到定子漏感L_1σ。

2.根据权利要求1所述的一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，其特征在于，所述的异步电机正序阻抗的实部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m^2{R}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}=m1$

所述的异步电机正序阻抗的虚部与定子电阻R₁、转子电阻R₂、定子漏感L_1σ、转子漏感L_2σ和激磁电感L_m的关系式为：

$\frac{\mathrm{\ω}{L}_m{R}_2^2+{\mathrm{\ω}}^3{L}_{2\mathrm{\σ}}{L}_m(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{(L_{2\mathrm{\σ}}+L_m)}^2}+\mathrm{\ω}{L}_{1\mathrm{\σ}}=n1$

其中，m1为异步电机正序阻抗的实部，n1为异步电机正序阻抗的虚部，ω为单相交流电源的频率。

3.根据权利要求1所述的一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，其特征在于，所述的单相交流电源的输出电流小于等于被测异步电机的额定电流的1.1倍。

4.根据权利要求1所述的一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，其特征在于，所述的异步电机正序阻抗是基于以下公式：

$Z_{+}=\frac{\stackrel{.}{U}}{2\stackrel{.}{I}}$

其中，Z₊为异步电机正序阻抗，

为电源电压有效值，

为电流有效值。

5.根据权利要求1所述的一种高压大容量异步电机参数的在线测量方法，其特征在于，所述的步骤7中求解四元方程组包括以下步骤：

步骤5.1、设定四元方程组的初值R₁₀、R₂₀、L_2σ0和L_m0，

$R_{10}=R_{20}=\frac{1}{2}\left(\frac{P_1}{I^2}\right);$

$L_{2\mathrm{\σ}0}=\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\left(\frac{Q_1}{I^2}\right);$

L_m0=(20～30)L_2σ0，

其中，ω为单相交流电源的频率，R₁₀为定子电阻迭代初值，R₂₀为转子电阻迭代初值，L_2σ0为定子电感迭代初值，L_m0为激磁电感迭代初值；

步骤5.2、根据步骤5.1的初值和Newton迭代法求解四元方程组。

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