CN103066912A - 采用静态补偿定子磁链模型的异步电机动态效率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法。该方法包括：将电机三相定子直接与工频（50Hz）三相交流电相接，利用霍尔传感器对异步电机定子电压和电流进行检测，利用锁相环技术获得电压与电流之间的相位关系并得出电机输入功率，采用静态补偿定子磁链模型获得电机电磁转矩、转差以及转子角速度，并考虑机械损耗和附加损耗，从而得到电机的输出功率。本方法能够准确、实时地检测出三相异步电机在以工频（50Hz）同步角频率运行时拖动不同负载情况下的运行效率。

Description

采用静态补偿定子磁链模型的异步电机动态效率测试方法

技术领域

本专利涉及一种三相异步电机在运行过程中检测其动态效率的方法，特别是一种采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法。

背景技术

三相异步电机广泛地应用于国民经济的各个领域，据统计，电机系统用电量约占全国总用电量的60%，其中三相异步电动机的数量就占各种电机总数的70%以上，因此电机运行效率的提高对我国节能减排“十二五”规划具有重大意义，而对三相异步电机的效率检测在电机的设计、制造以及使用过程中效率的提高起到十分关键的作用。

在传统的电机效率试验中，由于自动化程度低，采用模拟表和数字表对运行中电机的各参数进行测量，不仅在数据的记录和计算流程上十分繁杂，而且额外的各种测量仪表的安装也会带来问题。

发明内容

本专利的目的在于，针对上述问题提供一种采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机效率测试方法，仅需测量电机定子侧的电压与电流，通过适当的算法即可获得电机的运行效率，具有测量简单，精度高的特点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于操作步骤如下：

S1. 电机通入50Hz三相交流电，通过霍尔传感器检测出电机三相定子线电压和线电流；

S2. 采用锁相环（PLL）技术得到电压与电流之间的相位差，计算出电机的输入功率P ₁；

S3. 采用基于静态补偿的定子磁链模型得到在两相静止坐标系下补偿后的定子磁链估计分量

和；

S4. 结合在两相静止坐标系中定子电流分量i _sα、i _sβ和定子磁链估计分量

、

以及电机自身相关参数计算出电机电磁转矩T _em、转差ω _sl、转子机械角速度ω _r，从而得到转子侧的总机械功率P _mec；

S5. 将传递到转子侧的总机械功率P _mec减去由风阻和机械摩擦造成的功率损耗p _mec，以及由附加参杂损耗造成的功率损耗p _ad，得到电机的输出功率P ₂ 。

所述步骤S3中，对于磁链观测模型采用带固定频率补偿的定子磁链观测模型，其中具体的补偿方法为：

其中、

与

、

分别为补偿前后定子磁链的幅值Wb与角度rad。

所述步骤S4中，对于电机电磁转矩T _em的计算有：

式中n _p是电机极对数，

、i _sq分别是在d轴按照定子磁链定向的同步旋转d-q参考坐标系中，估计定子磁链

和电流矢量 i _s分别在d轴和q轴方向的投影分量。

所述步骤S4中，对于稳态转差ω _sl的计算有：

式中

为漏磁系数，

，R _r表示电机转子电阻，L _s，L _r和L _m分别表示定子和转子自感及两者间的互感，为估算的定子磁链幅值，而i _sd和i _sq分别表示在定子磁链定向条件下，电流矢量 i _s在d轴和q轴方向的投影分量。

所述步骤S4中，对于转子机械角速度ω _r可通过下式获得：

式中ω _s=314.159rad/s是电机同步角速度，ω _sl是转差，n _p是电机极对数。

所述步骤S5中，对于输出功率P ₂，可以通过下式得出：

式中p _mec是额定运行条件下电机的机械损耗，不同功率等级的Y系列异步电机可以通过查阅有关电机设计手册得到，p _ad是附加损耗，按异步电机的额定功率P _N一定比例系数选取，对于铸铝笼型转子p _ad =（1~3）%P _N，关于不同功率等级电机的比例系数按照实际电机功率查表即可。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明将电机三相定子直接与50Hz三相交流电机相接，利用霍尔传感器对异步电机定子电压和电流进行检测，利用锁相环技术获得电压与电流之间的相位关系并得出电机输入功率，采用静态补偿定子磁链模型获得电机电磁转矩、转差以及转子角速度，并考虑机械损耗从而得到电机的输出功率。本方法能准确、实时检测出三相异步电机在以50Hz同步角频率运行时拖动不同负载情况下的运行效率。

附图说明

图1为本发明的电机效率检测原理图

图2为锁相环原理图

图3为本发明采用的静止两相α-β坐标系下带固定频率补偿的定子磁链观测模型

具体实施方式

参见图1，本发明采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法包括以下步骤：

S1. 电机通入50Hz三相交流电，通过霍尔传感器检测出电机三相定子线电压和线电流；

S2. 采用锁相环（PLL）技术得到电压与电流之间的相位差，计算出电机的输入功率P ₁；

S3. 采用基于静态补偿的定子磁链模型得到在两相静止坐标系下补偿后的定子磁链估计分量

和

；

S4. 结合在两相静止坐标系中定子电流分量i _sα、i _sβ和定子磁链估计分量

、

以及电机自身相关参数计算出电机电磁转矩T _em、转差ω _sl、转子机械角速度ω _r，从而得到转子侧的总机械功率P _mec；

S5. 将传递到转子侧的总机械功率P _mec减去由风阻和机械摩擦造成的功率损耗p _mec，以及由附加参杂损耗造成的功率损耗p _ad，得到电机的输出功率P ₂ 。具体原理如下：

给电机通入50Hz三相交流电，通过霍尔元件检测出电机的三相输入电压U _a, U _b和U _c，采用锁相环（PLL）技术得到输入电压空间矢量相位角θ _u 。锁相环具体方法如图2所示，三相输入电压U _a, U _b和U _c通过克拉克变换（Clark）转换为两相静止坐标系下的U _α和U _β，再经过旋转变换（Park）转换为两相旋转坐标系下的U _d和U _q，然后对于U _q进行闭环比例积分（PI）调节计算。图2中f ₀为基准频率（50Hz），加上PI调节计算输出∆f得到实际频率f，通过积分后得到相位角度用于Park旋转变换，使得最终U _q分量为零，则此时闭环PI调节计算得到的角度θ _u即为输入电压空间矢量相位角。同理检测出电机三相输入电流I _a, I _b和I _c，经过锁相环计算处理后得到输入电流空间矢量的相位角θ _i。

由于检测的三相输入电压为电机线电压，与电机相电压在相位上相差30^o，因此通过锁相环得到的电压相位再减去30^o，得到电机真正的相电压相位角度θ _u。经上述过程可以得到电压和电流相位偏差角度（θ _u−θ _i），由于输入信号有波动且采样过程有噪声，一般需要对其作滤波处理。

输入功率P ₁的一般计算表达式为

，其中U _ph和I _ph分别为电机每相电压和电流有效值，由于检测到的电机输入电压为线电压U _line，且线电压与相电压的关系为

，则输入功率P ₁的表达式为：

（7）

其中，U _linem为线电压U _line的峰值，I _phm为I _ph的峰值。

在输出功率的计算中，电磁转矩的计算是一个非常关键的过程，在同步旋转d-q参考坐标系进行电机模型分析，并且使d轴按照定子磁链定向，则电磁转矩计算表达式如式（3），式中

和i _sq的获取采用图3所示的定子磁链观测模型，在估算出电机磁链

（包括幅值和相位）后，得到

与电流矢量 i _s各自在d轴和q轴上的投影分量

、i _sq。图3中 u _s和 i _s分别为两相静止αβ坐标系下的输入电压和电流空间矢量，也就是之前锁相环计算中经过克拉克（Clark）变换后的量（由其α与β分量决定，即 u _s=u _α +ju _β， i _s=i _α +ji _β）。R _s为电机定子电阻， e _s为定子反电势，T _c为低通滤波器时间常数，p为微分算子，

为估算出的电机定子磁链矢量。

定子反电势 e _s须先经过低通滤波器处理得到定子磁链近似估计量

，这是由于一阶惯性环节（低通滤波器）在s平面存在稳定的极点，有利于模型的稳定性，而同时带来的观测磁链和实际磁链间相位和幅值的误差可以通过叠加补偿量

来消除，最后得到定子磁链估计真实值

。

在频域中，角频率为ω的信号，分别通过一阶惯性环节

和积分环节

，它们的幅频特性和相频特性有如下关系：

（8）

（9）

式中

。

经上述分析，可以对信号经过低通滤波器后的磁链估计值进行具体的补偿。低通滤波器滤波时间常数T _c的选择取决于系统实际工作频率ω _s，对于目前的系统工作频率ω _s = 2πf _s = 314.159 rad/s（即对于工频电网f _s = 50Hz）。这里选择ω _c = 0.25ω _s，则可以得出角频率为ω _s的信号通过这两种环节的幅值相差倍数和相位偏差分别为：

（10）

（11）

需要注意的是在电机反转时需要对角度补偿量进行正补偿，即补偿量符号为正。

电机输出功率P ₂的计算，还必须要知道转子机械角速度ω _r，由于在定子磁链定向条件下，电机转差ω _sl可以通过式（4）获得，则转子机械角速度ω _r可根据式（5）得出。考虑到系统运行中的扰动和噪声，需要对ω _sl进行低通滤波处理。

电磁转矩T _em和转子机械角速度ω _r的乘积即为总机械功率P _mec，从中减去机械损耗p _mec（风阻和机械摩擦损耗，简称风摩耗p _fw）和附加损耗p _ad，则得到电机的输出功率P ₂。p _mec、p _ad这两种损耗不易计算，通常按照生产实践中积累的经验数据选取。

不同功率等级的Y系列异步电机，额定运行条件下的机械损耗p _mec可以通过查阅有关电机设计手册得到。关于机械损耗p _mec已经做成一个风摩耗p _fw表，按照实际电机功率查表即可。异步电机满载运行时，附加损耗p _ad按异步电机的额定功率P _N一定比例系数选取，对于铸铝笼型转子p _ad =（1~3）%P _N。不同功率等级电机的比例系数做成一个比例系数表，按照实际电机功率查表即可。

因此输出功率P ₂可由下式得到：

（12）

最终效率计算表达式为：

（13）

与前述输入和输出功率计算类似，考虑到系统运行中的扰动和噪声，需要对所得到的效率η进行低通滤波处理，得到较为稳定的低通滤波输出效率值。

Claims (6)

1.一种采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于包括以下步骤：

S1. 给电机通入工频50Hz三相交流电，通过霍尔传感器检测电机定子线电压和线电流；

S2. 采用锁相环PLL技术得到电压与电流之间的相位差，从而得到电机输入功率P ₁；

S3. 采用基于静态补偿的定子磁链模型得到在两相静止α-β坐标系下经过补偿后的定子磁链估计分量 和

；

S4. 结合两相静止α-β坐标系下定子电流分量i _{s α}、i _{s β}与定子磁链估计分量

、

以及电机自身相关参数得出电机电磁转矩T _em、转差ω _sl、转子机械角速度ω _r；

S5. 将传递到转子侧的总机械功率减去由风阻和机械摩擦造成的功率损耗p _mec，以及由附加参杂损耗造成的功率损耗p _ad，得到电机的输出功率P ₂。

2.如权利要求1所述采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于所述步骤S3中，对于磁链观测模型采用带固定频率补偿的定子磁链观测模型，其中具体的补偿方法为：

（1）

（2）

其中

、

与、

分别为补偿前后定子磁链的幅值Wb与角度rad。

3.如权利要求1所述采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于所述步骤S4中，对于电机电磁转矩T _em的计算有：

（3）

式中n _p是电机极对数，、i _sq分别是在d轴按照定子磁链定向的同步旋转d-q参考坐标系中，估计定子磁链

和电流矢量 i _s分别在d轴和q轴方向的投影分量。

4.如权利要求1所述采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于所述步骤S4中，对于稳态转差ω _sl的计算有：

（4）

式中为漏磁系数，

，R _r表示电机转子电阻，L _s，L _r和L _m分别表示定子和转子自感及两者间的互感，为估算的定子磁链幅值，而i _sd和i _sq分别表示在定子磁链定向条件下，电流矢量 i _s在d轴和q轴方向的投影分量。

5.如权利要求1所述采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于所述步骤S4中，对于转子机械角速度ω _r可通过下式获得：

（5）

式中ω _s=314.159rad/s是电机同步角速度，ω _sl是转差，n _p是电机极对数。

6.如权利要求1所述采用静态补偿定子磁链模型的三相异步电机动态效率测试方法，其特征在于所述步骤S5中，对于输出功率P ₂，可以通过下式得出：

（6）

式中p _mec是额定运行条件下电机的机械损耗，不同功率等级的Y系列异步电机可以通过查阅有关电机设计手册得到，p _ad是附加损耗，按异步电机的额定功率P _N一定比例系数选取，对于铸铝笼型转子p _ad =（1~3）%P _N，关于不同功率等级电机的比例系数按照实际电机功率查表即可。

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