CN105811833A - 一种交流异步电机转子时间常数调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流异步电机转子时间常数调节方法，让电机处于稳定运行状态，记录期望的给定转矩和测量出的真实输出转矩并比较大小，记录给定转矩电流分量与给定励磁电流分量，计算出电流分量比值，根据电流分量比值和电机运行状态公式来判断当前电机处于何种工作状态，确定了工作状态后再根据给定转矩与测量出的真实输出转矩的大小关系确定电机具体的工作状况，此时便可以确定转子时间常数偏移系数的取值范围；根据该取值范围和转子时间常数偏移系数的计算公式调节电机转子电阻设定值；本发明效率高，费时少，没有工程经验的工程师也可快速掌握该方法并应用于现场调试中，使电机处于最佳工作状态，是一种优秀的电机参数调节方法。

Description

一种交流异步电机转子时间常数调节方法

技术领域

本发明属于变频器带速度编码器矢量控制技术领域，具体涉及一种交流异步电机转子时间常数调节方法，主要适用于异步电机间接矢量控制中带扭矩测试仪或类似的带力矩测试设备的场合。

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、很少需要维护和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。

在基于转子磁场定向的矢量控制方法中，转子时间常数对系统力矩控制性能的影响较为重要，在现场调试中，由于参数辨识不准确或者其他原因会出现控制系统中的转子时间常数τ_r与电机真实的转子时间常数τ_{r_real}不一致的情况，且当该偏差较大时，会影响到系统的正常控制。

要解决转子时间常数不准的问题可在变频器内部程序中加入一些自适应算法，在变频器运行过程中实时校正转子时间常数。但目前这些自适应算法都较为复杂，将其转化为实际工程可用的方法有一定难度，因此许多变频器内部程序并未附带此功能，而且对于一些低端变频器而言，其电机参数识别功能也较弱，往往难以辨识出正确的转子时间常数。现场调试的工程师常常根据自己的经验来设置转子时间常数，这也带有一定盲目性和风险性。因此，如何在现场调试中根据测试数据快速地获取正确的转子时间常数是非常重要且有一定难度的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种交流异步电机转子时间常数调节方法，该方法主要适用于异步电机间接矢量控制中带扭矩测试仪或类似的带力矩测试设备的场合，通过比较给定转矩与真实输出转矩间的关系，结合给定转矩电流分量与给定励磁电流分量的比值，根据推导出的电机运行状态公式确定电机转子时间常数偏移系数的取值范围，并对转子时间常数偏移系数进行调整。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流异步电机转子时间常数调节方法，包括以下步骤：

1)、让电机处于稳定运行状态，即负载和转速基本恒定；

2)、记录电机稳定运行状态下期望的给定转矩T_{e_ref}和测量出的真实输出转矩T_{e_real}，若T_{e_ref}＝T_{e_real}，则无需进行调节，若T_{e_ref}≠T_{e_real}，则进入下一步；

3)、记录电机稳定运行状态下的给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}；

4)、计算出电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}

根据电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}和电机运行状态公式来判断当前电机处于何种工作状态；

5)、确定了电机处于何种工作状态后，再根据给定转矩T_{e_ref}与测量出的真实输出转矩T_{e_real}的大小关系确定电机具体的工作状况；此时便可以确定转子时间常数偏移系数k的取值范围；

6)、根据转子时间常数偏移系数k的取值范围和转子时间常数偏移系数k的计算公式：

$k=\frac{R_{r\_real}}{R_r^{\′}}$

调节电机转子电阻设定值R_r，最终目标为k＝1且T_{e_ref}＝T_{e_real}，式中R_{r_real}为电机转子电阻真实值，R_r为电机转子电阻设定值。

进一步，电机运行状态公式包括：

$\left(a\right)---\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& 0<k\&le;{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& {\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2<k<1\\ T_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& k\&GreaterEqual;1>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|<1$

(b)T_{e_real}<T_{e_ref},k>0且k≠1，

$\left(c\right)---\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}<T_{e\_ref},& 0<k<1\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& 1<k<{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}<T_{e\_ref},& k>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|>1.$

所述的转子时间常数偏移系数k与转子时间常数τ’_r之间的关系为：

${\mathrm{\&tau;}}_r^{\&prime;}=\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}$

转子时间常数τ’_r与系统给定的转子时间常数间的关系为:

$\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}=k\frac{L_{r\_real}}{R_{r\_real}}$

式中L’_r为辨识所得转子电感值，L_{r_real}为转子电感真实值，在电机运行过程中，可认为辨识所得转子电感值即为转子电感真实值，即L'_r＝L_{r_real}。

本发明的有益效果是：基于对转子时间常数发生偏移的系数与电机输出转矩间的定量分析，计算出了电机真实输出转矩和给定转矩在不同电流分量比值(给定转矩电流分量/给定励磁电流分量)下，随不同转子时间常数发生偏移的系数的变化关系，并依此为依据给出了调节的方法；该方法效率高，费时少，没有工程经验的工程师也可快速掌握该方法并应用于现场调试中，是一种优秀的电机参数调节方法。

附图说明

图1是转矩电流/励磁电流比值为1/2时不同值下真实转矩与给定转矩波形；

图2是转矩电流/励磁电流比值为1时不同值下真实转矩与给定转矩波形；

图3是转矩电流/励磁电流比值为2时不同值下真实转矩与给定转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种交流异步电机转子时间常数调节方法，包括以下步骤：

1)、让电机处于稳定运行状态，即负载和转速基本恒定；

2)、记录电机稳定运行状态下期望的给定转矩T_{e_ref}和测量出的真实输出转矩T_{e_real}，若T_{e_ref}＝T_{e_real}，则无需进行调节，若T_{e_ref}≠T_{e_real}，则进入下一步；

3)、记录电机稳定运行状态下的给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}；

4)、计算出电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}

根据电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}和电机运行状态公式来判断当前电机处于何种工作状态；

5)、确定了电机处于何种工作状态后，再根据给定转矩T_{e_ref}与测量出的真实输出转矩T_{e_real}的大小关系确定电机具体的工作状况；此时便可以确定转子时间常数偏移系数k的取值范围；

6)、根据转子时间常数偏移系数k的取值范围和转子时间常数偏移系数k的计算公式：

$k=\frac{R_{r\_real}}{R_r^{\&prime;}}---\left(d\right)$

调节电机转子电阻设定值R_r，最终目标为k＝1且T_{e_ref}＝T_{e_real}。式中R_{r_real}为电机转子电阻真实值，R_r为电机转子电阻设定值。

所述的电机运行状态公式包括：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& 0<k\&le;{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& {\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2<k<1\\ T_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& k\&GreaterEqual;1>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|<1---\left(a\right)$

T_{e_real}<T_{e_ref},k>0且k≠1，

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}<T_{e\_ref},& 0<k<1\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& 1<k<{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}<T_{e\_ref},& k>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|>1---\left(c\right).$

所述的转子时间常数偏移系数k与转子时间常数τ’_r之间的关系为：

${\mathrm{\&tau;}}_r^{\&prime;}=\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}---\left(e\right)$

转子时间常数τ’_r与系统给定的转子时间常数间的关系为:

$\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}=k\frac{L_{r\_real}}{R_{r\_real}}---\left(f\right)$

式中L’_r为辨识所得转子电感值，L_{r_real}为转子电感真实值，在电机运行过程中，可认为辨识所得转子电感值即为转子电感真实值，即L'_r＝L_{r_real}。

本发明主要适用于带扭矩测试仪或类似的带力矩测试设备的场合，对于交流异步电机，在现场调试其驱动变频器时，通过观察和分析转矩的给定值和输出值，手动调节电机参数，改变转子时间常数，使电机工作在最佳状态。

根据电机理论可以推导出：总电流一定的情况下，真实输出转矩T_{e_real}与期望的给定转矩T_{e_ref}间的大小关系，不仅同电机转子时间常数偏移系数k(R_{r_real}为电机转子电阻真实值，R_r为电机转子电阻设定值)有关，还与给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}的比值有关。故在得到给定转矩T_{e_ref}与真实输出转矩T_{e_real}后，还要结合当前的给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}的关系，才能确定当前的转子时间常数是偏大还是偏小。

异步电机稳定运行时，根据i_{t_ref}和i_{m_ref}的值可将其分为三个类型，即：i_{t_ref}<i_{m_ref}、i_{t_ref}＝i_{m_ref}、i_{t_ref}>i_{m_ref}。

当i_{t_ref}<i_{m_ref}(即)时，可得

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& 0<k\&le;{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& {\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2<k<1\\ T_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& k\&GreaterEqual;1>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|<1---\left(a\right)$

当i_{t_ref}＝i_{m_ref}(即)时，可得

T_{e_real}<T_{e_ref},k>0且k≠1(b)

当i_{t_ref}>i_{m_ref}(即)时，可得

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}<T_{e\_ref},& 0<k<1\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& 1<k<{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}<T_{e\_ref},& k>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|>1---\left(c\right)$

这样，基于给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}的比值，首先确定当前电机运行状态处于三类型中的哪一类型，然后再根据测量出的真实输出转矩T_{e_real}与给定转矩T_{e_ref}间的大小关系进行转子时间常数的调节，由于转子时间常数与转子电感和转子电阻都相关，改变两值中的任一值都会影响到系统设定的转子时间常数值。

真实的转子时间常数与系统给定的转子时间常数间的关系为：

$\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}=k\frac{L_{r\_real}}{R_{r\_real}}---\left(f\right)$

式中k为转子时间常数偏移系数。

在变频器通常的参数辨识中，励磁电感的辨识是通过空载测试进行的，而空载测试是根据电机额定电压和额定频率给出一条V/f曲线，然后在该曲线下进行电机加速，最后停在某个频率点上，发出固定的电压，此时的运行电流即为励磁电流，而结合电压，就可以得到电机的定子电感，结合堵转实验阶段辨识所得定、转子漏感，即可得到电机的转子电感。在空载测试中，不涉及到PI调节，而且堵转实验所得转子漏感占总的励磁电感比重比较小，故基于此，若在进行空载实验时，电机侧不存在不正常扰动的前提下，参数辨识中的励磁电感L_m和定/转子电感L_s、L_r应该不会出现较大的误差。而且在电机运行过程中，电机电感值受环境温度影响发生变化的幅度也不大，故可认为辨识所得转子电感即为真实的转子电感，即L'_r＝L_{r_real}。

转子电阻部分需要结合参数辨识中的直流实验和堵转实验才能够辨识得到。且两者都存在PI调节环节，当PI环的误差带宽取得较大时，会使得辨识所得的转子电阻出现较大的漂移。故可以认为转子电阻是引起转子时间常数发生偏移的主要原因。

基于以上分析，转子时间常数偏移系数可表示为

$k=\frac{R_{r\_real}}{R_r^{\&prime;}}---\left(d\right)$

式中，R_{r_real}为电机转子电阻真实值，k值是与R'_r成反比的，即可以通过调节系统设定中的电机转子电阻设定值R'_r来进行k的调节

下面对调节过程中关键步骤进行简要介绍。

步骤3)、4)中：首先要确认电机的给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}的比值。

通过该步骤可以确认，电机的真实输出转矩T_{e_real}与给定转矩T_{e_ref}在不同k值下的相互关系趋势，

比如，如果观察到当前的电机转矩电流分量小于励磁电流分量，即则电机的真实输出转矩T_{e_real}与给定转矩T_{e_ref}在不同k值下的变化趋势波形与图1相似。可以参考图1中的波形对参数调整进行分析。

步骤2)中：通过比较电机真实输出转矩T_{e_real}与给定转矩T_{e_ref}间的关系，确定k值处于哪个阶段。

这里基于上面的例子，即的情况下，在图1的基础上，比较T_{e_real}与T_{e_ref}之间的关系。

两者的大小关系分为三种情况：

1、T_{e_real}＞T_{e_ref},此时k所在范围为

2、T_{e_real}＝T_{e_ref},此时对应的k值有两种可能，k＝1或

3、T_{e_real}＜T_{e_ref},此时对应的k值范围也有两种可能，或k>1。

基于步骤2)，通过调节电机转子电阻设定值R'_r进一步确定k值的范围，并调节电机转子电阻设定值R'_r到较为准确的值。

针对上述三种情况，这里结合实例对其调整方法进行介绍。取7.5kW电机，其参数为P_N＝7.5kW，U_N＝380V，I_N＝16.2A，R_s＝0.485Ω，R_r＝0.472Ω，L_s＝98.1mH，L_r＝98.1mH，L_m＝94.1mH。在该参数的基础上，分别给出(对应)，(对应)，(对应)三种情况下，不同k值下真实的输出转矩T_{e_real}与期望的给定转矩T_{e_ref}间的大小关系波形图，如图1—图3所示。

图1、图2和图3比较直观的反应了电流比值一定的情况下，不同k值下，真实的输出转矩T_{e_real}的变化趋势及其与给定转矩T_{e_ref}间的大小关系。

仍是基于的情况，参考图1，根据步骤2)中T_{e_real}与T_{e_ref}的大小关系，给出转子电阻的调整方法。

(1)、T_{e_real}＞T_{e_ref}

此时意味着此时系统电机转子电阻设定值R'_r比电机转子电阻真实值R_{r_real}大。

在该情况下，可以逐步的减小系统电机转子电阻设定值R'_r，直至测得的电机的真实输出转矩T_{e_real}接近于给定转矩T_{e_ref}，及T_{e_real}≈T_{e_ref}。此时的电机转子电阻设定值R'_r即为较为准确的转子电阻设定值R'_r。

(2)T_{e_real}＝T_{e_ref}

该情况下k值存在两种可能，即k＝1或故需要判断当前的k值到底是哪一个。参考图1，可以改变系统电机转子电阻设定值R'_r，观察真实输出力矩的变化，进而可以确定k值处在哪个点上。

比如，增大系统电机转子电阻设定值R'_r(等效为减小k值)，观察电机的真实输出转矩T_{e_real}：

若T_{e_real}变大，则意味着k＝1，此时原来的系统电机转子电阻设定值R'_r即为较为准确的转子电阻设定值R'_r。

若T_{e_real}变小，则意味着此时系统给的电机转子电阻设定值R'_r比转子电阻真实值R_{r_real}偏大，可以逐步减小R'_r，直到测得的电机的真实输出转矩T_{e_real}接近于给定转矩T_{e_ref}，及T_{e_real}≈T_{e_ref}。此时的电机转子电阻设定值R'_r即为较为准确的转子电阻设定值R'_r。

(3)T_{e_real}＜T_{e_ref}

该情况下，k值存在两个可能的范围，即或k>1。

采取与(2)一样类似的步骤，增大系统给定的电机转子电阻设定值R'_r(等效为减小k值)，观察电机的真实输出转矩T_{e_real}的变化，参考图1，即可得到当前k值所在范围：

若T_{e_real}变大，由图1可知，此时k值所在范围为k>1，这意味着系统原给定的电机转子电阻设定值R'_r偏小，逐步增大R'_r，直到测得的电机的真实输出转矩T_{e_real}接近于给定转矩T_{e_ref}，及T_{e_real}≈T_{e_ref}。此时的电机转子电阻设定值R'_r即为较为准确的转子电阻设定值R'_r。

若T_{e_real}变小，由图1可知，此时k值所在范围为这意味着系统原给定的电机转子电阻设定值R'_r偏大，逐步减小R'_r，直到测得的电机的真实输出转矩T_{e_real}接近于给定转矩T_{e_ref}，及T_{e_real}≈T_{e_ref}。此时的电机转子电阻设定值R'_r即为较为准确的转子电阻设定值R'_r。

经过上述步骤，基本上可以得到较为准确的转子电阻设定值R'_r，进而得到较为准确的转子时间常数τ'_r。

小结：上述的实例分析中，主要是基于的情况进行的，对于其他两种情况，其调整过程与实例中的方法大同小异，这里不再赘述。此外，参考图2，鉴于的情况下，电机输出真实力矩的变化率在k＝1阶段不是很大。在此情况下调节转子电阻设定值R'_r进行时间常数调节得到的转子电阻设定值R'_r可能不太准确，故不建议在该阶段进行调节。

为了验证调节后的转子时间常数τ'_r是否准确，可以在转子电阻调整后，在不同的电流分量比值下，观察真实输出转矩T_{e_real}与给定转矩T_{e_ref}间的大小关系。

该方法主要适用于带扭矩测试仪或类似的带力矩测试设备的场合。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种交流异步电机转子时间常数调节方法，其特征在于：包括以下步骤

1)、让电机处于稳定运行状态，即负载和转速基本恒定；

2)、记录电机稳定运行状态下期望的给定转矩T_{e_ref}和测量出的真实输出转矩T_{e_real}，若T_{e_ref}＝T_{e_real}，则无需进行调节，若T_{e_ref}≠T_{e_real}，则进入下一步；

3)、记录电机稳定运行状态下的给定转矩电流分量i_{t_ref}与给定励磁电流分量i_{m_ref}；

4)、计算出电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}

根据电流分量比值i_{t_ref}/i_{m_ref}和电机运行状态公式来判断当前电机处于何种工作状态；

5)、确定了电机处于何种工作状态后，再根据给定转矩T_{e_ref}与测量出的真实输出转矩T_{e_real}的大小关系确定电机具体的工作状况；此时便可以确定转子时间常数偏移系数k的取值范围；

6)、根据转子时间常数偏移系数k的取值范围和转子时间常数偏移系数k的计算公式：

$k=\frac{R_{r\_real}}{R_r^{\&prime;}}$

调节电机转子电阻设定值R_r，最终目标为k＝1且T_{e_ref}＝T_{e_real},式中R_{r_real}为电机转子电阻真实值，R_r为电机转子电阻设定值。

2.根据权利要求1所述的一种交流异步电机转子时间常数调节方法，其特征在于，所述的电机运行状态公式包括：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& 0<k\&le;{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& {\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2<k<1\\ T_{e\_real}\&le;T_{e\_ref},& k\&GreaterEqual;1>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|<1$

T_{e_real}＜T_{e_ref},k>0且k≠1，

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{e\_real}<T_{e\_ref},& 0<k<1\\ T_{e\_real}>T_{e\_ref},& 1<k<{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\\ T_{e\_real}<T_{e\_ref},& k>{\left(\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right)}^2\end{array}\right.,\left|\frac{i_{t\_ref}}{i_{m\_ref}}\right|>1.$

3.根据权利要求1或2所述的一种交流异步电机转子时间常数调节方法，其特征在于，其特征在于：所述的转子时间常数偏移系数k与转子时间常数τ’r之间的关系为

${\mathrm{\&tau;}}_r^{\&prime;}=\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}$

转子时间常数τ’r与系统给定的转子时间常数间的关系为:

$\frac{L_r^{\&prime;}}{R_r^{\&prime;}}=k\frac{L_{r\_real}}{R_{r\_real}}$

式中L’r为辨识所得转子电感值，Lr_real为转子电感真实值，在电机运行过程中，可认为辨识所得转子电感值即为转子电感真实值，即L'_r＝L_{r_real}。