CN109633441B - 一种异步电机短路试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异步电机短路试验方法，该方法属于异步电机参数辨识三个试验中的短路试验，与传统短路试验方法不同的是，本发明对电机施加的是带有直流偏置的正弦电压，用以获得带有直流偏置的正弦电流，使得被测支路的电流恒为正电流，从而消除了因开关器件的死区导致的电流零钳位问题，可以更准确地辨识输出电流的基波相位和幅值，从而更精确地计算电机的转子电阻和定、转子漏感。

Description

一种异步电机短路试验方法
技术领域
本发明属于异步电机参数辨识领域，具体涉及一种精度更高的短路实验方法。
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。
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（堵转试验）和空载实验，最终由获取到的测量值计算得到电机参数。
在短路实验中，通常都采用施加正负对称的正弦电压来获取正弦电流，这种方式获取的电流通常在过零点附近电流都为0，这时电子开关器件的死区引起的电流零钳位现象，会导致计算电流基波和相位时产生误差，从而使得计算出的电机参数不够精确，有时甚至偏差较大。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种精度更高的交流异步电机的短路实验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种异步电机短路试验方法，首先将三相异步电机的电压调制方式设置为SPWM，选择三相异步电机中的两相作为输出，对其施加带有直流偏置的正弦电压，同时检测相应的正弦输出电流值，每个电压周期都采用FFT（快速傅里叶变换）计算出对应时间段内的电流基波幅值和直流偏置量；设定输出正弦交流电流的幅值为Aref，其直流偏置量为Cref，采用两个PI调节器分别对输出电流的幅值和偏置量进行闭环调节，使其在一段时间后幅值稳定输出为Aref，偏置也稳定为Cref，而输出电流的幅值Aref和直流偏置Cref应根据电机的额定电流Ie选取，应满足
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
；电流幅值PI调节器的输出量为电压幅值，电流直流偏置PI调节器的输出量为电压直流偏置，根据两个输出量可计算出SPWM调制波的瞬时导通时间；当输出电流幅值达到Aref，直流偏置达到Cref后，开始用FFT计算单个电流周期电流的有功和无功分量，根据输出电压幅值，可计算出短路电阻和短路电抗，结合直流伏安法实验中计算出定子电阻，可计算出转子电阻和定、转子漏抗。
进一步，具体步骤如下
步骤1，将三相异步电机的电压调制方式设置为SPWM，选择电机三相中的两相作为输出，对其施加带有直流偏置的正弦电压，根据电机的额定电流Ie设定输出正弦电流的目标幅值Aref和目标直流偏置Cref：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002A
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004A
且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006A
；
步骤2，以电机的一相支路电流为控制对象进行短路试验，采集单个电压周期时间段内的电流值进行FFT分析，计算出这个时间段内的电流输出幅值A和其直流偏置C，并与目标值Aref和Cref比较，计算出幅值误差eA和直流偏置误差eC，并将其分别作为幅值PI调节器和直流偏置PI调节器的输入；
步骤3，以幅值PI调节器的输出量为电压幅值AU，直流偏置PI调节器的输出量为直流偏置电压CU，根据此时的电压相位通过公式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
计算出当前输出电压；
步骤4，当经过幅值PI调节器和直流偏置PI调节器的调节后使输出正弦电流的目标幅值和目标直流偏置分别达到Aref和Cref后，同样采集单个电压周期时间段内的电流值进行FFT分析，可计算出输出电流基波幅值Im和相位α，进而计算出基波电流的有功分量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，无功分量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
，此时所发出的电压基波幅值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，因此每相电压的幅值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
，于是短路电阻和短路阻抗为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
从R中减去直流伏安法试验获取的定子电阻就得到转子电阻，由于转子漏抗无法由试验的方法得到，近似的认为定、转子漏抗相等，都等于X/2，则相应的定、转子漏感为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
。
本发明产生的有益效果是：本发明所公开的短路实验方法，可使得输出电流均为正值，因此整个实验期间电流无过零点，也就消除了电流零钳位现象，提高了输出电流基波幅值和相位的辨识精度，可以计算出更为精确的转子电阻和定、转子漏抗。
附图说明
图1为采用本发明直流偏置法短路试验的系统结构；
图2为本发明短路试验电机的等效物理模型；
图3为本发明直流偏置法短路试验的电流输出波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
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试验、短路试验和空载试验，最终由获取到的测量值计算得到电机参数。在短路试验中，通常都采用施加正负对称的正弦电压来获取正弦电流，这种方式获取的电流通常在过零点附近电流都为0，这是电子开关器件的死区引起的电流零钳位现象，会导致计算电流基波和相位时产生误差，从而使得计算出的电机参数不够精确，有时甚至偏差较大。本发明针对这种情况，改进了短路试验，对施加的正弦电压附加一个直流偏置，从而使得输出电流也存在一个直流偏置，将整个正弦电流抬升至0点以上，消除过零点。其具体实施方法如下。
建立如图1所示的短路试验控制系统结构，输出电压的调制方式为SPWM（正弦脉宽调制），逆变单元选择电机两相，如A、B两相。而短路试验的等效电路如图2所示。
设定输出正弦电流的目标幅值Aref和目标直流偏置Cref，输出正弦电流的目标幅值Aref和目标直流偏置Cref应根据电机的额定电流Ie选取。注意，为了保障输出电流恒为正值，避免出现过零点，因此Aref和Cref应满足以下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
(1)
式中，Ie为电机的额定电流，输出电流的频率与输出电压的频率一致，这里设其频率为f，需要注意的是，f应小于电机的额定频率，且由于集肤效应的影响，f不能过高，因此通常以额定频率的60%作为短路试验的输出频率。
θ为输出电压的相位角，系统运行时，θ从0°开始，其计算方法为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
(2)
其中t为控制系统的运行时间。
短路试验运行时，以其中一相支路电流为控制对象，这里以A相为例，以电压的一个正弦周期作为PI调节器的一个控制周期，即从电压相位0°开始，作为电流采样的起点时刻，以电压相位360°时作为电流采样时刻的终点，对这个时间段内的电流采样值进行FFT分析，计算出这个时间段内的电流输出幅值A和其直流偏置C，并与目标值Aref和Cref比较，计算出幅值误差eA和直流偏置误差eC，并将其分别作为两个PI调节器（幅值PI调节器和直流偏置PI调节器）的输入。
幅值PI调节器的输出量为电压幅值AU，直流偏置PI调节器的输出量为直流偏置电压CU，再根据此时的电压相位可计算出当前输出电压：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
(3)
经过一段时间的调节，当两个PI调节器输出值稳定后，即输出电流的幅值和直流偏置分别达到Aref和Cref后，同样采集单个电压周期时间段内（电压相位0～360°）的电流值进行FFT分析，可计算出输出电流基波幅值Im和相位α，因此基波电流的有功分量为
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
，无功分量为
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
，α也是电流和电压的相位差。而此时所发出的电压基波幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
，因此每相电压的幅值为
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
，于是短路电阻和短路阻抗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
(5)
从R中减去直流伏安法试验获取的定子电阻就得到转子电阻，由于转子漏抗无法由试验的方法得到，近似的认为定、转子漏抗相等，都等于X/2，则相应的定、转子漏感为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
(6)
本发明所采用的偏置电流法，其完整的试验电流波形如图3所示，此试验Aref=10，Cref=15。在试验过程中，由于PI环节的作用，输出电流逐渐偏向0点以上，最终完全输出一个带有直流偏置的正弦电流，且无负向电流存在，完全避免了电流零钳位的出现，因此正弦电流波形平滑无畸变，能够更精确地计算输出电流的基波幅值和相位，从而计算出更为准确的电机参数，优化电机控制效果。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种异步电机短路试验方法，其特征在于：
首先将三相异步电机的电压调制方式设置为SPWM，选择三相异步电机中的两相作为输出，对其施加带有直流偏置的正弦电压，同时检测相应的正弦输出电流值，每个电压周期都采用FFT计算出对应时间段内的电流基波幅值和直流偏置量；
设定输出正弦交流电流的幅值为Aref，其直流偏置量为Cref，采用两个PI调节器分别对输出电流的幅值和偏置量进行闭环调节，使其在一段时间后幅值稳定输出为Aref，偏置也稳定为Cref，而输出电流的幅值Aref和直流偏置Cref应根据电机的额定电流Ie选取，应满足
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
电流幅值PI调节器的输出量为电压幅值，电流直流偏置PI调节器的输出量为电压直流偏置，根据两个输出量可计算出SPWM调制波的瞬时导通时间；
当输出电流幅值达到Aref，直流偏置达到Cref后，开始用FFT计算单个电流周期电流的有功和无功分量，根据输出电压幅值，可计算出短路电阻和短路电抗，结合直流伏安法实验中计算出定子电阻，可计算出转子电阻和定、转子漏抗。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机短路试验方法，其特征在于，具体步骤如下
步骤1，将三相异步电机的电压调制方式设置为SPWM，选择电机三相中的两相作为输出，对其施加带有直流偏置的正弦电压，根据电机的额定电流Ie设定输出正弦电流的目标幅值Aref和目标直流偏置Cref：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
且
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
；
步骤2，以电机的一相支路电流为控制对象进行短路试验，采集单个电压周期时间段内的电流值进行FFT分析，计算出这个时间段内的电流输出幅值A和其直流偏置C，并与目标值Aref和Cref比较，计算出幅值误差eA和直流偏置误差eC，并将其分别作为幅值PI调节器和直流偏置PI调节器的输入；
步骤3，以幅值PI调节器的输出量为电压幅值AU，直流偏置PI调节器的输出量为直流偏置电压CU，根据此时的电压相位通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE008
计算出当前输出电压；
步骤4，当经过幅值PI调节器和直流偏置PI调节器的调节后使输出正弦电流的目标幅值和目标直流偏置分别达到Aref和Cref后，同样采集单个电压周期时间段内的电流值进行FFT分析，可计算出输出电流基波幅值Im和相位α，进而计算出基波电流的有功分量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，无功分量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，此时所发出的电压基波幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，因此每相电压的幅值为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，于是短路电阻和短路阻抗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
从R中减去直流伏安法试验获取的定子电阻就得到转子电阻，由于转子漏抗无法由试验的方法得到，近似的认为定、转子漏抗相等，都等于X/2，则相应的定、转子漏感为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
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