CN112180253A - 一种异步电机漏感离线辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异步电机漏感离线辨识方法，其包括得到磁芯饱和电流，获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，得到定子转子总漏感测量值，在磁芯饱和电流偏置下计算异步电机模型中定子漏感测量值，计算得到转子漏感测量值。应用本发明的异步电机漏感离线辨识方法有利于提高异步电机离线辨识精度，提高异步电机无传感器矢量控制的效果。
Description
技术领域
本发明涉及异步电机技术领域，尤其涉及一种异步电机漏感离线辨识方法。
背景技术
在以下讨论中将描述某些论文和方法用于背景和介绍性目的。在此包含的任何事物不解释为承认现有技术。申请人明确地保留在适合的情况中、按照可应用的法定规定展示在此引用的论文和方法不构成现有技术的权利。
异步电机的无速度传感器矢量控制系统必须依赖电机参数来完成磁通和速度的观测，其控制精度与性能受参数影响很大。如何准确获得电机参数是矢量控制系统的首要问题。
异步电机参数辨识一般可分为在线式和离线式两类。离线辨识能够保证电机安全可靠启动，并为在线辨识算法提供较为准确的初值，加快在线辨识算法的收敛速度。
异步电机的数学模型一般使用换算到定子侧的等效T型模型表示，其模型如图1所示。其中，负载表现为受转差率s控制的等效电阻Rload。其中电机参数包括6个量：定子电阻Rs，转子电阻Rr，定子漏感Lsl，转子漏感Lrl，互感Lm以及磁芯铁耗Rm。值得注意的是，参数中互感Lm远大于漏感Lsl和Lrl，受磁芯饱和程度影响很大。铁芯损耗Rm为交流电阻，在直流激励下，电阻为零。
电机学传统的离线辨识方法，通过直流激励、堵转运行以及空载运行，三个实验进行离线的辨识(汤蕴缪.电机学—机电能量转换上册[M].机械工业出版社，1981.)。其中，直流激励实验测定定子电阻Rs；空载运行实验测定互感Lm和磁芯铁耗Rm；堵转实验在测定转子电阻Rr和定子转子漏感Lsl与Lrl。
在实际应用中，由于堵转运行较难实现，常使用单相交流激励实验或是单相脉振实验代替，如专利号为CN104883112A的一种异步电机参数离线辨识方法和专利号为CN105846749A的异步电机参数的辨识方法及系统。
其中，堵转实验中需要测定三个未知量，通常需要根据电机种类假定定子漏感Lsl与转子漏感Lrl的比例，如表一所示，表一为异步电机漏抗分配的经验值(林友杰，吴汉光.异步电机等值电路参数计算的一种新方法[J].福州大学学报(自然科学版)，2006(04):57-60.)。
表一：
现有技术一，传统电机学电机参数实验包含电机学实验包含直流激励、堵转运行以及空载运行，三个实验。(汤蕴缪.电机学—机电能量转换上册[M].机械工业出版社，1981.)
其测定参数的具体过程如下：
直流实验：施加直流电压激励，此时等效电路如图2所示，
测量输入电压和输入电流，计算得到直流电阻R。
根据电路模型，有R＝Rs。
堵转实验：电机堵转，施加交流电压激励。电源频率f＝fn(额定频率)，转差率s＝1。此时由于互感Lm远大于漏感Lsl与Lrl，可认为励磁回路断路，其等效电路如图3所示。
测量输入电压和输入电流，计算得到输入阻抗R+jωL。
根据电路模型，有R＝Rs+Rr和L＝Lsl+Lrl。
在实际应用中，堵转实验可用单相交流激励实验或是单相脉振实验代替，电路模型相同，求解方法相同。
空载实验：电机空载，施加交流电压激励，电源频率f＝fn(额定频率)，转差率s≈0，此时等效电路如图4所示。
测量输入电压和输入电流，计算得到输入阻抗R+jωL。
根据电路模型，有R＝Rs+Rm和L＝Lsl+Lm。
现有技术一的缺点，需要假定漏感比例，在不了解电机特性时，容易发生误判。固定的漏感比例，精度有限。
现有技术二，在以上三个实验基础上增加一组固定负载实验。(林友杰，吴汉光.异步电机等值电路参数计算的一种新方法[J].福州大学学报(自然科学版)，2006(04):57-60.)。
负载实验：施加固定负载，施加交流电压激励。电源频率f＝fn(额定频率)，转差率由负载条件确定s＝sload，此时等效电路如图5所示。
测量输入电压和输入电流，计算得到输入阻抗R+jωL。
根据电路模型，有R＝f(Rs,Lsl,Rr,Lrl,Rm,Lm)和L＝g(Rs,Lsl,Rr,Lrl,Rm,Lm)。
其中，f()与g()为输入阻抗对应的线性电路表达式。
现有技术二的缺点：实验条件苛刻。负载实验方程组求解困难，对测量精度要求高。计算量大。未考虑电机非线性。
现有技术三，在堵转实验中，放弃互感Lm远大于漏感Lsl和Lrl的假设。进行两组不同电源频率的堵转实验。另外还进行脉冲电流实验，能够根据一些公式得出Lsl和Lrl的比例，如专利号为CN103281033A的一种异步电机参数辨识的方法。
现有技术三的缺点，专利中使用的计算公式有明显错误，尤其是利用梯形电流信号测试水平阶段求解转子电阻时使用的公式：
由于水平阶段，电流变化率为零，并不能在模型中的转子电路中产生压降，上述公式存在原理性错误。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种利用电机磁芯饱和直接从异步电机的实验数据中测量电机定转子漏感的异步电机漏感离线辨识方法。
为了实现上述主要目的，本发明提供的一种异步电机漏感离线辨识方法包括得到磁芯饱和电流；获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，得到定子转子总漏感测量值；在磁芯饱和电流偏置下计算异步电机模型中定子漏感测量值；计算得到转子漏感测量值。
进一步的方案中，对异步电机进行空载运行实验，得到与磁芯饱和对应的偏置电流幅值作为磁芯饱和电流。
更进一步的方案中，步骤S11，对定子按照其额定工作频率施加低压交流激励；步骤S12，通过所属逆变器采集所述步骤S11中定子三相绕组在低压交流激励下达到稳态时的三相电流，并计算异步电机的等效阻抗；步骤S13，缓慢提高对所述步骤S11中定子施加的交流激励电压，并测量异步电机在亚稳态下的等效阻抗；步骤S14，当异步电机等效阻抗的虚部达到最大值时，将逆变器测量得到的三相电流幅值作为磁芯饱和电流。
更进一步的方案中，对异步电机进行单相脉振实验，在无直流电流偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子转子总漏感测量值。
更进一步的方案中，步骤S21，对定子的任意两相绕组施加单相的激励脉振电压，进行脉振测试；步骤S22，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直至所述步骤S21中的电流采样值达到低于磁芯饱和电流的某一合适值；步骤S23，根据所述步骤S22中得到的电流采样值，将测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子转子总漏感测量值。
更进一步的方案中，对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验，在磁芯饱和电流偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子漏感测量值。
更进一步的方案中，步骤S31，对定子的任意两相绕组施加带有直流偏置的单相的激励脉振电压，进行带有直流偏置的脉振测试；步骤S32，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直到所述步骤S21中的电流采样平均值达到磁芯饱和电流；步骤S33，根据所述步骤S32中得到的电流采样值，测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子漏感测量值。
更进一步的方案中，根据定子转子总漏感测量值和定子漏感测量值计算转子漏感测量值。
更进一步的方案中，转子漏感测量值的计算公式如下：Lrl＝Ll–Lsl，其中，Ll为定子转子总漏感测量值，Lsl为定子漏感测量值。
由此可见，本发明提供一种异步电机漏感离线辨识方法，首先以改进的空载运行实验得到磁芯饱和时对应的偏置电流用作为磁芯饱和电流，然后进行无直流偏置的单相脉振实验和带有直流偏置的单相脉振实验，进而根据磁芯非饱和状态和饱和状态下的电路模型求解得到异步电机的定子漏感和转子漏感，有利于提高异步电机离线辨识精度，提高异步电机无传感器矢量控制的效果。
进一步的，本发明利用电路模型方程对异步电机的转子漏感独立计算，避免了使用经验公式由定子漏感直接推断转子漏感，辨识精度高。
此外，本发明使用改进的异步电机空载实验推断电机磁芯的饱和电流，无需用户提供饱和电流的先验信息，进一步降低了电机辨识对用户输入参数的依赖。
附图说明
图1是现有技术一的异步电机的等效T型模型的结构示意图。
图2是现有技术一的直流实验的等效电路模型的结构示意图。
图3是现有技术一的堵转实验的等效电路模型的结构示意图。
图4是现有技术一的空载实验的等效电路模型的结构示意图。
图5是现有技术二的负载实验的等效电路模型的结构示意图。
图6是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中的流程框图。
图7是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中的YE2-90-4高效三相异步电机在改进的空载运行实验中不同电压输入下测量的阻抗值的示意图。
图8是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中对异步电机进行无直流偏置的单相脉振实验的激励波形图。
图9是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验的激励波形图。
图10是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中逆变器实现电路原理图。
图11是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中对异步电机进行无直流偏置的单相脉振实验的第一等效电路图。
图12是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中对异步电机进行无直流偏置的单相脉振实验的第二等效电路图。
图13是本发明一种异步电机漏感离线辨识方法实施例中对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验的等效电路图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在异步电机离线辨识实验中，传统方法中根据电机种类假定的定子漏感Lsl与转子漏感Lrl的比例，本发明用磁芯饱和特性，使用带有较大直流电流偏置的脉振测试实验，实现对定子漏感Lsl的独立测量。
参见图6，本发明的一种异步电机漏感离线辨识方法适用于磁路饱和程度高的高功率密度异步电机的参数离线辨识，在对异步电机进行参数离线辨识时，首先，执行步骤S1，得到磁芯饱和电流。其中，对异步电机进行空载运行实验，得到与磁芯饱和对应的偏置电流幅值作为磁芯饱和电流Isat。
在本实施例中，对异步电机进行空载运行实验(改进的异步电机空载实验)，具体包括以下步骤：
步骤S11，对定子按照其额定工作频率施加低压交流激励。
步骤S12，通过所属逆变器采集所述步骤S11中定子三相绕组在低压交流激励下达到稳态时的三相电流，并计算此时异步电机的等效阻抗。
步骤S13，缓慢提高对所述步骤S11中定子施加的交流激励电压，并测量异步电机在亚稳态下的等效阻抗。
步骤S14，当异步电机等效阻抗的虚部达到最大值时，将此时逆变器测量得到的三相电流幅值作为磁芯饱和电流Isat。
由于高功率密度的电机优化磁芯的利用率，磁芯的饱和电流一般小于电机的额定工作电流。在空载额定转速下，提升输入电压，电机的输入阻抗虚部呈现先变大后变小的特征。前一阶段是由于电机的转差率变小，后一阶段是由于磁芯逐渐饱和。本发明将阻抗虚部开始减小时的电流作为磁芯饱和对应的电流Isat，以YE2-90-4高效三相异步电机为例，驱动频率50Hz时，不同电压输入下测量的阻抗值如图7所示。
然后，执行步骤S2，获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，得到定子转子总漏感测量值Ll。其中，所述获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，包括对异步电机进行单相脉振实验，在无直流电流偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子转子总漏感测量值Ll。
在本实施例中，所述对异步电机进行单相脉振实验(无直流偏置的单相脉振实验)，具体包括以下步骤：
步骤S21，对定子的任意两相绕组施加单相的激励脉振电压，进行脉振测试，其激励波形如图8所示。
步骤S22，为提高辨识精度，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直至所述步骤S21中的电流采样值达到低于磁芯饱和电流的某一合适值。
步骤S23，根据所述步骤S22中得到的电流采样值，将测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子转子总漏感测量值。
接着，执行步骤S3，在磁芯饱和电流Isat偏置下计算异步电机模型中定子漏感测量值Lsl。其中，对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验，在磁芯饱和电流Isat偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子漏感测量值Lsl。
在本实施例中，所述对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验，具体包括以下步骤：
步骤S31，对定子的任意两相绕组施加带有直流偏置的单相的激励脉振电压，进行带有直流偏置的脉振测试，其激励波形如图9所示。
步骤S32，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直到所述步骤S21中的电流采样平均值达到磁芯饱和电流Isat。
步骤S33，根据所述步骤S32中得到的电流采样值，测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子漏感测量值Lsl。
然后，执行步骤S4，计算得到转子漏感测量值Lrl。其中，在步骤S4中，根据定子转子总漏感测量值Ll和定子漏感测量值Lsl计算转子漏感测量值Lrl。
具体的，转子漏感测量值的计算公式如式(1)：
Lrl ＝ Ll – Lsl (1)
其中，Ll为定子转子总漏感测量值，Lsl为定子漏感测量值。
在实际应用中，本发明提供一种利用磁芯饱和的异步电机漏感离线辨识方法，此方法基于三相异步电机以及与该异步电机输入端链接的逆变器实现，其中，异步电机包括转子和带有多相绕组的定子。
在步骤S11中，如图10所示，左侧模块代表了变频器内部的逆变器PWM调制和电流采样ADC和相关的坐标变换计算，如三相PWM逆变输出和UV两相电流采样。
在步骤S11中，使用等幅值clarke变换进行电流和电压的坐标转换，以电流为例，如公式(2)所示：
其中，Ialpha、Ibeta为变频器采集到电机上的电流矢量，iu、iv、iw为变频器在三相电机相线上采集到的线电流瞬时值。
在步骤S12中，计算电机等效阻抗Z公式如式(3)：
其中，Ualpha、Ubeta为变频器施加在电机上的电压矢量瞬时值，Ialpha、Ibeta为变频器采集到电机上的电流矢量瞬时值，imag(Z)、real(Z)分别为电机等效阻抗的实部和虚部。
在步骤S13中，缓慢提高对步骤S11中施加的交流激励电压，本实施例从电机额定电压的0.3倍开始提升，可以保证电机磁芯运行在非饱和状态。
在步骤S21中，异步电机的等效电路模型如图11所示，
在步骤S21中，由于异步电机互感Lm一般远大于定子漏感与转子漏感，一般可认为磁芯不饱和情况下，等效电路模型的Lm支路断路，基于的异步电机的等效电路模型如图12所示。
在步骤S22中，为了保持电流直流偏置为零，需要生成正负交替的电压脉冲群驱动电机绕组，其激励波形如图8所示，向绕组输入如图8所示的脉冲电压，通过采样电流可计算得到总电阻Rs+Rr和总漏感Ll。其中，每个脉冲群的脉冲个数可以视变频器直流母线电压以及电机额定电流值调整，一般取3～7个，并使用每个脉冲群最后一个脉冲作为最终计算的样本。
在步骤S22中，逐步提升电压激励占空比，为了充分利用采样单元的量程，本实施例使用饱和电流值Isat的80％作为目标。如果每个脉冲群的最后一个周期，电流采样值的最大值大于等于0.8*Isat，则停止增加脉振电压激励的占空比。
在步骤S23中，计算定子转子总漏感测量值Ll如公式(4)、(5)，
其中，Udc代表逆变器直流母线电压，dIup、dIdown分别代表脉振实验中电流上升阶段和下降阶段电流的变化值，I代表脉振实验中最后一个脉冲(脉振实验中采用每个方向最后一个脉冲周期作为样本)。
在步骤S31中，对定子的任意两相绕组施加带有直流偏置的单相的脉振测试，激励波形如图9所示，向绕组输入如下图9的脉冲电压。通过采样电流可计算得到定子漏感Lsl。由于异步电机多采用冷轧硅钢片作为磁芯材料，而硅钢的饱和特性较硬。在磁性饱和时，其动态磁导率接近真空磁导率，此时等效电路模型中的Lm支路相当于短路，得到磁性饱和时异步电机的等效电路模型如图13所示。
在步骤S33中，计算定子漏感测量值Lsl使用的方程如公式(6)、(7)：
其中，Udc代表逆变器直流母线电压，dIup、dIdown分别代表脉振实验中电流上升阶段和下降阶段电流的变化值，Ibias代表偏置电流，即电流采样的平均值，实验中与电机磁芯饱和电流Isat相等。
由此可见，本发明提供一种异步电机漏感离线辨识方法，首先以改进的空载运行实验得到磁芯饱和时对应的偏置电流用作为磁芯饱和电流，然后进行无直流偏置的单相脉振实验和带有直流偏置的单相脉振实验，进而根据磁芯非饱和状态和饱和状态下的电路模型求解得到异步电机的定子漏感和转子漏感，有利于提高异步电机离线辨识精度，提高异步电机无传感器矢量控制的效果。
进一步的，本发明利用电路模型方程对异步电机的转子漏感独立计算，避免了使用经验公式由定子漏感直接推断推断转子漏感，辨识精度高。
此外，本发明使用改进的异步电机空载实验推断电机磁芯的饱和电流，无需用户提供饱和电流的先验信息，进一步降低了电机辨识对用户输入参数的依赖。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种异步电机漏感离线辨识方法，其特征在于，包括；
得到磁芯饱和电流；
获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，得到定子转子总漏感测量值；
在磁芯饱和电流偏置下计算异步电机模型中定子漏感测量值；
计算得到转子漏感测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到磁芯饱和电流，包括：
对异步电机进行空载运行实验，得到与磁芯饱和对应的偏置电流幅值作为磁芯饱和电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对异步电机进行空载运行实验，具体包括以下步骤：
步骤S11，对定子按照其额定工作频率施加低压交流激励；
步骤S12，通过所属逆变器采集所述步骤S11中定子三相绕组在低压交流激励下达到稳态时的三相电流，并计算异步电机的等效阻抗；
步骤S13，缓慢提高对所述步骤S11中定子施加的交流激励电压，并测量异步电机在亚稳态下的等效阻抗；
步骤S14，当异步电机等效阻抗的虚部达到最大值时，将逆变器测量得到的三相电流幅值作为磁芯饱和电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取异步电机模型中定子漏感和转子漏感之和，包括：
对异步电机进行单相脉振实验，在无直流电流偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子转子总漏感测量值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对异步电机进行单相脉振实验，具体包括以下步骤：
步骤S21，对定子的任意两相绕组施加单相的激励脉振电压，进行脉振测试；
步骤S22，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直至所述步骤S21中的电流采样值达到低于磁芯饱和电流的某一合适值；
步骤S23，根据所述步骤S22中得到的电流采样值，将测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子转子总漏感测量值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在磁芯饱和电流偏置下计算异步电机模型中定子漏感测量值，包括：
对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验，在磁芯饱和电流偏置下测量异步电机输入交流阻抗的虚部，作为定子漏感测量值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对异步电机进行带有直流偏置的单相脉振实验，具体包括以下步骤：
步骤S31，对定子的任意两相绕组施加带有直流偏置的单相的激励脉振电压，进行带有直流偏置的脉振测试；
步骤S32，逐步提高施加在定子上的激励脉振电压占空比，直到所述步骤S21中的电流采样平均值达到磁芯饱和电流；
步骤S33，根据所述步骤S32中得到的电流采样值，测量异步电机输入交流阻抗的虚部作为定子漏感测量值。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述计算得到转子漏感测量值，包括：
根据定子转子总漏感测量值和定子漏感测量值计算转子漏感测量值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
转子漏感测量值的计算公式如下：
Lrl＝Ll–Lsl
其中，Ll为定子转子总漏感测量值，Lsl为定子漏感测量值。
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