CN1125347C - 异步电机转子欧姆电阻的自动测量方法 - Google Patents

Abstract

对在非旋转场作用下通过一个换流器来控制的异步电机的转子欧姆电阻(R_r)进行自动测量的方法，包括：a.测量异步电机的定子欧姆电阻(R_s)，漏电感和主电感(L_m)；b.将一个由预先确定的直流信号迭加上交流信号构成的测试信号(U_sa)加到异步电机的一相绕组上，此交流信号的频率近似等于异步电机的额定转差频率；c.测量由测试信号产生的相信号(_sa)的幅值和相位；d.根据a)和c)的测量值计算转子欧姆电阻(R_r)。

Description

异步电机转子欧姆电阻的自动测量方法

发明领域

本发明涉及一种异步电机转子欧姆电阻的自动测量方法，该电机是在非旋转场的作用下通过一个换流器来控制的。

技术背景

在速度和力矩受到控制的异步电动机中，特别当采用与场有关的控制方法时，需要知道所有的电阻(即欧姆电阻和感抗)，以使控制做到尽可能精确。这些电阻可以通过估算和/或测量来确定。

测量时采用可旋转的无负载转子或堵住的(制动的)转子。当测量电阻的测试电流流过定子而转子无负载时，大部分电流将流过电主电感(逆电感)决定的主电抗，因而能测出主电感，但测不出转子的欧姆电阻。然而，当采用堵住的转子进行测量时，测试电流也流过转子，所以其欧姆电阻也能测出。不过两种方法都有其缺陷。采用可旋转的无负载转子的测量方法往往是行不通的，例如当马达被固定地安装到一台制成品上且其轴被加上不变的负载时就是这样。另一方面，堵住一个马达，特别当加上了满力矩时，将对机械制动装置提出严格的要求，因此这种方法本质上更为昂贵。采用堵住的转子进行测量的另一个困难是，在高频率(30至60Hz的范围)时转子汇流条中产生的电流位移将使转子欧姆电阻的测量值明显偏大。

此外，在测量欧姆电阻时，常常不考虑它受工作温度变化的影响。依工作温度不同，它可以增加或减小20％至30％。这意味着作为测量基础的异步电机等效图不能用于正常的工作状态。

美国专利US 5,689,169提出了一种方法，可以测量定子和转子的漏电感及处于静止状态的转子欧姆电阻，所用方法是对一种“与场有关”的控制过程的q分量和d分量进行控制。因而定子的一相绕组接收到的测试信号频率近似等于工作频率，例如30Hz左右。为避免产生旋转力矩把电流分量Iq设置为零，与此同时测量反馈到控制装置的实际电压Vq和Vd。知道测试信号频率和原先测出的定子欧姆电阻，就可以计算出转子电阻的近似值。之所以能作这种近似计算，是因为我们把测试信号频率选移比较高，所以可以用比较简单的数字方程式来进行计算，几乎不需要控制装置中的微处理器作什么运算。可是，采用30Hz左右的比较高的测试信号频率有一个缺点，就是在转子汇流条中会产生电流位移，这将使所测得的转子欧姆电阻值过高。在极端情况下测量值可以高出100％至150％。与带只有电流传感器的换流器的转换器相比较，这种方法还有一个缺点，就是还必须采用电压传感器。

丹麦的Danfoss Drives A/S在EPE’97第3.370至3.374页的一篇文章中描述了一种与引言中所述的类似方法。这种方法需要进行如下的测量和计算，这时要参照如附图1和2所示的异步电动机一相的通用等效图，其中图1为详细的静态等效电路，图2是通过有效匝数对定子一边计算的简化等效图：

1.将测试电压U_sa以预定的直流电压形式加到定子上，更确切地说是加到定子的相绕组上，并测出产生的定子电流I_sa。由于定子边的漏电感L_σs和主电感(逆电感)L_m的感性电抗(电感)相当于对直流是短路的，故可从U_sa和I_sa的值计算出定子的欧姆电阻R_s。

2.然后根据图2计算出对定子的漏电感L_σs和L_σr的总和，即“瞬态”电感如下：在定子上加一个由高频分量组成的矩形电压短脉冲，其宽度为数毫秒，幅度为U_sa，根据图2，在这些高频率下主电感L′m的电感量将非常之大，以致流过L′_m的电流可以忽略不计。然后从这个脉冲产生的电流I_sa曲线的后侧取样。根据取样值可计算时间常数L′s/(R_s+R′_r)和微商dI_sa/dt。因而利用方程U_sa＝R_sI_sa+L′s(dI_sa/dt)可计算出L′s。

3.再后，在定子上加一个频率低到使流过转子的电流I_sy可以忽略的电压，因而定子电流I_sa实际上就等于流过主电感的磁化电流I_m。知道了定子的欧姆电阻R_s和电流I_sa，就可以确定定子的电感Ls(＝L_m+L_σs)。另外，可确定对于定子边的动态主电感L′_dm(也叫微分主电感)，并计算其值L_Dm。确定动态主电感时，将一个由直流电压迭加一个交流电压组成的测试电压加到定子上，并测出产生的交流电流(在由直流电流决定的工作点处)。此测量是在不同的预磁化直流电流(工作点)下进行的。

4.因此，在图1和图2的等效图中，除转子欧姆电阻之外的所有值都是已知的，故原则上可计算出转子欧姆电阻R_r。但该文并未详细说明具体如果做法。

发明内容

本发明是根据要求以比迄今为止的方法更快地确定转子电阻的任务而提出的，同时还要防止由于电流位移所引起的测量误差。

按本发明去解决此任务的方法是，对在非旋转场作用下通过一个换流器来控制的异步电机的转子欧姆电阻进行自动测量，这个方法包括以下几个步骤：

a.测量异步电机定子的欧姆电阻，漏电感和主电感；

b.将一个由预先确定的直流电压信号迭加上交流电压信号构成的

  电压测试信号加到异步电机的一相绕组上，此交流电压信号的

  频率近似等于异步电机的额定转差频率；

c.测量由电压测试信号产生的该相信号的幅值和相位；

d.根据a)和c)的测量值计算转子欧姆电阻。

采用这种方法，只需对测试信号与所产生的相信号的相互关系进行一次测量就足够了。因而可以缩短测量的时间。因为交流信号的频率比较低，近似等于异步电机的很低的额定转差频率，即异步电机的工作频率，它可根据已知的旋转场频率和异步电机的额定速度得到，故由电流位移引起的测量误差也不存在。

最好先确定对定子边的转子欧姆电阻，再根据a)和c)的测量值计算转子的实际欧姆电阻。

交流信号的频率最好在1至8Hz的范围。

本发明的一个优点是直流信号是一个直流电压，其值选得使产生的直流电流比异步电机的额定磁化电流的一半还小。

本发明还有一个优点是，直流电流的安培数选得使动态主电感量近似等于异步电机的定子主电感量。

测试信号可以是一个相电压，其参考值可根据贮存在存储器内的原先测定的相电流与参考值的关系特性来确定。

附图简介

下面将以附图为例来描述本发明及其实施例，附图中，

图1是一个通常的较详细的异步电机等效图；

图2是一个异步电机在静止状态的简化等效图，其中各量是相对于定子边的值；

图3曲线表示静态主电感L_m和动态主电感L_Dm与异步电机磁化直流电流的关系；

图4是用作测试信号的相电压的波形，由一个直流电压迭加上一个三角形交流电压组成；

图5是一个控制异步电机的转换器的框图，该电机的电阻是通过控制装置自动测量的。

图6是图5的转换器的控制装置事件的详细框图。

具体实施方式

由于将在一定的转子边每相有效匝数下的参数转换成定子边参数(在图2中用右上撇的量表示)，以及定子欧姆电阻R_s，漏电感L_σs和L_σr及主电感L_m的确定，一般可按原先描述过的处理步骤1)，2)和3)进行，下面我们来详细描述异步电机转子欧姆电阻R_r的确定方法。除上述三个步骤外，为确定转子欧姆电阻R_r还需要有一个第四步骤。

参照图2的简化等效图，可写出下面的方程式： $\left(1\right)-----R_r^{\′}=\frac{\left|\stackrel{\‾}{U_m^{\′}}\right|}{\left|\stackrel{\‾}{I_{\mathrm{sy}}^{\′}}\right|}$ 式中R_r′是已转换成定子边的转子欧姆电阻R′_r，U′_m是由主电感L′_m决定的在主电感上的电压降，I′_sy是流过转子的电流。各量上的横线表示该量为复数值。

另外，从本质上可将转变为定子边的转子欧姆电阻写成： $\left(2\right)-----R_r^{\′}=\frac{L_m^2}{L_r^2}\·\frac{R_r}{s}$ 式中L_r等于L_m+L_σr，S表示异步电机的转差。由于异步电机静止期间的转差S为1，且测量是利用动态主电感来进行的，我们可以证明， $\left(3\right)-----R_r=R_r^{\′}\·\frac{L_{\mathrm{Dm}}+L_{\mathrm{\σr}}}{L_{\mathrm{Dm}}^{\′}}$ 动态主电感L_Dm和L′_Dm可从原先描述过的步骤3)知道。未知数是R′_r。假定L_σr近似等于瞬态电感L′s的一半。在第四个处理步骤中，将一个由直流电压迭加上一个三角形交流电压(见图4)组成的相电压U_sa作为测试信号加到定子一相绕组上，测量所产生的定子电流I_sa。主电感两端的电压降U′_m可写成：

     (4) U′_m＝ U_sa-R_s· I_sa-jω· L_s′· I_sa对定子边的转子电流I′_sy为

     (5) I_sy′＝ I_sa·cosθ式中θ为U′_m和 I_sa之间的相位移。方程(4)中虚部和实部的比率的反正切(Arctan)即为 U_sa和 U_m′间的相位移α。令U_sa和 I_sa间的相位移为，则θ＝α+。角度可通过离散富里哀变换确定。为此，将电流的取样值I_sa乘上一个复指数函数，其指数为电流 I_sa的频率，且振动与测试电压同相。对取样值进行数值积分可得一个复数，由其实部与虚部之比的反正切可得出角。

将α和相加就得出θ，因而可按方程(5)得到电流I′_sy。从图2的简化等效图可知 U_m′和 I_sy′是同相的，故R′_r可由商U′_m/I′_sy得到。

为防止产生电流位移，我们采用低的角频率ω。但若角频率太低，则会使电流流过主电感，而不流过转子欧姆电阻。结果证明，当此频率在额定转差频率fs的范围(一般为1至8Hz)能满足两方面的要求。

此外，因为异步电机在静止状态下的阻抗很小，此频率下的测试信号电压必须很低。然而，换流器开关元件的非线性和空载时间表明，它的输出电流，因而连同异步电机的定子电流，是不与换流器的控制电压成比例的，而且当控制电压是通过与预先设定的参考值有关的控制装置来控制时，也不与控制电压的参考电压成比例。因此，不通过一个附加的电压传感器对换流器的输出电压，及与之相关的相电压U_sa进行测量，并在同时对定子电流，及与之相关的相电流I_sa进行测量，就不可能只靠测量电流I_sa来导出相电压U_sa。所以在开始测量异步电机的欧姆电阻和电感之前，先要确定换流器输出电压或异步电机输入电压与控制电压参考值的关系特性，并要将每个定子电流I_sa下与代表理想情况的直线特性的偏离(或误差)贮存起来。这个偏离用来对控制电压的参考值进行自动校正，以确定测试信号。

通过对动态主电感L_Dm和磁化电流I_m的关系特性与相应的静态主电感L_m特性进行比较，可导出由测试信号U_sa确定的定子电流I_sa中的直流振幅值。这些特性示于图3，其中点划线和实线分别代表动态主电感L_Dm和静态主电感L_m与磁化电流I_m的函数关系。静态电感L_m定义为磁化曲线上原点至工作点连线的梯度，即比率φ_m/I_m，φ_m[Vs]为主磁通。动态电感(也叫微分电感)相当于磁化曲线上一个预定点的梯度。从本质上可把动态电感表示为： ${\left(6\right)-----L}_{\mathrm{Dm}}=\frac{{\mathrm{dL}}_m}{{\mathrm{dI}}_m}\·I_m+L_m$

在前已叙述的测量过程的第3)步，是对瞬态动态电感L′_Dm进行测量并用它来计算L_Dm。根据这些值，其它所有的值也必须以动态值表示。但是，对方程(3)就有问题，因为R′_r必须通过U′_m/I′_sy来确定。按方程(4)，U′_m还和L′_s有关。然而L′s是一个静态电感，而且尚不知道这个静态电感如何在漏电感L_σs和L_σr之间分配，因此，无法计算出瞬态动态电感L′_Ds。但要完全精确地计算转子的欧姆电阻，应该用瞬态动态电感L′_Ds来代替静态电感L′s。为解决此问题，要对直流电流进行测量，这时静态主电感L_m等于动态主电感L_Dm。从本质上，静态瞬时电感L′s可表示如下： $\left(7\right)-----L_s^{\′}=L_m+L_{\mathrm{\σs}}-\frac{L_m^2}{L_m+L_{\mathrm{\σr}}}$

而动态瞬时电感L′_Ds可表示为： $\left(8\right)-----L_{\mathrm{Ds}}^{\′}=L_{\mathrm{Dm}}+L_{\mathrm{\σs}}-\frac{L_{\mathrm{Dm}}^2}{L_{\mathrm{Dm}}+L_{\mathrm{\σr}}}$ 当L_Dm与L_m相等时，L′s等于L′_Ds。这意味着，适当选择图3的磁化电流I_m，就可以把所确定的电感L′s的值用作动态电感L′_Ds的值。

当异步电机的额定功率输出为7.5KW，工作电压为380V，工作频率为50Hz时，图3中点划线和实线分别表示在不同的直流电流幅值下的动态主电感L_Dm和静态主电感L_m。两条曲线大约在40％的额定磁化电流I_mn，即14.64A处，交于一点。在这点处的动态和静态主电感相等。这意味着测量转子欧姆电阻时，直流电流I_sa应设定在大约40％的额定磁化电流I_mn处。

下面我们来参看图5和图6。图5的转换器控制一台三相异步电机1的转速。为实现此目的，转换器包括一个由三相电源2供电的桥式紊流器3，和一个直流中间电路4，它由一个扼流圈5和一个滤波电容6组成。与滤波电容相并联的是一个电阻分压器7，从分压器上取出一个较低的电压以测量送到桥式结构的三相换流器8的直流电压，换流器有很多晶体管，每个带一个反并联连接的二极管，这个较低的电压通过一个模数转换器9和一个控制单元10送到控制器11的比较器，元件9，10和11共同形成换流器8的控制装置。与异步电机1每根电缆相连的是一个电流传感器12。每个电流传感器12将测得的流过异步电机1的相绕组a，b和c的相电流Ia，Ib和Ic传给模数转换器9。模数转换器9和控制单元10及电流传感器12一起构成一个电流测量装置13(见图6)。在异步电机静止期间，当测量相绕组a，b和c的欧姆电阻和与电感有关的感应率时，相电流Ib和Ic在相位上和Ia相同，但幅值只有Ia的一半。根据这三个相电流Ia，Ib和Ic，电流测量装置13计算出定子电流 I_sa，它与相电流Ia只差一个比较常数。定子电流 I_sa被送到一个函数单元14中，由它根据定子电流 I_sa计算出其幅值，还能计算出相对于作为测试信号加在相绕组上的电压 U_sa的相位移。为此要在函数单元14中对定子电流 I_sa进行取样。将取样值乘以一个复指数函数，其指数包含电流 I_sa的频率ω＝2πf_s，其振荡与电流 I_sa和决定这个振荡的U_ref同相，fs是异步电机1的测试或转差频率。将取样值数值积分得到一个复数。通过复数实部与虚部之比及这个比值的反正切函数可计算出相位移。因此，根据定子电流 I_sa的幅值，相位移，转差函数fs前已确定的参数R_s和L′s，就可在一个函数单元中计算出转子欧姆电阻R_r。为了事先确定所希望的定子电流I_sa(等于Ia)是由构成测试信号的正确相电压(这个电压又由一个送给控制器11的相应的参考电压U_ref来确定)所决定，而与换流器8的空载时间和非线性无关，我们将由换流器8的电流-电压特性决定的偏离或校正值与定子电流的关系以列表的方式贮存在一个误差校正函数单元16中。直流信号与量(大约为40％的额定磁化电流)是根据额定磁化电流I_mn，以与原先确定的定子欧姆电阻的关系，设置在一个函数单元71中；同时在测试信号发生器18中，直流信号迭加上了一个三角形交流电压(为图4所示)，其频率等于转差频率f，然后在误差校正函数单元16中按与测量的定子电流I_sa的关系进行校正，因此所得结果是换流器8的控制电压的正确参考值U_ref，也就是与定子电流I_sa相应的相电压U_sa。

在确定了正确的参考值U_ref以及相电压U_sa以后，控制单元10或包含在其中的函数单元15根据方程(4)计算出电压降 U_m′，同时在根据角确定θ角后，在函数单元15中按方程(5)计算转子电流 I_sy′，并根据方程(4)和(5)按方程(1)计算转子欧姆电阻R′_r，最后根据原先确定的电感量按方程(3)计算出转子欧姆电阻R_r。

图4所示的测试信号U_sa是一个三角形信号，但也可以是一个主脉冲或一个正弦波，而且该信号一直加到使所产生的定子电流稳定下来为止，也就是说，直到定子电流I_sa的相位移和幅度稳定下来为止。测试信号加上的时间大约为5秒钟，具体多长与异步电机的大小有关。

按本发明的测量程序，对一台7.5kw，工作电压380v，工作频率50Hz的异步电机所作的测量，在前面所述的三个步骤中得到的结果如下：R_s＝0.65Ω，L′s＝8.3mH，L′_Dm＝88.7mH。据此可计算出动态电感L_Dm为92.7mH。为确定经过变换后的转子欧姆电阻，测试信号U_sa的频率是在f_s＝2Hz的额定转差频率下设定的。经过误差校正函数单元16的校正，测试信号U_sa的量为21V。相位的的计算结果为-0.226弧度，定子电流的幅值为I_sa＝20.4A。这样得到的R′_r值为0.39Ω，且按方程(3)可得出R_r的值为0.44Ω。与转子欧姆电阻的正确性0.45Ω相比，误差约为2.3％，这对于这种方法是一个典型的值，而且在目前，对一个利用与场有关的控制的换流器而言，可说是相当精确的。

利用下面的方程(9)，可以把在某一温度T₁下确定的转子欧姆电阻R_T1转换成在一个不同温度T₂下的转子欧姆电阻R_T2： $\left(9\right)-----R_{T2}=R_{T1}\·\frac{T_2+K_T}{T_1+K_T}$ 式中K_T是一个材料常数(例如，当工作温度T₁和T₂以℃度量时，铜的K_T＝235)。

不过，方程(9)假定第二个温度T₂是已知的，而实际情况并不总是如此。但是，利用本发明的方法，可以在异步电机短暂静止的期间确定转子的欧姆电阻，而不需要知道它的温度。各物理量一览表U_sa  测试信号，相电压，定子电压I_sa  相电流，定子电流，相信号Ia，Ib，Ic 定子中的相电流U_m   主电感两端电压I_m   磁化电流I_mn  额定磁化电流I_sy  转子电流R_s   定子欧姆电阻R_r   转子欧姆电阻U_ref 参考电压L_m   静态主电感L_Dm  动态主电感Ls 定子电感(L_m+L_σs)L_σs  定子漏电感L_σr  转子漏电感L′_m  参考主电感L′_Dm 参考动态主电感L′_Ds 参考动态瞬时电感L′_s  参考瞬时电感(L_σr+L_σd)U′_m  参考主电感上的电压降I′_m  流过参考主电感的电流I′_sy 参考转子电流R′_r  参考转子电阻θ    U_m′和 I_sa之间的相位移α    U_sa和 U_m′之间的相位移    U_sa和 I_sa之间的相位移ω   角频率2πf_sf_s   分别为测试频率或额定转差频率s    转差φ_m  主磁通T₁，T₂  异步电机的工作温度R_T1，R_T2 在不同工作温度下的欧姆电阻K_T  转子导体材料的材料常数

Claims (6)

1.对在非旋转场作用下通过一个换流器(8)来控制的异步电机(1)的转子欧姆电阻(R_r)进行自动测量的方法，该方法包括：

a.测量异步电机的定子欧姆电阻(R_s)，漏电感(L_σs，L_σr)和主电

  感(L_m)；

b.将一个由预先确定的直流电压信号迭加上交流电压信号构成的

  电压测试信号(U_sa)加到异步电机的一组绕组(a)上，此交流

  电压信号的频率近似等于异步电机(1)的额定转差频率(f_s)；

c.测量由电压测试信号产生的相信号(I_sa)的幅值和相位()；

d.根据a)和c)的测量值计算转子欧姆电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于首先是确定变换为定子边的转子欧姆电阻(R′_r)，并按a)和c)的测量值计算实际的转子欧姆电阻(R_r)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于交流信号的频率在1至8Hz范围内。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于直流电压其大小应选得使产生的直流电流小于异步电机(1)的额定磁化电流(I_mn)的一半。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于直流电流安培数应选得使动态主电感(L_Dm)近似等于异步电机(1)的静态主电感(L_m)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于测试信号是一个相电压(U_sa)，它的参考值(U_ref)是根据贮存在存储器内的、描述相电流(I_sa)与参考值之间关系的、原先测出的特性来设定的。

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