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技术与应用 -交流传动技术与应用 -交流传动
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Research of Parameter Identification for Induction Motor with Inverter
基于变频器的异步电机参数辨识方法研究
文 / 中冶赛迪电气技术有限公司 杨美霞 王会锦 干永革 郝亚川
摘要 :在变频器拖动异步电机要求高动态性能时,通常要采用矢量控制方式。矢量控制方式的动态性能以及
无速度传感器矢量控制中的转速估算精度都要依赖电机的详细参数。文章从电机的等效电路和数学模型分析,
提出利用变频器进行电机参数自动辨识的方案,仿真和实验结果证明该方法实现简便,辨识结果能满足矢量
控制及转速估算的应用,实用性较强。
1 引言在交流异步电机调速系统中,矢量控制方式能使交流电
机的励磁电流和转矩电流解耦,从而获得如直流他励电机调
速系统的转速调节性能。而这种电流解耦方式的实现需要用
到电机的定转子电阻、定转子漏感和互感参数。对于通用变
频器来说,工程现场电机的参数是无法预知的,而对工程现
场的电机采用常规的堵转实验和空载实验方式测量参数更加
难以实施;且对同一个电机来说,长时间的老化和环境的影
响也会使电机参数发生变化,因此,利用变频器本身在电机
运行前对电机进行参数自动辨识是有必要的。本文即基于此
要求,依靠变频器本身,不需要添加任何附加电路,也不需
要更改电机接线,利用变频器脉冲调制的原理进行直流实验、
单相交流的堵转实验、空载实验对电机参数进行辨识。
2 参数辨识原理异步机矢量控制系统中,需要用到的电机参数主要包括:
定子电阻 Rs、转子电阻 Rr、定转子互感 Lm、定子漏感 Lsl 和
转子漏感 Lrl。图 1 所示为电压型逆变器与三相异步机的典型
连接方式。逆变器的 3 个桥臂 A,B,C 分别与异步机的三
相绕组 a,b,c 对应相连。图 2 所示为异步电机的单相 T 形
效电路。
2.1 定子电阻辨识
通过直流实验 ( 即伏安法 ) 来辨识 Rs,需要通过逆变器
向电机定子绕组注入直流电流。实现方法是,使图 1 中 B、
C 相桥臂控制信号相同,即电机 b、c 相短接,向电机施加直
流脉冲电压,每个开关周期内,电感充放电的能量相等,因
图 1 变频器与电机主电路结构
图 2 异步电机的单相T形等效电路
图 3 直流实验等效电路
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此采样电流的平均值即实验中的直流电流,此时等效电路简
化如图 3 所示。
根据图 3,假设施加到电机上的实际电压平均值为
Vab,a 相电流的实际平均值为 ia,则可以得到定子电阻的计
算如式 (1) 所示:
(1)
实际应用中,在保持电流合适的情况下(不过流的较大
值),使用采样电流作为实际电流误差较小,但此时实际输
出直流电压的占空比极小,实际作用电压检测误差很大,而
使用变频器发送电压值进行计算,又存在死区 ΔVD 和开关管
压降 ΔVT 的影响,误差同样存在;这里采用斜率计算法消除
死区和开关管压降的影响,具体实现方式如下所述:
先后分别给定目标电流 ,采样 A 相电流平均值
作为反馈,两者差值经 PI 调节器输出直流脉冲电压的占空比 ,
等待该闭环输出稳定后分别记录电流的平均值 ,和
电压占空比 。设两次记录数据时实际电压平均值分
别为 ,则:
(2)
两式相减,得到定子电阻计算如式 (3) 所示
(3)
2.2 定转子漏感和转子电阻辨识
采用单相实验代替传统的三相堵转实验来辨识定转子漏
感和转子电阻。在电机绕组施加单相正弦电压时,不会产生
电磁转矩,其电磁现象与三相堵转基本相似。
产生单相正弦电压的具体实现方法与 2.1 介绍的直流电
压生成方法类似,使 B、C 桥臂的控制信号相同,A 相电流
幅值作为反馈信号,与电流控制目标差值经 PI 调节器输出所
需电压幅值,按照该幅值向电机施加电机额定频率的正弦电
压。此时等效电路如图 4(a)。在额定频率正弦交流电压下,
异步机定转子漏抗和电阻相对于互感的感抗值很小,因此图
4(a) 可以进一步简化为图 4(b)。为降低辨识的复杂性,通常
认为定子漏感和转子漏感近似相等。
由图 4(b) 可知,电路中等效电阻为:
(4)
等效电抗为:
(5)
转子电阻为:
(6)
定转子漏感为:
(7)
其中为 θ 电压、电流的相角差,ω 为电压电流的同步
图 4 单相实验等效电路图
图5 空转实验等效电路图
角频率, 均为相应电压电流幅值。
对于单相正弦信号 ,可以将该信号作为
,对该信号采样值进行微分构造正交信号 ,由 可
以求得单相正弦信号的幅值和相角 , 如式(8)(9)所示。
该方式相对于 FFT 方式减小了计算量,节省程序运行时间。
(8)
(9)
2.3 定转子互感辨识通过空载实验来辨识电机定转子互感 Lm。当电机空载时,
电机转速基本上接近同步转速,转差率 ,电机转子回路
相当于开路,此时电机单相等效电路如图 5 所示。
由图 5 可知等效电抗为:
(10)
互感为:
(11)
其中 θ 为电压、电流的相角差,ω 为电压电流的同步
角频率,Vrms、Irms 分别为电压电流的三相有效值。这里的电
压电流的角度和有效值均可通过三相坐标变换得到。
3 仿真验证本文在 Psim 仿真平台上对以上提出的方法进行仿真验
证,仿真中电机模型相关参数设定如表 1 所示:
仿真中所有计算采用标幺值系统,电压基值 Ub=310V,
电流基值 I b=43.83A,额定频率 50Hz。
为方便对比,仿真和实验统一采用 SVPWM 方式发送
脉冲,当保持计算脉冲的角度 θ=0 时,直流实验得到的脉
冲电压和电流波形如 6 所示,其中 ia_inv 为 A 相实际电流,
Iout_a 为计算的平均电流,modulate 为计算脉冲所需的调
制度,其与输出的电压占空比 m 的关系为:
两次电流目标设定值分别为 0.6 和 0.9,电压电流稳定
后分别记录电压脉冲占空比和实际电流;按照式 (3) 计算得
到定子电阻标幺值并转换为实际值。
单相实验向电机施加 50Hz 单相电流,得到电压和电流
Rs(Ω) Rr(Ω) Lm(mH) Lsl、Lrl (mH)
1.022 0.877 167.6 11.6
图6 直流实验电压和电流波形
表1 电机参数设定
图7 单相堵转实验电压和电流波形
图8 空载实验电压和电流波形
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波形如图 7 所示,采用平均值采样法可滤除高频谐波,按照
上述的构造正交信号的方法求得其幅值和相角,按式(4)(5)(6)
(7) 求得转子电阻和漏感 , 并将标幺值转换为实际值。
三相空载实验得到的电压电流波形如图 8 所示,同样采
用平均值采样方式滤除高频谐波,按照三相坐标变换和三相
交流信号的有效值计算方法得到所需变量,按式 (10)(11) 计
算得到定转子互感。
4 实验验证按照文中所述方法在实际变频器和电机上进行实验,变
频器采用电压型两电平变频器,电流采样精度为 12 位,电
压由发送电压推算。测试过程波形通过上位机显示,如图 9、
变量 设置值 计算值 误差
Rs(Ω) 1.022 0.9934 2.8%
Rr(Ω) 0.877 0.8596 2.0%
Lsl、Lrl (mH) 11.6 11.34 2.2%
Lm(mH) 167.6 168.55 0.5%
变量 传统方式 变频器 误差
Rs(Ω) 0.34 0.314 7.6%
Rr(Ω) 0.29 0.265 8.6%
Lrl (mH) 3.7 3.76
3.76
1.6%
Lsl (mH) 3.8 1.1%
Lm(mH) 78.0 79.63 2.1%
10 所示,两图中输出调制度 modulate 和检测电流 Ia 均为
标幺值。波形畸变为上位机采样周期波动所致。
传统方式按照电机学测试方法测试计算。得到的参数辨
识结果如表 3 所示。
5 结论仿真及实验结果证明,仿真结果接近于电机设定参数.
实验结果与传统测量结果接近。其中定转子电阻值因测量的
时期、环境温度等条件不同,因此存在较大的误差,符合实
际电机特性。其它参数误差在 3% 以内,满足高性能调速要求。
该辨识方法简单,易于实现,对于定转子电阻、漏感 、互感
均具有较高的辨识精度,能够广泛应用于通用变频器中。
表2 电机参数辨识精度
图9 直流实验调制度和电流波形
表3 参数辨识方法与传统测量方法对比
图10 单相堵转实验调制度和电流波形