电气工程学报, 2016, 11(7): 18-22 doi: 10.11985/2016.07.003

异步电机离线参数辨识方法研究

徐晓冰, 秦晓佳, 王建平

合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009

Research on Offline Parameters Estimation of Induction Motors

Xu Xiaobing, Qin Xiaojia, Wang Jianping

Hefei University of Technology Hefei 230009 China

收稿日期: 2016-01-23   网络出版日期: 2016-07-25

基金资助: 安徽省科技专项基金项目.  2013AKKG0390

Received: 2016-01-23   Online: 2016-07-25

作者简介 About authors

徐晓冰 男 1967年生,副教授,硕士生导师,研究方向为新能源利用中智能控制技术与网络测控技术。

秦晓佳 女 1992年生,硕士,研究方向为电力系统及其自动化。

摘要

基于PWM逆变器–电机平台,提出一种异步电机全静止状态下离线参数辨识方法,结合不同激励频率下电机等效电路模型,选择了合适的辨识频率及辨识方法。在单相交流实验中,以简单的开环控制策略取代了传统的电流闭环,且通过叠加直流偏置电压的方法抬升定子电流,直至定子电流直流分量大于基波分量幅值,有效解决了死区等非线性因素对辨识结果的影响,最后实验证明辨识算法准确辨识出电机所有参数。

关键词: 参数辨识 ; 等效电路 ; 开环控制策略 ; 直流偏置电压

Abstract

A parameter identification method of induction motors under the static state was proposed, which was based on PWM inverter-motor platform. The appropriate frequency and method was selected by analyzing the equivalent circuit of induction motor under different frequency of input current. Instead of the traditional current loop controller, a simple open-loop control strategy was adopted at the single-phase test. The stator current was upraised by adding DC offset voltage until the DC component of stator current is greater than the amplitude of the fundamental component, which effectively solves the influence of dead zone and other nonlinear factors. Finally, the identification algorithm was proved to accurately identify all the parameters of the induction motors.

Keywords: Parameter identification ; equivalent circuit ; open-loop control strategy ; DC offset voltage

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本文引用格式

徐晓冰, 秦晓佳, 王建平. 异步电机离线参数辨识方法研究. 电气工程学报[J], 2016, 11(7): 18-22 doi:10.11985/2016.07.003

Xu Xiaobing. Research on Offline Parameters Estimation of Induction Motors. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(7): 18-22 doi:10.11985/2016.07.003

1 引言

在异步电机矢量控制中,磁链观测和电流环调节器优化都依赖电机的电气参数,其参数值测定方法已从传统的空载、堵转实验改为逆变器本身自检测[1]。现有的异步电机离线参数辨识方法通常是当电机处于静止状态下,在定子侧任意两相之间施加阶跃或正弦等激励信号,结合电机在不同激励作用下的等效电路模型,通过暂、稳态响应辨识电机参数。

文献[2]采用了基于时域的辨识方法,为进一步改进参数辨识的精度,国内外很多学者提出了基于单相交流实验的频域辨识方法[2]。文献[5]通过实验结果得出结论,频域法能更精确辨识出总漏感和转子电阻;文献[6]给出了堵转情况下电机等效电路的等效阻抗公式,但其对方程组直接联立求解的方法过于复杂;文献[7]采用极低频率辨识互感,辨识时间过长且会出现计数器溢出的情况;文献[8]分析了死区以及开关器件的非线性特性等因素对辨识结果的影响,并通过注入两个频率相等、幅值不同的交流信号计算实部补偿电压。

传统单相交流实验大都采用电流闭环的控制策略[9],其控制器参数缺乏统一的设计方法及可供参考的经验值,本文基于PWM逆变器–电机平台,提出一种全静止状态下的异步电机离线参数辨识方法,以开环的控制策略取代了传统的电流闭环,并分析了激励频率与等效电路阻抗的关系,给出了辨识频率的选择依据,且通过叠加直流偏置的方法抬升定子电流直至其直流分量大于基波分量幅值,有效解决了死区的影响,最后通过实验验证了该方法的有效性。

2 异步电机参数辨识模型

图1为异步电机T-I型等效电路,U1为定子相电压;I1I2为定子和转子电流;Im为励磁电流;RsRr为定子和转子电阻;Ls为定子电感;Lm为互感;σLs为总漏感;s为转差率;a = Lm/Ls。需要辨识的参数包括RsRrLm和σLs

图1

图1   异步电机T-I型等效电路图

Fig.1   T-I type equivalent circuit of induction motor


在模拟电机堵转运行状态的单相交流实验中,转差率s为1,且a也近似为1[1],则由图1可得到异步电机T-I型等效电路的等效电阻及等效电抗分别为

式中,XmXσ为互感和总漏感对应的电抗。不同激励频率对应不同的电路阻抗,其对应关系见表1,由表1可知:①仅在辨识定子电阻时激励为直流。②当注入交流信号时,流过励磁支路和转子支路的电流是对定子相电流的分流,低频激励下转子支路相当于开路,高频激励下励磁支路相当于开路。③激励频率在转差率附近时,流过励磁、转子支路的电流值认为大致在一个数量级。

表1   注入电流频率与等效电路阻抗关系

Tab.1  The relationship between the frequency of input current and the impedance of equivalent circuit

频率/Hz00.1350
近似条件Xm′ =Xσ = 0Xm′<<RrXm′ ≈RrXm′>>Rr
ReqRsRsRs + $\frac{R'^{2}_{r}X'^{2}_{m}}{R'^{2}_{r}+X'^{2}_{m}}\qquad$Rs + Rr
Xeq0Xσ + XmXσ + $\frac{R'^{2}_{r}X'_{m}}{R'^{2}_{r}+X'^{2}_{m}}\qquad$Xσ

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3 异步电机参数辨识算法

3.1 单相交流实验

参数辨识控制框图如图2所示。图中,f0为指令频率;uaubuc为指令电压,其中u0为直流偏置电压,um1为交流分量幅值,ω为指令角频率;i为A相定子电流,I0和|Im1|分别为i的直流分量和基波分量幅值;sasbsc为逆变器三相桥臂开关管的驱动信号;Udc为直流母线电压。

图2

图2   参数辨识控制框图

Fig.2   Control diagram of parameters estimation


图2可知,电机B、C相短接,以单相交流实验模拟电机堵转,且采用开环的控制策略直接给定指令电压,同时,为避免死区影响,在指令电压正弦交流量上叠加直流偏置,并对A相定子电流进行离散傅里叶变换(Discrete Fourier Tansform,DFT)[10]得到I0和|Im1|,以单调线性方式逐渐修正u0直至I0>|Im1|。辨识定子电阻时指令频率f0 = 0,同理,辨识总漏感、转子电阻和互感时,选择相应指令频率。

3.2 参数辨识算法

异步电机参数辨识算法如图3所示,A、B相之间施加正弦电压激励,同时采样定子电流,并通过离散傅里叶变换分离出定子电压和电流的基波幅值以及相角。由激励信号u和响应信号i结合该激励频率下电机近似过后的等效电路计算电机各参数。

图3

图3   参数辨识算法示意图

Fig.3   The schematic diagram of the algorithm of parameters estimation


图3中,DFT计算公式为

式中,URe1UIm1为定子电压基波分量的实部和虚部;IRe1IIm1为定子电流基波分量的实部和虚部;N为离散傅里叶变换的周期,N = fc /f0,fc为载波频率,f0为指令频率;t = -2(k-1)/N。则定子电压、定子电流的基波幅值及相角分别为

由反切函数计算得到的角度α, β ∈ (-π /2,π/2),而实际电压电流的相角其范围应为[0,2π]。因此,应按下述方法对原计算角度值修正:当UIm1<0,α = α + π;同理,当IIm1<0,β = β + π。修正以后,α, β ∈ (-π /2,π/2)∪(π/2,3π/2)。

3.3 电机参数计算

表1可知,当激励频率近似为额定频率时,电机等效电路近似为定子电阻、转子电阻和总漏感的串联[11],则结合式(4)和式(5)可计算出总漏感

当激励频率在转差率附近时,结合式(4)、式(5)和式(6)可得到互感两端基波电压的实部和虚部为

根据式(4)、式(5)和式(7)可得到互感两端基波电压的幅值和相角,则可计算出互感和转子电阻

4 实验验证

实验平台为以TMS320F28062 DSP为主控制器的通用变频器,采用以上参数辨识方法编写控制程序。待辨识电机铭牌参数:额定功率,37kW;额定定子线电压,380V;额定定子线电流,70.4A;额定转速,1 480r/min;极对数,2。直流侧电压,300V;开关频率,3kHz;死区时间,2.5μs。辨识过程遵循的顺序是:①Rs。②σLs。③LmRr。指令频率依次为0Hz、50Hz和0.8Hz,参数辨识波形如图4所示。

图4

图4   电机参数辨识实验波形

Fig.4   Experimental waveforms of parameter estimation for induction motor


辨识定子电阻采用两次注入电流求取平均值的方式,如图4a所示,给定电压从0开始逐渐增加,达到额定电流后给定电压减半;漏感、转子电阻和互感辨识过程中,当电流稳定后在最后几个周波内对采样电流进行离散傅里叶变换,并进行参数计算。电机参数真实值和辨识结果见表2

表2   电机参数辨识结果

Tab.2  Estimated parameters of the tested induction motor

参 数真实值辨识值误差(%)
Rs/mΩ86.085.70.35
σLs/mH2.412.420.41
Rr/mΩ53.752.03.17
Lm/mH28.929.62.42

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5 结论

本文基于PWM逆变器–电机平台,在异步电机全静止状态下离线辨识参数,选取了合适的辨识频率,并在不同频率下对电机等效电路近似处理,推导出电机各个参数的计算公式,同时采取了交流叠加直流的方式有效解决了死区对参数辨识结果的影响,最后实验结果表明电机所有参数的辨识误差小,验证了辨识算法的有效性。

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在异步电机调速系统中,电机参数的精度直接影响着系统的控制性能。为了获得准确的电机参数,提出了一种异步电机在静止状态下的参数辨识方法。采用了一种自适应的方法对器件的非线性进行补偿,从而提高了算法的辨识精度和鲁棒性。考虑到电机的磁滞效应对电机互感的影响,在传统单相交流实验的基础上叠加1个直流电流,利用此直流电流先将电机磁场激励起来,从而准确地辨识出电机在额定励磁情况下的互感值。最后实验证明了此方法可以准确辨识出电机的全部参数。

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