（交通信息工程及控制专业论文）电气传动自动测试系统的研究与实现.pdf

摘要 电机型式试验对电机设计及制造有着非常重要的意义。2 0 世纪9 0 年代以来， 在电机测试领域，传统的人工测试方法己经不能满足现代测试的要求，随着计算 机技术的飞速发展，电机测试技术已经与计算机技术相结合，进入了自动测试新 阶段。目前，国内外各科研单位所研制的电机自动测试系统仅用于电机的某特定 试验，功能比较单一。 本论文研究的电气传动自动测试系统由控制单元、测量单元、传动单元和供 电单元等组成。用于完成电动机的各种型式试验，包括电阻试验、温升试验、堵 转试验、空载试验、负载试验和m s 试验。本系统便于二次开发和功能扩展， 而且由于采用变频器、直流驱动器供电，可以方便地对电机的运行进行控制，也 可以进行新控制算法的实验。论文主要完成的工作有： 1 电气传动自动测试系统硬件的设计、安装及调试，包括电力拖动和测试两部 分。电力拖动部分由性能优良的电动机、直流发电机、变频器、直流驱动器 构成；测试部分由先进的传感器、扭矩仪、高性能板卡组成，确保了硬件的 可靠性； 2 电气传动自动测试系统软件的设计、编程及调试。软件采用面向对象编程技 术，全部由c + + b u i l d e r 6 0 编写以提高软件的处理速度。本软件由主程序、 基于西门子u s s 协议的电机控制程序、数据采集程序、数掘处理程序和数据 库组成。其中，电机控制程序包括变频器和直流驱动器控制两部分；数据采 集程序包括基于串口的n c 2 a 扭矩仪转速、转矩、输出功率的采集和 p c i - 1 7 1 0 数据采集卡的电压、电流的采集；数据处理程序包括数据转换、数 据计算及曲线拟合。 3 分析了试验数据的处理问题，给出了电机各种试验特性曲线的数学模型及曲 线拟合的算法，并结合试验结果进行了分析。 4 研究了电机系统运行效率，利用实验数据，提出用曲线拟合方法获得转矩一 转差率和电流一转差率数学模型的方法，分析了在电机非线性模型下、基于 转差率控制时，如何获得电机的最大运行效率问题。 关键词：电气传动，电机试验，c + + b u i l d e r 6 0 ，曲线拟合，u s s 协议 a b s t r a c t t h et y p et e s to f m o t o ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f m o t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m o t o rt e s th a sc o m et oan e w s t a g eb e c a u s eo ft h e c o a l e s c e n to fm e t r i c a lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t h ea u t o m a t i ct y p e - t e s ts y s t e mo fe l e c t r i c a ld r i v ei sm a d eu po ft h ef o l l o w i n g p a r t s ：u n i to fc o n t r o l ；u n i to fm e a s u r e m e n t ；u n i to fe l e c t r i c a ld r i v e ；u n i to fp o w e r s u p p l y t h es y s t e mi su s e dt ot e s tt h em o t o ri n c l u d i n gr e s i s t a n c et e s t ，t e m p e r a t u r er i s e t e s t ，l o c k e d r o t o rt e s t ，n o l o a dt e s t ，j o a dt e s ta n dm sc u r v et e s t t h es y s t e mi se a s y f o rr e d e v e l o p m e n ta n df u n c t i o ne x t e n s i o n ，b e c a u s et h es y s t e m sp o w e ri ss u p p l i e db y i n v e r t e r sa n dd r i v e r , i ti se a s yf o rc o n t r o l l i n gt h em o t o ra n dc a r lb eu s e df o rn e w a r i t h m e t i cf o rt h ec o n t r o l l i n go fm o t o r t h ef o l l o w i n gt a s k sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d i i l 吐l i st h e s i s ： 1 a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n , i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go f h a r d w a r e t h e r ea r et w o p a r t si nt h eh a r d w a r e ：e l e c t r i cd r i v e - p a r ta n dt e s t i n g - p a r t t h ee l e c t r i cd r i v e - p a r ti s c o m p o s e do f m o t o r , d i r e c tc u r r e n td y n a m o ，i n v e r t e r sa n dd i r v e r ；t h et e s t i n g p a r ti s c o m p o s e d o fa d v a n c e d s e n s o r s ，t o r q u em e a s u r i n ge q u i p m e n t s a n dh i 曲 p e r f o r m a n c ec a r d s ，w h i c hh a si n s u r e dt h er e l i a b i l i t yo f h a r d w a r e ； 2 a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n , p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go fs o f t w a r e t h es o r w a r e i sp r o g r a m m e db yc + + b u i l d e r 6 0f o rh i g hs p e e do fd a t ap r o c e s s i n g t h es o f t w a r e i sm a i n l yc o m p o s e do fm a i np r o g r a m , m o t o r - c o n t r o lp r o g r a mb a s e do nu s s ，d a t a a c q u i s i t i o np r o g r a m ，d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m a n dd a t a b a s e t h e r e i n t o ，t h e m o t o r - c o n t r o lp r o g r a mc o n t a i n st h ec o n t r o l l i n go fi n v e r t e r sa n dd i r v e r ；t h ed a t a a c q u i s i t i o np r o g r a mc o n t a i n st w op a r t s ：t h ea c q u i s i t i o no fs p e e d ，t o r q u e ，o u t p u t p o w e r 台o mn c - 2 ab a s e do ns e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ed a t ao fv o l t a g e c u r r e n tf r o mp c i - 1 7 1 0c a r d ；t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mc o n t a i n sc o n v e r s i o n , c a l c u l a t i o na n dc u r v ef i t t i n go f d a t a ； 3 t h ep r o c e s s i n go f t e s td a t ah a sb e e nr e s e a r c h e da n dt h em a t hm o d e l ，a r i t h m e t i co f c u r v ef i t t i n gi ne v e r yk i n do f t e s ta r ed i s c u s s e d a n dt h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e di n t h ec h a p t e rc o m b i n e dw i t ht e s td a t a ； 4 t h ee f f i c i e n c yo fm o t o ri sr e s e a r c h e da n dt h ep r o b l e mi nc o n t r o l l i n go fe f f i c i e n c y b a s e do ns l i pf r e q u e n c yu s i n gam o d e lo b t a i n e df r o mc u r v ef i t t i n gu s i n gt e s td a t a i sd i s c u s s e d 。 k e y w o r d s ：e l e c t r i cd r i v e ，m o t o r - t e s t ，c + + b u i l e r 6 0 ，c h i v ef i t t i n g ，u s sp r o t o c o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何末加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 一1 m 妒瞬矽月加 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 肩学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 做作者虢伤p 加 文件：打开数据库、保存图片，退出功能。 打印：打印图片( 数据库数据在报表中打印) 。 图形：实现图形在二维和三维间转换。 线条：实现曲线线条颜色的改变。 背景：实现曲线背景颜色的改变。 曲线拟合：提供一次，二次，三次曲线拟合方式，提供多个变量间的 拟合( 包括转矩一转速，电压一转速等) ，用户可以随意选取拟合次 数，从中挑选理想的拟合曲线，随时可以保存、打印曲线，如图4 1 9 所示： 幽4 1 9 拟台曲线 选择纵坐标变量：从中选择纵坐标的变量。 选择横坐标变量：从中选择横坐标的变量。 刷新图表：选择纵坐标和横坐标后，按此按钮，刷新图表。 删除当前记录：当左侧所打丌的数掘库文件中有明显的错误记录时， 将指针移动该记录后，点击此按钮则删除数掘库中的当前记录，以改 善试验结果。 关闭窗口：关闭当酌窗口，返回上一层窗口。 系统管理 此按钮只有试验台管理员才能进入，用以完成测试系统数据维护的功能，包 括添加、删除用户，修改任何测试人员的信息及电机铭牌数据的功能。其界面如 图4 2 0 所示： 圉4 2 0 系统管理界面 帮助按钮 此按钮为用户提供测试系统的操作指南，包括试验原理、试验条件、试验方 法等。 个人信息修改 “。 此按钮只能完成测试人员的用户名及密码修改岛瞻_ 箕他信息需要管理员资 格才能修改。 退出 此按钮完成退出测试系统功能。 4 5 2 堵转试验界面 当在主界面中选择堵转试验按钮时将进入此功能界面，用以完成堵转试验中 的数据采集及分析工作，其界面如图4 2 1 所示： | 釜| 4 2 l 蝠转试验界血 在堵转试验中，采集的数据包括：电机输入电压、电机输入电流、电机输入 电压频率( 直流电机除外) 、电机输入功率、电机转速、电机输出转矩、电机输 出功率和定子相电阻。计算的数据包括：等效阻抗x l 、等效电阻1 2 和等效阻抗 x 2 0 下面介绍各按钮功能： 历史数据：此按钮打开以前试验所建立的数据库，可以对数据进行查询、 修改、删除等功能。一 历史曲线图片：打开以前试验的历史曲线图片。 实时曲线输出：只有开始试验后，此按钮才有效。该按钮完成各个变量随 时间变化的实时喵线的显示功能。在实时显示窗口中，用户可随时进行打 印曲线图片、保存曲线图片、将曲线在二维和三维间切换、数据点的标注 及改变背景、曲线颜色等操作，如图4 2 2 所示。 4 0 图4 2 2 实时显示界面 幽4 2 3 打印撤表界面 打印报表按钮：只有当试验完成停止电机后，此按钮j 有效。该按钮完成 当前试验的报表打印预览和打印功能，所有数掘均以最后一次所建的数掘 库为准【4 们。堵转试验报表表头如图4 2 3 所示： 采样频率按钮：选择采样频率，有1 秒、3 秒、4 秒和5 秒四个选项，推 荐使用3 秒的采样频率。 开始采集数掘按钮：以设定的采样频率开始采集数据。 停止采集数据按钮：立刻停止采集数据。 创建数据库按钮：每次试验前都要先点击此按钮以创建数掘库，然后才可 以进行试验( 注意：为保护试验数掘，此处输入的数据库名不能为已经存 在的数据库名，否则将不能建立数据库) ，此后试验的数据将存入此数据 库。所有的数据分析均以此数掘库的数据为准。 扭矩仪串口设置按钮：该按钮完成变频器驱动器串口的设置功能，包括 串口号、波特率、校验方式、缓冲区大小等。 变频器驱动器串口设置按钮：该按钮完成扭矩仪串口的设置功能，包括 串口号、波特率、校验方式、缓冲区大小等。 控制方式按钮：选择控制方式，手动方式为脱离计算机操作方式，自动方 式为计算机控制方式。 正转、反转按钮：选择电机的旋转方向为正向或是反向。 启动电机按钮：以正转或反转方式启动试验电机，启动后电机转速为零。 停止电机按钮：停止试验电机。 选择步长按钮：选择每次升速或降速的转速值，分为3 0 、5 0 、1 0 0 、和5 0 0 四个档位，调节电机时，以转速为参考值。 转速升按钮：以选择步长按钮中的步长值升高转速。 转速降按钮：以选择步长按钮中的步长值降低转速。 查看计算结果按钮：试验完毕停止电机后该按钮有效。点击此按钮，可查 看试验电机r l 、1 2 、x 1 和x 2 的试验值。 曲线数据按钮：试验完成停止电机后有效，该按钮完成试验数据的分析、 计算、修改、曲线查看和曲线拟合等功能。其窗口界面同主界面中的“历 史数据”按钮窗口。 返回按钮：关闭当前窗口并停止电机，返回上一层，进入试验类型、电机 机组选择窗口。 帮助按钮：查看帮助信息及试验指导。 4 5 3 空载试验界面 当在主界面中选择空载试验按钮时将进入此功能界面，用以完成空载试验中 的数掘采集及分析工作，其界面如图4 2 4 所示： 4 矿 矿 矿 矿 r 矿 矿 矿 矿矿 r 幽4 2 4 空载试验界面 在空载试验中，采集的数据包括：电机输入电压、电机输入电流、电机输入 电压频率( 直流电机除外) 、电机输入功率、电机转速、电机输出转矩、电机输 出功率和定子相电阻。计算的数据包括：机械损耗p 。、等效电阻i m 和等效阻抗 x 。( 在做空载试验前必须先做堵转试验) 。 空载试验界面的按钮及功能和堵转试验界面的大同小异，在此不再介绍，需 要注意的就是堵转试验是空载试验的前提，所以，在进行空载试验“查看试验结 果”时，如果没有进行堵转试验，程序将给出提示。 在负载试验中，采集的数据包括：电机输入电压、电机输入电流、电机输入 电压频率( 直流电机除外) 、电机输入功率、电机转速、电机输出转矩、电机输 出功率和定子相电阻。无计算数据。负载试验界面的按钮及功能和堵转试验界面 的大同小异，在此不再介绍 在m s 试验中，采集的数据包括：电机输入电压频率( 直流电机除外) 、 电机转速、电机输出转矩和电机输出功率。计算数据为转差率s 。该试验为转矩 一转差率的快速测定试验，故采集及计算的数据比较少，主要功能为m s 曲线 的测定。 4 6 本章小结 电机自动测试系统软件是系统的重要组成部分，系统的所有操作和各项功能 均是由软件完成的，所以软件的设计直接关系着系统的运行效果。本章首先从电 机测试系统的总体出发，介绍了系统软件的整体构成。采用模块化的设计方法， 整个系统的软件分成串口通信、数据采集卡通信、数据库和用户界面四部分构成。 在本章对上述各个部分的组成及其软件构成做了详细的介绍和说明。 第五章测试结果及数据处理探讨 数据处理是电机测试系统软件中的重要组成部分。所有采集到上位机的数掘 都要经过数扼处理才能显示、存入数掘库，后期的参数计算、曲线拟合等功能也 需要有合适的数据处理方法。所以数据处理的好坏直接关系电机试验的效果，选 择适当的数据处理算法会使试验效果达到满意的程度；相反，如果数据处理的方 法选择不当，那么参数计算、拟合曲线会有较大误差，达不到试验预期的效果。 本章将介绍数据处理的一些基本知识和理论，并结合电机测试的实际工作，对部 分测试结果进行分析及探讨。 5 1 数据处理的基本理论 在本电机测试系统中，数据处理主要包括两大部分：一是经下位机上传到上 位机的原始数据需要经过截取、剔除、格式转换、插值等方法转变成可以进行计 算的数掘；二是选取合适的数学模型和算法得到合理的拟合曲线。其中，曲线拟 合是本系统数据处理中的重点。 曲线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组函数关系的一种 数据处理方法。传统的曲线拟合方法是用解析表达式逼近离散数据。而事实上， 随着近几年人工神经网络等一些非线性理论的发展及其在曲线拟合领域的应用， 曲线拟合已不再局限于解析表达式的拟合理论之内。将非线性理论用于曲线拟 合，使传统的方法得到了发展与改进，比如以下方法：将样条小波的显式表达式 应用于曲线的最：5 - - 乘拟合；将b 样条函数网络应用于曲线拟合的思路。因此， 曲线拟合方法总体上可分为两类：有理论模型的曲线拟合与无理论模型的曲线拟 合。下面，将对曲线拟合的一般思路和重要方法进行讨论，对两类方法进行了比 较，并选取适用于本电机测试系统的曲线拟合算法【1 7 】【4 7 】【4 8 】【4 引。 5 1 1 有理论模型的曲线拟合 有理论模型的曲线拟合是曲线拟合中比较常见的情况，包括插值法曲线拟 合、最：j 、- - 乘法曲线拟合等，本电机测试系统的曲线拟合即是这种曲线拟合方式， 下面对这种有理论模型的曲线拟合算法做简要介绍。 通常我们通过实验或观测得到量工与y 的一组数据对( 五，y ) ( 其中 i = l ，2 ，月) ，各五是彼此不同的。我们希望用一类与数掘的背景资料规律相适 应的解析表达式y = f ( x ，c ) 来反映x 与y 之州的依赖关系，f ( x ，c ) 称作拟合的理 论模型，其中c = ( c i ，c 2 ，c 。) 是待定参数，这中拟合方式就是有理论模型的拟合 算法。其中，当c 在厂中线性出现时，称为线性模型，否则称为非线性模型。在 数据处理中，有许多衡量拟合优度的标准，但最常用的方法是最小二乘法。 5 1 1 1 线性模型的曲线拟合 已知与数据的背景资料规律相适应的解析表达式为： y = 属+ 属玉+ 履而+ ，+ 岛+ 占 ( 5 1 ) 其中，屈，届，屈，见是未知参数，占服从( o ，艿2 ) 。实验数据为： ( 而，) ，( i = 1 ，2 ，n ) 由( 5 1 ) 可知，z 具有数据结构式 只= 屁+ j i 鼍l + + 芦；+ q ( f = l ，2 ，以) 其中，诸毛，岛，乞相互独立，且均服从( 0 ，艿2 ) 。根据最4 , - - - 乘原理，线性模 型的曲线拟合问题可化为下面线性方程组的求解： 从而，唯一地确定未知参数屁，届，尻，玩，得出拟合曲线函数。 5 1 i 2 非线性模型的曲线拟合 非线性问题一般较线性问题处理困难。如果通过某些数学变换能使被估参数 以线性形式出现，通常优先采用变换，化为线性形式。 多项式是这类问题的典型代表，设多项式函数为： ， p ( 石) = 肌+ a 石+ p 2 石2 + + 只， 如果我们令只= 属，r = 矗，( i = 1 ，2 ，z ) 。则可以将其化为形如式( 5 - - 1 ) 的线性形式。其它可化为线性式的常用曲线类型如表5 一l 所示。 大部分非线性模型，并不能直接化为线性问题，这时一般要借助求解非线性 方程组，通过最优化方法求得所需参数。最常用的最优化方法有单纯形下山法、 拟牛顿法等。另外，遗传算法( g a ) 、免疫算法( i a ) 的研究也为曲线拟合中的 优化问题提供了新的思路。 “ 力 ，乞k = o o = = 岛 岛 一 一 一 一 h 而 届 届 一 ； 一 磊 屁 一 一 p厶 。y 胃 之 之 | | ； 坦一弧 鲍一够 表5 - - i 可化为线性式的常用f i | 线类型 变量年u 参数的变化 函数表达式变换厉表达式 j x 爿 占 v ：上 土：+ 6土，d6 vax+b y 2 以+ 6 一y ， d6 y = 耐6 扣 o ) l g y = b l g x + i g 口l g yl g x bl g a y = a e “( a o ) | n y = l n a + b xl n y xb i n a y ：三 三：芝一一x 2三，一1 一b 2 7 2 蕊；2 i ay，ia 5 1 2 无理论模型的曲线拟合 在实际工程中，有一些问题规律性差，理论模型难以确定，或者根本不需要理 论模型的约束。这时，一般由几何方法或神经网络方法实现曲线拟合，本文将其 归结为无理论模型的曲线拟合，主要包括圆弧和神经网络拟合两种方法。 5 1 2 1 曲线拟合的圆弧法 圆弧拟合是一种描绘通过观测点的几何拟合方法。它用分段圆弧代替曲线， 并且使相邻两个圆弧有公共切线。这种方法归结为以下三种情况： ( 1 ) 已知圆o 和圆外两点4 ，a 2 ，求圆p ，使它通过4 ，彳玉并且与圆0 相切( 外切或内切) 。 ( 2 ) 已知圆d 和圆外一点a 2 ，求圆p ，使它通过如，并且和圆o 切于点 4 。 ( 3 ) 已知圆o ，和圆仍，求圆p ，使它和圆仍相切，且与圆d 切于定点彳。 根据上述三种情况可以确定圆的圆心坐标、半径以及切点，从而唯一的确定 拟合曲线。 以上三种情况分别如图5 1 所示。 岛 幽5 1i l | 线拟台的网弧法的三种情况 根据上述三种情况可以确定圆的圆心坐标、半径以及切点，从而唯一的确定 拟合曲线。 5 1 2 2 神经网络拟合方法 如果将人工神经网络的每个结点看成是一个基本函数( 如图5 2 ) ，则人工神 经网络实质上就相当于基本函数族网络，它们在相应的权值以( f - 1 ，2 ，5 ) 作用 下，生成网络函数y ，可以将其看成是泛化了的曲线模型。 圉5 2 神经网络的函数模塑 针对曲线拟合问题，激活函数应该是连续的、非线性的( 对非线性拟合问题 而言) 。应用最普遍的是s i g m o i d 函数，其表达式为： 疋= 鬲i ； 其中，c 为任意常数。而网络结构的选择一般要根据实验数据的形式确定， 前馈型神经网络是最常用的网络结构。具体地，如果是单条曲线的拟合，网络结 构应该是单输入单输出的；如果是多对曲线的并行拟合，还存在单输入多输出与 多输入多输出的网络结构。常用的网络模型及其学习算法有b p 网络拟合算法和 径向基函数( r b f ) 神经网络算法等【4 7 】【5 0 】。 本系统中采用的是有理论模型的曲线拟合方法，所以，在此不详细叙述有关 无理论模型曲线拟合的方法。 5 2 电机特性曲线拟合数学模型 利用计算机处理试验数据，必须按照一定的数学模型才可以进行。根据以往 的经验，电机的特性曲线可以由多项式数学关系式描述，次数取一次或二次，采 用最d - - 乘法计算出多项式的系数，即可得到拟合函数。本电机测试系统中各试 验特性曲线的数学模型如表5 2 所示1 1 7 】。 表5 - 2 特性曲线的数学模型 试验名称特性曲线曲线类型 i r = f ( u r ) 堵转试验二次曲线 五= 厂( 以) 树( 瓷) 2 一次曲线 空载试验 p o = 厂( - 二次曲线 u 空载试验 i o - - 厂( 二次曲线 u h 只= ( 昱) i i = 厂( e ) 负载试验二次曲线 r = 厂( 罡) c o s p = 厂( 只) 一次曲线、二次曲 m s 试验m = f 0 ) 线分段拟合 除了上述各试验数学模型，系统还提供了各变量间的最小二乘法二次、三次 曲线的拟合功能，以供操作人员比较分析拟合效果。模型具体的表达式推导见数 据分析相关材料，在此不作赘述。 5 3 试验数据的处理及结果 本电机测试系统的数据处理分两部分，一部分是各参数的实时显示；一部分 是试验后特性曲线的拟合。其中，曲线拟合部分属于第一节中介绍的有理论模型 的类型。下面对两部分中的数据处理结果各举一例进行探讨和研究。 5 3 1 插值法的电流实时曲线 电流是电机测试系统必测的电参数，本系统具有电流值实时显示的功能。由 于采用变频器供电，对数据的采集有干扰，尤其当采集通道的电缆屏蔽不好时， 所以采集到上位机的数据有时会有跳变或坏点。对上述数据有可能出现的问题， 软件在数据处理方面除了采取了剔除坏点的解决办法外，还采用了插值法对数据 进行了修正。修正后的数据经用户界面显示给用户。 由于本系统变频器的额定电流为2 0 a ，电流的变化幅度相对较小，所以系统 采用了以下的分段插值修正的方法： 矗= z + i + 虹型掣 厶= 半 矗= 华 ( o h 一i 3 ) ( 3 i x i + ，一t l 8 ) ( 5 2 ) ( 8 3 7 7 59 39 51 3 0 02 0 ( 2 ) 7 59 59 62 7 6 03 0 ( 1 ) 合计8 7 2 02 7 6 ( 3 ) 目前大多数国家的电力生产仍以火力发电为主，其生产过程中排出的c o s 等气体就成为地球温室气体的主要部份，对气候环境带来很大的影响。有关专家 测算，英国在1 9 9 5 年电动机总用电量为1 3 0 0 亿k w h ，为产生这些电能排放到 空气中的碳为2 4 0 0 万吨，相当于英国该年所有能源排放碳总量的1 7 。根据1 9 9 7 年京都议定书，各国均要减少温室气体的排放：欧盟在2 0 0 8 2 0 1 2 年要比1 9 9 0 年的排放水平降低8 ，其中英国要减少1 2 5 。中国作为最大的发展中国家， 也正在积极采取措施控制和减少c 0 2 的排放。由于电动机能效水平的提高所带 来的电能节约可以大大减少温室气体的排放，因此电动机节能工作对于气候环境 的保护以及自然资源的保护将发挥重要的作用。 电动机的能效水平除了与能源节约和环境保护有关外，还与使用者的经济效 益有关。因为当电动机的效率有一定幅度提高后，电动机运行所需支付的电费即 可明显降低。现以1 l k w 4 极电动机为例，一般的y 系列电动机效率为8 8 ，价 格为2 0 0 0 元，假设年运行时| 日j 为4 0 0 0 小时，负荷率为7 5 ，电费为o 5 元k w h ， 运行1 0 年所需支付电费为1 8 7 5 0 0 元。如以高效率电动机替代，其效率为9 1 ， 价格为2 4 0 0 元，则运行l o 年所需支付电费为1 8 1 3 1 8 元，比采用原效率电动机 所需支付的电费降低了6 1 8 2 元，大大超过初始购置时增加的4 0 0 元，此费用在 运行不到一年即可收回从以上数据可知，电动机购置费用不到总运行费用的 2 ，因此采用较高效率的电动机对于电动机用户将具有明显的经济效益，见表6 - - 4 。 表6 - 4 i i k w 4 极电动机总费用计算对比 电动机类型电动机价格1 0 年运行电费( 元)电动机生命周期总费用( 元) 一般类型( 叩一0 8 8 ) 2 0 0 01 8 7 5 0 01 8 9 5 0 0 高效类型( 玎= 0 9 1 ) 2 4 0 01 8 1 3 1 81 8 3 7 0 0 差价 + 4 0 06 1 8 2j 一5 7 8 2 电动机作为各种设备的驱动动力，其主要类型有3 种：交流三相异步电动机， 交流单相异步电动机和直流电动机。其中，三相异步电动机的用电量占到电动机 总用电量的8 6 。欧盟经过统计也得出类似结论，即其电动机总用电量中9 0 0 是由异步电动机所承担。 根据调查显示，3 7 k w 以上电动机数量虽少，但要承担一半以上总的电动机 用电量。因为这些功率较大的电动机大部份工作在高负荷，长期连续运行的状态， 因此这部份电动机的效率历来受到重视，其效率水平也相应较高。但是，3 7 k w 以下的小功率电动机虽然单机传递能量不多，但由于其数量庞大，所以也传递了 近一半的电能，因此，这部份电动机对于电能节约也具有重要意义，如表6 5 所示。 袭6 - 5 欧盟1 9 9 4 年异步电动机的数量和用电盘比例 功率范围( k w )电动机台数比例( )用电彗比例( ) 0 7 5 7 58 32 7 7 5 3 71 32 4 3 7 7 531 5 7 5 l3 4 欧盟对且前生产的4 极电动机的效率平均值做过调查，结果显示1 1 k w 电 动机的效率仅o 7 7 左右，而电动机功率为9 0 k w 时效率已达o 9 4 左右。这除了 由于电动机相似原理，效率随电动机功率的增大而升高外，还因为在过去有相当 长一段时期电费相对便宜，使得小功率电动机的效率不太受重视，从而造成小功 率电动机制造成本降低的同时，其效率也较大幅度的下降【5 3 】。 。 因此，在当今这个能源相对紧张，环境保护倍受重视的社会，如何提高小功 率电动机运行效率是一个极具价值的研究课题。 6 2 基于转差率的异步电机效率矢量控制理论研究 自7 0 年代西门子工程师f bl a s c h k e 首先提出异步电机矢量控制理论( 简称 v c ) 来船决交流电机转矩控制问题以来，异步电机矢量控制技术已经进入实用 阶段。其主要思想是通过坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁 r 场定向的同步旋转变换实现定子电流励磁分量与转矩分量之间解耦，从而达到对 交流电机的磁链和转矩分别控制的目的，获得与直流调速系统同样的动、静态性 能( 5 4 【5 5 】。 在目前电机矢量控制的效率研究领域，基于转差率的效率控制研究是其中的 一个方向。但是目前的矢量控制理论通常存在以下不足：一是忽略电机励磁电阻 ，在控制电机时，除在恒功率控制情况下，常采用励磁电流0 恒值控制，与 运行状态无关，这样在轻载时，铁损所占比例较大，使电机运行效率下降；二是 当异步电动机作为电动汽车的动力，在高频高速运行时，电机的励磁电阻0 和励 磁电抗k 、漏抗x 也将随频率增加而变化，必须考虑电机励磁电阻0 、励磁电 抗l 和漏抗膏对矢量控制的动静态特性的影响；三是目前的效率矢量控制理论通 常是采用t 型线性等效模型【1 1 1 5 6 1 1 5 7 1 ，而忽略了转子参数的非线性，从而没有考虑 到它们的折算值因转差率s 的变化而变化的实际情况。考虑至上述因素，经过研 究分析，本章里提出了一种励磁电流乙随频率变化的、基于转差率的高效率控 制方法。本章从等效模型，运行效率，控制器设计各个环节进行了详细的理论分 析，并给出了仿真结果。 6 2 1 异步电机等效模型的非线性 一般，在对电机进行研究时，采用图6 1 的t 型等效电路。这类等效模型中 没有考虑心的非线性因素，认为它为常数，其实，r 2 是转差率s 的函数，而且 在相当的范围内变化，不应该被忽略。 x r l r 2 s 幽6 1 异步t u 机t 墅等效电路幽 当前，大部分根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的数掘讨论都是在 默认等效电路中的t 为常数的基础上展丌的，其实这种计算方法忽略了转子参数 的非线性，而没有考虑到它们的折算值因转差率s 的变化而变化的实际情况。 6 2 1 1 转子参数毛不是常数 您是转差率s 的函数，且都在相当大的范围内变化。分析图6 1 等效电路， 考虑到历叼，我们得到以下公式： r ：3 p l ；r 2 3 p 1 2 r 2 ( 6 一1 ) j 。：丝丝( 6 2 ) ( + j ) 2 + 玉2 乙= 丽p u i 2 ( 6 3 ) 其中，式( 6 - - 1 ) 和式( 6 - - 2 ) 适合于5 的任意值，式( 6 - - 3 ) 适合于s = 的情况。从以上公式出发，得到以下的5 个算式： ， “* 订1 0 0 7 r t “( 瓦= 髟巧) ( 6 4 ) 3 p t i r 2 _ & x i 。( 6 - - 5 ) 努 c s 卅 下标s t 和小表示j = 1 和s = r 2 、r 2 。和数据见表6 - - 6 ，、昂、厶、 一。和巧数据见表6 - - 7 。计算结果表明： 吒随s 的增大而增大，从j = 如到j = 1 ，增长为的2 7 倍删。 袭6 - - 6 r 2 ，r 2 和r 2 和数据计算表 序 s n 号 k lk 口巧吒盯吒。吒 ( 1 0 - 2 )( 1 0 - 2 ) i4 2o 5l51 02 60 1 40 0 5 60 0 4 9 2 58 l09 6 2 5 8 0 42 o o 3 2 0 0 5 50 0 4 5 34 60 41 90 6 72 30 4 1o 1 7 00 1 4 44 4 1 0 7 3 18 3仉9 3 3 1 o 1 5 0 0 4 3 o 7 57 0o 61 8o 5i 70 1 0 20 0 5 00 0 4 2 672 8o 9 52 40 52 30 2 40 0 8 4o0 6 7 75 7o 52 60 42 o0 1 10 0 3 80 0 2 7 855 21 6 l26 40 9 4 6 52 91 3 60 9 i 96 3i 2 2 8 0 63 2i 7 50 0 4 60 3 5 i o6 o06 5o7 33i0 4 00 2 101 6 表6 - - 7 “，昂、，、l i t , , 和巧数据计算表 序 电动机制造厂电动机型号 尸 iq 甩 瓦 号 ( i ( v )( k v ) ( a ) ( r p m ) ( n m ) 1 沈阳电机制造公司 y k 2 5 0 0 2 ，9 9 062 5 0 02 7 32 9 8 87 9 9 0 2佳木斯电机厂 y k k 7 1 0 - 263 1 5 03 5 42 9 8 51 0 0 7 8 3哈尔滨电机厂( $ 8 0 0 - 465 5 0 06 1 21 4 8 53 5 3 7 0 4a b b 公司a m a 5 0 l 2 d b s x y m61 3 0 61 4 32 9 8 04 18 5 5长沙屯机厂y k k 5 0 0 4 - 8j 06 3 0 4 69 9 l6 0 7 1 6t e c o - w h o u s ea s c k s 2 0 0 41 03 3 6 02 2 61 4 8 92 1 5 5 0 7a b b 公司a m c 8 0 0 4 l 1 0 1 0 0 0 7 0 7 0 01 4 9 46 4 3 7 6 6 2 1 2 曲线拟合法获得吃0 ) 将线性等效电路中的呓用弓o ) 取代就得到图6 2 电动机的非线性数学模型。 图6 2 异步电机t 型非线性等效电路图 根据“全局数学模型”【卯】，弓( s ) 可以由以下两式计算出来： ) = 等 ( 。州 其中，t 为输出转矩，p 为极对数。参考文献5 8 中并没有说明具体采用什 么方法获得转差率与电流i 和转矩t 的关系函数，在本文中，是参考电机厂提供 的机械特性曲线t = ? ( 0 和电流曲线i = ，( s ) 和本系统的测试数据，具体方法是在 曲线中各取1 0 到1 5 个点，由m a t l a b 最小二乘法求出五次拟合多项式，进而获 得转差率与t 和i 的最佳曲线关系式，以西安电机厂生产的电机为例，电机参数 ( y j t g l 3 2 m - 4 ) ：昂= 7 5 k w ，【= 3 8 0 v ，? n = 1 4 5 0 r m i n ，y 接法，= 1 4 7 q ， 工- - 2 3 2 f l ，：6 4 q ，而= 7 5 1 2 ( 在z = 5 0 h z 时) ，j = 0 1 5 6 k g m 2 ，厶= o 2 6 4 h ， 厶= o 2 9 1 h 。结合电机厂提供的机械特性曲线t = t ( s ) 和电流曲线i = i ( s ) ，获得 关系式表达式，拟合曲线如图所示。 6 ；，! ；i；i y r 、& 鼻0 j f r “ ； ，|in il；、o ii ； 静叶寸寸一 ；jr 叶! r r j r f 一 ”一| 一抖 。一彳r m r j r ”r r t 哪一r 一 一，c转差章 图6 3 根据厂家及测试数据拟合的m s 曲线 图6 3 和图6 4 的拟合函数分别为： r r r 一歹“ - 一一 卜“ 。辨“ - l 一 拧 图6 4 根据厂家及试验数据拟合的i s 曲线 t = 2 7 9 0 3 s 5 8 7 0 2 i s 4 + 1 0 2 0 7 s 3 5 4 5 7 8 6 j 2 + 1 2 0 4 3 s + 3 1 = 1 6 7 0 8 s 5 5 6 1 3 4 s 4 + 7 1 9 9 s 3 4 2 8 9 4 s 2 + 1 0 7 9 4 s 一4 ( 6 8 ) ( 6 9 ) 6 2 2 将非线性异步电机等效模型应用于效率控制 6 2 2 1 非线性模型下电机效率的分析 异步电动机在任意频率下运行时，总会存在一个对应电动机最大效率的转差 率。，称此转差率为最优转差率。从异步电机等效电路可以找出最大效率时 的最优转差率 5 3 1 0 但是，参考文献5 3 中采用的是线性的等效模型，而本文 中考虑到转子参数的非线性，即它们的折算值因滑差率s 的变化而变化的问题， 故采用了非线性的丁型等效模型，并在此基础上进行了分析和研究。 考虑电机铁损的t 型异步电机非线性等效电路如图6 2 所示。图中：r j ，巧0 ) 为定、转子相电阻；五为定、转子漏抗；$ 为转差率；r m ，为励磁电阻、电抗； l 易伪定、转子相电流：u 、压为定子相电压；厶为励磁电流。根据非线性等效 电路图可以得出： 转子电流 t l 在励磁上消耗的功率为 = ( 6 一1 0 ) 只：黑：监、 ( 6 - 1 1 ) ”3 ( 4 + x z 、3 “ 在定、转子电阻上消耗功率为 万阿 输出机械功率为 输入有功电功率 电动机效率 只 栌首 露= 弓+ e e ( + 牮 ：。点一 ( 6 - - 1 2 ) 3 【( + 型) 2 + 工2 】 j 昱：z ( 1 - s ) r 2 ( s ) ： 竺墨盟生( 6 - - 1 3 ) 3 + 型) 2 + 纠5 u 2 吒( s ) ( 1 一s ) = - - - - - - - - - ：二- - - - - - 二- - - - 二- 一 3 j + r 2 ( s ) ) 2 + xz j ( 1 - s ) r 2 ( s ) 觚1 + 半) 2 + x2 】+ ( + 半) 1s j i ( 6 1 4 ) ( 6 1 5 ) 在此，将吒( s ) 看作常数，用式( 6 1 5 ) 对s 求导，即可求得最大效率时对 应的最优转差率。 ，：坐! 选出兰盟粤盟望粤兰上型塑 ( 6 1 6 ) m2 i 丽习丽i i 百i i 一 妯一1 引 篙 盟上 ”篙咚一 当电机控制频率z 6 h z 以上时，存在下列关系： 蠢 ( + ，( 5 ) 2 ) 2 + 工2 】 g k 如+ 0 ) 】 9 0 ( + ，o ) 2 ) 2 + ，一考】 g 卅芎0 ) 将式( 6 2 0 ) 代入式( 6 - - 1 9 ) 得 ( 6 1 7 ) ( 6 1 8 ) ( 6