（检测技术与自动化装置专业论文）三相异步电动机稳态参数识别算法研究.pdf

摘要 摘要 三相异步电动机因其结构简单、价格低廉、运行可靠、性能彘好、维护方便 等优点在工农业生产和自动化控制过程中得到了广泛的应用。三相异步电动机稳 态等效电路参数能够反映电动机的多种特性，准确、方便和有效地获得三相异步 电动机稳态等效电路参数，不论是对于电机的设计、制造与评价，还是对于电机 的应篇与维护都具有重要的意义。 三相异步电动机的稳态等效电路参数包括定子电阻、漏电抗，转子电阻折算 值、漏电抗折算值以及励磁阻抗。 本文第一章首先简要介绍了电机参数识别的国内外研究的发展历程，重点列 如了国乡 研究学者研究成果的发展过程，接着说明了三相异步电动机参数识别的 意义和重要性，最后对本论文做了一个整体的安排。 第二章结合三相异步电动机的稳态等效电路模型及其特性函数表达式，简单 说明了三种常用的试验方法：传统的空载和堵转试验方法、直接修正参数法和递 推最小二乘法，并分析了它们的优缺点。在此基础上引入了基于遗传算法的三相 异步电动机稳态模型参数识别方法。 第三章介绍了遗传算法的生物学基础以及遗传算法的原理和特点；并确定了 分别利用遗传算法以及改进的遗传算法识别三相异步电机稳态参数的具体实现步 骤，总结了应用这种识别方法在三相异步电动机稳态模型参数识别中优势。 第四章利用c + 十b u i i d e r6 0 工具编写了相关的c + + 参数识别实现程序，并利 厢所编写的程序仿真识别了一台三相异步电动机，识别结果达到了预期的效果。 第五章利用本设计算法应用在一台三相异步电动机的参数识剐中。一方面分 别利用传统参数测试方法获得电机稳态模型参数，另一方面我们椴据通过测量装 置与计算机通信，由计算机读取测得的电机电流和转速等相关数据，剩用简单遗 传算法和改进后的遗传算法，得到了相应的结果，著作了比较。 最后得出结论：与传统参数测试方法相比，本设计应用改进的遗传算法处理 臼动检测的电机空载和轻载运行数据的参数识别精度有了比较大的提高，验证了 广东工业大学丁学硕+ 学位论文 该设计参数识别方法的可行性和有效性。接着指出了不足和展望。 关键词：异步电动机；参数识别；遗传算法；曲线拟合 i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r sa r ea p p l i e d i ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n a sw e l la sa u t o m a t i o np r o c e s se x t e n s i v e l yb e c a u s et h e yh a v et h em e r i t so f s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y , r e l i a b l ef u n c t i o na n dc o n v e n i e n t m a i n t e n a n c e i ti s i m p o r t a n tf o re i t h e rd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n de v a l u a t i o n o r a p p l i c a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fm o t o r st od e t e r m i n et h es t e a d y s t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i t p a r a m e t e r so ft h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r sp r e c i s e l ya n dc o n v e n i e n t l y t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r sp a r a m e t e r si ns t a b l e - s t a t ec a nr e f l e c tm a n y k i n d so fc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r i tp o s s e s s e si m p o r t a n tm e a n i n g st ot h ea p p l i c a t i o n a n dm a i n t e n a n c eo ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt oo b t a i nt h r e e p h a s e da s y n c h r o n o u s m o t o r sp a r a m e t e r sa c c u r a t e l ya n dc o n v e n i e n t l ya n de f f e c t i v e l y ，n om a t t e rt ot h e d e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n da p p r a i s i n go ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y c h a p t e ro n eo ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o u r s es t u d i e db r i e f l y f o c u so nt h ep a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y ，l i s t i n gt h ee v o l u t i o n o ft h ef o r e i g nr e s e a r c h e r sr e s e a r c hr e s u l t se s p e c i a l l y ，t h e nh a ss t a t e dm e a n i n ga n d i m p o r t a n c ef o rt h r e e p h r a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n ，a n df i n a l l y i td o e saw h o l ea r r a n g e m e n tt ot h i st h e s i s c h a p t e r t w oc o m b i n e st h es t a b l e s t a t e e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e la n d c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o ne x p r e s s i o nf o r m u l a eo ft h r e e p h r a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，h a v e s t a t e dt h r e ek i n d so fc o m m o n l yu s e dt e s tm e t h o d sb r i e f l y ：t h et r a d i t i o n a lu n l o a d e d a p p r o a c ha n ds t o p p i n gu pm e t h o da sw e l lr e v i s i n gt h ep a r a m e t e r sl a wd i r e c t l ya n d p u s h e sl e a s ts q u a r em e t h o ds u c c e s s i v e l y t h ea l g o r i t h mf o rp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n f o rt h r e e - - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r si ns t a b l e s t a t es t a t u sh a sb e e ni n t r o d u c e db a s e d o nh e r e d i t a r y 。 c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fb i o l o g i c a lf o u n d a t i o n o ft h eh e r e d i t a r ya l g o r i t h m s ；h a v ec o n f i r m e dt h a tu t i l i z e st h eh e r e d i t a r ya l g o r i t h m s i i i a n di m p r o v e dh e r e d i t a r ya l g o r i t h m st od i s c e r nr e a l i z i n gt h es t e pc o n c r e t e l yo ft h r e e d i f f e r e n t p h r a s e e l e c t r i c a l m a c h i n e r y s t a b l e - s t a t e p a r a m e t e r ss e p a r a t e l y ，h a v e s u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g e i nt h r e ed i f f e r e n t p h r a s e m o t o rs t a b l e s t a t em o d e l p a r a m e t e r sa r ed i s c e r n e do ft h i sk i n do fd i s c e r n m e n tm e t h o d c h a p t e rf o u ru t i l i z e sc + + b u i l d e r6 0t o o lt ow r i t er e l e v a n tc + + p a r a m e t e r sa n d d i s c e r nt h ep r o c e d u r eo fr e a l i z i n g ，p r o c e d u r ee m u l a t i o nw r i t t e nt ou t i l i z ed i s c e r no n e t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，d i s c e r nt h er e s u l t ，a n dr e a c h e dt h ea n t i c i p a t e dr e s u l t f i n a l l y ，a p p l yt h i sa p p r o a c ha n de q u i v a l e n tt ot h ep a r a m e t e r sd e t e r m i n a t i o no fa t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r w eu s et h em e t h o do fc l a s s i c a l p a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o na n dt h em e t h o dp r e s e n t e di n t h i s p a p e rr e s p e c t i v e l yt oo b t a i nt h e s t e a d y 。s t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tp a r a m e t e r s ；t h e n ，b a s i n go nt h er e l e v a n td a t af r o m t e s t i n g ，b yc o m p a r i n gt h er e s u l t sf r o mc l a s s i c a lp a r a m e t e rt e s tm e t h o d ，w ec o n c l u d e t h a tm ym e t h o di m p r o v e st h ep r e c i s i o no f p a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o nr e m a r k a b l y ，a n d t h e r e f o r em ym e t h o dp r o v e st ob ef e a s i b l ea n dv a l i d t h e nt h i s p a p e rp o i n to u t i n s u m c i e n ta n dl o o k i n gi n t ot h ed i s t a n c e k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；c u r v e f i t ； 专号表 凡：定子每相电阻 墨：定子每相电抗 兄：每相激磁电阻 尼：每相激磁电抗 b ：转子每相电阻的折算值 墨：转予每相漏抗的折算值 足，：左转子支路每相电阻的折算值 墨。：左转子支路每相漏抗的折算值 尼。：右转子支路每相电阻的折算值 墨。：右转子支路每相漏抗的折算值 ：空载输入感抗 以：定子每相电压 五：堵转输入感抗 p s ：输入功率 j 。：定子每相瞧流 五：转子每相电流 尸r ：输出功率 p o 。讲定子铜损 p f e ：铁损耗 凡：机械损耗 乙：附加损耗 ：输出转矩 瓦耐最大转矩 墨：定子感应电势 n ：效率 符号表 v 独创性声甥 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工l 乍及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我同王作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了感谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期闻在导师的指导下取褥的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 3 粝 砒 芝墨 字 字 签 签 者 师 作 教 文 导 论 指 第一章绪论 1 1 国内外概况 第一章绪论 电动机为各种机械的动力源，是各种机构动作传动不可或缺的一环，电动机 可以被认为是机械的心脏n3 。世界上电动机制造业已有一百多年历史，我国的电 机生产从1 9 17 年至今也有九十多年的历史。目前，电机行业已经形成比较完整的 产业体系，中小型电机产品的品种、规格、性能和产量基本上满足我国国民经济 发展的需要。在国际激烈竞争的电机市场上，价格己达到几近临界的地步，除了 特殊电机、专用电机、大型电机之外，一般通用中小型电机制造企业在发达国家 难以继续立足。口1 而有了电机，自然就有相应的电机控制。直流电机拖动和交流电机拖动先后 在1 9 世纪中期出现。进入2 0 世纪后，一直到七十年代，大约百分之八十的拖动 系统用的都是不变速控制交流电机，只有百分之二十的控制系统采用具有高控制 性能的可调速的直流电机系统来完成。七十年代初席卷世界先进工业国家的石油 危机迫使这些国家投入大量的人力物力研究高效高性能的交流调速控制系统来节 约能源，到了八十年代，相关研究取得实效，交直流拖动控制的分工逐渐改变， 高性能交流调速控制系统的应用逐年增加。在工农业生产中交流调速系统取代直 流调速已经是大势所趋。 为了实现应用高效率调速系统的愿望，研发交流调速电机控制系统特别是三 相异步电动机的变频调速系统提上了日程。著名的科学家钱学森先生在他的工 程控制论( 19 5 4 年第一版) 中专门列出了交流系统作为一章。19 7 2 年德国西门 子公司( s i e m e n sc o ) 工程师f b l a s h k e 博士在前人研究成果的基础上，提出了 磁场定向矢量控制原理阳m4 1 。由于受到了当时电力电子器件和微处理器制造工艺 与性能的限制，磁场定向矢量控制技术在七十年代没有得到很好发展。晶闸管问 世后，m c m u r r a y 换流电路( 辅助可控硅换流电路) 与m c m u r r a y b e d f o r d 换流电 路( 串联电感式换流电路) 1 、串联二极管电路以及交一交变频周波变流器哺3 的 广东工业大学t 学硕十学位论文 相继出现，可关断器件包括晶闸管的产品化16 位微处理器和d s p 技术的成熟， 磁场定向矢量控制技术在八十年代中期才得以产品应用化。w l e o h a r d 教授和他 的学生们在这方面做了很多研究工作 叫0 1 。 磁场定向矢量控制技术在磁场方向上计算精确，能够做到磁通和力矩的近似 完全解耦，可以像对直流电机控制一样准确控制交流电机。不过由于电机在运行 时参数会发生改变，这必然要求对电机控制需要智能化。电机参数变化的原因有 很多，比如由于温升、集肤效应和饱和等因素导致的参数变化；由于暂态、电源 幅值和频率的波动或者负载变化而引起的参数变化；由于电机转轴等受力部件的 弹性疲劳和轴承磨损等对气隙的影响以及绝缘材料和硅钢片老化对电磁性能的影 响而引起参数的改变；还有其它一些外在的因素比如污物、粉尘、盐雾、腐蚀以 及辐射等对电机参数的影响。特别是当电机运行在负载和转速连续变化的大范围 内时，电机参数的改变对对其控制的影响尤其重要。例如采用磁场定向矢量控制 技术计算零频下磁通的非线性模型，零频下磁通的非线性模型均以转子的转子时 间常数t r 为准，但是t r 会随着电机温度的变化而变化。由此可见，将电机模型 当作恒定参数的现行方程式，是不符合实际的。这些都说明了除了要建立更精确 的电机数学模型反应电机的运行状态之外，电机的控制技术也要求更为智能化。 参数的自估计理论也就成了九十年代磁场定向矢量控制技术的研究重点。 参数自估计方法包括静态和f o i m 的自适应参数估计。静态识别方法属于 离线稳态参数辨识，适用于在电机启动时或者工作间隙运行的时候进行识别；自 适应参数识别用于辨识实时动态参数。参数自测试是实现传动自动控制系统的条 件之一，它是基于参数辨识的方法之上的，也就是说在电机运行的过程中自动测 试出其参数，以保证对电机运行进行有效的稳定的持续的控制。交流传动自动控 制系统的自适应需要解决矢量控制对电机参数变化的灵敏度和对转动惯量、负载 变化以及其它一些因素的自适应控制能力等问题。 三相异步电动机的的矢量控制( 磁场定向控制) 技术在完成对电动机转矩高 性能控制的同时，对电动机参数有很强的依赖性，也就是说电动机参数变化对矢 量控制影响比较大。一般的矢量控制系统无法适应电动机参数随着电动机温升和 激磁等实况所发生的变化，因而会导致电动机在不适当的激磁条件下持续运行导 致动态转矩出现震荡。磁场定向控制出现以来，人们就在寻找一种能够解决电机 2 第一章绪论 参数变化并确保系统控制性能的方法，特别是由于电力电子和微电子技术的迅猛 发展，这一闻题越来越引起相关专家学者的关注和研究。 总结出解决异步电动机矢量控制对电机参数的适应性问题有两种方法：一是 研究出不涉及任何电机参数，不附加任何测试条件，以及对电机的运行状态不作 任何附加条件的控制方法；二是准确获得电机的主要的实时参数来控制电机，使 电机运行在平稳可靠的状态之下。显然第二个解决方法更具有实际意义，于是电 机的参数辨识进入关键的研究范围。 电机的参数辨识，尤其是对异步电动机的参数识别，国内外许多专家学者做 了大量的工作。最初通过电机的空载、堵转试验来得到异步电动机的参数哺们眵。 进入二十世纪七十年代后，有专家提出了利用电机的转矩与转速( t ) 、电流 与转速( i ) 的特性关系来进行离线参数识别n 。 随着现代自动控制技术的发展与成熟，人们可以通过对输入一输出的数据的 测量，用传递函数和状态方程来求解系统的稳态和动态参数，于是人们可以通过 测量电机的电压、电流、转速或者转轴的空间位置来进行电机参数的识别n 2 叫7 | 。 电机处于暂态模式运行状态下时，由于无功功率的计算与测量均依赖于转子 时间常数t r ，为了使二者间的偏差最小，g a r c e s 提出了在磁场定向的传动系统 中解决转子时间常数适应性的方案“翱。 z a i 和l i p ol e o n h a r d 提出了应用卡尔曼滤波法实时识别转子时间常数t r 的 方案，但是它仅限用于转速变化缓慢，转速的波动范爨在额定值的5 之内的条 件下蚓。 g a b r i e l 和l e o n h a r d 则通过在磁场定向控制系统的电流轴上叠鸯爨零电平的伪 随枫二进制码序列( p s e u d o r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ，缩写为p r b s ) 以校正 的方法来识别电机的参数，但是p r b s 信号可能会对电机传动系统的性能造成不 利影响引。 s c h e r i l i n g 提出了用四个不同的电压值信号通过测量电机在静止状态下的电 流频率响应来求解电机的漏感l r 、转子时间常数t r 、转子电阻r r ，定子电阻 r s 1 。与文献【1 7 】类似，h o l t z 用一只8 0 1 9 6 芯片完成了对电机参数的测量，并 使之产品化，成为在许多变频器上应用的项专利阻8 1 。 h e i n e m a n n和s u m m e r均用p r b s ，采用最小二乘法 广东工业大学1 二学硕士学位论文 ( r e c u r s i v e l e a s t s q u a r e ，简称r l s ) ，根据输出信号电流与输入信号电压以及 参考电压来直接计算出电机的参数。其测试电压的数据大小根据电机的额定铭牌 值来决定1 9 3 20 1 。 文献【2 1 】提出了借助于模糊控制逻辑理论，利用微机来调整控制器的参数， 不过其缺点是转矩电流的动态响应比较缓慢。 文献【2 2 】提出了一种简单有效的识别方法，通过分析电机的稳态电磁转矩来 计算转子的时间常数。其优点是容易实现，简单有效，可用于在线测量，也可以 用于离线测试；缺点是当负载恒定的时候，计算时间常数的过程需要几秒钟的时 间，影响对电机的实时控制。 文献【2 3 】与上述方法都不同，它运用了优化的方法来确定最优的激励信号来 保证系统得到最优的响应，同时用最小二乘法来提高参数的识别精度。其最大的 优点在于它能够用于电机静止和运行的不同状态下进行参数识别；缺点是需要应 用特定的激励信号。 文献 2 4 4 - - 2 8 应用了生物学遗传算法对感应电动机的稳态参数和动态参数进 行了辨识，并取得了一定的成果。 由以上研究可以看出，异步电动机的参数识别经历了由离线识别到在线识别 这么一个过程，而且由靠单纯的频率响应频域识别的方法发展到了时域辨识的方 法。随着最近二十几年来现代控制理论的飞速发展，最小二乘法、卡尔曼滤波法、 模糊算法、神经网络以及遗传算法理论也逐渐被引入，用于异步电动机的参数辨 识。 总体而言，在异步电动机的参数识别的研究过程中，国外的科研工作者尤其 是欧洲的科研人员做了大量的工作，其中以俄国的科研人员的研究最为深入。相 形之下，美国近年来似乎有意淡出对电机参数识别的研究。而国内的科研工作者 相对则更加专注于同步电动机的研究工作，在异步电动机的参数识别方面的投入 不大，成果也不是太多。 4 第一章绪论 1 2 三相异步电动机参数识别的重要意义 三楣异步电动枫壶予具有结构简单、坚固耐用、制造容易、成本和价格低、 易维修、运行可靠、运行效率高并有适用于多种机械负载的工作特性等优点，它 作为驱动各种运动机械的主要动力设备，是量大面广的机电产品，广泛应用于工 农业、商业、公用设施等各个领域，去拖动各种生产机械。例如，在工业方面， 用于拖动生产线运输带、中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿出 机械等；在农业方面，用于撬动水泵等排灌设备、脱粒机、榨油机、粉碎机以及 其它农副产品的加工机械等心9 j 。 随着现代交流调速系统的发展，特别是大功率电力电子器件以及微电子技术、 微型计算机技术的发展促进了变频器产晶的成熟及其制造成本的降低，使得三相 异步电动机的调速控制性能得以与直流电动机相媲美，丽且三相异步电动枫交流 调速控制系统与直流电动机调速系统越来越具有成本优势。而三相异步电动机等 效电路参数能够反映电动机的多种特性，这些特性无论是对于电机的设计和制造 还是对于电机的应稻与控制都有着非常重要的作用，所以等效电路参数的确定具 有十分重要的意义。近年来，随着计算机应用与通信技术麴圆渐成熟和计算机硬 件性价比的不断提高，计算复杂性较高的参数识别方法也就有了推广和应用的可 能。 3 0 1 1 3 本论文研究的主要内容和主要工作 本论文侧重于应用简单遗传算法和改进后的遗传算法，来识别三相异步电动 机的稳态等效电路参数。研究的主要内容是结合三相异步电动机稳态模型的特点 和实际应用的情况，参考以往专家学者的相关研究成果，进一步探讨和验证遗传 算法在三相冥步电动机参数识别中的有效应用问题。围绕本课题主要进行了以下 几个方面的工作： 1 学习掌握高级编程语言c + + 和使用基于w i n d o w s 的面象对象的可视化编 程开发工具c + + b u i l d e r 6 0 ，并能熟练利用c + + b u i l d e r 6 o i 舆编写操作简单、用 户界匿友好以及高效盼电机参数识别程序； 广东工业人学工学硕上学位论文 2 收集关于异步电机原理及其参数识别方面的书籍文献资料，加以整理归 类，并逐一研读； 3 在编程工具c + + b u i l d e r6 o - f ，编写调试基于遗传算法和改进的遗传算法 的识别三相异步电动机稳态等效电路模型参数的c + + 程序，并结合利用大学城电机 实验室和江门市江晟电机厂有限公司的试验设备进行试验和仿真研究，得出电机 的仿真等效电路参数和特性曲线； 4 利用大学城电机实验室和江门市江晟电机厂有限公司的试验设备，利用电 机的传统参数识别方法做电机的基础试验和型式实验，同时根据由电脑自动读取 的电机转速电流数据，利用所编写的简单遗传算法识别程序和改进后的遗传算法 识别程序对电机的稳态参数进行识别，并对识别结果数据进行比较，试验结果表 明应用改进的遗传算法的该系统的参数识别精度有了较大的提高。 5 对所做工作进行总结，并指出不足和下一步的工作内容。设想利用粒子 群算法或者粒子群算法与遗传算法结合对电机的参数进行识别是否会取得更加理 想的结果。 6 第二章三蟾异步电动规稳态接墅聂其参数谖别穷法 第二章三相异步电动机稳态模型及其参数识 别方法 2 三相异步电动祝的稳态等效电路模型及英特性曲线函数 2 。 。 兰相异步电动祝的稳态等效毫路模型 当三相交流电动机的定子绕组接到三相对称的交流电源时，将在气隙中产生 旋转磁场。根据磁通经过的途径和性质，如图2 - 1 所示，可以把磁通分搿主磁通 和漏磁通嚣大类。 a ) 磁路b ) t 形等效电路 图2 1 三相异步电动枫的磁路及下形等效电路 f i g 2 - 1m a g n e t i c & e q u i v a l e n ttc i r c u i t 主磁通是指同时与定、转孑绕组交链，在气隙中以网步转速旋转的基波磁通。 由于这部分磁通同时交链定、转子绕组，在定转予绕组产生三相异步电势，进行 能爨转换，故称其为主磁通。兰相异步电动机的主磁通是旋转磁道，其磁密波沿 气隙圆属按正弦栽律分布，且以同步转速旋转，其值的大小代表磁密波每半个渡 的磁逶量。 漏磁通是指仅与定予绕组或转子绕组一方交链的磁通。定子绕组的漏磁遄分 成三部分，一部分为槽漏磁通，一部分为端部漏磁通，另一部分为谐波漏磁通。 7 广东工业大学丁学硕+ 学位论文 槽漏磁通是指横穿定子槽的漏磁通；端部漏磁通是指与定子绕阻端部交链的漏磁 通；谐波漏磁通是指气隙中除主磁通( 基波磁通) 外的谐波磁通，又称差漏磁通。 同样，转子绕组的漏磁通也包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波磁通。 三相异步电动机t 形等效电路的左边部分串联支路表示定子电阻和定子漏感 磁路，其中定子每相电阻r s 是表征定子铜损的参数，定子每相漏电抗x s 是表征定 子漏磁路特性的参数；中间支路表示主磁通磁路，其中激磁电阻r m 和激磁电抗x m 是 表征主磁通铁损耗和磁路上铁心的磁化特性的两个参数；右部支路表示转子电路 和转子漏磁路，其中转子每相电阻r r 是表征转子铜损的折算后参数值( 折算前为 r r ) ，而转子每相漏电抗x r 是表征转子漏磁路特性的折算后参数值( 折算前为 x0 ) 。 2 7 】 2 1 2 三相异步电动机的特，l 生曲线函数 由文献 2 4 2 5 2 6 2 7 3 1 可知，关于三相异步电动机的特性曲线函数有 以下相关结论。 如图2 1 ，设三相异步电动机t 形等效电路的阻抗为z 。，定子相电压为玑， 则 d z s = rs 七1 xs 七媾m 七j x3 | | e 2 七 x 、 设a l ：( x 。+ x r ) j r 。( x 。+ x ，) + r ，( x ，+ x r ) + ( z ，+ x m ) 生】 a ：( r + 生) r 心一以( 以+ x r ) 一以墨+ ( 足+ r 。) l 1 a 3 ；( r 朋+ r ) e r ，( x ，+ x ，) + r 。( x ，+ x r ) + ( x ，+ x m ) l 】 s s a 4 ：( x 册+ 彳，) 月，月。+ x ，( x 。+ x ，) 一x 。x ，+ ( r 。+ r 。) 生】 刚有： 8 第二章三褶籍步电动机稳态模鼙及其参数识鄹方法 ，( q + ) 2 + ( 鸭一q ) 2 q 一吸+ 堡) 。+ ( 最+ 五) 2 ( 2 。1 ) 瓤班一 一 2 功率因数战线方程 嗽吣) = 罢= 瓦( e + i 1 s 蕊) ( b 污+ a 万s ) 瓦+ f 面( d 瓦+ c 丽s ) 形+ ( n 艇+ 叼+ ( e b + f d ) =：!：，。，。!：!：+。，一 +(腰一腰卸z+(bfed) s s 。 c o s o ( s ) = 4 c t g z q ，( s ( 1 + c t g z q ) ( s ) ) 3 输入功率曲线方程 删划 ( 栅瑚；竺( 塑b + a 兰s ：) 2 么+ ( 幽d + c 竺s s ) ：。么! ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ：形：+ m 艇+ 叼+ ( e b + f d ) q 以尚万万一 泣5 ， 9 广东丁业大学工学硕士学位论文 定子电势e s = u 。一，( r ，+ 。) = u ，( z 一( 尺，+ ，) ) z 越警嚣掣 “加赢川 5 输出功率曲线方程 g ( 2 6 ) 驰) - 3 咚而西丽g f 万而7 l - - s 匕( 2 7 ) 这里p 。a 表示电机附加损耗，额定功率时取其输入功率的o 5 ，其它负载点 按与定子电流平方成正比确定；p f , 表示电机机械损耗，可在电机的空载实验中测 定。 6 效率曲线方程 乙= 警牙一卜 泣9 ， 这里，p 为极对数，f 为额定频率。 对于t 形等效电路模型( 图2 一1 ) ，得到以下结果： l o 半 第二章三相辩步电动机稳态模塑及其参数识剐方涣 a = r ，十r 。 b = ( r ，r 崩一r 。( 埘+ x ，) 一x 册x ，) r ，) c = x ，+ x 。 d = ( 震，( 茗。+ x ，) + r 埘( x ；+ x ，势r ， e = r ，r ， f = ( x 。+ x ，) r ， g = , ( r i + x ：) r ， g = 俾：+ x ：) r ， 2 2 - $ i l 异步电动机参数识别方法及特点 ( 2 1 0 ) 参数识别是通过测量系统的输入输惑特性来识别系统模型的未知参数的。参 数识别考虑了测量噪声和干扰等随机因素的影响。假设系统的输入向量为墨输 出向量为k 未知的参数向量为p ，估计的参数向量为参，表示系统输入输出关系 的方程为y = f ( p ，固+ 夥( w 是表示测量噪声和干扰的随机变量) ，则最佳的估计 参数多。即是使得衡量估计误差大小的准则函数，( 多) 达到最大或最小的参数。比 如，极大似然估计选择使得条件概率密度f ( yi 多) 达到最大的参数作为最优估计参 数，最小= 乘估计选择使得拟合误差的平方和iy 一厂( 多，x ) 1 2 达到最小的参数作为 最优估计参数。三相异步电动机的参数识别方法根据所使用的数学模型的不同可 以分为两类，一类基于由微分方程描述的动态模型，另一类基于由代数方程描述 的稳态模型。 2 2 1 三相异步电动机动态参数识别简介 交流传动已经占领变速传动领域的主导地位，各种高性麓的交流电机变频调 速系统也广泛应属于工农韭生产。磁链估计和参数辨识是高性能变频调速传动的 关键技术，已成为各国学者研究的热点。交流三相异步电动机是多变量、非线性 和强祸合的高阶系统，基于空闻矢量分析的交流电机复数模型具有物理概念清晰、 形式篱洁的特点。 为了适应对三相异步电动机调速的高精度快速响应的要求，实现对三相异步 电动机动态过程的有效控制，在二十世纪七十年代初期，诞生了磁场定向控制( 又 广东工业人学工学硕士学位论文 称矢量控制) 的理论。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子 电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制， 从而达到控制异步电动机转矩的目的。 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值 和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控 制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有 速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机 来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛 地应用在s i e m e n s ，a b ，g e ，f u j i 等国际化大公司变频器上。 采用矢量控制( 磁场定向控制) 方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流 电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据 的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异 步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量 控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能， 带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异 步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对 普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 矢量控制仿照直流电动机的控制机理，实现了对三相异步电动机转矩和气隙 磁链的解耦控制。矢量控制系统具有高速的动态响应，较宽的调速范围和良好的 控制灵活性，因此得到了广泛的应用。 三相异步电动机的矢量控制需要知道定、转子磁链位置角并对磁链的幅值加 以控制。由于磁链的不可测性，矢量控制需要根据准确的电机参数以间接计算磁 链的大小和位置角，电机参数的偏差会导致对磁链的错误控制，降低了电动机的 稳态和动态运行性能。由于矢量控制系统对参数的依赖性和敏感性，促进了对基 于三相异步电动机动态数学模型的参数识别方法的研究。根据使用场合的不同， 可分为电机运行前的参数自检测和运行时的参数自校正。 1 2 第二章三棵辩步电动机稳态模型及其参数识莉方法 2 。2 2 三相异步电动机稳态参数识别方法 l 。 传统的参数测试方法 ( 】1 ) 三相异步电动枧简化l 形等效电路 三相异步电动机的t 形等效电路参数传统上是通过直流试验、空载试验和堵 转试验测定的。t 形等效电路在空载和堵转两种特殊工作条件下可以得到简化。 在直流试验中，电机定子绕组接直流试验电流，可直接测量定子电阻。在空载运 行条件下，电机定予绕组接频率为额定值的三相对称电压，电机不带任何机械负 载，以接近于同步速的转速空转，这时转子电流和转子铜耗都很小，扣除机械损 耗之后可认为转子支路开路。在堵转运行条件下，电机定子绕组仍接频率为额定 值的三相对称电压，但电机在外力作用下停止转动，这时励磁支路的阻抗相对转 予支路大得多，使转子电流和转子铜耗很大，而铁损耗很低，故可认为励磁支路 开路。 t 形等效电路及空载和堵转时的简化等效电路如图2 - 2 所示。 r sx sx rr sx s r sx s x r r n l x m a ) t 形等效电路5 ) 空载简化等效电路e ) 堵转简化等效电路 图2 2 三相异步电动机等效电路 f i g 。2 2e q u i v a l e n t c i r c u i t ( 2 ) 传统参数测试方法的步骤 ( a ) 空载试验 三相异步电动机的空载试验通过测量空载特性以确定电机机械损耗、铁损耗 及励磁阻抗。测量前，电动机在额定电压、额定频率下空载运行一段时间，使机 械损耗达到稳定，然后使定子绕组的电压从1 1 1 3 倍额定电压开始，逐步降 低至电机转速发生明显变化或定子电流开始回升时，其间测取5 lo 个点读数，每个点测取三相电压、三相电流、输入功率三个数值；之后立即 广东工业大学t 学硕士学位论文 测量定子绕组的相电阻，或在每点读数后测量定子绕组的相电阻。试验结束后， 首先根据定子相电阻的测量值计算定子铜损( 尸o = 3 l 2 兄) 以及铁耗和机械耗之和 ( 只。+ p ，= r 一只。) 。铁耗近似与定子电压的平方成正比，而机械耗仅与转速有 关，由于空载试验中电机转速都接近同步速，变化不大，因此机械耗可认为是常 数，据此铁耗和机械耗得以分离。先作铁耗、机械耗之和与定子电压平方值的关 系曲线，延长曲线的直线部分与纵轴相交，交点的纵坐标即为电动机的机械耗 3 2 1 3 3 3 5 0 3 5 。于是，励磁电阻及空载输入感抗可按下式计算： r 。= ( 只一) 3 i ；一r ， ( 2 1 1 ) j ，d = x 。+ x ，= x u 2 1 2 , 一( ( 只一尸加) 3 ，；) 2 ( 2 1 2 ) ( b ) 堵转试验 三相异步电动机的堵转试验( 又称短路试验) 通过测量堵转特性以确定短路阻 抗。试验时，先将转子堵住，然后施于定子绕组的电压尽量从不低于0 8 倍额定电 压开始，逐步降低电压至定子电流降至额定电流为止，其间测取5 10 个值，每 点同时测取三相电压、三相电流、输入功率三个数值，为防止绕组过热，通电持 续时间不应太长；试验结束后，测量定子绕组和转子绕组的电阻( 对于绕线转子电 动机) 叫。 转子电阻和堵转输入感抗可按下式计算： r ，= p ，3 i ；一r 。 ( 2 1 3 ) x l = xr + xs = _ u ： i ：一( p , 3 1 2 ) 2 ( 、2 1 4 、) 假设定子漏抗等于转子漏抗，则 x ，= x ，= x l 2 ( 2 15 ) 最后可得励磁电抗： x 。= x o x l 2 ( 2 1 6 ) ( 3 ) 传统参数测试方法存在的局限性： 传统参数测试方法虽具有计算简单的优点，但同时也存在以下的局限性： ( a ) 传统的参数测试方法为了简化计算，在空载和堵转运行条件下对电机的 t 形等效电路作了理想化近似，空载时忽略了转子回路，堵转时忽略了励磁回路， 1 4 第二章三相髯步电动机稳态模裂及其参数识剧方法 由于电机实际上无法做到理想的空载运行，转子回路总存在一定的损耗，同样在 堵转时励磁回路也存在定的损耗，这种近似必然会引入误差； ( b ) 需要专门的实验设备，如调压变压器、功率表、电压表、电流表等。 需要专业技术人员来完成试验，试验时间长。数据读出和记录需要人工读数和人 工记录，而且读数误差较大： ( c ) 由于电机在堵转时的转差( s = 1 ) 远大于实际运行时的转差( s = 0 0 3 0 0 5 ) ，转子的集肤效应严重，使其二次绕组参数与实际运行时的二次绕组参数相 比有明显偏差。 ( d ) 为了避免过大的短路电流对电机造成损伤，堵转试验常常降压( 0 4 倍额 定电压) 进行，使电机的励磁水平远低于实际运行时的励磁水平，这也导致了电机 参数偏离实际运行时的参数。 ( e ) 传统的参数测试试验项目较多，需要可调压电源和堵转设备，还可能会 造成对试验电机的损伤，嚣此对实验条件和实验入员有比较高的要求。 2 直接修正参数法 这种方法考虑了在堵转运行条件下被传统参数测试方法忽