【《永磁同步电机定子绕组温度在线估计策略分析案例》5000字】

永磁同步电机定子绕组温度在线估计策略分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22048永磁同步电机定子绕组温度在线估计策略分析案例 117036一、信号注入对电机性能影响 118402(一)磁饱和分析 117731(二)转矩脉动分析 37524(三)损耗分析 531455二、信号注入策略的优化 727843(一)信号注入大小 71096(二)信号注入时间间隔 8一、信号注入对电机性能影响直流电压信号的注入将不可避免的导致电机性能受到某种程度的损失，对磁饱和、转矩脉动以及电机损耗方面的影响研究是我们分析定子温度在线估计的前提。并且对讨论策略优化提供了理论依据。(一)磁饱和分析在电机正常运行期间，当没有直流信号注入时，总磁通以同步速度旋转。在永磁同步电动机的设计中，通常在满负荷条件下会出现轻微的磁饱和现象以减小铁心的损耗，进一步减小成本，提升电机工作效率[62]。永磁同步电机正常工作时，负荷稳定的情况下，旋转磁通量及饱和水平基本不变。将磁通量值分为饱和与不饱和两种情况，图3.1显示，当磁饱和时，值降低。但是，电机额定工作时，其旋转磁通量值不变，在所有工作周期里，磁通量饱和效应相同。图3.1考虑磁饱和、不考虑磁饱和的磁通量当信号注入时，直流信号能够诱发定子电流偏差以及磁通偏离，上图3.1（b）表达了实际通量值，在信号注入时，电机出现固定通量以及原磁场旋转通量两部分组成该值。从图3.1（b）能够发现，所有周期里，当注入直流发生偏置时，其磁通量也随之发生了改变。也就是说，所有循环中出现的磁饱和程度都不一致，其规律是：总磁通值变低，饱和程度较低；总磁通值变高，饱和程度较高。也就是说，当磁通量改变后，电感在所有循环中都能够诱发周期地改变。在信号注入出现异常后，旋转磁通以及静态磁通（直流信号注入后出现）处于同一相的情况下，磁通量提升；旋转磁通与静止磁通在非同一相位的情况下，磁通量降低。所以，直流信号假定从A相注入到B相和C相，与正常状态相比，A相电流正峰值附近的磁饱和度更高，负峰值附近的磁饱和度更低。因此，当A相电流出现正峰值时，所有三相电流总绝对值增大，当A相电流出现负峰值时，所有三相电流的总绝对值减少。当注入直流信号幅值增大或负载较高时，饱和变化的影响比较明显。电机正常工作，此时磁芯中，每个部位的旋转磁通量相等；磁通发生了偏置，此时磁芯中，每个部位的总总旋转磁通量不相等。也就是说，此时堆芯损耗以及附加散热无法达到动态平衡，就会出现热问题。据此，间隔输入直流偏置信号，能够有效改善热现象，从而在正常状态中获得定子温度的精确评估值。定子绕组中，电阻以及温度的评估，由输入电流和电压里直流分量来决定准确率，所以磁饱和因素是务必要重视的因素。下文在磁饱和影响因素的基础上，对定子电压以及电流里直流分量的推导。直流信号假定从A相注入到B相和C相，所以，定子电压以及电流在d轴中能够成立以下公式（3.1）该公式中，d轴定子磁通量由代表d轴定子磁通量，d轴定子电压由代表，该参数中，ms是磁饱和缩写。所以，定子电压中直流分量在d轴的公式能够列为：（3.2）该公式中，T代表基波的循环时间。当工作正常时，该时间与饱和度循环时间成正相关，定子磁通量的基频循环时间依然固定。也就是说（3.3）该公式里，代表定子电流直流分量（d轴）。此时，磁饱和因素并不会让公式改变，所以，对定子绕组电阻的估计：（3.4）(二)转矩脉动分析在电机真实工作中，当瞬态启动时，电机内部输出转矩并不能够维持在一个固定值，随着电机进入平稳工作状态，转矩围绕固定值有小幅波动，这种波动幅度逐步减小直至不变。根据相应的设置，当电机的控制系统放弃高通滤波处理采样信号，则输入信号后，该信号会让直流分量流入控制回路，影响闭环控制。而且直流电压输入还会给电机的三相绕组提升直流分量，从而打破电机中，电压和电流的三相平衡。所以，直流信号注入后转矩脉动是不可避免的。考虑到负载的转动惯量以及速度控制回路的响应，将小部分信号输入电机后，即使电机转速受到的影响可以忽略，但是转矩震荡仍需注意。也就是说，电机的转矩脉动是必须要进行研究的。综合公式2.9、2.12、2.13、2.14、2.15、2.16、2.17，得出当直流电压信号输入后，相应出现的转矩分量为（3.5）上公式里，代表电磁转矩直流分量（直流电压信号相关）。其中，转矩震荡的第一项，在转子励磁过程中出现；转矩震荡的第二项，在气隙分散时出现。将=0，从而得出下列公式（3.6）上述公式中，当永磁同步电机为表面式时，=，由于第二项值=0，所以得出公式3.7（3.7）上述公式中，、是固定值，，是A相绕组直流电流分量，该分量出现在直流电压信号输入后。公式3.7说明，幅值在转矩脉动中：（3.8）公式3.8说明，幅值增大或变小仅因为注入信号增大或变小。在本文中，新增了转矩脉动比的概念，该概念是将幅值除以幅值得出的比值：（3.9）当永磁同步电机为表贴式时，公式2.9变形成：（3.10）输出转矩幅值用：（3.11）式中为q轴电流的幅值。由式（3.8）和式（3.10）代入式（3.9）可得（3.12）综合公式2.15、3.9、3.12得出，注入直流电压信号增强，三相电流中，直流分量在总体电流量中的占比越高，转矩纹波比提升，也就是说，负荷相等的条件下，转矩直流分量与永磁同步电机的运行性能成反比，所以，直流电压信号处在一个较好的范围内能够帮助电机输出转矩脉动减小。(三)损耗分析电机损耗直接导致电机性能的下降，当电机运行时，其能耗与运行效率成反比。而电机损耗的诱因主要来自热传递。在定子绕组中，有铜绕组，也有绝缘材料，这些部件有很强的温度敏感性。当电机损耗升高时，其内温也会随之上升，而内温越高，绝缘材料的使用寿命就越短，电机的使用时长也随之减小，电机的故障发生率就越高。而在电机具体数据的基础上，对电机结构或配置形式进行改良，就可以对电机损耗有一个准确的评估，还能够略微减小电机损耗，最终对电机温度进行精准评估。电机损耗表现在以下几个方面：定子铁心损耗、绕组损耗、机械损耗以及其他损耗，其中由于铁心磁场随时间呈非正弦线性变化，计算定子铁损比较困难。为了更加有效的评估铁心损耗，就要对铁心内磁场进行精准分析[64]。为了简化计算过程，将集肤效应和邻近效应省去。集肤效应和邻近效应还会导致涡流损耗。在电机中，各轴承的连接处、转子的表面都会因摩擦而出现相应的损耗。而谐波磁通以及漏磁通也会发生杂散损耗。直流信号的输入，还会让电机出现其他损耗，在直流信号输入后，电机温度增大。所以，这种其他损耗（附加损耗）需要被计算和研究，方可让绕组的绝缘性能直流信号注入不会损坏系统。当直流电压信号注入α轴内时，电机中，三相绕组会产生两种分量，分别是直流电压分量、直流电流分量。直流分量进入铁芯后，没有交变磁场，只有静态稳定磁场。所以，定子绕组中，铜绕组的损耗是必须进一步研究的。铜绕组损耗出现的根本原因在于，当电机正常工作时，三相绕组会消耗电能，从而发生铜耗。焦耳-楞次定律中，将电机定子绕组铜耗、电机定子绕组阻值以及绕组相电流作如下表示（3.13）上述公式中，电机定子绕组铜耗用代表，i相定子绕组的电流用代表，相定子绕组的电阻值用R代表。在理论中，定子绕组阻值的公式为：（3.14）上述公式中，绕组的电导率用ρ代表；半匝线圈的长度用L代表；每相线圈中串联的匝数用N代表，并绕的根数用代表，并联支路数用a代表，绕组铜线直径用d代表。所以，定子绕组电阻的精确性直接决定铜耗计算的准确性。在具体实践过程中，大多数损耗都会导致电机绕组内温上升，也就是说，绕组电阻的温度变化曲线是在进行绕组铜耗计算时的必备参数之一。公式2.11中，显示了电机绕组阻值与温度的关系。在直流电压信号输入电机后，三相绕组会产生相应的直流分量，永磁同步电机中，当电压信号输入后，在等效端口电路得出，电机附加铜耗：（3.15）式中为直流电压信号注入产生的附加铜耗。公式3.15中，直流电压输入会诱发电机附加铜耗产生，其中当增大时，的平方随之增大，定子绕组阻值减小。设代表附加铜耗，得出以下公式：（3.16）公式3.16中，直流电压信号输入后，三相绕组中，直流电流分量在所有PMSM三相电流中，所占份额通常不超过十分之一，所以，注入电压诱发的损耗值不超过PMSM正常运行时所诱发的1%。同时，电压间歇性地、周期性地注入直流电压带来比较小，所以根据研究，电机处于正常状态是，附加损耗小到不需考虑。而且附加电机铜耗也不大，电机内部温度场的变化与其无关。同时，定子铁心里，将原磁通的基础上增加附加磁通，从而使定子铁心可能发生饱和现象。然而，考虑到在每个循环中，引入的通量是周期性的，平均铁损和注入直流电流幅值大大低于额定电流，磁芯损耗几乎不会发生变化。也就是说，直流注入引发的损耗，其主要来源于在定子中产生的附加铜损耗，电机参数也证明了这一点。所以，当直流信号输入时，对电机组件产生额外热应力的评估，能够通过估计热效应的方式完成。二、信号注入策略的优化随着我们将直流电压信号注入到永磁同步电机里，上面我们讨论到了这势必会对电机的各项性能产生很多影响。定子电流中伴随着一定量的直流分量，我们在接下部分将对控制策略进行优化，在信号注入的大小与信号注入的时间间隔两方面进行控制以对整个系统的测量精度进行一定的优化。(一)信号注入大小取注入信号为，则A相定子电流直流分量为。在恒定负载下A相电流直流分量与相电流峰值的比为：（3.16）对于表贴式永磁同步电机，d、q轴电感相等，则注入信号所产生的转矩脉动幅值为，与输出转矩的比为：（3.17）由式3.17可得，电机转矩脉动比与直流电流比为正相关的。为了获得较高的温度估计精度，应该取一个较大的值，这将不可避免地导致在相同载荷下增加，从而影响电机性能。参考文献[53]研究了注入信号与温度估计精度和转矩脉动幅值之间的关系，得到了当直流分量占相交流电流的比例为5%时整体注入效果最佳的结论。则注入信号满足：（3.18）由式3.7可知，注入信号的大小与电机参数和负载有关，当负载变化时定子电流相应的发生改变。因此，在实际运行时还需根据负载状况动态调整注入信号的大小，使信号注入效果整体最优。(二)信号注入时间间隔输出转矩脉动是由信号注入引起的，必须采取措施减小转矩脉动对电机性能的影响。考虑到电机定子温度不会突然变化，可以采用周期注入信号。这样就可以估计出电机的温度，既可以实现电机的热保护，又可以减少信号注入对电机运行产生的负面影响。电机内部的加热和冷却过程通常是瞬态热交换过程，电机温度随时间增加而一直在改变。因此，热平衡方程是一个微分方程。为了简化分析以电机为理想均质等温体，可以得到相应的瞬态热平衡方程。在电机初始运行时刻，电机处于发热状态，此时热平衡方程为：（3.19）其中，Φ为电机损耗（W）；c为比热容[J/（Kg.ºC）]；M为电机质量（Kg）；为温升（ºC）；ε为表面散热系数[W/（m2.ºC）]；S为散热表面积（m2)。假设电机负载为恒值，则损耗Φ恒定不变，若散热系数ε为常数，则式3.10的解为：（3.20）其中，为t=∞时电机温升，且=Φ/(εS)；为t=0时电机温升；τ为发热时间常数，且τ=(cM)/(εS)。若t=0时刻，=0，则式3.11可简化为：（3.21）此时温度上升速度为：（3.22）由式3.13可知，t=0时温升增加最快，但随着运行时间的增加升温速率越来越慢。分析表明，当t=0时，电机开始运行，损耗导致电机温度升高，但电机的初始温升为零，没有散热，所以电机产生的热量将用于加热提高电机的温度，所以在初始时间温升的增加速度最快。随着温度的升高，散热量增加温升的增长速度会减慢，直到电机产生的热量等于散热量，温升不会增加。当电机停止运行、轻载或者空载运行时，电机处于冷却过程中，令式3.10中Φ=0，则此时的微分方程为：（3.23）设电机初始温升=，解微分方程3.14可得：（3.24）式中，为冷却时间常数。式3.15表明，电机冷却曲线为指数曲线，冷却开始时电机温升降低温度速度更快，但随着时间的推移，它变得越来越慢。当电机温度与环境温度相同时，温度升高零，电