一种异步电机转子时间常数调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种异步电机转子时间常数调节方法，先判断额定励磁电流是否准确；令电机在空载下高速运行，录取几个不同转速阶段下的变频器实际调制系数，计算得到正常情况下应有的理论调制系数，比较两者的值，并调整系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两调制系数都比较接近为止；在确定系统设定的励磁电流值接近于额定励磁电流值的基础上，令电机在高速情况下带中载或重载运行，录取几个不同速度阶段的变频器实际调制系数，同时计算对应的转速下的调制系数，在几个不同的速度点比较两者的值；该方法效率高，费时少，可快速掌握该方法并应用于现场调试中，使电机转子时间常数接近真实值，从而保障电机工作在最佳状态。
【专利说明】
一种异步电机转子时间常数调节方法
技术领域
[0001] 本发明属于异步电机有速度传感器间接矢量控制领域，具体涉及一种转子时间常 数调整方法，主要适用于异步电机矢量控制中不带扭矩测试仪或力矩测试设备，且转子时 间常数偏差比较大的场合。
【背景技术】
[0002] 交流异步电机具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、惯量小、运行可靠、 很少需要维护和可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了极广泛的应用。交流异步 电机调速的方法也在不断发展，70年代后，一种新型控制思想一一矢量控制受到了推广和 普及，被广泛应用于各个行业中。矢量控制是以坐标变化理论为基础，把交流电机分解为磁 化电流分量和与之垂直的转矩电流分量，然后对两个分量加以控制，因此电机参数准确与 否直接关系到矢量控制的性能高低。
[0003] 在基于转子磁场定向的矢量控制方法中，转子时间常数< >对系统力矩控 r 制性能的影响较为重要，在现场调试中，由于参数辨识不准确或者其他原因会出现控制系 统中的转子时间常数Tr与电机真实的转子时间常数Trre3al不一致的情况，且当该偏差较大 时，会影响到系统的正常控制。
[0004] 要解决转子时间常数不准的问题可在变频器内部程序中加入一些自适应算法，在 变频器运行过程中实时校正转子时间常数。但目前这些自适应算法都较为复杂，将其转化 为实际工程可用的方法有一定难度，因此许多变频器内部程序并未附带此功能，而且对于 一些低端变频器而言，其电机参数识别功能也较弱，往往难以辨识出正确的转子时间常数。 现场调试的工程师常常根据自己的经验来设置转子时间常数，这也带有一定盲目性和风险 性。因此，如何在现场调试中根据测试数据快速地获取正确的转子时间常数是非常重要且 有一定难度的问题。而且在一些实际应用场合中，可能没有扭矩测试以或类似的力矩测试 设备。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是:针对没有扭矩测试以或类似的力矩测试设备的工 况下，通过观察电机运行时变频器的调制系数来对转子时间常数是否准确进行大致的判 断，手动调节电机参数，改变转子时间常数，使电机工作在最佳状态。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种异步电机转子时间常数调节方 法，包括以下调节步骤：
[0007] 步骤一:判断额定励磁电流是否准确
[0008] 令电机在空载下高速运行，录取几个不同转速阶段下的变频器实际调制系数 MprQ_real，同时根据调制系数的计算公式计算得到正常情况下应有的理论调制系数M prci_ref， 比较两者的值，并调整系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两调制系数都比较接 近为止；
[0009] 当￥。__1〈1^。_^时，可以逐步增大系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点 两调制系数都比较接近为止；
[0010] 当Mpr〇_reai~Mpr〇_ref时，系统设定的励磁电流值比较接近于真实的额定励磁电流 值；
[0011] 当Mprci_real>Mprci_ref时，可以逐步减小系统设定的励磁电流值，直至几个不同的速度 点两调制系数都比较接近为止；
[0012]步骤二:判断转子时间常数是否准确
[0013]在步骤一确定系统设定的励磁电流值接近于额定励磁电流值的基础上，令电机在 高速情况下带中载或重载运行，录取几个不同速度阶段的变频器实际调制系数Mprci_real，同 时计算对应的转速下的调制系数在几个不同的速度点比较两者的值；
[0014] 当Mprci_reai〈Mprci_ ref时，可以通过逐步减小转子电阻设定值R ' r，使k值增大，直至几 个不同速度点两调制系数都比较接近为止；
[0015] 当^。__1~1^。>时，系统设定的转子时间常数值比较接近于真实的转子时间常 数值；
[0016] 当Mprci_reai>Mprci_ ref时，可以通过逐步增大转子电阻设定值R'r，使k值减小，直至几 个不同速度点两调制系数都比较接近为止。
[0017] 所述的调制系数公式为：
[0018]
[0019] 本发明的有益效果是:经过上述两个步骤，基本上可以得到较为准确的转子电阻 R ' r，进而得到较为准确的转子时间常数τ ' r。
[0020] 本发明针对目前工程应用中驱动交流异步电机的变频器参数辨识大多不精确的 情况，基于异步电机等效电路，通过简化得到了基于调制系数进行转子调整时电机运行工 况的两个条件，并给出了通过调制系数进行判断的依据，然后通过基于调制系数进行转子 时间常数调整时的两个步骤，使电机转子时间常数接近真实值，从而保障电机工作在最佳 状态;该方法效率高，费时少，没有工程经验的工程师也可快速掌握该方法并应用于现场调 试中，该方法在系统中不带扭矩测试仪或力矩测试设备，且转子时间常数偏差比较大的时 候比较有用。
【附图说明】
[0021] 图1是异步电机等效电路图；
[0022] 图2是转子时间常数偏移系数k = 0.8时不同转矩电流与励磁电流比例系数kmt对应 的励磁电流变化系数k2值；
[0023] 图3是转子时间常数偏移系数k= 1.2时不同转矩电流与励磁电流比例系数kmt对应 的励磁电流变化系数k2值。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0025] 在一些实际应用场合中，可能没有扭矩测试以或类似的力矩测试设备，在该工况 下，可以考虑通过观察电机运行时变频器的调制系数来对转子时间常数是否准确进行大致 的判断，并给出调整方法。
[0026] 本发明主要适用异步电机矢量控制中不带扭矩测试仪或力矩测试设备，且转子时 间常数偏差比较大的场合，通过观察电机运行时变频器的调制系数来对转子时间常数准确 度进行大致的判断，根据转子时间常数偏移系数曲线对转子时间常数进行调整。
[0027] 图1所示为异步电机等效电路图，其中，A为电机端口相电压，ω :为电机运行时的 同步频率，i；为电机定子侧电流值，&为电机励磁支路上的电流值，_ζ为电机转子支路电流 值，Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，s为转差率，^^为漏感电动势，Lm为励磁电感，L s。为定子漏 感，Lr。为转子漏感。
[0028]由该图不难得到：
[0029] ⑴
[0030] 当电机转速比较高的时候，就会有ω iUARs，考虑到一般情况下，定子漏感远小于 电机励磁电感值LS(3〈〈U，这样，当电机同步频率高到某一程度时，可近似认为
[0031] (2)
[0032] 结合参数辨识中，空载励磁电流即为根据电机额定电压额定频率得到的V/f曲线， 在某一较高频率下空载运行时得到的电流。而在矢量控制中，即将该电流作为励磁电流给 定值，基于此，可以认为矢量控制下的励磁电流值即为图1中的励磁支路电流值。这样就有
[0033] Us^Em= ω iLmim ref (3)
[0034] 式中为励磁电流给定值。
[0035] 变频器带电机运行时，其调制系数Μ的计算公式为
[0036]
(4)
[0037] 其中，Μ为变频器带电机运行时的输出电压调制系数;Udc为变频器母线电压值； kM_max为当前变频器的调制模式下能够输出的最大的调制比，通常将该值取为1。
[0038] 结合式(3)、（4)，可得
[0039]
(5)
[0040]其中，M_S计算所得输出电压标准调制系数。
[0041]当电机的转子时间常数不准确时，会导致电机中实际的转矩电流值不等于给定的 转矩电流值。参考式(5 )，此时变频器输出的调制系数也会发生改变。
[0042]
(g)
[0043] 式中，k2为励磁电流偏移系数，im_real为励磁电流真实值。
[0044] 这里还要对测试时电机的运行工况进行分析：
[0045] 首先，这次分析中的几个假设都是基于电机的同步频率比较高，即电机应处于中 高速运行状态。
[0046] 其次，由式(6)可知，当电机转子时间常数不准确的情况下，要通过调制系数进行 判断时，需要励磁电流给定值和真实的励磁电流值的系数应该离1要远一些。而该值的大小 受到转矩电流值与励磁电流值比值k的影响。设k =1,，可得
'以lm rej .(.7.)
[0047] K i J
[0048] 式中，为转矩电流给定值，k为电机转子时间常数偏移系数（
为电机转子电阻真实值，Rr为电机转子电阻设定值）。
[0049] 式(7)中，当k= 1时，BP转子时间常数没有发生偏差时，恒有k2 = 1。当转子时间常 数发生偏差时，分为〇〈k〈l和k>l两种情况。这里结合实例给出不同k值下，k2随着转矩电流 与励磁电流比例系数k mt的变化趋势如图2、图3所示。
[0050] 当〇〈k〈l时，其变化趋势与图2相似;当k>l时其变化趋势与图3相似。由图2和图3可 以直观的看出，在k值一定的情况下，随着k mt由0逐渐增大时，k2值由1逐渐向k值逼近。
[0051 ]这样，结合式(6)，当电机运行时的转矩电流值较小时，kmt趋近于0，导致kmt趋近于 1，会使得即使转子时间常数偏差较大的情况下，调制系数也不会出现较大的改变，即该情 况下无法进行准确判断。
[0052]故这里给出通过调制系数进行判断的第二个条件，即在进行判断时，需要电机运 行转矩电流相应的大一些。如可$
[0053]上述给出了基于调制系数进行参数调整时，电机所需运行工况的两个条件。上述 的各种简化和分析处理主要是基于励磁电感上的压降占总压降的主要部分，其目的是为了 通过简化处理，较为方便的引出这两个前提条件。具体通过调整系数进行参数调整时，需要 把部分简化处理的条件再考虑进来。这样，其调制系数计算公式应该为：
[0054]
(8)
[0055] 同时，考虑到参数辨识中可能存在部分参数不准确的情况，可能会导致式(8)也出 现计算不准确的情况。而电机在额定频率输出额定电压，矢量控制中一般的要求是在额定 转速下不同的速度阶段其励磁电流不变。这样其端口输出电压就近似与电机的输出频率成 正比，即使负载发生变化，其电压变化也主要为图1中的电流12在定子电阻和定子漏感上的 压降，与电机高速运行时的总的端口电压值相比，这部分压降可以忽略不计。这样就近似有
[0056]
(9)
[0057]其中，fi为电机当前的运行频率，fN为电机的额定频率，im_N为电机的额定励磁电流 值，一般情况下有im_ref = im_N，UN为电机额定电压(线电压），Π1为电机额定转速，ΠΝ为电机额 定转速。
[0058] 式(9)中的调制系数计算公式，主要用到电机的当前转速、一些额定值和部分设定 值基本上没有涉及到电机参数，这样，采用调制系数进行参数调整时就不会由于参数不准 确引起误判。故在使用该方法时，推荐采用式(9)中的方法计算
[0059] 调整方法
[0060] 步骤一:判断额定励磁电流是否准确。
[0061]令电机在空载下高速运行，录取几个不同转速阶段下的实际调制系数Mprci_re3al。同 时通过式(9)计算得到正常情况下应有的理论调制系数Mprci_ref，比较两者的值，并调整系统 设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两调制系数都比较接近为止。
[_]:(9) ' ac
' ac
[0063] 其中，为电机当前的运行频率，fN为电机的额定频率，im N为电机的额定励磁电流 值，im+rrf为给定励磁电流分量，一般情况下有：^_1^=：!^，1](：1。为直流母线电压，1^为电机额 定电压(线电压），m为电机运行转速，m为电机额定转速。
[0064] 当1。_1^1〈]\^。_1^时，这意味此时系统设定的励磁电流值较真实的额定励磁电流 值要小，可以逐步增大系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两调制系数都比较接 近为止。
[0065] 当MpiO_reai~Mprt)_ ref时，即实际测得的调制系数比较接近于应有的调制系数，此时 系统设定的励磁电流值比较接近于真实的额定励磁电流值。
[0066] 当MpiO_re3ai>Mpr〇_re3f时，这意味此时系统设定的额定励磁电流值较真实的励磁电流 值要大，可以逐步减小系统设定的励磁电流值，直至几个不同的速度点两调制系数都比较 接近为止。
[0067] 步骤二:判断转子时间常数是否准确
[0068] 在步骤一确定励磁电流值接近于额定励磁电流值得基础上，令电机在高速情况下 带中载或重载运行。录取几个不同速度阶段的实际调制系数M__ re3al，同时通过式(9)计算对 应的转速下的理论调制系数在几个不同的速度点比较两者的值。
[0069] 当1。_^1〈1#。^^时，基于之前的分析，此时的转子时间常数偏移系数1^〈1(
-，Rr_real为电机转子电阻真实值，Rr为电机转子电阻设定值），可以通过逐步减小转 子电阻设定值R'r，使k值增大，直至几个不同速度点两调制系数都比较接近为止。
[0070] 当Mprci_reai~Mprci_ ref时，即实际测得的调制系数比较接近于应有的调制系数，此时 系统设定的转子时间常数值比较接近于真实的转子时间常数值。
[0071 ]当Mprci_re3ai>Mprci_rrf时，基于之前的分析，此时的转子时间常数偏移系数k>l，可以通 过逐步增大转子电阻设定值R'r，使k值减小，直至几个不同速度点两调制系数都比较接近 为止。
[0072] 经过上述两个步骤，基本上可以得到较为准确的转子电阻设定值R'r，进而得到较 为准确的转子时间常数T'r。
[0073] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于 本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种异步电机转子时间常数调节方法，通过观察电机运行时变频器的调制系数来对 转子时间常数准确度进行大致的判断，根据转子时间常数偏移系数曲线对转子时间常数进 行调整，其特征在于:包括以下调节步骤 步骤一:判断额定励磁电流是否准确 令电机在空载下高速运行，录取几个不同转速阶段下的变频器实际调制系数Mprci_real， 同时根据调制系数的计算公式计算得到正常情况下应有的理论调制系数Mprc^ef，比较两者 的值，并调整系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两调制系数都比较接近为止； 当Mpr。reai<Mpr。ref时，可以逐步增大系统设定的励磁电流值，直至几个不同速度点两 调制系数都比较接近为止； 当￥。_1^1~]/[__1^时，系统设定的励磁电流值比较接近于真实的额定励磁电流值； 当Mpro+reaOMpro+rrf时，可以逐步减小系统设定的励磁电流值，直至几个不同的速度点两 调制系数都比较接近为止； 步骤二:判断转子时间常数是否准确 在步骤一确定系统设定的励磁电流值接近于额定励磁电流值的基础上，令电机在高速 情况下带中载或重载运行，录取几个不同速度阶段的变频器实际调制系数Mnreal，同时计 算对应的转速下的调制系数在几个不同的速度点比较两者的值； 当1。_1^1<]\^。_1^时，可以通过逐步减小转子电阻设定值1?'1'，使1^值增大，直至几个不 同速度点两调制系数都比较接近为止； 当^。+^^^^^，系统设定的转子时间常数值比较接近于真实的转子时间常数 值； 当M__real>M__：ref时，可以通过逐步增大转子电阻设定值R ' r，使k值减小，直至几个不同 速度点两调制系数都比较接近为止。2. 根据权利要求1所述的一种异步电机转子时间常数调节方法，其特征在于，所述的调 制系数公式为：
【文档编号】H02P21/16GK105897104SQ201610255040
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】李鹏, 姬凯, 杨进京, 刘忠举, 赵影
【申请人】中国船舶重工集团公司第七〇二研究所, 中国船舶重工集团公司第七一二研究所