三相異步電機(jī)參數(shù)的測(cè)試
尹彭飛， 周加勝
（山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，山東汶上272500）
摘要 介紹了根據(jù)傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)試驗(yàn)原理，在
變頻器中對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行離線測(cè)試，通過對(duì)其采取相應(yīng)的措施以達(dá)到測(cè)試參數(shù)的高精確度。
關(guān)鍵字 矢量控制；電機(jī)參數(shù)；離線測(cè)試
Three-phase Asynchronous Machine Parameter Test
YIN Pengfei， ZHOU Jiasheng
（Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develop Co.Ltd.,Wenshang Shandong 272500 China）
Abstract: According the traditional electrical machinery experiment principle, the off-line test of electrical machinery parameter in inverter is introduced. The high precision is achieved through some correspending measures.
Key words：Vector control；Electrical machinery parameter；Off-line test
0 引言
在異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)是十分重要的物理量。在電機(jī)學(xué)中利用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)構(gòu)成等值電路，以此為基礎(chǔ)可以對(duì)三相電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性進(jìn)行分析。變頻調(diào)速中采用的矢量控制，控制系統(tǒng)性能完全依賴于所使用的電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確程度，如果參數(shù)不準(zhǔn)確，將直接導(dǎo)致矢量控制性能指標(biāo)下降，甚至導(dǎo)致變頻器不能正常工作。
三相異步電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)包括定子電阻、定子漏感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏感、定轉(zhuǎn)子互感。這些參數(shù)的確定，可以利用電機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算，但計(jì)算復(fù)雜，并且與實(shí)際有較大誤差；也可以采用試驗(yàn)方法確定，下面具體介紹在變頻器中采用試驗(yàn)的方法對(duì)各參數(shù)的測(cè)試。
1 參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)
在變頻器中，測(cè)試參數(shù)主要有兩種方法：一種是在線測(cè)試，一種是離線測(cè)試。在線測(cè)試方法主要有卡爾曼濾波法、模型參考自適應(yīng)法、滑模變結(jié)構(gòu)法等，這些方法要求處理器具有較高的處理速度，對(duì)系統(tǒng)硬件要求較高；離線測(cè)試方法主要有頻率響應(yīng)試驗(yàn)、階躍響應(yīng)試驗(yàn)等，但測(cè)試精度不高，存在計(jì)算復(fù)雜、程序計(jì)算量大等問題，故很少采用。
這里主要介紹根據(jù)傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)試驗(yàn)原理，在變頻器中對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行離線測(cè)試，通過對(duì)其采取相應(yīng)的措施達(dá)到測(cè)試參數(shù)的高精確度。
1.1 采用直流伏安法測(cè)試電機(jī)的定子電阻
在變頻器系統(tǒng)中，采用直流伏安法測(cè)試定子電阻的關(guān)鍵是如何得到低壓直流電源，當(dāng)變頻器直接連接到電網(wǎng)時(shí)，其直流母線電壓較高，通常的辦法是對(duì)直流母線進(jìn)行電壓斬波控制，得到一個(gè)平均值很低、周期固定且占空比固定的高頻電壓脈沖系列，這樣經(jīng)過定子繞組中的電感濾波后，就得到一個(gè)脈動(dòng)很小的直流電流。如果占空比為D，直流母線電壓為Udc，電流為I，則相應(yīng)的定子電阻值為
在測(cè)試中為了防止變頻器出現(xiàn)過電流，應(yīng)該正確考慮占空比的設(shè)定，在實(shí)際測(cè)試中可以采用電流閉環(huán)加PI 調(diào)節(jié)器得出占空比的方法控制電流大小，如圖1 所示。
圖1 中，I * 為控制目標(biāo)，即給定電流，I 為反饋電流，即實(shí)際運(yùn)行電流。試驗(yàn)時(shí)，變頻器中的開關(guān)器件IGBT 的導(dǎo)通壓降，對(duì)測(cè)試值的影響是不能忽略的，對(duì)導(dǎo)通壓降補(bǔ)償?shù)恼_與否直接影響到測(cè)試電阻精度的高低，導(dǎo)通壓降除了IGBT的導(dǎo)通壓降，還有續(xù)流
二極管的導(dǎo)通壓降。同時(shí)，由于IGBT在開通和關(guān)斷過程中都有一定的延時(shí)，為了準(zhǔn)確計(jì)算輸出的直流電壓，這部分延時(shí)也不能忽略。
1.2 利用堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)試轉(zhuǎn)子電阻及定轉(zhuǎn)子漏感
在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)電機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)比較困難，在此采用單相短路試驗(yàn)代替三相試驗(yàn)，當(dāng)電機(jī)加上單相正弦電壓時(shí)，沒有電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，其電磁現(xiàn)象與三相堵轉(zhuǎn)時(shí)基本相同，測(cè)試中，讓電機(jī)的某一相開路，在另外兩相之間通入單相的正弦交流電，然后通入一定的電流，此時(shí)測(cè)試定子上的電壓，電流和輸入功率，這樣即可計(jì)算出電機(jī)的短路電阻和短路電抗。
在堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，為了防止過電流現(xiàn)象，可以采用測(cè)定子電阻的方法加入一個(gè)PI 閉環(huán)控制，但同時(shí)也需要考慮
IGBT 的壓降和續(xù)流二極管的壓降產(chǎn)生的影響。在變頻器運(yùn)行測(cè)試中，為了防止變頻器中的上下橋臂直通現(xiàn)象，逆變器同一橋臂的上下開關(guān)之間的動(dòng)作必須加入一段死區(qū)時(shí)間，一般為3~5μs，由于死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的誤脈沖對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大，必須重點(diǎn)考慮，因此，對(duì)高精度的參數(shù)測(cè)試，死區(qū)時(shí)間是不可忽略的一個(gè)重要因素。
在考慮到死區(qū)時(shí)間的影響和IGBT 的開通關(guān)斷的時(shí)間后，實(shí)際的輸出電壓和給定的PWM 脈沖之間的關(guān)系表示如圖3 所示。從圖3 中可以看出，死區(qū)時(shí)間對(duì)實(shí)際輸出電壓的影響，在負(fù)載電流大于零時(shí)，實(shí)際的相電壓輸出比控制要求減少了td+tr-tf的時(shí)間；在負(fù)載電流小于零時(shí)，實(shí)際的相電壓輸出比控制要求增加了一段td+tr-tf的時(shí)間。在實(shí)際中如果根據(jù)采樣得到的電機(jī)電流對(duì)PWM 脈沖進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，就可以對(duì)逆變器系統(tǒng)引入的控制偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而使得變頻器系統(tǒng)實(shí)際的輸出電壓和控制要求一致。
1.3 利用空載試驗(yàn)測(cè)試定轉(zhuǎn)子間的互感
在三相異步電動(dòng)機(jī)的空載試驗(yàn)中，由于電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流很小，轉(zhuǎn)差可以近似為0，等效電路如圖4 所示。圖中，rm為勵(lì)磁電阻，jXm為互感電抗。
如果測(cè)試中測(cè)得的額定電壓為U1，空載電流為I1，空載輸入功率為P0，則可以計(jì)算出空載時(shí)阻抗Z0，短路電阻Rk 和短路電抗Xk，這樣就可以按照堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)的計(jì)算方法計(jì)算異步電機(jī)空載等值電路中的電抗和電感。
電機(jī)勵(lì)磁電抗為
在試驗(yàn)中，功率器件的開關(guān)延時(shí)和死區(qū)時(shí)間的控制比較重要，死區(qū)時(shí)間的引入使輸出電壓下降，相位漂移，從而使電機(jī)電流偏小，測(cè)量的阻抗偏大，為了提高空載試驗(yàn)的測(cè)量精度，實(shí)際測(cè)試中可以采用電流前饋和電流反饋相結(jié)合的方法，通過檢測(cè)電流的極性和幅值來確定輸出電壓的大小。
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
用一臺(tái)11 kW/380V 的變頻器帶動(dòng)4kW 的電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)測(cè)試，變頻器控制CPU 采用的芯片是TMS320F2812，并把測(cè)試的結(jié)果與常規(guī)電機(jī)學(xué)測(cè)試結(jié)果作以比較。在常規(guī)的電機(jī)學(xué)測(cè)試中，用FLUKE 公司的F41B 測(cè)試儀測(cè)試電壓、電流和功率，以便得出準(zhǔn)確的參數(shù)。測(cè)試結(jié)果及參數(shù)分別如表1、表2、表3 所列。
通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，變頻器測(cè)試的結(jié)果與常規(guī)電機(jī)學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果相差較小，誤差基本在5%以內(nèi)，試驗(yàn)表明，參數(shù)測(cè)試的精度完全可以滿足矢量控制的要求，這對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)定三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)具有特別重要的意義和參考價(jià)值。
3 結(jié)語
對(duì)三相異步電機(jī)參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試，是變頻器進(jìn)行矢量控制的關(guān)鍵。只有準(zhǔn)確地輸入電機(jī)的參數(shù)，矢量控制功能才能得到發(fā)揮，從而能對(duì)電機(jī)進(jìn)行可靠的控制。本文介紹的方法比單純依據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)輸入要準(zhǔn)確得多，是獲取電機(jī)參數(shù)的較理想的措施。
