同步電機(jī)自傳感參數(shù)辨識技術(shù)

鄧先明，王 磊，郭其鋒

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

由于同步電機(jī)具有功率因數(shù)可調(diào)節(jié)、效率高、容量大等優(yōu)點，它在電力驅(qū)動領(lǐng)域使用得越來越多。為了保證電力驅(qū)動系統(tǒng)的可靠運行，對電機(jī)的溫度和參數(shù)監(jiān)測顯得格外重要。目前，溫度檢測主要采用埋設(shè)在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器來測量電機(jī)溫度。這些檢測方法需要外部機(jī)械傳感器，傳感器存在安裝困難、維護(hù)量大、可靠性不高等問題。針對上述問題，本文提出一種利用電機(jī)的自傳感理論來測量電動機(jī)溫度的方法。自傳感方法是利用電壓和電流傳感器測量繞組的電壓量和電流量，再結(jié)合電機(jī)本身的電磁特性，計算出相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)和狀態(tài)信息，不需要外加機(jī)械傳感器。

在同步電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中，需要利用電機(jī)的阻抗參數(shù)來設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)。但是電機(jī)繞組電阻會隨著溫度變化，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)不跟隨繞組電阻變化就會影響控制系統(tǒng)性能。為了對同步電機(jī)進(jìn)行精確控制，需要在線辨識電機(jī)參數(shù)，動態(tài)修改控制模型。

目前電機(jī)的參數(shù)在線辨識方法主要包括卡爾曼濾波器法[1]、最小二乘法[2]、狀態(tài)觀測器法[3]、模型參考自適應(yīng)法[4-5]、高頻信號注入法[6-7]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8-9]等高級智能算法。最小二乘法能較好地對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識，但計算量較大，需要高速控制器。狀態(tài)觀測器法將電機(jī)辨識參數(shù)作為狀態(tài)變量，利用確定系統(tǒng)來對該參數(shù)進(jìn)行估計，計算量較大。卡爾曼濾波器法計算量大。高頻信號注入法在電機(jī)運行時注入高頻信號，通過檢測高頻信號響應(yīng)，對參數(shù)進(jìn)行辨識。對于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，硬件實現(xiàn)困難，應(yīng)用也不太理想。本文提出一種基于自傳感理論的參數(shù)辨識方法，不需要外加的任何機(jī)械裝置，利用電壓電流傳感器所得到的轉(zhuǎn)子電壓電流信號，就可以對電機(jī)定子電阻進(jìn)行較為準(zhǔn)確的辨識，且原理簡單，實現(xiàn)非常容易，能夠滿足控制系統(tǒng)對定子電阻變化實時性的要求。

1 同步電機(jī)的損耗和發(fā)熱分析

1.1 同步電機(jī)的損耗和發(fā)熱分析

同步電機(jī)的損耗功率包括定子銅耗pcus、轉(zhuǎn)子銅耗pcur和空載損耗p0。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時，定子和轉(zhuǎn)子銅耗都會變化，同步電機(jī)的損耗能量會全部轉(zhuǎn)化為熱量，一部分的熱量被電機(jī)吸收使其溫度升高，另一部分熱量通過內(nèi)部通風(fēng)孔和電機(jī)表面散發(fā)[10-11]。由能量守恒原理可知，電機(jī)的發(fā)熱量與吸熱量、散熱量應(yīng)該平衡，即滿足如下方程：

(1)

式中，Q是單位時間發(fā)熱量；C是熱容量；A是散熱系數(shù)；τ是溫升;t為時間。

由式(1)可知，當(dāng)電機(jī)連續(xù)工作一段時間后，電機(jī)的溫升將達(dá)到穩(wěn)定值。但是，電機(jī)內(nèi)部不同部位的發(fā)熱量和散熱系數(shù)等存在一定差異，因此電機(jī)內(nèi)部各部分的溫度不同。為了分析同步電機(jī)內(nèi)部的溫度情況，下面用有限元法對同步電機(jī)的溫度進(jìn)行分析。

1.2 有限元仿真分析

一段時間后，電機(jī)繞組電阻值和機(jī)殼溫度基本穩(wěn)定。電機(jī)負(fù)載運行時，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均為發(fā)熱源，因此定子和轉(zhuǎn)子繞組的溫度不僅僅與繞組本身的溫升、環(huán)境溫度有關(guān)，發(fā)熱源之間也通過傳熱相互影響。因此，同步電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的溫度關(guān)系為：

(2)

式(2)中，θs為定子繞組溫度；θr為轉(zhuǎn)子繞組溫度；ks為定子傳熱系數(shù)；kr為轉(zhuǎn)子傳熱系數(shù)；θ0為環(huán)境溫度；θ1為冷卻空氣溫度；Qs為定子總發(fā)熱量；As為定子散熱系數(shù)；Qr為轉(zhuǎn)子總發(fā)熱量；Ar為轉(zhuǎn)子散熱系數(shù)。

根據(jù)式(2)，首先確定發(fā)熱源之間的相互傳熱系數(shù)ks和kr，本文分析電機(jī)的ks為0.212 7，kr為0.023 24。轉(zhuǎn)子繞組給定子的傳熱系數(shù)ks比定子繞組給轉(zhuǎn)子的傳熱系數(shù)kr大很多[12]。然后再根據(jù)式(2)計算定子繞組單獨發(fā)熱的溫升τs和轉(zhuǎn)子繞組單獨發(fā)熱的溫升τr關(guān)系。

本文采用有限元軟件Ansys對樣機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析。仿真計算得到的不同負(fù)載下的定子和轉(zhuǎn)子繞組溫升如表1所示。

表1 不同負(fù)載下定子和轉(zhuǎn)子繞組溫升

利用式(2)，結(jié)合表1可以計算出基于轉(zhuǎn)子繞組溫度的定子繞組溫度估算值，以及基于定子繞組溫度的轉(zhuǎn)子繞組溫度估算值，如表2所示。環(huán)境溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻空氣溫度為40 ℃。

表2 不同負(fù)載下電機(jī)繞組溫度的估算值和仿真實驗值

由表2可以看出，繞組溫度估算值與實際值基本吻合，誤差很小。

2 基于自傳感的同步電機(jī)溫度監(jiān)測

2.1 基于自傳感的同步電機(jī)溫度監(jiān)測原理

基于自傳感的同步電機(jī)的參數(shù)辨識電路原理如圖1所示。在電勵磁同步電機(jī)運行時，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過電刷與外加直流勵磁電源聯(lián)通。轉(zhuǎn)子勵磁回路的電阻由勵磁繞組電阻Rr和電刷接觸電阻Rb構(gòu)成。轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓Ur和電流量Ir可通過電壓傳感器和電流傳感器直接測量得到，因此轉(zhuǎn)子繞組電阻值為

Rr=Ur/Ir-Vb

(3)

圖1 基于自傳感的同步電機(jī)參數(shù)辨識電路

由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組一般由銅材料制成，因而繞組的電阻值與溫度呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為

Rr=R0×(1+α×θ)

(4)

式中：Rr是θ℃時的繞組電阻；R0為是0 ℃時的繞組電阻；α是繞組電阻溫度系數(shù)。

一般銅繞組電阻溫度系數(shù)α=(3.93～4.0)×10-3℃-1。Rr值通過式(3)直接測得；R0值可以通過測量冷態(tài)時的電阻值和溫度值直接算出；因而溫度θ可以由式(4)很方便地求出。

2.2 實驗驗證

先用直流方法測出同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的冷態(tài)電阻值和電刷接觸電阻值。然后給轉(zhuǎn)子繞組加直流電壓，使電流達(dá)到額定值，電機(jī)溫度會逐漸升高。在電機(jī)升溫的過程中每隔1 min記錄轉(zhuǎn)子繞組的電壓值、電流值和溫度值，直至電機(jī)溫度穩(wěn)定。待電機(jī)溫度穩(wěn)定后，斷電，使電機(jī)自然冷卻，每隔1 min記錄此時的定子和轉(zhuǎn)子電阻值和溫度，直至冷卻至室溫。所采用的同步電機(jī)參數(shù)：額定輸入功率200 W，額定電壓220 V，定子額定電流0.6 A，額定勵磁電流1.2 A。

實驗測得的冷態(tài)時轉(zhuǎn)子電阻值為9.7 Ω，溫度為14 ℃。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后所得的升溫時的轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化曲線見圖2,測得值與計算值比較見圖3。

圖2 轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化曲線

圖3 轉(zhuǎn)子溫度實測值和計算值比較

從圖2中可以看出，在電機(jī)升溫過程中轉(zhuǎn)子電阻與溫度基本呈線性變化關(guān)系。由圖3可以看出，估算溫度值與實測溫度值基本吻合，因而通過本文提出的溫度自傳感檢測方法可以很好地對溫度進(jìn)行檢測。

3 基于自傳感的同步電機(jī)定子電阻辨識

3.1 基于自傳感的同步電機(jī)定子電阻辨識原理

3.1.1 基于轉(zhuǎn)子繞組溫度的定子繞組溫度辨識方法

由上述電機(jī)溫度場有限元分析可知，由于定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組本身的發(fā)熱量不同，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組本身的溫升會有差異。但是，可以利用轉(zhuǎn)子繞組的溫度結(jié)合式(2)來估算定子繞組溫度。

先離線測出電機(jī)定子的傳熱系數(shù)ks和散熱系數(shù)As。然后在線測出定子和轉(zhuǎn)子損耗功率和轉(zhuǎn)子繞組溫度，最后利用式(2)計算出定子繞組溫度。

3.1.2 定子繞組電阻辨識的原理及方法

同步電機(jī)的定子繞組一般也采用銅材料制成，定子電阻值也與溫度呈線性關(guān)系。因而只需要知道電機(jī)定子的溫度就可以通過式(4)實現(xiàn)對定子電阻的準(zhǔn)確估算。在認(rèn)為轉(zhuǎn)子電阻溫度與定子電阻溫度相同時，有

(5)

式(5)中，R0s、R0r分別為0 ℃時的定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，R0s和R0r都可以由冷態(tài)時的電阻值通過式(4)直接計算得到。

考慮定子和轉(zhuǎn)子電阻發(fā)熱差異導(dǎo)致的溫度差異，通過式(5)來計算定子電阻必然帶來較大的誤差，本文采用式(2)計算得到的定子溫度,再通過式(4)對定子電阻進(jìn)行計算，而得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.2 實驗驗證

將同步電機(jī)定子繞組首尾串聯(lián)，施加直流電壓并使電流達(dá)額定值，同時在轉(zhuǎn)子繞組中也加額定的直流電流，使電機(jī)升溫直至電機(jī)溫度穩(wěn)定。在電機(jī)升溫的過程中每隔1 min記錄定子繞組電壓和電流、轉(zhuǎn)子繞組電壓和電流值。

測得冷態(tài)時定子A相電阻為16 Ω、B相電阻為16 Ω、C相電阻為15.9 Ω。

利用測得的定子繞組電壓和電流，根據(jù)歐姆定律計算出定子繞組的實際電阻值。利用轉(zhuǎn)子電阻結(jié)合公式(2)和(4)可以計算出定子繞組電阻值。

圖4—圖6為定子(A、B、C三相繞組)電阻(分別記RA、RB和RC)與溫度變化曲線，其中虛線是定子電阻計算值曲線，實線是定子電阻實測值曲線。可以看出，通過轉(zhuǎn)子溫度先估算定子各相繞組溫度值，然后再計算定子各相電阻值與實際值相比誤差很小，基本能實現(xiàn)對定子電阻變化的準(zhǔn)確跟蹤。因而通過本方法可以對定子電阻進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。

圖4 A相電阻曲線

圖5 B相電阻曲線

圖6 C相電阻曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種對轉(zhuǎn)子電阻溫度、電阻和定子電阻值的在線辨識技術(shù)。本方法不需要其他額外的機(jī)械傳感器，通過基本的電壓和電流傳感器所得的繞組電壓和電流值，再利用繞組材料的溫度特性，就可以對繞組溫度和電阻進(jìn)行準(zhǔn)確的在線辨識。 通過同步電機(jī)的堵轉(zhuǎn)升溫實驗，對本方法進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，本文提出的方法能對定子和轉(zhuǎn)子溫度和定子電阻進(jìn)行較為準(zhǔn)確的在線辨識，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求，具有較好的辨識精度和實用性。

[1] 趙歆，王明渝，劉述喜.基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子電阻辨識[J].電機(jī)控制與應(yīng)用，2009，36(3)：18-23.

[2] 吳旭升，張俊洪，劉穎奇.帶交軸短路繞組的同步電參數(shù)局部辨識[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13(增刊1)：1-5.

[3] 張細(xì)政，王耀南，楊民生.電動車用感應(yīng)電機(jī)電阻的狀態(tài)滑膜觀測新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29(15)：101-106.

[4] 王瑞，趙金，叢喆，等.基于MRAS的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)辨識方法的參數(shù)敏感性分析[J].電氣傳動，2010，40(1)：3-7.

[5] 劉述喜，王明渝，陳新崗，等.基于數(shù)字信號處理器的異步電機(jī)參數(shù)辨識實現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(10)：21-30.

[6] 萬山明，吳芳，黃聲華.基于高頻電壓信號注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估計[J] .中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，33(28)：82-86.

[7] Ciro Attaianese, Giuseppe Tomasso.Position Measurement in Industrial Drives by Means of Low-Cost Resolver-to-Digital Converter[J] .IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, December ,2007,56(6):2155-2159.

[8] 劉侃，章兢.基于自適應(yīng)線性元件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表面式永磁同步電機(jī)參數(shù)在線辨識[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(30)：68-73.

[9] Salvatore, Cupertino L, Cascella F, et al.A new approach to sensorless vector control of SPMSM with adaptive sliding-mode observer[J].Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium，2002，2(4):489-494.

[10] 吳海鷹.大中型永磁電機(jī)溫度場數(shù)值計算[D].武漢：華中科技大 學(xué)，2007.

[11] 靳廷船.多功率異步電動機(jī)電磁場和溫度場的數(shù)值計算與分析[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2006.

[12] 溫志偉.基于數(shù)值分析的大型同步電機(jī)內(nèi)溫度場的研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.