異步電機定子繞組溫度的檢測方法

吳詩宇，溫萬昱，潘力溧

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

異步電機定子繞組溫度的檢測方法

吳詩宇，溫萬昱，潘力溧

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

電動汽車中異步電機的應用越來越多，溫升是影響異步電機甚至整車性能的關鍵因素。傳統(tǒng)定子繞組溫度的檢測方法存在一些問題，針對這些問題，本文提出基于自適應系統(tǒng)的定子繞組平均溫度在線檢測方法，并驗證其可行性，為電動汽車的異步電機溫升的檢測提供了參考。

電動汽車；異步電機；定子繞組溫度；自適應系統(tǒng)；平均溫度在線檢測

電動汽車的異步電機由于體積較小，冷卻問題較為突出，電機的溫升是重要檢測指標。電機溫升不允許超過電機內絕緣材料的耐熱等級，如果電機溫升超過耐熱等級，會造成絕緣材料損壞，電機內部短路，最終電機燒毀。不管是電機過載能力，長期負載能力還是電機輕小型化，都受限于絕緣材料的耐熱等級（即電機溫升限值）。較小的電機溫升會使得電機具有較大的過載能力［1］，同時電機溫升也是電機長時間負載運行能力的關鍵影響因素［2］，另外電機的輕小型化也取決于電機溫升［3］。如果電機溫升過高，為了避免燒毀電機，車輛動力性需降額運行，這種情況大多發(fā)生在大型電動汽車長時間爬坡過程中。故電機的溫升是影響電機甚至整車性能的關鍵因素。

異步電機發(fā)熱后，一般最有可能因為絕緣損壞而燒毀電機的是電機定子繞組［1］，由于定子繞組溫升由定子繞組溫度和冷卻介質溫度決定，故檢測異步電機溫升難度在于檢測定子繞組溫度，這也是本文研究的主題。

1 傳統(tǒng)檢測方法存在的問題

主流傳統(tǒng)的電機定子繞組溫升檢測方法有：溫度傳感器直接采集法和電阻外推法。

1）溫度傳感器直接采集法 在電機定子繞組表面裝設熱電阻或其他溫度傳感器直接采集溫度。對于交流異步電機，定子繞組溫度過高可能導致電機損壞，此方法最為直接而簡單，但對采集點要求很高，采集點溫度也不能反應繞組的平均溫度；另外，裝配在電機內部的溫度傳感器無法計量，第三方檢測機構不能使用這個方法進行電機定子繞組的溫度檢測。

2）電阻外推法 此方法依據定子繞組這種材料的電阻與溫度的關系，根據斷能瞬間的電阻值，得到定子繞組溫度，此溫度為電機繞組的平均溫度。這種方法不涉及到計量問題，是國家標準［4-5］中規(guī)定的檢測方法，較適合第三方檢測機構使用。

在電機運行前，測得繞組冷態(tài)電阻Rc，并記錄環(huán)境溫度θc（℃）。當電機運行到要求的時刻斷能停機，從此時刻開始記時，每隔一定時間記錄這一定子繞組電阻值。在半對數坐標上，繪制繞組電阻與時間曲線，在圖上外推得到斷能時的電阻值R0。把這些數據代入公式（1）中，得到電機繞組的平均溫度θ。

對于銅繞組采用式（1），對于鋁繞組，式（1）中的235改為225。

但此方法無法在線監(jiān)控電機定子繞組溫度；并且，在半對數坐標上進行外推，相當于用半對數坐標去擬合實際的溫度與電阻曲線，這樣的檢測會有一定的誤差。

鑒于以上2種方法存在的問題，亟需研究一種針對交流異步電機的定子繞組在線式平均溫度檢測方法。

2 基于自適應系統(tǒng)的溫度辨識方法

本文中研究的方法仍利用異步電機定子繞組的電阻與溫度的關系。首先根據異步電機原理［6］，把電機三相電壓和三相電流轉換到α、β坐標上。

式中：iA、iB、iC——三相電流；uA、uB、uC——三相電壓；uα、uβ——定子電壓的α、β分量；iα、iβ——定子電流的α、β分量。

定子電壓方程

式中：ψα、ψβ——定子磁鏈的α、β分量；Rs——定子電阻；p——微分算子。

轉子電壓方程

定子磁鏈方程

式中：Ls——定子自感；Lr——轉子自感；Lm——定轉子互感。

以上是自適應的參數辨識方法，自適應系統(tǒng)可分為前饋和反饋，當前饋部分的傳遞函數為正時，且反饋環(huán)節(jié)滿足一定的條件［7］，自適應參數辨識是收斂的。滿足此條件的自適應算法為

將式（4）～（7）整理得到電壓模型

同時得到電流模型

式（10）中不含定子電阻，而式（9）中含有待辨識變量，采用自適應辨識方法［8］，以電流模型為參考模型，電壓模型為可調模型，利用2個模型輸出轉子磁鏈的誤差構成自適應律，實時調節(jié)可調模型的定子電阻，以達到可調模型跟蹤參數模型的目的。根據式（8）可以得到圖1中的自適應算法。

選擇合適的比例、積分系數K1、K2可加速響應、減小超調量。自適應律如圖1所示。

從上面的電流模型和電壓模型可以看出，算法中涉及到積分，運行中測量誤差或參數變化會引起積分誤差累計。另一方面，算法中涉及到電機漏感，運行中漏感也會發(fā)生變化。

圖1 自適應律

將式（13）作為參考模型，式（12）作為可調模型，這樣的系統(tǒng)不含積分和電機漏感，參考圖1可以得出優(yōu)良的自適應律，進而達到定子電阻的自適應辨識。利用異步電機定子繞組的電阻與溫度的關系，可得到定子繞組溫度。

3 電機定子繞組溫度檢測系統(tǒng)及其驗證

新的溫度檢測系統(tǒng)采集電機三相電壓電流及旋轉變壓器的信號，通過自適應系統(tǒng)辨識出異步電機定子繞組溫度，不會對電機正常運行造成干擾。溫度檢測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 定子繞組溫度辨識系統(tǒng)原理圖

以上檢測系統(tǒng)主要由三相電流霍爾傳感器、信號處理電路及自適應算法執(zhí)行計算機組成。此系統(tǒng)主要是利用了現代計算機快速計算的能力，保證自適應系統(tǒng)的反復迭代得以實現，可調模型不斷接近參考模型，辨識定子繞組電阻，根據定子繞組電阻與溫度的關系，得出定子繞組溫度。為驗證檢測系統(tǒng)的可行性，采用異步電機定子繞組的多個溫度采樣點的平均值與系統(tǒng)辨識的溫度值進行比較。2種結果對比如圖3所示。

圖3 多個溫度采樣點平均值與自適應系統(tǒng)辨識的溫度值

從圖3可看出，辨識的溫度在很小誤差范圍內完全跟蹤上多個溫度采樣點的溫度值，可以看出這樣的溫度辨識算法是可行的。

4 結語

基于自適應系統(tǒng)的溫度辨識算法可以實現定子繞組平均溫度的在線辨識。這種方法克服了傳統(tǒng)溫度檢測方法的不足，可作為電動汽車用異步電機的定子繞組溫度檢測的輔助手段，進而為電動汽車的異步電機溫升的檢測提供了參考。

［1］ 譚夢，喻皓，洪兢.新能源汽車發(fā)電機溫升問題改進［J］.機電工程技術，2013，42 （6）：226-228.

［2］ 王再宙，張春香，呂鋒.混合動力電動客車電機系統(tǒng)連續(xù)電動溫升及高效區(qū)研究［J］.微電機，2010，43（7）：47-49.

［3］ 杜燦陽.大型交流電動機溫升試驗研究［J］.中國農村水利水電，2003（9）：55-57.

［4］ GB/T 18488.1—2015，電動汽車用驅動電機系統(tǒng) 第1部分：技術條件［S］.

［5］ GB/T 18488.2—2015，電動汽車用驅動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法［S］.

［6］ 秦廣煒.三相異步電動機仿真及在高效再制造中的應用研究［D］.南寧：廣西大學，2016：59-68.

［7］ 陳復揚.自適應控制［M］.北京：科學出版社，20l5：78-113.

［8］楊燕，曹建光，田志宏.交流電機模型參考自適應控制系統(tǒng)的仿真［J］.電氣傳動，2007，37（5）：13-15.

Research on Stator Winding Temperature Detection Method of Asynchronous Motors

WU Shi-yu，WEN Wan-yu，PAN Li-li
（Chongqing Vehicle Test amp; Research Institute Co.，Ltd.，National Bus Quality Supervision amp; Inspection Center，Chongqing 401122，China）

Asynchronous motors are more and more used in electric vehicles. Temperature rise is the key factor that affects the performance of asynchronous motors and even whole vehicles. There are some problems in the traditional method of stator winding temperature detection. In order to solve these problems，an adaptive system based on stator winding mean temperature on-line detection method is proposed in this paper. The feasibility of the method is verified. It provides a reference for the temperature rise test of asynchronous motors in electric vehicles.

electric vehicle；asynchronous motor；stator winding temperature；adaptive system；average temperature on-line detection

U469.72

A

1003-8639（2017）11-0009-03

2017-07-27

吳詩宇 （1986-），男，碩士，工程師，主要從事電動汽車電機檢測技術的研究。

（編輯 楊 景）