0 引言
在異步電機的矢量控制系統中,電動機的參數是十分重要的物理量。在電機學中利用電動機的參數構成等值電路,以此為基礎可以對三相電動機的各種運行特性進行分析。變頻調速中采用的矢量控制,控制系統性能完全依賴于所使用的電機參數的準確程度,如果參數不準確,將直接導致矢量控制性能指標下降,甚至導致變頻器不能正常工作。
三相異步電動機的基本參數包括定子電阻、定子漏感、轉子電阻、轉子漏感、定轉子互感。這些參數的確定,可以利用電機設計制造時的技術數據進行理論計算,但計算復雜,并且與實際有較大誤差;也可以采用試驗方法確定,下面具體介紹在變頻器中采用試驗的方法對各參數的測試。
1 參數測定試驗
在變頻器中,測試參數主要有兩種方法:一種是在線測試,一種是離線測試。在線測試方法主要有卡爾曼濾波法、模型參考自適應法、滑模變結構法等,這些方法要求處理器具有較高的處理速度,對系統硬件要求較高;離線測試方法主要有頻率響應試驗、階躍響應試驗等,但測試精度不高,存在計算復雜、程序計算量大等問題,故很少采用。
這里主要介紹根據傳統的電機學試驗原理,在變頻器中對電機參數進行離線測試,通過對其采取相應的措施達到測試參數的高精確度。
1.1 采用直流伏安法測試電機的定子電阻
在變頻器系統中,采用直流伏安法測試定子電阻的關鍵是如何得到低壓直流電源,當變頻器直接連接到電網時,其直流母線電壓較高,通常的辦法是對直流母線進行電壓斬波控制,得到一個平均值很低、周期固定且占空比固定的高頻電壓脈沖系列,這樣經過定子繞組中的電感濾波后,就得到一個脈動很小的直流電流。如果占空比為D,直流母線電壓為Udc,電流為I,則相應的定子電阻值為
在測試中為了防止變頻器出現過電流,應該正確考慮占空比的設定,在實際測試中可以采用電流閉環加PI 調節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,即給定電流,I 為反饋電流,即實際運行電流。試驗時,變頻器中的開關器件IGBT 的導通壓降,對測試值的影響是不能忽略的,對導通壓降補償的正確與否直接影響到測試電阻精度的高低,導通壓降除了IGBT的導通壓降,還有續流二極管的導通壓降。同時,由于IGBT在開通和關斷過程中都有一定的延時,為了準確計算輸出的直流電壓,這部分延時也不能忽略。
1.2 利用堵轉試驗測試轉子電阻及定轉子漏感
在實際的應用中,對電機進行堵轉比較困難,在此采用單相短路試驗代替三相試驗,當電機加上單相正弦電壓時,沒有電磁轉矩產生,其電磁現象與三相堵轉時基本相同,測試中,讓電機的某一相開路,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,此時測試定子上的電壓,電流和輸入功率,這樣即可計算出電機的短路電阻和短路電抗。
在堵轉試驗中,為了防止過電流現象,可以采用測定子電阻的方法加入一個PI 閉環控制,但同時也需要考慮IGBT 的壓降和續流二極管的壓降產生的影響。在變頻器運行測試中,為了防止變頻器中的上下橋臂直通現象,逆變器同一橋臂的上下開關之間的動作必須加入一段死區時間,一般為3~5μs,由于死區時間產生的誤脈沖對系統性能的影響較大,必須重點考慮,因此,對高精度的參數測試,死區時間是不可忽略的一個重要因素。
在考慮到死區時間的影響和IGBT 的開通關斷的時間后,實際的輸出電壓和給定的PWM 脈沖之間的關系表示如圖3 所示。從圖3 中可以看出,死區時間對實際輸出電壓的影響,在負載電流大于零時,實際的相電壓輸出比控制要求減少了td+tr-tf的時間;在負載電流小于零時,實際的相電壓輸出比控制要求增加了一段td+tr-tf的時間。在實際中如果根據采樣得到的電機電流對PWM 脈沖進行相應的調整,就可以對逆變器系統引入的控制偏差進行補償,從而使得變頻器系統實際的輸出電壓和控制要求一致
1.3 利用空載試驗測試定轉子間的互感
在三相異步電動機的空載試驗中,由于電動機處于空載狀態,轉子電流很小,轉差可以近似為0,等效電路如圖4 所示。圖中,rm為勵磁電阻,jXm為互感電抗。