一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法技术

本发明专利技术涉及一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，包括步骤：1)根据d‑q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向；2)在转子磁场准确定向，转差频率得到校正补偿的基础上，对转子时间常数进行估算；3)在电机初次启动达到转速稳定的较短时间内，估算转子时间常数值，并获取电机冷却介质检测温度；4)在电机正常工作过程中，估算当前转子时间常数值，并获取对应此时的电机冷却介质检测温度，对转子绕组温度进行实时估测；5)求取转子绕组的温升。与现有技术相比，本发明专利技术具有转子磁场定向准确、鲁棒性好，便捷实现转子绕组温度监测，不受硬件设备自身特性以及工作环境的电磁干扰等影响的优点。

An on-line monitoring method of rotor winding temperature in vector control of asynchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法
本专利技术涉及异步电机监测
，尤其是涉及一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法。
技术介绍
异步电机变频调速转子磁场定向矢量控制可以将异步电机固有的非线性机械特性改造成与直流电机相似的线性机械特性，而且电流与磁链之间完全解耦，具备了达到直流电机调速控制优良性能的基本条件。因而转子磁场定向是异步电机矢量控制中最值得深入研究和完善的控制技术。但是在转子磁场定向矢量控制技术的几十年发展历程中，由于受到电机转子电阻Rr和时间常数Tr随运行状态与温度不同而大幅度变化的影响，使转子磁场定向难以准确，成为阻碍高性能变频调速技术发展一直悬而未决的难题。现有技术研究解决这个问题的方法和途径主要有两类：1、采用各种不同方法建立转子磁链的数学模型，对转子磁链进行反馈闭环控制。再用非常复杂的参数辨识算法(模糊逻辑算法、神经网络算法、蚁群算法、遗传算法……等等，这些算法还远不成熟)，对模型中的转子电阻Rr和时间常数Tr进行离线或在线辨识修正。这类方法显而易见的缺点是大大增加了控制系统的复杂性，甚至有可能对控制系统的稳定性，可靠性，快速性和准确性带来严重的负面效果。2、采用各种不同的磁通观测技术，诸如全阶状态观测器、滑模观测器、卡尔曼滤波器、模型参考观测器……等等，都还存在各种各样的问题，目前还处于研究实验阶段，实际用于交流电机的磁通准确观测还有较大距离。转子绕组的温度监测对电机的安全运行非常重要，测量方法分为直接测量法和间接测量法。由于电机运行时转子处于高速旋转，采用转子线圈内埋入传感元件的直接测温法在工艺实现上很困难，且给电机的安全稳定运行带来隐患。有学者提出基于红外热敏器件的非接触式测温和基于GaAs晶体温敏元件的光测量技术等方法，但此类技术受限于传感器自身特性以及工作环境的电磁干扰等因素，因此，大多还处在试验研究阶段，并未在电机转子测温领域成熟应用。目前大多采用间接估测法，又分为模型损耗估测法和绕组电阻随温度变化估测法。模型损耗计算法所依赖等效热源的分布与计算方法还处于研究探索阶段。绕组电阻随温度变化估测法需要对转子绕组的电阻进行实时在线准确辨识检测，其方法如前所述仍然处于探索研究之中。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，包括如下步骤：步骤1、根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向；具体内容为：由d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，构造出一种既不含定子电阻Rs也不含转子电阻Rr的负载角θ的参考模型：其中：σ为电机的漏磁系数，其计算式为：式中，id、iq、ud、uq分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压信号，Lr、Ls、Lm分别为电机转子电感、定子电感和互感。ω1为定子角频率。根据实测电流获取负载角θ的可调模型：将两种模型负载角的正切值作差输入PI调节器，对转子磁链与定子电流的之间的相角差直接进行补偿校正，获得转子磁场准确定向；其调控输出值与转速闭环调节的输出值相关，若转速闭环调节的输出值为q轴电流给定值则转子磁场定向模块的输出值为直接调控励磁电流；若转速闭环调节的输出值为转差频率ωs，则转子磁场定向模块的输出值为Δω，对转差频率进行矫正。步骤2、在转子磁场准确定向，转差频率得到校正补偿的的条件下，基于同步旋转坐标下的定子电流d轴电流和q轴电流，对转子时间常数进行估算，其计算式为：步骤3、当电机初次启动其温度与电机冷却介质温度Ar0一致时，在启动达到转速稳定的较短时间内，获取根据步骤2得到的转子时间常数的辨识修正值Tr0。步骤4、在电机正常工作过程中，根据步骤2的方法估算当前转子时间常数值并获取对应此时的电机冷却介质检测温度Ar1，结合步骤3的数值对转子绕组温度进行实时估测。转子绕组的实时估测温度的表达式为：式中，βr为转子绕组导体材料的电阻温度系数(铜：βr＝234.5，铝：βr＝225)。根据转子绕组的温度计算当前转子绕组的温升ΔAs，其计算式为：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术将隐含在磁链辨识、参数辨识、解耦控制相互交织之中的磁场准确定向问题分离解脱出来，独辟蹊径，从分析异步电机负载角θ(定子电流矢量与转子磁链矢量之间的相角差)与转子磁场位置的关系入手，构造出一种与定子电阻、转子电阻均不相关的转子负载角参考模型，根据d-q同步旋转坐标下的实测电流信号获得负载角的可调模型，并以两种负载角正切值的差值输入PI调节器，对转子磁链与定子电流之间的相角差直接进行补偿校正，实现了转子磁场定向的独立控制，具有定向准确、控制策略简捷高效、稳定性好、收敛速度快，且不受电机定、转子电阻参数变化影响，鲁棒性优良，从而解决了矢量控制中最基础最关键的转子磁场准确定向难题；2)本专利技术在转子磁场准确定向，转差频率得到校正补偿的条件下，对转子时间常数进行估算，计算方法简捷、高效、准确；并用此在线实时估算的时间常数对控制器中的相应参数进行实时修正，一方面解决了转子时间常数随温度变化对控制性能带来的不利影响；另一方面为估算转子绕组温度创造了有利条件；3)本专利技术方法通过转子时间常数的变化情况对转子绕组温度进行监测，在转子电阻难以通过在线测量或者控制系统估算输出时，根据转子电阻跟转子时间常数成反比的关系，利用转子时间常数的变化来反应转子电阻的变化，即反应出温度的变化，对转子绕组的温升监测既无需依赖对等效热源的分析计算，也无需引入复杂冗繁费时费资源的算法，更无需专门的硬件支持，而是跳出依赖转子电阻准确辨识的思维局限，利用对转子时间常数的准确辨识，简捷高效地实现转子绕组运行温度和温升的在线监测，且不受硬件设备自身特性以及工作环境的电磁干扰等因素的影响，简便易行，准确性好，实用性强。附图说明图1为本专利技术实施例中利用异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法的异步电机变频调速矢量控制系统示意图；图2为本专利技术实施例中转子磁场定向负载角校正示意图；图3为本专利技术实施例中转子时间常数估算示意图；图4为本专利技术实施例中转子温度检测示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。实施例本专利技术涉及一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，本实施例以采用电流跟踪型PWM逆变器为例对本专利技术进行说明，如图1所示。本专利技术方法亦可适用于采用电压源型SVPWM逆变器的异步电机变频调速矢量控制系统。本专利技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：/n1)根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向，同时也使转差频率得到补偿校正；/n2)在转差频率得到校正补偿的条件下，对转子时间常数进行估算；/n3)在电机初次启动达到转速稳定的较短时间内，根据步骤2)的方法估算转子时间常数值，并获取电机此时对应的冷却介质检测温度；/n4)在电机正常工作过程中，根据步骤2)的方法估算当前转子时间常数值，并获取此时对应的电机冷却介质检测温度，结合步骤3)的数值对转子绕组温度和温升进行实时估测。/n

【技术特征摘要】
1.一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向，同时也使转差频率得到补偿校正；
2)在转差频率得到校正补偿的条件下，对转子时间常数进行估算；
3)在电机初次启动达到转速稳定的较短时间内，根据步骤2)的方法估算转子时间常数值，并获取电机此时对应的冷却介质检测温度；
4)在电机正常工作过程中，根据步骤2)的方法估算当前转子时间常数值，并获取此时对应的电机冷却介质检测温度，结合步骤3)的数值对转子绕组温度和温升进行实时估测。


2.根据权利要求1所述的一种异步电机矢量控制转子绕组温度在线监测方法，其特征在于，步骤1)中，转子磁场准确定向的具体内容为：
由d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，构造一种既不含定子电阻Rs也不含转子电阻Rr的负载角θ的参考模型：



其中：



σ为电机的漏磁系数，其计算式为：



式中，id、iq、ud、uq分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压信号，Lr、Ls、Lm分别为电机转子电感、定子电感和互感，ω1为定子角频率；
由实测电流获取负载角θ的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅柏杉，刘涛，李晓华，孙改平，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31