一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法技术

本发明专利技术属于异步电机控制系统的仿真模型构建技术领域，具体为一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法，解决了背景技术中的技术问题，其包括分别建立定子绕组温度热网络模型、转子绕组温度热网络模型和异步电机电气特性模型，对各模型进行离散化处理，选定热模型离散化运算步长为h1，选定电气特性模型离散化步长为h2，将定子、转子热网络模型放入CPU运行，将电气特性模型放入FPGA运行，实现CPU与FPGA之间的数据交互及同步。本发明专利技术提出了阻值随温度变化的热阻热容并联模型，用迭代运算解决了定转子损耗与温度之间的耦合问题，同时提出了针对该类包含慢过程与快过程刚性系统的同步交互方法，保证了仿真运算的精度。保证了仿真运算的精度。保证了仿真运算的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法


[0001]本专利技术属于异步电机的仿真模型构建
，涉及半实物仿真，具体为一种考虑温度变化的异步电机半实物仿真建模方法，为半实物仿真应用提供了一种更贴近实际的电机模型。

技术介绍

[0002]半实物仿真是一种硬件在环仿真技术，通过快速建立被控对象或控制器仿真模型，对整个控制系统进行实时在线测试验证，可覆盖控制器产品全生命周期内的测试需求，尤其是电机缺相、短路、接地等许多真实试验环境无法验证的难题，在降低试验风险、节约成本的同时，大大缩短了产品开发周期，已经成为电机控制系统研发流程中不可或缺的重要环节。半实物仿真的精度主要取决于被控对象仿真模型的精度，仿真模型依据现有的等效数学方程搭建，而对于复杂的强耦合、非线性系统进行数学方程描述时往往会忽略一些本体结构、环境等因素的影响，与实际物理特性存在偏差，这就导致仿真模型搭建的不完善，也是影响半实物仿真精度的重要因素。
[0003]异步电机等效数学方程是研究异步电机动静态特性及其控制技术的理论基础，异步电机半实物仿真模型根据其数学方程建立。由于电机自身的复杂性，包括齿槽效应、磁路饱和、温度场效应等非线性因素，使得异步电机成为一个多变量、强耦合、非线性的高阶系统。为了简化电机模型及实现解耦控制，异步电机数学方程组通常转化到两相静止坐标系下，其电压矩阵方程为：
[0004][0005]其磁链方程为：
[0006][0007]此为电机统一理论，其核心在于线性变换，将复杂的非线性系统转换为具有常系数微分方程，而不考虑外部因素和特殊工况下的运行状态。使用此理论方程的前提假定条件是：电机结构对称；忽略磁饱和；忽略时间和空间谐波；忽略铁损、铜损等；忽略温度、湿度等环境因素的影响。
[0008]异步电机半实物模型使用电机统一理论数学方程搭建，表现为输入输出的线性变换关系，不能体现电机在运行过程中的参数变化特性，尤其是温度变化、磁饱和、转子时间常数等对电机参数的影响。所以，目前的异步电机半实物仿真模型不完善，不能解决电机运
行过程中参数变化而引起的仿真结果与真实电机运行结果存在偏差的问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在解决目前的异步电机半实物仿真模型不完善，不能解决电机运行过程中参数变化而引起的仿真结果与真实电机运行结果存在偏差的技术问题，提供了一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法。
[0010]本专利技术解决其技术问题采用的技术手段是：一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一、建立定子绕组温度热网络模型：建立定子铁芯到电机机壳、电机机壳到环境温度两层热阻抗的电机定子温度热阻抗串联模型，设R
x_c
、C
x_c
分别是电机定子铁芯到电机机壳的热阻与热容，R
c_s
、C
c_s
分别是电机机壳到环境的热阻与热容，P
s
为电机定子上产生的损耗功率，其等效为一个电流源；T
sx
为定子绕组温度，T
s
为环境温度，定子温度的时域模型表达式为：
[0012][0013]式(3)中，τ
c_s
和τ
x_c
均为惯性时间，τ
c_s
＝R
c_s
×
C
c_s
，τ
x_c
＝R
x_c
×
C
x_c
，P
s
(t)为电机定子铜耗功率，电机定子温度建模的方法主要是根据电机的发热机理，将热量在电机上的散热过程用热力学理论表达出来，在热力学理论中，选用热阻抗理论来描述定转子温度，步骤一中提出了考虑定子铁芯到电机机壳、电机机壳到环境温度两层热阻抗的电机定子温度热阻抗串联模型；在计算电机定子上产生的损耗之前，首先分析电机上的能量损耗，电机在带载运行过程中通常会产生铜耗、铁耗、杂散损耗、机械损耗等几种损耗，其中电机定子铁芯上产生的损耗主要为铜耗，故电机定子铜耗功率等同于电机定子铁芯上产生的损耗功率，电机定子铜耗功率P
s
(t)的计算公式为：
[0014]P
s
(t)＝3I
s
(t)2×
R
s
(t)
ꢀꢀꢀ
(4)，
[0015]式(4)中，I
s
(t)为电机定子电流有效值，R
s
(t)为电机定子电阻值，t为时间，从式(4)可以看出，电机定子上产生的热损耗是与流过的电流值和电阻值相关的，在计算中电流作为实时值是可以获取的；电机定子铜绕组的电阻值在运行过程中会随着温度的变化而变化，规律为：
[0016][0017]根据式(5)进一步将式(4)写为：
[0018][0019]式(6)中，T
sb
为冷态测量定子电阻值R
sb
时的温度，T
sx
(t)为定子电阻实时温度；
[0020]式(3)与式(6)组成了定子温度的时域模型，定子温度的时域模型的特点在于温度模型与损耗模型之间存在耦合，计算定子温度需要损耗值，计算损耗又需要定子温度值，实时定子电阻值采用式(5)即可计算；步骤一主要是通过计算电机定子温度，进而计算电子定子阻值R
s
；
[0021]步骤二、建立转子绕组温度热网络模型，转子绕组的温度建模采用与定子绕组温度相同的建模方法：设T
rx
为转子绕组温度，T
sx
为定子绕组温度，R
r_s
为转子绕组到定子绕组的热阻，C
r_s
转子绕组到定子绕组的热容，对应步骤一，转子温度模型为：
[0022][0023]式(7)中，P
r
(t)为电机转子铜耗功率，惯性时间τ
r_s
＝R
r_s
×
C
r_s
；电机转子铜耗功率P
r
(t)的计算公式为：
[0024]P
r
(t)＝3I
r
(t)2×
R
r
(t)
ꢀꢀꢀ
(8)，
[0025]式(8)中，I
r
(t)为电机转子电流有效值，R
r
(t)为电机转子电阻值，t为时间；电机转子铜绕组的电阻值在运行过程中会随着温度的变化而变化，规律为：
[0026][0027]根据式(9)进一步将式(8)写为：
[0028][0029]式(10)中，I
r
为转子绕组上流过的电流有效值，T
rb
为冷态测量转子绕组电阻值R
rb
时的温度；步骤二主要是通过计算电机转子温度，进而计算电子转子阻值R
r
；
[0030]式(7)与式(10)组成了转子温度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑温度变化的异步电机半实物建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立定子绕组温度热网络模型：建立定子铁芯到电机机壳、电机机壳到环境温度两层热阻抗的电机定子温度热阻抗串联模型，设R
x_c
、C
x_c
分别是电机定子铁芯到电机机壳的热阻与热容，R
c_s
、C
c_s
分别是电机机壳到环境的热阻与热容，P
s
为电机定子上产生的损耗功率，其等效为一个电流源；T
sx
为定子绕组温度，T
s
为环境温度，定子温度的时域模型表达式为：式(3)中，τ
c_s
和τ
x_c
均为惯性时间，τ
c_s
＝R
c_s
×
C
c_s
，τ
x_c
＝R
x_c
×
C
x_c
，P
s
(t)为电机定子铜耗功率，电机定子铁芯上产生的损耗主要为铜耗，故电机定子铜耗功率等同于电机定子铁芯上产生的损耗功率，电机定子铜耗功率P
s
(t)的计算公式为：P
s
(t)＝3I
s
(t)2×
R
s
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)，式(4)中，I
s
(t)为电机定子电流有效值，R
s
(t)为电机定子电阻值，t为时间；电机定子铜绕组的电阻值在运行过程中会随着温度的变化而变化，规律为：根据式(5)进一步将式(4)写为：式(6)中，T
sb
为冷态测量定子电阻值R
sb
时的温度，T
sx
(t)为定子电阻实时温度；式(3)与式(6)组成了定子温度的时域模型，定子温度的时域模型的特点在于温度模型与损耗模型之间存在耦合，计算定子温度需要损耗值，计算损耗又需要定子温度值，实时定子电阻值采用式(5)即可计算；步骤二、建立转子绕组温度热网络模型：设T
rx
为转子绕组温度，T
sx
为定子绕组温度，R
r_s
为转子绕组到定子绕组的热阻，C
r_s
转子绕组到定子绕组的热容，对应步骤一，转子温度模型为：式(7)中，P
r
(t)为电机转子铜耗功率，惯性时间τ
r_s
＝R
r_s
×
C
r_s
；电机转子铜耗功率P
r
(t)的计算公式为：P
r
(t)＝3I
r
(t)2×
R
r
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)，式(8)中，I
r
(t)为电机转子电流有效值，R
r
(t)为电机转子电阻值，t为时间；电机转子铜绕组的电阻值在运行过程中会随着温度的变化而变化，规律为：根据式(9)进一步将式(8)写为：
式(10)中，I
r
为转子绕组上流过的电流有效值，T
rb
为冷态测量转子绕组电阻值R
rb
时的温度；式(7)与式(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：水富丽，郑慧丽，常秀丽，王武俊，俞晓丽，卫强，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：