异步电机转子时间常数的补偿方法

电气传动２０１４年第４Ｊ４卷第７期

ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥ２０１４Ｖ０１．４４Ｎｏ．７

异步电机转子时间常数的补偿方法

胡庆波

（宁波乐邦电气有限公司，浙江宁波３１５１１３）

摘要：在异步电机转差频率矢量控制系统中，通常采用固定的转子时间常数进行转差频率计算，由此存在电机参数不准确而造成磁场定位不准的问题。提出了一种转子时间常数的补偿方法，采用模型自适应法将电机转子参数对控制系统的影响降为最小。实验结果表明，与常规的转差频率矢量控制方法相比，该方法能更有效地控制电机电流，并对转子参数的变化具有很强的鲁棒性。

关键词：异步电机；转差频率矢量控制；转子时间常数中图分类号：ＴＭ３４６

文献标识码：Ａ

Ｍｅｔｈｏｄ

ｆｏｒＩｎｄｕｃｔｏｒＭｏｔｏｒ诵ｔｈ

ＲｏｔｏｒＴｉｍｅＣｏｎｓｔａｎｔ

Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

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（ＮｉｎｇｂｏＲｏｂｕｓｔＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎｉｎｇｂｏ

３１５１１３，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｓｌｉｐｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｎｄｕｃｔｏｒｍｏｔｏｒ，ｉｔｈａｓ

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ｃｏｎｓｔａｎｔ

１

引言

为了解决以上问题，需要引入对转子参数的估计环节，来提高转差频率矢量控制性能。各种在异步电机的矢量控制方法中，转差频率矢

不同构造的模型参考自适应法是估计转子参数量控制具有方法简便、结构简单、控制精度高等的常用方法ｂ“。本文提出了一种新的模型参考优点，广泛应用于异步电机的驱动控制中［１“。但自适应法，即以ｄ轴电流环输出作为可调模型，电是实际应用中通常采用固定的电机转子参数来压方程作为参考模型，两者误差经ＰＩ控制器后作计算转差频率，因此使用时需要准确获得电机转为转子时间常数的补偿值。实验证明，该方法能子参数。然而电机转子参数随电机工况，如温升较好地补偿转子时间常数误差带来的磁场定位和励磁条件等的改变而不断变化，并且这种变化偏差，将电流控制在合理的范围内。通过增设一的规律事先难以获知。如：通常在恒定励磁情况个随电机转子侧参数变化而改变的转子时间常下，电机温升所引起的电阻值变化就能达到其标数补偿量，以此来修正设定的时间常数值，调整称值的０．７５～１．５倍。这种参数变化引起的后果电机控制模型中的转差频率使其更接近于实际是造成转子真实磁链与控制系统的设计磁链产值，能够克服因转子侧参数变化导致的转子磁场生相位和幅值的偏差。在转差频率矢量控制系定向不准的问题。

统中，直接后果是造成定子电流偏离设计值，电机出现弱磁或者过励运行状态，从而影响变频器２转差频率矢量控制原理

和电机的使用寿命。

图１是三相异步电机的转差频率矢量控制框

作者简介：胡庆波（１９７９－），男，博士，高级工程师，Ｅｍａｉｌ：Ｈｕｑｂ＠ｎｂｘｄ．ｃｏｒｎ１６

万方数据

胡庆波：异步电机转子时间常数的补偿方法

图，整个系统采用速度、电流双闭环的控制方式。

图ｌ异步电机转差频率矢量控制框图

Ｆｉｇ．１

Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｌｉｐｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｖｅｃｔｏｒ

ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｎｄｕｃｔｏｒｍｏｔｏｒ

图１中，ｆｄ和ｉ。分别是由轴电流给定值，ｄ轴电流作为励磁采用常值，ｇ轴电流由速度环ＰＩ控

制器获得，作为力矩电流给定。ｆ二，ｆ。分别是三相

电流反馈后经坐标变换获得的由轴电流。％和

ｕ。分别是电流环ＰＩ输出的电压矢量值，再通过空间矢量变换后送出三相ＰＷＭ信号去驱动电机。转子角速度ＣＯ，由增量式编码器反馈获得，同步角速度ＣＯ。由转子角速度∞，加转差角速度∞。获得，同步电角度０通过ＣＯ。积分获得，用于坐标变换。转差角速度计算公式如下：

∞。＝惫

㈩

式中：Ｉ为转子时间常数。

在异步电机转差频率矢量控制系统中，由于转子时间常数的设计与实际值不同造成的转子磁场

偏差角度如下式㈦：

△Ｔ

Ｘ

△ｐ一撒‘蛐百１纛了Ｔ意Ｘ

ｍ

＋ｒ×

∞２

（２）

、一７

式中：ＡＬ＝Ｃ～ｔ，ｒ为转子时间常数真实值，ｔ

为转子时间常数设计值。

由此可以看出，当转子时间常数设计值和真实值不同时，会使控制的转子磁链角和实际角度间出现偏差，从而造成无法满足转子磁场定向控制的

设计原理，也即出现了转子磁场ｇ轴分量％≠ｏ的

情况。并且当ＡＬ相差越大时角度偏差越明显，严重时会造成系统无法正常工作。

３转子时间常数的补偿方法

经上文的分析可知，转子时间常数不准造成

的影响是转子磁场定向的不准，使之出现％≠０

的情况。对照图１的控制框图，造成磁场定向不

万方数据

电气传动２０１４年第４４卷第７期

准的根本原因是变频器输出的％，吒偏离了真

实值。电机处于稳态运行时，电机定子侧电压方

程如下：

吧＝Ｒ。‘ｉ耐一ａ・Ｌ。‘∞ｏ。ｆ。

（３）ｕ三＝Ｒ。・ｆ叩＋∞ｏ‘（ａ・Ｌ。‘ｉ甜＋￡。‘硒０纪，）

（４）

式中：三。，三，，三。分别为电机定子电感、转子电感

和互感；Ｒ。为定子电阻；ａ为漏感系数。

将ｄ轴电流环输出的％作为可调模型，将电机电

压方程式（３）作为参考模型，根据自适应法原理ｂ１，

对参考和可调模型的误差进行ＰＩ运算后可获得转子时间常数的补偿值

矿

△ｔ＝（砗＋专－－）ＳＧＮ（６０。）（％一％）

（５）

式中：砩，墨分别为自适应算法的比例系数和积

分系数；∞。为同步角速度。

ＳＧＮ（ｃｏ。）是同步角速度的符号，如下式：

ｆ１∞ｏ＞ｏ｛０

０９０＝０（６）

【一１

∞ｏ＜ｏ

真实的转子时间常数如下：

ｒ＝ｔ＋△■

（７）

图２是带转子时间常数补偿的异步电机控制框图，与图ｌ相比，在转子时间常数的计算中增加了补偿环节。

图２带转子时ｌ司常数补偿的矢量控制框图

Ｆｉｇ．２

Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒ

ｒｏｔｏｒ

ｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔ

从式（３）的参考模型中可以看出定子电阻Ｒ。、电感三。以及漏感系数ａ对模型存在影响。因上述３个参数不准确而造成的误差大致如下式：

△ｇ＝ａｒｃｔａｎ（－△－万叭－－）

（８）

式中：△％为公式计算的电压矢量与实际的差值。从工程设计考虑，当电机在高速运行时％和％

相差很大，从而由定子侧参数不准确造成的误差Ａｅ很ｄｘ，可以近似忽略。在电机稳定运行后，根

１７

电气传动２０１４年第４４卷第７期据吒，０，ｉ叼，Ｌ。，吡，ａ，其中三。，睬用预置参数（其

与温度无关）计算，由电压方程式（３）可近似获得Ｒ。的数值，该电阻值将用于低速区的参考模型。当电机工作在低速区时，忽略漏感等参数，参考

模型变为％＝ｉ“・Ｒ。。由于转子时间常数补偿单

元输出的仅为增量，因此参考模型的固有误差将在一定程度上消减，从而不影响系统的稳定工作。另外，考虑到补偿方法输出的仅仅是转子时间常数的增量，当系统预设值较准时，该补偿量很小，因此补偿前后系统的动态性能区别不大，故不作深入分析。

其次，从参数辨识角度来看，当电机高速稳定运行时，根据式（７）将实际的ｒ值保存，作为预置参数进行算法控制，能有效减少系统的动态调整时间，进一步提高补偿算法的收敛性能。

４

实验

实验中异步电机参数如下：额定功率１１ｋＷ，

额定电压３８０Ｖ，额定电流２３。４Ａ，额定频率５０

Ｈｚ，

额定转速９６０ｒ／ｍｉｎ，定子电阻０．４０９Ｑ，转子电阻

０．２２

Ｑ，定子电感８０．２ｍＨ，互感７７．６ｍＨ，激磁电

流８．９Ａ。实验中人为改变转子电阻设计值，在同样负载情况下记录电机电流值，将常规转差率矢量控制和本文带补偿的转差率矢量控制进行对比实验。表１是５０Ｈｚ下，满载情况时２种控制模式所测的数据。表２是５Ｈｚ下，满载情况时２种控制模式所测的数据。

表ｌ

５０Ｈｚ下２种控制方法电流对比

Ｔａｂ．１

Ｃｕｒｒｅｎｔｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏ

ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓａｔ５０Ｈｚ

表２

５

Ｈｚ下２种控制方法电流对比

Ｔａｂ．２

Ｃｕｒｒｅｎｔｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓ

ａｔ

５Ｈｚ

由表１、表２对比分析发现，采用带补偿的转

１８

万方数据

胡庆波：异步电机转子时间常数的补偿方法

差率矢量控制方法时电机电流基本维持不变，且在高速下补偿效果要优于低速。而常规转差频率矢量控制方法对转子电阻较为敏感，当设计阻值与实际值出现误差时，电机电流将会出现偏差，严重情况下电机无法正常运行。

图３是新补偿方法下５０Ｈｚ稳定运行的电流波形图。

篱

邑

≤

ｔ／ｍｓ（１０ｍ潞）

图３

５０

Ｈｚ稳定运行的电流波形

Ｆｉｇ．３

Ｃｕｒｒｅｎｔ

ｗａｖｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ

ａｔ

５０Ｈｚ

５结论

在异步电机转差频率矢量控制系统中，本文采用模型自适应法对定子ｄ轴电压矢量进行自适应控制。获取转子时间常数的补偿值，间接将转子磁链的ｑ轴分量控制为零，从而对转子时间常数误差造成磁链角度偏移的现象进行了有效抑制。该方法简单易行，在不改变主控制结构的前提下，将转子时间常数误差造成的影响尽可能降低，能有效提高控制系统对电机参数的鲁棒性。

参考文献

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收稿日期：２０１３－０７—２９

修改稿日期：２０１３—１２—１７

异步电机转子时间常数的补偿方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

胡庆波， HU Qing-bo

宁波乐邦电气有限公司,浙江 宁波,315113电气传动

Electric Drive2014,44(7)

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