СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения параметров асинхронных электродвигателей.

Известен способ определения параметров и рабочих характеристик асинхронного двигателя без сопряжения с нагрузочным устройством [RU 2391680 С1, МПК G01R 31/24 (2006.01), опубл. 10.06.2010], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что потребляемую мощность, напряжение и ток в режиме холостого хода измеряют и регистрируют при номинальном напряжении или близком к нему, вычисляют по ним коэффициент мощности и индуктивное сопротивление статора, затем отключают двигатель от источника питания, регистрируют скачок напряжения статора, кривую затухания напряжения статора и измеряют сопротивление статора r₁. По скачку напряжения, току, измеренному до отключения, коэффициенту мощности и сопротивлению фазы вычисляют реактивное сопротивление рассеяния х₁ статора. По кривой затухания определяют постоянные времени T₀ и T' ротора соответственно при разомкнутом статоре и статоре, условно включенном на сеть бесконечно большой мощности. С использованием полученных значений рассчитывают коэффициенты рассеяния σ₁ и σ₂ статора и ротора, реактивное сопротивление взаимоиндукции Х₁₂, приведенное к статору реактивное сопротивление рассеяния $$X_2^{\text{'}}$$ ротора, приведенное к статору активное сопротивление $$R_2^{\text{'}}$$ ротора. С использованием полученных параметров рассчитывают по Т- или Г-образной схемам замещения с одним контуром на роторе рабочие характеристики.

Недостатком известного способа является то, что для его осуществления необходимо измерять потребляемую мощность, напряжение и ток в режиме холостого хода.

Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.

Это достигается тем, что способ определения параметров асинхронного электродвигателя, так же как в прототипе, заключается в измерении потребляемых асинхронным электродвигателем токов и напряжений и определении сопротивления статора, постоянной времени ротора коэффициента рассеяния ротора, приведенного к статору активного сопротивления ротора.

Согласно изобретению в течение пуска и работы асинхронного электродвигателя одновременно измеряют мгновенные величины токов и напряжений на двух фазах статора и частоту вращения вала асинхронного электродвигателя. Измеренные мгновенные величины токов и напряжений преобразуют из естественной координатной системы в прямоугольную стационарную систему координат. Последовательно выполняют четыре временные задержки преобразованных токов и напряжений и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя. Полученные значения запоминают и используют для определения активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки статора, приведенных к статору активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки ротора, и индуктивности, обусловленной магнитным потоком в воздушном»зазоре электродвигателя в реальном времени следующим образом:

где R₁ - активное сопротивление обмотки статора, Ом;

$$R_2^{\text{'}}$$ - приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

L₁ - эквивалентная индуктивность обмотки статора, Гн;

L_m - результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя, Гн;

σ - коэффициент рассеяния ротора, о.е.;

T₂ - постоянная времени ротора, с;

L₂ - эквивалентная индуктивность обмотки ротора, Гн.

К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - коэффициенты, определенные методом наименьших квадратов.

Коэффициенты К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ определяют методом наименьших квадратов из выражения:

z_p - число пар полюсов электродвигателя;

$$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\end{array}\right]$$ - вектор коэффициентов, необходимых для нахождения параметров асинхронного электродвигателя;

k - коэффициент временной задержки.

Предложенный способ в отличие от прототипа позволяет одновременно определять все электромагнитные параметры асинхронного электродвигателя в реальном времени без необходимости проведения измерений в режиме холостого хода и отключения двигателя.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего рассматриваемый способ определения параметров асинхронного электродвигателя.

На фиг. 2 приведены графики переходных процессов токов I_1α{t}, I_1β(t) и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя ω(t)

На фиг. 3 приведены графики переходных процессов тока, где, I_1α(t), I_1β(t) - экспериментальные кривые составляющих тока статора в прямоугольной системе координат, $${\widehat{I}}_{1\alpha }\left(t\right),$$ $${\widehat{I}}_{1\beta }\left(t\right)$$ - расчетные кривые составляющих тока статоры статора в прямоугольной системе координат.

На фиг. 4 приведены графики переходных процессов скорости, где ω(t) - экспериментальная кривая частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, $$\widehat{\omega }\left(t\right)$$ - расчетная кривая частоты вращения вала асинхронного электродвигателя.

В таблице 1 приведены параметры асинхронного электродвигателя, определенные по заявленному способу.

Способ определения параметров асинхронного электродвигателя осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), в котором датчики фазных токов 1 (ДТ1), 2 (ДТ2) и датчики фазных напряжений 3 (ДН1), 4 (ДН2) подключены к двум фазам питания асинхронного электродвигателя. Датчик частоты вращения вала асинхронного электродвигателя 5 (ДС) установлен на его валу. К датчикам токов 1 (ДТ1), 2 (ДТ2) и датчикам напряжения 3 (ДН1), 4 (ДН2) последовательно подключены преобразователь координат 6 (ПК), первый блок временной задержки 7 (БВ31), второй блок временной задержки 8 (БВ32), третий блок временной задержки 9 (БВ33), четвертый блок временной задержки 10 (БВ34), блок памяти 11 (БП), блок определения коэффициентов 12 (БОК), блок определения параметров 13 (БОП). К датчику частоты вращения вала 5 (ДС) подключены первый блок временной задержки 7 (БВ31) и блок памяти 11 (БП). Блок памяти 11 (БП) соединен с преобразователем координат 6 (ПК), первым блоком временной задержки 7 (БВ31), вторым блоком временной задержки 8 (БВ32), третьим блоком временной задержки 9 (БВ33). Управляющие входа блока памяти 11 (БП), блока определения коэффициентов 12 (БОК) и блока определения параметров асинхронного электродвигателя 13 (БОП) соединены с системой управления асинхронного электродвигателя (не показано на фиг. 1). Блок определения параметров асинхронного электродвигателя 13 (БОП) связан с ЭВМ (не показано на фиг. 1).

В качестве датчиков фазных токов 1 (ДТ1), 2 (ДТ2) использованы датчики тока - промышленный прибор КЭИ-0,1, в качестве датчиков фазных напряжений 3 (ДН1), 4 (ДН2) - датчики напряжения LEM. В качестве датчика частоты вращения вала 5 (ДС) может быть использован тахогенератор. Преобразователь координат 6 (ПК), первый блок временной задержки 7 (БВ31), второй блок временной задержки 8 (БВ32), третий блок временной задержки 9 (БВ33), четвертый блок временной задержки 10 (БВ34), блок памяти 11 (БП), блок определения коэффициентов 12 (БОК), блок определения параметров 13 (БОП) и система управления асинхронным двигателем выполнены на базе микроконтроллера типа TMS320C28346 фирмы Texas Instruments.

Для проверки работоспособности предложенного способа определения параметров асинхронного электродвигателя датчики фазных токов 1 (ДТ1), 2 (ДТ2) и датчики фазных напряжений 3 (ДН1), 4 (ДН2) подключили к двум фазам питания асинхронного электродвигателя (f_1н=50 Гц, U_1н=220 B, z_p=2, ω₀=157 рад/с). Датчик частоты вращения вала электродвигателя 5 (ДС) установили на валу асинхронного электродвигателя. В течение пуска и работы асинхронного электродвигателя одновременно измерили мгновенные величины токов и напряжений на двух фазах статора и частоту вращения вала электродвигателя. Мгновенные величины токов и напряжений передали в преобразователь координат 6 (ПК), где их преобразовали в мгновенные величины токов и напряжений в прямоугольной стационарной системе координат (фиг. 2). Мгновенные величины токов, напряжений в прямоугольной стационарной системе координат и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя передали на блоки временной задержки 7 - 10 (БВ31 - БВ34), где последовательно выполнили четыре временные задержки мгновенных величин токов, напряжений в прямоугольной стационарной системе координат и частоты вращения вала двигателя на 500·10^-6 секунд и получили текущие задержанные единожды, дважды, трижды и четырежды значения токов и напряжений в прямоугольной стационарной системе координат и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя. Полученные текущие и задержанные единожды, дважды, трижды и четырежды мгновенные величины токов в прямоугольной стационарной системе координат $$I_{1{\alpha }_j}$$ , $$I_{1{\alpha }_{j-1k}}$$ , $$I_{1{\alpha }_{j-2k}}$$ , $$I_{1{\alpha }_{j-3k}}$$ , $$I_{1{\alpha }_{j-4k}}$$ , $$I_{1{\beta }_j}$$ , $$I_{1{\beta }_{j-1k}}$$ , $$I_{1{\beta }_{j-2k}}$$ , $$I_{1{\beta }_{j-3k}}$$ , $$I_{1{\beta }_{j-4k}}$$ , напряжений в прямоугольной стационарной системе координат $$U_{1{\alpha }_j}$$ , $$U_{1{\alpha }_{j-1k}}$$ , $$U_{1{\alpha }_{j-2k}}$$ , $$U_{1{\alpha }_{j-3k}}$$ , $$U_{1{\alpha }_{j-4k}}$$ , $$U_{1{\beta }_j}$$ , $$U_{1{\beta }_{j-1k}}$$ , $$U_{1{\beta }_{j-2k}}$$ , $$U_{1{\beta }_{j-3k}}$$ , $$U_{1{\beta }_{j-4k}}$$ и частоты вращения ω_j, ω_j-1k, ω_j-2k, ω_j-3k, ω_j-4k передали в блок памяти 11 (БП).

В момент включения в сеть асинхронного электродвигателя система управления подает на управляющий вход блока памяти 11 (БП) сигнал о пуске асинхронного электродвигателя, по этому сигналу в течение пуска и работы асинхронного электродвигателя с временной задержкой начали запись величин токов и напряжений в прямоугольной стационарной системе координат и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя. Одновременно в момент включения в сеть асинхронного электродвигателя система управления подает сигнал на управляющие входы блока определения коэффициентов 12 (БОК) и блок определения параметров 13 (БОП). Передачу сигналов с блока памяти 11 (БП) на блок определения коэффициентов 12 (БОК) осуществили с временной задержкой, равной 500·10^-6 секунд. В блоке определения коэффициентов 12 (БОК) происходит определение коэффициентов методом наименьших квадратов [Метод наименьших квадратов и основы математико-статической теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. - Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. С. 152-157] из выражения:

где

z_p - число пар полюсов электродвигателя;

$$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\end{array}\right]$$ - вектор коэффициентов, необходимых для нахождения параметров асинхронного электродвигателя;

k - коэффициент временной задержки.

Полученные коэффициенты К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ передали на блок определения параметров 13 (БОП), где определили активное сопротивление и эквивалентную индуктивность обмотки статора, приведенные к статору активное сопротивление и эквивалентную индуктивность обмотки ротора, и индуктивность, обусловленную магнитным потоком в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя в реальном времени следующим образом:

где R₁ - активное сопротивление обмотки статора, Ом;

$$R_2^{\text{'}}$$ - приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

L₁ - эквивалентная индуктивность обмотки статора, Гн;

L_m - результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя, Гн;

σ - коэффициент рассеяния ротора, о.е.;

T₂ - постоянная времени ротора, с;

L₂ - эквивалентная индуктивность обмотки ротора, Гн;

К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - коэффициенты, определенные методом наименьших квадратов.

Результаты определения параметров поступают на ЭВМ (таблица 1).

Проверку правильности определения параметров асинхронного электродвигателя осуществляли путем сравнения расчетных токов $${\widehat{I}}_{1\alpha }\left(t\right),$$ $${\widehat{I}}_{1\beta }\left(t\right)$$ и экспериментальных токов I_1α(t), I_1β(t) переходных процессов электродвигателя (фиг. 3) и сравнения расчетных кривых скорости $$\widehat{\omega }\left(t\right)$$ и экспериментальных кривых скорости ω(t) переходных процессов электродвигателя (фиг. 4). Для расчета переходных процессов использовали математическую модель в стационарной системе координат [Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 8. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод / Л.С. Удут, О.П. Мальцева, Н.В. Кояин. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. - С. 21-25].

После расчета переходных процессов токов в прямоугольной стационарной системе координат и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя с идентифицированными параметрами были определены критерии соответствия, которые показали относительные отклонения оценок токов в прямоугольной стационарной системе координат статора σ_1α=4,2%, σ_1β=1,7% - относительные отклонения составляющих тока статора, и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя - σ_ω=0,6% - от экспериментальных значений. Из приведенного сравнения видно, что расчетные графики соответствуют экспериментальным, следовательно, погрешность определения параметров незначительна.

Таблица 1 Активное сопротивление обмотки статора, R₁, Ом Приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, $$R_2^{\text{'}},\text{ Ом}$$ Эквивалентная индуктивность обмотки статора, L₁, Гн Эквивалентная индуктивность обмотки ротора, L₂, Гн Результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре машины, L_m, Гн 0,095 0,067 0,02613 0,02609 0,02609

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения параметров асинхронных электродвигателей. Способ определения параметров электродвигателя заключается в том, что в течение пуска и работы асинхронного электродвигателя одновременно измеряют мгновенные величины токов и напряжений на двух фазах статора и частоту вращения вала асинхронного электродвигателя, измеренные мгновенные величины токов и напряжений преобразуют из естественной координатной системы в прямоугольную стационарную систему координат, последовательно выполняют четыре временные задержки преобразованных токов и напряжений и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, полученные значения запоминают и используют для определения активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки статора, приведенных к статору активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки ротора, и индуктивности, обусловленной магнитным потоком в воздушном зазоре электродвигателя в реальном времени следующим образом:

$$\begin{array}{l}{R}_1=-\frac{K_3}{K_4},{R^{\prime }}_2=\frac{K_3-K_5}{K_4},L_1=\frac{K_3-K_5}{K_2},\\ L_m=L_1\cdot \sqrt{1-\frac{1}{K_4}\cdot L_1},\sigma =-\frac{R_1}{K_3\cdot L_1},T_2=\frac{1}{K_2\cdot \sigma \cdot L_1},L_2=\frac{T_2}{{R^{\prime }}_2}\end{array}$$

где R₁ - активное сопротивление обмотки статора, Ом; $${R^{\prime }}_2$$ - приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, Ом; L₁ - эквивалентная индуктивность обмотки статора, Гн; L_m - результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя, Гн; σ - коэффициент рассеяния ротора, о.е.; Т₂ - постоянная времени ротора, с; L₂ - эквивалентная индуктивность обмотки ротора, Гн; К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - коэффициенты, определенные методом наименьших квадратов. Технический результат заключается в одновременном определении всех электромагнитных параметров асинхронного электродвигателя в реальном времени. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ определения параметров асинхронного электродвигателя, включающий измерение потребляемых асинхронным электродвигателем токов и напряжений, и определение сопротивления статора, постоянной времени ротора, коэффициента рассеяния ротора, приведенного к статору активного сопротивления ротора, отличающийся тем, что в течение пуска и работы асинхронного электродвигателя одновременно измеряют мгновенные величины токов и напряжений на двух фазах статора и частоту вращения вала асинхронного электродвигателя, измеренные мгновенные величины токов и напряжений преобразуют из естественной координатной системы в прямоугольную стационарную систему координат, последовательно выполняют четыре временные задержки преобразованных токов и напряжений и частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, полученные значения запоминают и используют для определения активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки статора, приведенных к статору активного сопротивления и эквивалентной индуктивности обмотки ротора, и индуктивности, обусловленной магнитным потоком в воздушном зазоре электродвигателя в реальном времени следующим образом:

где R₁ - активное сопротивление обмотки статора, Ом;
$$R_2^{\text{'}}$$ - приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, Ом;
L₁ - эквивалентная индуктивность обмотки статора, Гн;
L_m - результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя, Гн;
σ - коэффициент рассеяния ротора, о.е.;
Т₂ - постоянная времени ротора, с;
L₂ - эквивалентная индуктивность обмотки ротора, Гн;
К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - коэффициенты, определенные методом наименьших квадратов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ определяют методом наименьших квадратов из выражения:

где

z_p - число пар полюсов электродвигателя;
$$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\end{array}\right]$$ - вектор коэффициентов, необходимых для нахождения параметров асинхронного электродвигателя;
k - коэффициент временной задержки.