三相异步电机参数的测试

尹彭飞， 周加胜

（山东新风光电子科技发展有限公司，山东汶上272500）

    摘要  介绍了根据传统的电机学试验原理，在变频器中对电机参数进行离线测试，通过对其采取相应的措施以达到测试参数的高度。

    关键字  矢量控制；电机参数；离线测试  

YIN Pengfei， ZHOU Jiasheng

（Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develop Co.Ltd.,Wenshang Shandong 272500 China）

    Abstract: According the traditional electrical machinery experiment principle, the off-line test of electrical machinery parameter in inverter is introduced. The high precision is achieved through some correspending measures.

    Key words：Vector control；Electrical machinery parameter；Off-line test  

　　在异步电机的矢量控制系统中，电动机的参数是十分重要的物理量。在电机学中利用电动机的参数构成等值电路，以此为基础可以对三相电动机的各种运行特性进行分析。变频调速中采用的矢量控制，控制系统性能*依赖于所使用的电机参数的准确程度，如果参数不准确，将直接导致矢量控制性能指标下降，甚至导致变频器不能正常工作。
 　　三相异步电动机的基本参数包括定子电阻、定子漏感、转子电阻、转子漏感、定转子互感。这些参数的确定，可以利用电机设计制造时的技术数据进行理论计算，但计算复杂，并且与实际有较大误差；也可以采用试验方法确定，下面具体介绍在变频器中采用试验的方法对各参数的测试。
1 参数测定试验
 　　在变频器中，测试参数主要有两种方法：一种是在线测试，一种是离线测试。在线测试方法主要有卡尔曼滤波法、模型参考自适应法、滑模变结构法等，这些方法要求处理器具有较高的处理速度，对系统硬件要求较高；离线测试方法主要有频率响应试验、阶跃响应试验等，但测试精度不高，存在计算复杂、程序计算量大等问题，故很少采用。
　　这里主要介绍根据传统的电机学试验原理，在变频器中对电机参数进行离线测试，通过对其采取相应的措施达到测试参数的高度。
1.1 采用直流伏安法测试电机的定子电阻
　　在变频器系统中，采用直流伏安法测试定子电阻的关键是如何得到低压直流电源，当变频器直接连接到电网时，其直流母线电压较高，通常的办法是对直流母线进行电压斩波控制，得到一个平均值很低、周期固定且占空比固定的高频电压脉冲系列，这样经过定子绕组中的电感滤波后，就得到一个脉动很小的直流电流。如果占空比为D，直流母线电压为Udc，电流为I，则相应的定子电阻值为

　　在测试中为了防止变频器出现过电流，应该正确考虑占空比的设定，在实际测试中可以采用电流闭环加PI 调节器得出占空比的方法控制电流大小，如图1 所示。

　　图1 中，I * 为控制目标，即给定电流，I 为反馈电流，即实际运行电流。试验时，变频器中的开关器件IGBT 的导通压降，对测试值的影响是不能忽略的，对导通压降补偿的正确与否直接影响到测试电阻精度的高低，导通压降除了IGBT的导通压降，还有续流二极管的导通压降。同时，由于IGBT在开通和关断过程中都有一定的延时，为了准确计算输出的直流电压，这部分延时也不能忽略。

1.2 利用堵转试验测试转子电阻及定转子漏感

    在实际的应用中，对电机进行堵转比较困难，在此采用单相短路试验代替三相试验，当电机加上单相正弦电压时，没有电磁转矩产生，其电磁现象与三相堵转时基本相同，测试中，让电机的某一相开路，在另外两相之间通入单相的正弦交流电，然后通入一定的电流，此时测试定子上的电压，电流和输入功率，这样即可计算出电机的短路电阻和短路电抗。

     在堵转试验中，为了防止过电流现象，可以采用测定子电阻的方法加入一个PI 闭环控制，但同时也需要考虑IGBT 的压降和续流二极管的压降产生的影响。在变频器运行测试中，为了防止变频器中的上下桥臂直通现象，逆变器同一桥臂的上下开关之间的动作必须加入一段死区时间，一般为3~5μs，由于死区时间产生的误脉冲对系统性能的影响较大，必须重点考虑，因此，对高精度的参数测试，死区时间是不可忽略的一个重要因素。
     在考虑到死区时间的影响和IGBT 的开通关断的时间后，实际的输出电压和给定的PWM 脉冲之间的关系表示如图3 所示。从图3 中可以看出，死区时间对实际输出电压的影响，在负载电流大于零时，实际的相电压输出比控制要求减少了td+tr-tf的时间；在负载电流小于零时，实际的相电压输出比控制要求增加了一段td+tr-tf的时间。在实际中如果根据采样得到的电机电流对PWM 脉冲进行相应的调整，就可以对逆变器系统引入的控制偏差进行补偿，从而使得变频器系统实际的输出电压和控制要求一致。

1.3 利用空载试验测试定转子间的互感

     在三相异步电动机的空载试验中，由于电动机处于空载状态，转子电流很小，转差可以近似为0，等效电路如图4 所示。图中，rm为励磁电阻，jXm为互感电抗。

    如果测试中测得的额定电压为U1，空载电流为I1，空载输入功率为P0，则可以计算出空载时阻抗Z0，短路电阻Rk 和短路电抗Xk，这样就可以按照堵转试验的计算方法计算异步电机空载等值电路中的电抗和电感。
    电机励磁电抗为

     在试验中，功率器件的开关延时和死区时间的控制比较重要，死区时间的引入使输出电压下降，相位漂移，从而使电机电流偏小，测量的阻抗偏大，为了提高空载试验的测量精度，实际测试中可以采用电流前馈和电流反馈相结合的方法，通过检测电流的极性和幅值来确定输出电压的大小。
2 试验验证
     用一台11 kW/380V 的变频器带动4kW 的电机进行了参数测试，变频器控制CPU 采用的芯片是TMS320F2812，并把测试的结果与常规电机学测试结果作以比较。在常规的电机学测试中，用FLUKE 公司的F41B 测试仪测试电压、电流和功率，以便得出准确的参数。测试结果及参数分别如表1、表2、表3 所列。

     通过试验数据可以看出，变频器测试的结果与常规电机学试验的结果相差较小，误差基本在5%以内，试验表明，参数测试的精度*可以满足矢量控制的要求，这对于准确测定三相异步电动机的参数具有特别重要的意义和参考价值。
3 结语
     对三相异步电机参数的试验测试，是变频器进行矢量控制的关键。只有准确地输入电机的参数，矢量控制功能才能得到发挥，从而能对电机进行可靠的控制。本文介绍的方法比单纯依据电机铭牌数据输入要准确得多，是获取电机参数的较理想的措施。