CN108918979A - 一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，包括：基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数；基于线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，由感应电机的磁通标幺值与电动势标幺值的函数关系，获取所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数；基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感。本发明的计及感应电机饱和特性的电感监控方法，监控方式简单，准确性高。

Description

一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地，涉及一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法。

背景技术

感应电机是定子和转子之间依靠电磁感应作用，在转子绕组中产生感应电流，转子在感应电流和励磁磁场的作用下转动，实现机电能量转化的设备。定子通常主要包括定子铁芯、定子绕组和基座三部分；转子通常主要包括转子铁芯、转子绕组和转轴。正常情况下，转子的转速略低或略高于定子所产生的旋转磁场的转速。感应电机的负载发生变化时，转子的转速和转差率将随之变化，使转子中的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。

感应电动机的需求越来越广泛，对于感应电机电感的监控方式，通常是采用电机绕组产生的磁通和通过绕组的电流的比值得以实现。但是由于感应电机自身具有复杂的暂态特性和计算模型，上述方法没有考虑电机磁路饱和现象的影响，计算误差较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，以解决感应电机电感监测准确性低的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，包括：

基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数；

基于线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，由感应电机的磁通标幺值与电动势标幺值的函数关系，获取所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数；

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感。

进一步地，所述基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，进一步包括：

由所述定子线电压和感应电机基准电压获取线电压标幺值；

由所述定子相电流和感应电机基准相电流获取相电流标幺值；

对所述线电压标幺值和所述相电流标幺值采用五阶多项式拟合，获取所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。

进一步地，基于感应电机基准容量与所述感应电机基准电压获取所述感应电机基准相电流。

进一步地，所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数为：

V^*＝f_ploy,fit(I^*)＝3.668×10^-9×I^*5-3.074×10^-6×I^*4+0.00097×I^*3-0.148×I^*2+11.93×I^*+129.6

其中，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值，V^*为线电压标幺值。

进一步地，基于感应电机磁通和感应电机基准磁通获取所述磁通标幺值；

基于感应电机电动势与感应电机基准电动势获取所述电动势标幺值；

基于所述感应电机基准电动势，以及所述感应电机电动势与所述感应电机磁通之间关系函数的系数，获取所述感应电机基准磁通。

进一步地，所述感应电机基准磁通为：

其中，E_B为感应电机基准电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数。

进一步地，所述基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感进一步包括：

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，以及所述相电流标幺值，获取感应电机饱和时的电感标幺值；

基于所述电感标幺值与感应电机阻抗基准值获取所述电感。

进一步地，所述电感表述如下：

其中，L_m为电感，Z_B表示感应电机阻抗基准值，I^*为感应电机饱和运行时定子相电流标幺值，f_ploy,fit(I^*)为线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。

(三)有益效果

本申请提出的一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，其有益效果主要如下：

由感应电机定子线电压和定子相电流的拟合关系函数，结合磁通标幺值与电动势标幺值之间的对应关系，能够获取磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系，从而可以充分考虑感应电机磁路饱和特性，准确地测算感应电机电感。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法第一关系函数的拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1所示，一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，包括：

基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数；

基于线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，由感应电机的磁通标幺值与电动势标幺值的函数关系，获取所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数；

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感。

具体地，感应电机可以是电动机，也可以是发电机。以下以电动机的具体计算或仿真方法为例进行说明。当感应电机的定子绕组中通过电流，其产生旋转磁场，以带动转子转动。在此过程中，该磁场的磁通量随电流的变化而变化。

将感应电机空载时定子的线电压与相电流的监测值进行拟合，可以得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的的第一关系函数。可以理解的是，对线电压与相电流的监测值进行拟合，可以是分别对线电压标幺值和相电流标幺值进行拟合，以得到第一关系函数。

同时，将感应电机磁通标幺值与电动势标幺值之间的函数关系，代入到第一关系函数中，能够得到磁通标幺值与定子相电流之间的关系函数，也即，建立磁通量与定子相电流之间的关系函数，进而获取感应电机电感。由上述方式建立的关系函数以得到感应电机电感，可以充分考虑感应电机磁路饱和特性的问题，便于准确监测感应电机电感。

在一个具体的实施例中，基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，进一步包括：

由所述定子线电压和感应电机基准电压获取线电压标幺值；

由所述定子相电流和感应电机基准相电流获取相电流标幺值；

对所述线电压标幺值和所述相电流标幺值采用五阶多项式拟合，获取所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。

其中，线电压标幺值可表述为：

式中，V^*为线电压标幺值，V为定子线电压，V_B感应电机基准电压。

式中，I^*为相电流标幺值，I为定子相电流，I_B感应电机基准相电流。

进一步地，由线电压标幺值和相电流标幺值拟合后可到第一关系函数：V^*＝f_ploy.fit.(I^*) (3)

其中，V^*为线电压标幺值，I^*为相电流标幺值。

在上述实施例的基础上，本实施例基于感应电机定子线电压获取线电压标幺值，基于定子相电流获取相电流标幺值后，采用线电压标幺值和相电流标幺值进行拟合，能够提高第一关系函数拟合的简洁性和准确性。

在一个具体的实施例中，基于感应电机基准容量与所述感应电机基准电压获取所述感应电机基准相电流。在上述各实施例的基础上，本实施例具体说明感应电机基准相电流的设置方式。将感应电机基准相电流与感应电机的感应电机基准容量和感应电机基准电压两个特性参数相关联，能够使感应电机基准相电流更准确反映感应电机计及饱和状态，或与之相关联。

具体地，感应电机基准相电流可表述为：

其中，V_B感应电机基准电压，S_B为感应电机基准容量，I_B为感应电机基准相电流。

在一个具体的实施例中，所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数为：

其中，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值，V^*为线电压标幺值。

在上述各实施例的基础上，本实施例具体说明线电压标幺值和相电流标幺值通过五阶多项式拟合后所得的第一关系函数。该第一关系函数能够有效提高线电压标幺值计算的准确性，进而提高电感计算的准确性。

在一个具体的实施例中，基于感应电机磁通和感应电机基准磁通获取所述磁通标幺值；

基于感应电机电动势与感应电机基准电动势获取所述电动势标幺值；

基于所述感应电机基准电动势，以及所述感应电机电动势与所述感应电机磁通之间关系函数的系数，获取所述感应电机基准磁通。

在上述各实施例的基础上，本实施例通过构建感应电机基准磁通的函数关系，进而简化感应电机磁通标幺值与相电流标幺值的函数关系。

其中，磁通标幺值可由感应电机磁通和感应电机基准磁通计算得到：

式中，Ψ^*为磁通标幺值，Ψ_B为感应电机基准磁通，Ψ为感应电机主磁通的最大值。

感应电机电动势E可表示为：

式中，E表示电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数，Ψ表示主磁通的最大值。其中可表述为感应电机电动势与感应电机磁通之间关系函数的系数。

则由感应电机电动势和感应电动机基准电动势可得到电动势标幺值E^*：

式中，E^*为电动势标幺值，E_B为感应电机基准电动势，E为感应电机电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数，Ψ表示主磁通的最大值。

因此，当建立感应电机基准磁通与感应电机基准电流之间的对应关系时，即可简化磁通标幺值与电流标幺值之间的函数关系，得到磁通标幺值与电流标幺值的对应关系。

具体地，感应电机基准磁通Ψ_B可表述为：

式中，E_B为感应电机基准电动势，E为感应电机电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数。

进一步地，则感应电机磁通可表述为：

式中，Ψ^*为磁通标幺值，Ψ_B为感应电机基准磁通，Ψ为感应电机主磁通的最大值，E_B为感应电机基准电动势，E为感应电机电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数。

由公式(8)和公式(10)可知：E^*＝Ψ^* (11)

进一步地，由公式(8)和公式(11)，以及感应电机电动势与电压之间的关系可进一步得到磁通标幺值与相电流标幺值之间的第二关系函数：

Ψ^*＝f_ploy,fit(I^*) (12)

式中，Ψ^*为磁通标幺值，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值。

在一个具体的实施例中，所述基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感包括：

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，以及所述相电流标幺值，获取感应电机饱和时的电感标幺值；

基于所述电感标幺值与感应电机阻抗基准值获取所述电感。

具体地，通过感应电机磁通与电流之间的关系，即可得到电感标幺值为：

式中，Ψ^*为磁通标幺值，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值，f_ploy,fit(I^*)为线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。

将电感标幺值转换为有名值，即为感应电机电感L_m：

式中，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值，Z_B表示感应电机阻抗基准值。

本发明的计及感应电机饱和特性的电感监控方法，通过建立感应电机定子线电压和定子相电流之间的关系函数，同时，通过建立磁通标幺值与电流标幺值之间的函数关系，能够结合饱和磁路的影响，准确、快速地获取感应电机电感，从而实时监测感应电机性能。其中，参见图1所示，通过对电压标幺值和相电流标幺值采用五阶多项式拟合，能够显著提高电压标幺值计算的准确性，进而提高电感监测的准确性。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种计及感应电机饱和特性的电感监控方法，其特征在于，包括：

基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数；

基于线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，由感应电机的磁通标幺值与电动势标幺值的函数关系，获取所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数；

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于感应电机定子线电压与定子相电流，拟合得到线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数，进一步包括：

由所述定子线电压和感应电机基准电压获取线电压标幺值；

由所述定子相电流和感应电机基准相电流获取相电流标幺值；

对所述线电压标幺值和所述相电流标幺值采用五阶多项式拟合，获取所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

基于感应电机基准容量与所述感应电机基准电压获取所述感应电机基准相电流。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数为：

V^*＝f_ploy,fit(I^*)＝3.668×10^-9×I^*5-3.074×10^-6×I^*4+0.00097×I^*3-0.148×I^*2+11.93×I^*+129.6

其中，I^*为感应电机饱和运行时相电流标幺值，V^*为线电压标幺值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于感应电机磁通和感应电机基准磁通获取所述磁通标幺值；

基于感应电机电动势与感应电机基准电动势获取所述电动势标幺值；

基于所述感应电机基准电动势，以及所述感应电机电动势与所述感应电机磁通之间关系函数的系数，获取所述感应电机基准磁通。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述感应电机基准磁通为：

其中，E_B为感应电机基准电动势，k_N1表示绕组系数，f表示频率，N表示绕组线圈匝数。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，实时获取所述感应电机饱和时的电感进一步包括：

基于所述磁通标幺值与相电流标幺值之间的关系函数，以及所述相电流标幺值，获取感应电机饱和时的电感标幺值；

基于所述电感标幺值与感应电机阻抗基准值获取所述电感。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电感表述如下：

其中，L_m为电感，Z_B表示感应电机阻抗基准值，I^*为感应电机饱和运行时定子相电流标幺值，f_ploy,fit(I^*)为线电压标幺值与感应电机饱和运行时相电流标幺值之间的关系函数。