基于电磁力机理的电机能效现场检测方法研究

摘要

随着我国工业化进程的加快，能源浪费问题日益严重，其中中小型三相交流异步电机是应用最广泛的高耗能机电产品，由于使用年限久、制造工艺粗糙等原因，此类电机运行效率普遍偏低，所以研究电机评价技术尤为重要。目前电机效率的评估主要依赖于实验室检测，过程复杂而且成本高，无法适用到所有电机中。针对目前检测方法的缺陷，本文提出了一种基于现场的便携式电机能效检测方法，该方法以电磁力和电磁感应原理为理论基础，利用电磁力产生过程中对电压和电流的影响，采用无传感器转速、转矩在线辨识技术对电机输出功率的计算进行研究，主要包括以下几个方面。
　　首先，简要介绍了三相交流异步电机的结构及工作原理，详细阐述了在电磁感应现象的作用下，定子电流中与转速相关的转子频率成分的产生机理，并从电机微观机理层面解释了电磁力和气隙转矩的产生，通过机端电气量推导出气隙转矩的计算公式，从而确定了本文的理论依据。
　　其次，本文提出了基于无传感器的转速、转矩在线辨识算法，采用两种转子频率计算方法，首先对定子电流解调，其次运用快速傅里叶变换分析技术算出其频谱，最后从中提取转子频率，从而得到电机转速，为了提高转子频率的辨识精度，分别运用Zoom FFT频谱细化技术和基于比值法的频谱校正技术对定子电流的频谱进行优化以提高频谱分辨率。另外，考虑到定子磁链的计算在气隙转矩分析中的重要地位，本文提出了两种不同类型计算方法：新型辛普森积分法和基于低通滤波法的定子磁链观测器法，新型辛普森积分法采用精度较高的复化辛普森积分模型，相比传统的梯形法，解决了积分初值和零漂问题，定子磁链辨识精度显著提高；虽然新型积分法逐渐克服积分初值无法确定的缺陷，但有时仍无法满足特定的精度要求，而采用低通滤波法的计算方法不存在上述问题，从而辨识精度最高。
　　最后，采用Matlab/Simulink建立了系统的仿真模型，将各个环节的计算程序分别集成为可以直接调用的模块，验证了本文研究的无传感器转速、转矩在线辨识技术的有效性，通过将两种定子磁链算法仿真并对比，本文最后选择辨识精度更高的低通滤波法，并选择了基于定子电流平方法的电机转速辨识算法。最后，搭建实验平台对本文提出的算法展开实验验证，综合仿真结果及实验结果，检验了本算法的精度。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 电机能效检测研究现状

1.2.1 传统电机能效检测方法

1.2.2 实验室电机能效检测方法

1.2.3 现场电机能效检测方法

1.2.4 无传感器转速辨识研究现状

1.2.5 无传感器转矩辨识研究现状

1.3 本文研究内容

2 异步电机能效检测原理

2.1 异步电机结构及工作原理

2.2 无传感器转速在线辨识原理

2.2.1 异步电机旋转磁场

2.2.2 转速辨识原理

2.3 无传感器转矩在线辨识原理

2.3.1 电磁力的作用和电磁转矩的产生

2.3.2 气隙转矩的计算

2.3.3 Clark变换和Park变换仿真

3 基于电磁力机理的电机能效检测算法

3.1 整体方案

3.2 无传感器转速辨识算法

3.2.1 定子电流解调

3.2.2 低通滤波器设计

3.2.3 基于定子电流的频谱分析技术

3.2.4 转速辨识算法在线仿真

3.3 无传感器转矩辨识算法

3.3.1 新型纯积分法辨识研究

3.3.2 基于低通滤波法辨识研究

3.3.3 转矩辨识算法在线仿真

4 相关损耗的估计

4.1 杂散损耗的估计

4.2 风摩耗的估计

5 实验验证

5.1 实验系统介绍

5.2 实验结果分析

5.2.1 转速辨识结果实验分析

5.2.2 转矩辨识结果实验分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢