吳詩宇，溫萬昱，潘力溧

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

異步電機(jī)定子繞組溫度的檢測方法

吳詩宇，溫萬昱，潘力溧

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

電動汽車中異步電機(jī)的應(yīng)用越來越多，溫升是影響異步電機(jī)甚至整車性能的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)定子繞組溫度的檢測方法存在一些問題，針對這些問題，本文提出基于自適應(yīng)系統(tǒng)的定子繞組平均溫度在線檢測方法，并驗(yàn)證其可行性，為電動汽車的異步電機(jī)溫升的檢測提供了參考。

電動汽車；異步電機(jī)；定子繞組溫度；自適應(yīng)系統(tǒng)；平均溫度在線檢測

電動汽車的異步電機(jī)由于體積較小，冷卻問題較為突出，電機(jī)的溫升是重要檢測指標(biāo)。電機(jī)溫升不允許超過電機(jī)內(nèi)絕緣材料的耐熱等級，如果電機(jī)溫升超過耐熱等級，會造成絕緣材料損壞，電機(jī)內(nèi)部短路，最終電機(jī)燒毀。不管是電機(jī)過載能力，長期負(fù)載能力還是電機(jī)輕小型化，都受限于絕緣材料的耐熱等級（即電機(jī)溫升限值）。較小的電機(jī)溫升會使得電機(jī)具有較大的過載能力［1］，同時(shí)電機(jī)溫升也是電機(jī)長時(shí)間負(fù)載運(yùn)行能力的關(guān)鍵影響因素［2］，另外電機(jī)的輕小型化也取決于電機(jī)溫升［3］。如果電機(jī)溫升過高，為了避免燒毀電機(jī)，車輛動力性需降額運(yùn)行，這種情況大多發(fā)生在大型電動汽車長時(shí)間爬坡過程中。故電機(jī)的溫升是影響電機(jī)甚至整車性能的關(guān)鍵因素。

異步電機(jī)發(fā)熱后，一般最有可能因?yàn)榻^緣損壞而燒毀電機(jī)的是電機(jī)定子繞組［1］，由于定子繞組溫升由定子繞組溫度和冷卻介質(zhì)溫度決定，故檢測異步電機(jī)溫升難度在于檢測定子繞組溫度，這也是本文研究的主題。

1 傳統(tǒng)檢測方法存在的問題

主流傳統(tǒng)的電機(jī)定子繞組溫升檢測方法有：溫度傳感器直接采集法和電阻外推法。

1）溫度傳感器直接采集法 在電機(jī)定子繞組表面裝設(shè)熱電阻或其他溫度傳感器直接采集溫度。對于交流異步電機(jī)，定子繞組溫度過高可能導(dǎo)致電機(jī)損壞，此方法最為直接而簡單，但對采集點(diǎn)要求很高，采集點(diǎn)溫度也不能反應(yīng)繞組的平均溫度；另外，裝配在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器無法計(jì)量，第三方檢測機(jī)構(gòu)不能使用這個(gè)方法進(jìn)行電機(jī)定子繞組的溫度檢測。

2）電阻外推法 此方法依據(jù)定子繞組這種材料的電阻與溫度的關(guān)系，根據(jù)斷能瞬間的電阻值，得到定子繞組溫度，此溫度為電機(jī)繞組的平均溫度。這種方法不涉及到計(jì)量問題，是國家標(biāo)準(zhǔn)［4-5］中規(guī)定的檢測方法，較適合第三方檢測機(jī)構(gòu)使用。

在電機(jī)運(yùn)行前，測得繞組冷態(tài)電阻Rc，并記錄環(huán)境溫度θc（℃）。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到要求的時(shí)刻斷能停機(jī)，從此時(shí)刻開始記時(shí)，每隔一定時(shí)間記錄這一定子繞組電阻值。在半對數(shù)坐標(biāo)上，繪制繞組電阻與時(shí)間曲線，在圖上外推得到斷能時(shí)的電阻值R0。把這些數(shù)據(jù)代入公式（1）中，得到電機(jī)繞組的平均溫度θ。

對于銅繞組采用式（1），對于鋁繞組，式（1）中的235改為225。

但此方法無法在線監(jiān)控電機(jī)定子繞組溫度；并且，在半對數(shù)坐標(biāo)上進(jìn)行外推，相當(dāng)于用半對數(shù)坐標(biāo)去擬合實(shí)際的溫度與電阻曲線，這樣的檢測會有一定的誤差。

鑒于以上2種方法存在的問題，亟需研究一種針對交流異步電機(jī)的定子繞組在線式平均溫度檢測方法。

2 基于自適應(yīng)系統(tǒng)的溫度辨識方法

本文中研究的方法仍利用異步電機(jī)定子繞組的電阻與溫度的關(guān)系。首先根據(jù)異步電機(jī)原理［6］，把電機(jī)三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)換到α、β坐標(biāo)上。

式中：iA、iB、iC——三相電流；uA、uB、uC——三相電壓；uα、uβ——定子電壓的α、β分量；iα、iβ——定子電流的α、β分量。

定子電壓方程

式中：ψα、ψβ——定子磁鏈的α、β分量；Rs——定子電阻；p——微分算子。

轉(zhuǎn)子電壓方程

定子磁鏈方程

式中：Ls——定子自感；Lr——轉(zhuǎn)子自感；Lm——定轉(zhuǎn)子互感。

以上是自適應(yīng)的參數(shù)辨識方法，自適應(yīng)系統(tǒng)可分為前饋和反饋，當(dāng)前饋部分的傳遞函數(shù)為正時(shí)，且反饋環(huán)節(jié)滿足一定的條件［7］，自適應(yīng)參數(shù)辨識是收斂的。滿足此條件的自適應(yīng)算法為

將式（4）～（7）整理得到電壓模型

同時(shí)得到電流模型

式（10）中不含定子電阻，而式（9）中含有待辨識變量，采用自適應(yīng)辨識方法［8］，以電流模型為參考模型，電壓模型為可調(diào)模型，利用2個(gè)模型輸出轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差構(gòu)成自適應(yīng)律，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的定子電阻，以達(dá)到可調(diào)模型跟蹤參數(shù)模型的目的。根據(jù)式（8）可以得到圖1中的自適應(yīng)算法。

選擇合適的比例、積分系數(shù)K1、K2可加速響應(yīng)、減小超調(diào)量。自適應(yīng)律如圖1所示。

從上面的電流模型和電壓模型可以看出，算法中涉及到積分，運(yùn)行中測量誤差或參數(shù)變化會引起積分誤差累計(jì)。另一方面，算法中涉及到電機(jī)漏感，運(yùn)行中漏感也會發(fā)生變化。

圖1 自適應(yīng)律

將式（13）作為參考模型，式（12）作為可調(diào)模型，這樣的系統(tǒng)不含積分和電機(jī)漏感，參考圖1可以得出優(yōu)良的自適應(yīng)律，進(jìn)而達(dá)到定子電阻的自適應(yīng)辨識。利用異步電機(jī)定子繞組的電阻與溫度的關(guān)系，可得到定子繞組溫度。

3 電機(jī)定子繞組溫度檢測系統(tǒng)及其驗(yàn)證

新的溫度檢測系統(tǒng)采集電機(jī)三相電壓電流及旋轉(zhuǎn)變壓器的信號，通過自適應(yīng)系統(tǒng)辨識出異步電機(jī)定子繞組溫度，不會對電機(jī)正常運(yùn)行造成干擾。溫度檢測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 定子繞組溫度辨識系統(tǒng)原理圖

以上檢測系統(tǒng)主要由三相電流霍爾傳感器、信號處理電路及自適應(yīng)算法執(zhí)行計(jì)算機(jī)組成。此系統(tǒng)主要是利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)快速計(jì)算的能力，保證自適應(yīng)系統(tǒng)的反復(fù)迭代得以實(shí)現(xiàn)，可調(diào)模型不斷接近參考模型，辨識定子繞組電阻，根據(jù)定子繞組電阻與溫度的關(guān)系，得出定子繞組溫度。為驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的可行性，采用異步電機(jī)定子繞組的多個(gè)溫度采樣點(diǎn)的平均值與系統(tǒng)辨識的溫度值進(jìn)行比較。2種結(jié)果對比如圖3所示。

圖3 多個(gè)溫度采樣點(diǎn)平均值與自適應(yīng)系統(tǒng)辨識的溫度值

從圖3可看出，辨識的溫度在很小誤差范圍內(nèi)完全跟蹤上多個(gè)溫度采樣點(diǎn)的溫度值，可以看出這樣的溫度辨識算法是可行的。

4 結(jié)語

基于自適應(yīng)系統(tǒng)的溫度辨識算法可以實(shí)現(xiàn)定子繞組平均溫度的在線辨識。這種方法克服了傳統(tǒng)溫度檢測方法的不足，可作為電動汽車用異步電機(jī)的定子繞組溫度檢測的輔助手段，進(jìn)而為電動汽車的異步電機(jī)溫升的檢測提供了參考。

［1］ 譚夢，喻皓，洪兢.新能源汽車發(fā)電機(jī)溫升問題改進(jìn)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013，42 （6）：226-228.

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［5］ GB/T 18488.2—2015，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法［S］.

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［7］ 陳復(fù)揚(yáng).自適應(yīng)控制［M］.北京：科學(xué)出版社，20l5：78-113.

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Research on Stator Winding Temperature Detection Method of Asynchronous Motors

WU Shi-yu，WEN Wan-yu，PAN Li-li
（Chongqing Vehicle Test amp; Research Institute Co.，Ltd.，National Bus Quality Supervision amp; Inspection Center，Chongqing 401122，China）

Asynchronous motors are more and more used in electric vehicles. Temperature rise is the key factor that affects the performance of asynchronous motors and even whole vehicles. There are some problems in the traditional method of stator winding temperature detection. In order to solve these problems，an adaptive system based on stator winding mean temperature on-line detection method is proposed in this paper. The feasibility of the method is verified. It provides a reference for the temperature rise test of asynchronous motors in electric vehicles.

electric vehicle；asynchronous motor；stator winding temperature；adaptive system；average temperature on-line detection

U469.72

A

1003-8639（2017）11-0009-03

2017-07-27

吳詩宇 （1986-），男，碩士，工程師，主要從事電動汽車電機(jī)檢測技術(shù)的研究。

（編輯 楊 景）