確定異步電機再啟動時轉速的方法
2023-10-21 02:20:02 3
專利名稱：確定異步電機再啟動時轉速的方法
技術領域：
本發明涉及一種電機轉速估算方法，具體涉及一種確定異步電機再啟動時電機轉速的方法。
背景技術：
在高性能異步電機矢量控制系統中，轉速閉環是必不可少的。由於速度傳感器在安裝、維護、成本等方面影響了不少異步電機調速系統的簡便性、廉價性及系統的可靠性， 人們提出了無速度傳感器的轉速閉環控制方案。其核心問題是對轉子轉速的估算。轉速估算算法發展至今已有十幾種方法，其基本出發點是利用直接計算、觀測器、自適應等手段， 從定子邊測量電壓電流進而提取與轉速有關的量。然而在變頻器驅動電機運行之前，電機轉子有可能出於旋轉狀態，典型的有以下兩種場合(1)轉動慣量比較小的風機，輕微自然風可能讓其自然旋轉；( 機車牽引電機， 機車可能比較長時間處於自然滑行狀態。由於電機轉子處於自由旋轉狀態，其定子測電氣物理量與其轉速沒有必然聯繫，此時如果要重新控制電機必須先獲取電機的轉速，否則變頻器會出現過電流。工程上有人採用一種轉子頻率搜索方法搜索時始終保持定子為恆定額定電流， 比較變頻器輸出電壓與v/f曲線上的電壓，二者相等時以為此時的輸出頻率就是轉子頻率。但實際上v/f曲線與定子額定電流的關係物理意義不是非常明確，另外，由於實際所需負載電流並不明確，恆定額定電流控制會惡化起動過程中的動態特性。還有一種方法，通過檢測直流母線電壓變化趨勢或通過檢測直流電流，當定子側電頻率與電機轉子電頻率相等時直流母線電流最小。這種思路雖然物理概念清晰明確但實現起來難度較大，一般在變頻器裝置中沒有直流母線電流檢測，而且直流母線電流最小和直流母線電容變化趨勢在實際系統中也很難判斷，因此一般不採用這種方案。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種確定異步電機再啟動時轉速的方法，該方法能夠在異步電機高速自由旋轉時，較為準確地確定異步電機當前轉速，從而讓異步電機無電流過衝地直接以當前轉速平穩啟動。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的確定異步電機再啟動時電機轉速的方法，其包括以下步驟A.通過變頻器產生一個適當的電壓矢量加在電機定子側，在定子電流定向坐標系下估算出電機轉速粗略值；所述電壓頻率為額定頻率或略高於額定頻率，電壓幅值小於或等於額定電壓10%，電壓幅值的選取原則上只要不讓電機過電流即可，實際選取時在該原則下儘量取大比較好，這樣利於測量和計算；B.以步驟A得到的電機轉速作為初始轉速，開始搜索電機真實轉速，其中電流誤差率函數ER( θ ,InIi;)為轉速搜索的主要依據，該函數可由變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角、電機模型中提取出的定子電流參考值和電機定子電流實際值計算出，θ為變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角，Im*為定子電流參考值，I1為電機定子側電流實際值，該電流誤差率函數能定量反映當前變頻器輸出頻率與轉子電頻率之間大小關係，從而為通過閉環控制調節變頻器輸出頻率，使之趨近於轉子電頻率提供依據。所述步驟A中需注意以下幾點(1)需要在電機轉速未知的情況下，給定幅值一定的電壓矢量來控制電機，這個過程中，氣隙主磁通重新建立的過程必不可少，如果電壓幅值較大，氣隙主磁通也會較大，該磁場切割轉子會產生很大的電流，這樣電機定子側很容易出現過電流。另外一方面，即使電機過渡到穩態，那麼由於電機端電壓較高，電機會在這個電壓的控制下電動或制動運行，轉子出現明顯的加速或減速過程，這樣也就與估計電機轉速的初衷相悖了。所以用以估計電機轉速的電壓矢量，假如其頻率為額定頻率，則其幅值應以不會對電機產生明顯的電動轉矩為宜，即該電壓作用下，電機不會短時間飛速旋轉。(2)在步驟(1)中，電機轉子頻率估算採用定子電流矢量定向模型，該模型能反映電機運行的一般狀態，其形式比較複雜。由於此處只需用估算一個粗略的轉速值，因此可以假設按步驟(1)所需電壓矢量作用於電機時，電機處於穩態運行狀態，進而使用穩態模型進行轉速估算。(3)根據步驟( 所述模型中包含較多電機參數，包括轉子時間常數、定子電阻、 定子電感，並且根據步驟(1)，估算轉速時，通過變頻器所發電壓幅值應該儘量小些，不能對電機產生較明顯的制動或電動的電磁轉矩。這些因素使得直接利用上式子估算轉速較為困難。為此，實際實施時應適當提高變頻器所發電壓的頻率，這樣做的好處是一，定子電阻不準確的影響會明顯被削弱，因為定子電感的阻抗值將會增大；二，增大頻率後，相同電壓下， 氣隙主磁通和電磁轉矩會更小，所以此時可以增大輸入電壓幅值，這樣也有利於測量和計笪弁。(4)滿足步驟(2)所述電壓矢量在實際系統中，通過重構開關函數獲得；滿足步驟 (3)所述電流矢量通過採樣電機輸入側三相電流獲得；滿足步驟C3)所述電壓矢量與電流矢量夾角可由系統中瞬時功率估算獲得。所述步驟B中需注意以下幾點(1)所述的轉子頻率估算方法是基於閉環控制作用來構造轉速信號(閉環構造轉速)的。在電機轉速未知的情況下，通過變頻器產生一個幅值恆定，頻率一定的電壓來驅動電機。通過檢測電機定子側電流，可以計算出輸出電流和輸出電壓基波之間的相位θ，比較該相位與90°之間的大小，可以判斷電機處於電動或發電狀態，進而可以判斷變頻器所發電壓的頻率與轉子電頻率之間的大小關係。若變頻器輸出頻率大於轉子電頻率，則應減小變頻器輸出頻率，反之則增大變頻器輸出頻率，採用閉環控制的思路不斷調整變頻器輸出的頻率，直至所發的頻率與電機轉子電頻率相等為止。(2)所述定子電流參考值I1；是在電機模型中提出所得，計算電機定子側電流實際值I1和變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角θ，由此可以獲得電流誤差率函數ER(e，I1, I1;),該誤差經PI控制器調節不斷調整變頻器輸出頻率，當I1趨近於 I；時就意味著變頻器所發頻率趨近於轉子電頻率。
(3)滿足所述的誤差函數ER( θ ,I1, I；)具有以下特點當定子側電氣角頻率(即頻率估計值)等於轉子電氣角頻率時，ER( θ ,I1Ji;) =0;當定子側電氣角頻率大於轉子電氣角頻率時，ER( θ，I1, Γ*) 0。ER(9 , I1, I；)沒有明確物理含義，但它能定量反映當前定子側頻率與轉子電頻率之間大小關係。這也是ER(9 ,InIi;)可以作為PI控制器的輸入，通過控制器的調節，讓定子側頻率(即控制器的輸出)不斷趨近於真實轉子電頻率的依據。本發明與現有技術相比，具有以下的主要有益效果1.轉速估算過程中，電壓矢量施加合理，電機上不會出現過電流，同時能在電機轉速基本不發生變化的情況下，快速地給出電機當前轉速的估計值，該估計值能較準確地反映電機當前轉速。2.電機轉速估計值是由閉環控制器給出，物理意義清晰且穩定可靠，能夠在一定時間內實時反映電機當前轉速。圖7、圖8和圖9為本發明應用於實際電機再啟動時的典型實驗波形。實驗樣機為 ABB的三相異步電機，電動機型號為160M4A，功率為11KW，同步轉速為1500r/min，輸入額定電壓為380V/50HZ，額定電流為21. 46A(有效值)。從圖7和圖8看，本發明所提方案在中高速獲得良好的跟蹤性能，中低速也能較準確地反映實際電機轉速。圖9為電機轉速較低時， 電機轉速估算過程中，變頻器其中一相輸出電流波形。結合電機銘牌參數與實驗波形可知， 轉速估算過程中，最大衝擊電流不到額定電流60 %，轉速估算費時約900ms，轉速估算過程中，電機運行平穩，無嘯叫聲也無振動，具有平穩的啟動過程和較好的快速性，故本發明所提方案能滿足相應場合的需求。總之，本發明能在異步電機自由旋轉時較準確地估算電機當前的轉速，從而讓異步電機直接以當前速度啟動；只需檢測變頻器輸出的三相電流，無需速度傳感器以及相關外圍電路，能降低硬體設計複雜度和成本，物理意義清晰，易於實現且轉速估算算法簡單可罪。
圖1為轉速估算整體示意圖。
圖2為轉速估計值與真實轉速仿真波形(η=150r/min)。
圖3為轉速估計值與真實轉速仿真波形(η=900r/min)。
圖4為轉速估計值與真實轉速仿真波形(η=1350r/min)。
圖5為轉速估計值與真實轉速仿真波形(TL=IONm)。
圖6為轉速計算框圖。
圖7為轉速估計值與真實轉速實驗波形(中低速)。
圖8為轉速估計值與真實轉速實驗波形(中高速)。
圖9為電機再啟動時其中一相電流波形(η=300r/min)。
具體實施例方式本發明提供的確定異步電機再啟動時電機轉速的方法，其包括以下步驟A.通過變頻器產生一個適當的電壓矢量加在電機定子側，在定子電流定向坐標系下估算出電機轉速粗略值；所述電壓頻率為額定頻率或略高於額定頻率，電壓幅值小於或等於額定電壓10%，電壓幅值的選取原則上只要不讓電機過電流即可，實際選取時在該原則下儘量取大比較好，這樣利於測量和計算；B.以步驟A得到的電機轉速作為初始轉速，開始搜索電機真實轉速，其中電流誤差率函數ER( θ ,InIi;)為轉速搜索的主要依據，該函數可由變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角、電機模型中提取出的定子電流參考值和電機定子電流實際值計算出，θ為變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角，Im*為定子電流參考值，I1為電機定子側電流實際值，該電流誤差率函數能定量反映當前變頻器輸出頻率與轉子電頻率之間大小關係，從而為通過閉環控制調節變頻器輸出頻率，使之趨近於轉子電頻率提供依據。下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。在許多電機應用場合，典型的有如下兩種轉動慣量比較小的風機和機車牽引電機，電機經常處於自由旋轉狀態，如果要控制電機運行，必須先獲取電機當前轉速，否則只能等待電機停止旋轉後再啟動電機。獲取電機轉速最簡單的辦法是通過速度傳感器直接測量電機轉速，但是在實際應用某些場合，電機通常採用無速度傳感器控制，在這種情況下， 通過一種可靠的方法獲取電機的轉速，讓電機能平穩並且無電流過衝地啟動，在實際工程中是非常有意義的。本發明提供的方法，能確定電機自由旋轉時的轉速，從而讓電機直接以當前轉速平穩啟動，啟動過程中電機無嘯叫聲也無振動且具有較好的快速性，並且能滿足某些工程應用場合的需求。在電機轉速未知的情況下，通過變頻器產生一個幅值恆定，頻率一定的電壓來驅動電機。在相對穩定的情況下，如果電機定子旋轉磁場滯後轉子旋轉磁場時，電機為發電狀態，電機的能量將通過變頻器回饋給直流母線電容；如果電機定子旋轉磁場超前轉子旋轉磁場，電機將從直流母線電容上吸收功率。通過檢測電機定子側電流，可以計算出變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的相位差Θ。比較該相位與90°之間的大小，可以確定電機處於電動或發電狀態，進而可以判斷變頻器所發電壓的頻率與轉子電頻率之間的大小關係。假如判斷結果為電機處於電動狀態，這意味著變頻器輸出的頻率大於轉子電頻率，則應減少變頻器輸出頻率，反之則增加變頻器頻率，採用這種閉環控制不斷調節變頻器的輸出頻率，直至所發的頻率與電機轉子電頻率相等為止。由此可以定義變量Sign(e)
權利要求
1.一種確定異步電機再啟動時電機轉速的方法，其特徵在於包括以下步驟A.通過變頻器產生一個適當的電壓矢量加在電機定子側，在定子電流定向坐標系下估算出電機轉速粗略值；所述電壓矢量的頻率為額定頻率或略高於額定頻率，電壓幅值小於或等於額定電壓10%，電壓幅值的選取原則上只要不讓電機過電流即可，實際選取時在該原則下儘量取大比較好，這樣利於測量和計算；B.以步驟A得到的電機轉速作為初始轉速，開始搜索電機真實轉速，其中電流誤差率函數ER(e，I1, I；)為轉速搜索的主要依據，該函數可由變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角、電機模型中提取出的定子電流參考值和電機定子電流實際值計算出，θ為變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角，I1；為定子電流參考值，I1為電機定子側電流實際值，該電流誤差率函數能定量反映當前變頻器輸出頻率與轉子電頻率之間大小關係，從而為通過閉環控制調節變頻器輸出頻率，使之趨近於轉子電頻率提供依據。
2.根據權利要求1的所述的方法，其特徵在於所述步驟A中在電機轉速未知的情況下，給定幅值一定的電壓矢量來控制電機，用以估計電機轉速的電壓矢量，若該電壓矢量的頻率選為額定頻率，則其幅值的選取應以不會對電機產生明顯的電動轉矩為宜，即該電壓作用下，電機不會短時間飛速旋轉。
3.根據權利要求1和2的所述的方法，其特徵在於所述步驟A中電機轉子頻率估算採用定子電流空間矢量定向模型，用以反映電機運行的一般狀態；由於此處只需用估算一個粗略的轉速值，因此假設按所述電壓矢量作用於電機時，電機處於穩態運行狀態，進而使用穩態模型進行轉速估算。
4.根據權利要求3的所述的方法，其特徵在於在實際系統中，滿足所述的定子電流空間矢量通過採樣電機輸入側三相電流獲得；滿足所述電壓矢量是通過重構開關函數獲得， 該電壓矢量與電流矢量夾角θ由系統中瞬時功率獲得。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟B中所述電機模型包含的電機參數有轉子時間常數、定子電阻、定子電感，並且根據步驟A所述原則，估算轉速時，變頻器所發電壓幅值應該儘量小些，不能對電機產生較明顯的制動或驅動的電磁轉矩；這些因素使得直接利用上式子估算轉速較為困難；為此，實際實施時應提高變頻器所發電壓的頻率， 同時增大輸入電壓幅值，以有利於測量和計算。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟B中所述的轉子電頻率估算方法是基於閉環控制作用來構造轉速信號的，在電機轉速未知的情況下，通過變頻器產生一個幅值恆定，頻率一定的電壓來驅動電機；通過檢測電機定子側電流，計算出輸出電流和電壓矢量之間的相位θ，比較該相位與90°之間的大小，以判斷電機處於電動或發電狀態， 進而判斷變頻器所發電壓的頻率與轉子電頻率之間的大小關係，採用閉環控制不斷調整變頻器輸出頻率，直至該頻率與轉子電頻率相等為止。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述步驟B中，所述的閉環控制的輸入即電流誤差率函數ER( θ，I1, I；)由以下三個量確定定子電流參考值ΙΛ電機定子側電流實際值I1和變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角θ ；且該函數有以下特點當定子側電氣角頻率即頻率估計值等於轉子電氣角頻率時，ER( θ，I1, I；) = 0 ；當定子側電氣角頻率大於轉子電氣角頻率時，ER( θ，I1, I；) 0。
8.根據權利要求1和7所述的方法，其特徵在於所述步驟B中所述電流誤差率函數 ER(e ,11；0經PI控制器調節產生變頻器輸出頻率，當I1趨近於InT時就意味著變頻器所發頻率趨近於轉子電頻率；比如假設轉速估計值大於實際轉子轉速ωρ則PI控制器的輸入ERd1, I；)為負，控制器的調節作用會讓轉速估計值^^減小，使之趨近於轉子真實轉速，此時電流誤差率函數ERd1, I；)也會趨近零，控制器的輸出即轉速估計值^^會保持並實時跟蹤轉子真實轉速；反之亦然。
全文摘要
本發明公開了一種確定異步電機再啟動時電機轉速的方法，該方法分為兩步1.通過變頻器產生一個適當的電壓矢量加在電機定子側，在定子電流空間矢量定向坐標系下估算出電機轉速粗略值；2.以第一步估算的電機轉速作為初始轉速，開始搜索電機真實轉速，其中電流誤差率函數為轉速搜索的主要依據，該函數可由變頻器輸入側電壓矢量與電機輸入側電流矢量之間的夾角、電機模型中提取出的定子電流參考值和電機定子電流實際值計算出。本發明能在異步電機自由旋轉時較準確地確定電機當前的轉速，從而讓異步電機直接以當前速度啟動，所施方案無需速度傳感器以及相關外圍電路，物理意義清晰，易於實現且轉速估算算法簡單可靠。
文檔編號H02P21/14GK102299679SQ20111025264
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者康現偉, 王傲能, 趙文才, 金富寬 申請人:中冶南方(武漢)自動化有限公司