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ELECTRIC DRIVE 2012 Vo1 42 No 9 電氣傳動(dòng) 2012年 第42卷 第9期 一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算方法 趙文才 金富寬 王傲能 康現(xiàn)偉 中冶南方 武漢 自動(dòng)化有限公司 湖北武漢430205 摘要 為了能讓高速自由旋轉(zhuǎn)的異步電機(jī)直接以當(dāng)前速度啟動(dòng) 研究了一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算 的方法 該方法從電機(jī)模型提取出理想的參考電流 通過比較該電流和實(shí)際電流來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率 使輸 出頻率趨近于電機(jī)轉(zhuǎn)子電頻率 該方法無需速度傳感器 物理意義清晰易于實(shí)現(xiàn)且轉(zhuǎn)速估算算法簡(jiǎn)單可靠 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性 關(guān)鍵詞 異步電機(jī) 轉(zhuǎn)速估算 定子電流矢量定向 電機(jī)帶速度再啟動(dòng) 中圖分類號(hào) TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B Speed Estimation Method for Asynchr0nous Motor Restart ZHAO Wen cai jIN Fu kuan WANG Ao neng KANG Xian wei Wuhn ro Steel Design Research Institute Automation Co Ltd Wuhan 430205 Hubei China Abstract In order tO let the freely rotating induction motor directly restart with high speed A speed esti mation method for asynchronous motor restart was studied The output frequency of the inverter is adj usted to close to the rotor frequency by comparing the actual current and the reference current which is extracted from the motor mode1 This method has a clear physical meaning and the speed estimation algorithm can realize sim ply without speed sensor Simulation and experiment results confirm the validity of the proposed method Key words asynchronous motor speed estimation stator current vector orientation motor restart with speed 1 引言 在高性能異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)速閉 環(huán)是必不可少的 由于速度傳感器在安裝 維護(hù) 成本等方面影響了不少異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)便 性 廉價(jià)性及系統(tǒng)的可靠性 人們提出了無速度傳 感器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方案口 其核心問題是對(duì)轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速的估算 轉(zhuǎn)速估算算法發(fā)展至今已有十幾 種方法n 其基本出發(fā)點(diǎn)是利用直接計(jì)算 觀測(cè) 器 自適應(yīng)等手段 從定子邊測(cè)量電壓電流進(jìn)而提 取與轉(zhuǎn)速有關(guān)的量 然而在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行之前 電機(jī)轉(zhuǎn)子 有可能處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài) 典型的有以下2種場(chǎng)合 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小的風(fēng)機(jī) 輕微自然風(fēng)可能讓其自 然旋轉(zhuǎn) 2 機(jī)車牽引電機(jī) 機(jī)車可能比較長時(shí)間處 于自然滑行狀態(tài) 由于電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由旋轉(zhuǎn)狀 態(tài) 其定子側(cè)電氣物理量與其轉(zhuǎn)速?zèng)]有必然聯(lián)系 此時(shí)如果要重新控制電機(jī)必須先獲取電機(jī)的轉(zhuǎn) 速 否則變頻器會(huì)出現(xiàn)過電流 文獻(xiàn) 2 3 利用 同一電壓空間矢量作用時(shí)定子電流空間矢量的 Heyland圓 提出了一種初始轉(zhuǎn)速自由化搜索算 法 可以在很小的電流 轉(zhuǎn)矩沖擊下完成電機(jī)重投 勵(lì)磁過程 但該文并沒有深入說明其實(shí)現(xiàn)過程 西門子變頻器使用手冊(cè) 4 提到一種轉(zhuǎn)子頻率搜索 方法 搜索時(shí)始終保持定子為恒定額定電流 比較 變頻器輸出電壓與V f曲線上的電壓 二者相等 時(shí)以為此時(shí)的輸出頻率就是轉(zhuǎn)子頻率 但實(shí)際上 V f曲線與定子額定電流的關(guān)系物理意義不是 非常明確 另外 由于實(shí)際所需負(fù)載電流并不明 確 恒定額定電流控制會(huì)惡化啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài) 特性 另外還有一種方法 通過檢測(cè)直流母線電 壓變化趨勢(shì)或通過檢測(cè)直流電流 當(dāng)定子側(cè)電頻 率與電機(jī)轉(zhuǎn)子電頻率相等時(shí)直流母線電流最小 這種思路雖然物理概念清晰明確但實(shí)現(xiàn)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(cè) 而且直流母線電流最小和直流母線電容變化 趨勢(shì)在實(shí)際系統(tǒng)中也很難判斷 因此一般不采用 這種方案 這種以電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速啟動(dòng)的技術(shù)又被 作者簡(jiǎn)介 趙文才 1984一 男 碩士 Email caicaiyu1985 163 CO1TI 電氣傳動(dòng) 2012年 第42卷 第9期 趙文才 等 一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算方法 稱為轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng) 本文將提出一種轉(zhuǎn)速估算的 方法 該方法的工作分以下2步 1 通過變頻器產(chǎn) 生一個(gè)頻率較高 幅值較大的電壓加在電機(jī)定子 側(cè) 在定子電流定向坐標(biāo)系下估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速粗 略值 2 以第1步估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為初始轉(zhuǎn)速 開始搜索電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速 以下2個(gè)物理量是轉(zhuǎn)速 搜索的主要依據(jù) 電機(jī)定子電流實(shí)際值和電機(jī)模 型中提取出的定子電流參考值 該方法所估算的 轉(zhuǎn)速值能比較準(zhǔn)確地反映電機(jī)當(dāng)前真實(shí)轉(zhuǎn)速 最 后本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種思路 2 電機(jī)再啟動(dòng)轉(zhuǎn)速估算 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)的典型 思路有以下3種 1 基于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn) 速 開環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速 2 基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn) 速信號(hào) 閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速 3 利用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特征 提取轉(zhuǎn)速信號(hào) 方法2具有閉環(huán)控制特性 所以 其穩(wěn)定性和可靠性更好 近年來這種思路也得到 廣泛研究 典型應(yīng)用有模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) MARS 如在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中 比較定子電流轉(zhuǎn)矩分量 用PI閉環(huán)控制構(gòu)造轉(zhuǎn) 速 這些方法一般是在電機(jī)運(yùn)行過程 檢測(cè)分析 相關(guān)電氣物理量 進(jìn)而提取其中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信 息 如果電機(jī)當(dāng)前是在外力拖動(dòng)下自由旋轉(zhuǎn) 而沒 有被變頻器直接驅(qū)動(dòng) 那么電機(jī)定子側(cè)就不存在 電壓和電流 不考慮電機(jī)突然斷電 定子側(cè)還存在 感應(yīng)殘壓的情況 故而無法采用以上方式 通過 檢測(cè)電流來直接獲得與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信息 在電機(jī)轉(zhuǎn)速未知的情況下 通過變頻器產(chǎn)生 一個(gè)幅值恒定 頻率一定的電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī) 通 過檢測(cè)電機(jī)定子側(cè)電流 可以判斷當(dāng)前所發(fā)的頻 率與電機(jī)轉(zhuǎn)子電頻率之間大小關(guān)系 采用閉環(huán)控 制不斷調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率 直至所發(fā)的頻率與 電機(jī)轉(zhuǎn)子電頻率相等為止 在一定情況下 如果電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度 低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度時(shí) 電機(jī)為發(fā)電狀態(tài) 電機(jī)的能 量將通過變頻器回饋給直流母線電容 如果電機(jī) 定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度高于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 電機(jī)將從直流 母線電容上吸收功率 通過檢測(cè)變頻器輸出電 流 可以計(jì)算出輸出電流和輸出電壓基波之間的 相位 比較該相位與90 之間的大小 可以判斷 電機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài) 進(jìn)而可以判斷變頻器 所發(fā)電壓的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的大小關(guān)系 綜 上所述 可以定義變量Sign e 1 2 f一1 等 厶 式中 為變頻器所發(fā)電壓矢量與電機(jī)定子側(cè)電 流矢量的夾角 當(dāng)電機(jī)在額定條件下空載運(yùn)行 轉(zhuǎn)差非常接 近零 那么以下關(guān)系成立 一 式中 工 為電機(jī)的額定空載勵(lì)磁電流幅值 U 為 額定電壓幅值 為額定角頻率 R 為定子電 阻 L 為定子電感 假設(shè)電機(jī)處于以下運(yùn)行狀態(tài) 轉(zhuǎn)子以電氣角 頻率叫 自由旋轉(zhuǎn) 為了估算該轉(zhuǎn)速 讓變頻器發(fā) 出電壓幅值為U 頻率為 的電壓矢量驅(qū)動(dòng)電 機(jī) 可以通過檢測(cè)定子側(cè)電流 計(jì)算出此時(shí)定子電 流幅值為 定義電流幅值誤差率函數(shù)如下 ER ign 1 1 3 l 一I i l 式中 工 為定子電流幅值 Im為實(shí)際檢測(cè)電流j 的參考值 大小按以下所述估計(jì) 當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電 壓幅值為u 角頻率為 且轉(zhuǎn)子運(yùn)行的電氣角 頻率為叫 即轉(zhuǎn)差頻率為0時(shí) 有以下關(guān)系 一 式中 為定子側(cè)電流幅值 它是一個(gè)理想情況 下的參考值 的含義是當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子的電氣角頻率都為 時(shí) 定子電流矢量幅值 從物理意義上看 該電流 只含有勵(lì)磁分量而不含轉(zhuǎn)矩分量 如果頻率較 高 可以采用下式近似計(jì)算 I三一 5 r U T T 那么式 3 中 l l可以理解為相同電壓矢 量作用下 有轉(zhuǎn)差和無轉(zhuǎn)差情況下電流幅值的誤 差率 從控制角度看 是從電機(jī)模型中提取的 參考值 工 為電機(jī)定子側(cè)電流實(shí)際值 通過不斷 調(diào)整頻率 當(dāng) 趨近于 時(shí)就意味著變頻器所 發(fā)頻率趨近于轉(zhuǎn)子真實(shí)電頻率 根據(jù)式 1 式 趙文才 等 一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算方法 電氣傳動(dòng) 2012年 第42卷 第9期 3 當(dāng)定子側(cè)電氣角頻率 即頻率估計(jì)值 等于轉(zhuǎn) 子電氣角頻率時(shí) ER 一0 當(dāng)定子側(cè)電氣 角頻率大于轉(zhuǎn)子電氣角頻率時(shí) ER J 0 ER I I 沒有明確物理含義 但它能定量反映當(dāng)前定子側(cè)頻率與轉(zhuǎn)子電頻率之 間大小關(guān)系 這也是ER I 可以作為PI控 制器的輸入 通過控制器的調(diào)節(jié) 讓定子側(cè)頻率 即控制器的輸出 不斷趨近于真實(shí)轉(zhuǎn)子電頻率的 依據(jù) 3 電機(jī)再啟動(dòng)轉(zhuǎn)速估算仿真分析 根據(jù)上節(jié)所述原理 可以構(gòu)造下面控制系統(tǒng) 讓電流誤差率函數(shù)ER f 通過PI控制器調(diào) 節(jié)給出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計(jì)值 根據(jù)上節(jié)的分析如 果 大于實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速cu 則PI控制器的輸入 為負(fù) 控制器的調(diào)節(jié)作用會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)值 趨近于轉(zhuǎn)子真實(shí)轉(zhuǎn)速 此時(shí)電流誤差率函數(shù)也會(huì) 趨近零 反之亦然 以上思路可以在Matlab Simulink環(huán)境下搭 建仿真模型驗(yàn)證 仿真模型中 額定電壓380 V 50 Hz 額定功率4 kw 2對(duì)極 額定轉(zhuǎn)速1 440 r min 定子電阻0 732 Q 轉(zhuǎn)子電阻0 816 Q 定 子和轉(zhuǎn)子電感為133 5 mH 互感為127 4 mH 仿真模型按圖1所示框圖搭建 圖1轉(zhuǎn)速估算仿真模型示意圖 Fig 1 The sketch of simulation model for speed estimation 下面將分別給出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為150 r min 900 r min 1 350 r min時(shí) 估算轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際 轉(zhuǎn)速波形 此外還給出了當(dāng)電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí) 轉(zhuǎn)速 估算效果 圖2a給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速較低 一150 r min 時(shí) 轉(zhuǎn)速估計(jì)值與真實(shí)轉(zhuǎn)速之間的仿真波形 轉(zhuǎn) 速跟蹤過程中 轉(zhuǎn)速估計(jì)值 以額定同步轉(zhuǎn)速開 始往下調(diào)節(jié) 整個(gè)過程中施加在電機(jī)端的電壓幅 值較小 磁場(chǎng)較弱 故而整個(gè)過程中 電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn) 速幾乎沒有明顯的變化 但當(dāng)轉(zhuǎn)速估計(jì)值趨近于 真實(shí)值時(shí) 頻率減小很多 相同電壓下氣隙主磁通 也會(huì)增強(qiáng) 此時(shí)有相對(duì)較大的電磁轉(zhuǎn)矩作用于電 機(jī) 從仿真波形上看 轉(zhuǎn)速估計(jì)值 低于真實(shí)轉(zhuǎn) 速 故該轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)性質(zhì)的 通常在實(shí)際系統(tǒng) 中電機(jī)低速段的轉(zhuǎn)速估算是非常困難的 因?yàn)橄?統(tǒng)參數(shù) 尤其是定轉(zhuǎn)子電阻 和電流檢測(cè)誤差的影 響明顯增大 但此處仿真模型中不存在這2個(gè)問 題 所以仿真中轉(zhuǎn)速估計(jì)值 能較好地跟蹤真實(shí) 轉(zhuǎn)速 圖2b給出了電機(jī)中速運(yùn)行時(shí) 一900 r min 轉(zhuǎn)速估計(jì)值與真實(shí)轉(zhuǎn)速之間的仿真波形 圖2c給出了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí) 一1 350 r min 轉(zhuǎn)速估計(jì)值與真實(shí)轉(zhuǎn)速之間的仿真波形 從圖2a 圖2c仿真波形來看 雖然穩(wěn)態(tài)下 轉(zhuǎn)速估計(jì)值能較好地跟蹤到真實(shí)轉(zhuǎn)速值 但系統(tǒng) 的快速性并不理想 從圖2a可以看出 轉(zhuǎn)速估計(jì) 值從額定同步轉(zhuǎn)速搜索至真實(shí)轉(zhuǎn)速過程約0 27 S 這是因?yàn)?1 轉(zhuǎn)速估計(jì)的初始值與真實(shí)轉(zhuǎn)速相 差較大 2 整個(gè)系統(tǒng)是基于穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的 這也制約 了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的速度 從圖2c可以看出 如果轉(zhuǎn)速 估計(jì)的初始值與電機(jī)轉(zhuǎn)速相差不大 搜索轉(zhuǎn)速的 時(shí)間會(huì)明顯減少 圖2d為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)帶一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 10 N m 時(shí) 轉(zhuǎn)速估計(jì)值與實(shí)際轉(zhuǎn)速仿真波形圖 由于恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用 電機(jī)會(huì)線性減速 從該 圖得知 轉(zhuǎn)速估計(jì)值跟隨電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速下降 轉(zhuǎn)速 估計(jì)值能實(shí)時(shí)地反映電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì) 這 證明了本文所提方案理論上的正確性 胃 翥 僻 龜 翥 蜱 i 翥 辯 暑 蜱 t s Co n 900 r rain s s c n l 350 r min d TL 10N m 圖2轉(zhuǎn)速估計(jì)值與真實(shí)轉(zhuǎn)速 Fig 2 The estimated and the real speed 13 電氣傳動(dòng) 2012年 第42卷 第9期 趙文才 等 一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算方法 該方案在估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí) 需要在電機(jī)轉(zhuǎn)速 未知的情況下 給定幅值一定的電壓矢量來控制 電機(jī) 該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(huì)較大 該磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生很大的電流 這樣電機(jī)定 子側(cè)很容易出現(xiàn)過電流 另外一方面 即使電機(jī) 過渡到穩(wěn)態(tài) 那么由于電機(jī)端電壓較高 電機(jī)會(huì)在 這個(gè)電壓的控制下電動(dòng)或制動(dòng)運(yùn)行 這樣也就與 最初估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的初衷不一致了 所以用以估 計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓矢量 其幅值應(yīng)該在對(duì)應(yīng)于額 定頻率時(shí) 不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生明顯的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩 即該 電壓作用下 電機(jī)不會(huì)短時(shí)間飛速旋轉(zhuǎn) 顯然這 是一個(gè)幅值很低的電壓 實(shí)際系統(tǒng)中要產(chǎn)生這么 低的電壓 必須要考慮功率開關(guān)器件的管壓降和 死區(qū)電壓并做相應(yīng)的補(bǔ)償 同時(shí) 該方案中 式 3 計(jì)算電流幅值誤差率的方式 實(shí)際上是基于穩(wěn) 態(tài)的分析方式 而實(shí)際上 估算過程中 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電壓的頻率一直都是變化的 而電機(jī)定子端電流 的變化始終都是滯后頻率變化 由于有這種制約 所以這種計(jì)算誤差的方式只有在變頻器輸出的頻 率變化較慢時(shí)才能更好地反映電流誤差 而當(dāng)頻 率變化很快時(shí) 它不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映當(dāng)前電流 誤差 這個(gè)特點(diǎn)也制約了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤的快速性 比較典型的情況為電機(jī)的直流制動(dòng) 這種情況下 電機(jī)定子側(cè)的頻率遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子電頻率 電機(jī)短時(shí) 制動(dòng) 轉(zhuǎn)子機(jī)械動(dòng)能都通過定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)電阻 發(fā)熱消耗掉 式 3 不能反映出該過程 因?yàn)樵撨^ 程是一個(gè)非常快的動(dòng)態(tài)過程 電機(jī)內(nèi)部電流幾乎 沒有穩(wěn)定值 該方案實(shí)施時(shí) 如果電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的初始值 如1 500 r min 與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí) 控 制器輸出結(jié)果可能發(fā)散 效果不是特別理想 只有 在電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的初值與實(shí)際偏差不大時(shí) 控制 器輸出才能較好 很快地收斂到真實(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速 基于以上所述 為了提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速估算的快速性 增強(qiáng)控制器的穩(wěn)定性 下文將用一種方法粗略地 估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速 把該轉(zhuǎn)速作為控制器的初值 此時(shí) 控制器輸出值可以較好 較快地趨近于電機(jī)真實(shí) 轉(zhuǎn)速 4 定子電流定向轉(zhuǎn)速初值估算 采用定子電流矢量 定向 電機(jī)模型可以用 下列兩組方程描述 d q坐標(biāo)系中 i 一li i 一 0 電壓方程為 1 4 r 一R i d一叫 I rd R i CO 一0 一R i 一0 其磁鏈方程為 f sd L i L i rd j 一Ls L L r 7 一L i L i q L i 式中 叫 為同步角頻率 6o 為轉(zhuǎn)差角頻率 上面兩組方程是電機(jī)運(yùn)行的一般方程 其形 式比較復(fù)雜 由于此處只需用上述模型估算一個(gè) 粗略的轉(zhuǎn)速值 可以假設(shè)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 將 一o 一0 一0 iv 一0帶入式 6 式 7 整理以下穩(wěn)態(tài)方程 一魯 一 了 觀察式 8 該表達(dá)式中包含較多電機(jī)參數(shù) 包括轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) 定子電阻 定子電感 而且根 據(jù)上節(jié)所述原則 估算轉(zhuǎn)速時(shí) 通過變頻器所發(fā)電 壓幅值應(yīng)該盡量小些 不能對(duì)電機(jī)產(chǎn)生較明顯的 制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩 這些因素使得直接利用 式 8 估算轉(zhuǎn)速較為困難 為此 實(shí)際實(shí)施時(shí)須適 當(dāng)提高變頻器所發(fā)電壓的頻率 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是 1 定子電阻不準(zhǔn)確的影響會(huì)明顯被削弱 因?yàn)槎?子電感的阻抗值將會(huì)增大 2 增大頻率后 相同電 壓下 氣隙主磁通和電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)更小 所以此時(shí)可 以增大輸入電壓幅值 這樣也有利于測(cè)量和計(jì)算 實(shí)際系統(tǒng)中 通過開關(guān)函數(shù)重構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 電壓U U U 采樣電機(jī)輸入側(cè)三相電流 I 通過以下公式計(jì)算電壓電流幅值以及電壓矢 量與電流矢量之間的夾角0 f 一 M 警 e一弩 ji s e簪 e一簪 9 1 0 I 一z s口 j s盧 Ii 一 j i 由于采用定子電流矢量定向模型 那么 I li l 10 電壓矢量與電流矢量之問的夾角 為 f 一昔 i 印i I q一百3 一 I l O atan q p 趙文才 等 一種異步電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算方法 電氣傳動(dòng) 2012年 第42卷 第9期 fU 一i 1 COS 0 1 U 一j J sin 0 12 無振動(dòng) 具有平穩(wěn)的啟動(dòng)過程和較好的快速性 故 本文所提方案能滿足相應(yīng)場(chǎng)合的需求 綜上可得三 初始值整體計(jì)算框圖如圖3所示 式 9 式 12 式 11 式 8 圖3轉(zhuǎn)速計(jì)算框圖 Fig 3 The calculation block diagram for motor speed 5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由一套ABB的三相異步電機(jī)和三 相變頻器組成 電動(dòng)機(jī)型號(hào)為160M4A 功率為 11 kW 同步轉(zhuǎn)速為1 500 r min 輸入額定電壓為 380 v 5o Hz 額定電流為21 46 A 有效值 先 在電機(jī)定子側(cè)施加一個(gè)幅值一定的電壓 將異步 電機(jī)拖到一定的轉(zhuǎn)速 電機(jī)空載運(yùn)行 然后封鎖 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào) 讓電機(jī)處于自由減速旋轉(zhuǎn)狀態(tài) 等待電機(jī)定子側(cè)感應(yīng)殘壓消失后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速估算模 塊 該模塊的工作分為以下幾步 1 通過變頻器 產(chǎn)生一個(gè)頻率較高 幅值較大的電壓加在電機(jī)定 子側(cè) 用上一節(jié)所述方法 估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速值 2 降低輸入電壓的某一恒定值 降低輸入電壓的頻 率至第一步所計(jì)算出的電頻率 同時(shí)把PI控制器 的初始值設(shè)成該頻率 3 PI控制器開始工作 控 制器的輸出就能實(shí)時(shí)反映當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子電頻率 通過以上方法 一次實(shí)驗(yàn)可以獲得一組轉(zhuǎn)速 估算值和轉(zhuǎn)速實(shí)際值 反復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn) 測(cè)得 34組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 該組數(shù)據(jù)可以用以下兩組曲線描 述 這兩組曲線各含有17次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值 分別代 表電機(jī)處于中低速和中高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 轉(zhuǎn)速估算實(shí) 驗(yàn)波形 從圖4和圖5結(jié)果來看 在中高速段 轉(zhuǎn)速估 計(jì)值與真實(shí)轉(zhuǎn)速幾乎重合 本文所提方案在中高 速段獲得良好的跟蹤性能 中低速也能較準(zhǔn)確地 反映實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速 低速時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)效果會(huì)有所 變差 主要原因是方案具體實(shí)施時(shí) 式 5 采用近 似處理 而低速時(shí)定子電阻往往不可忽略 但實(shí) 際應(yīng)用中 這種忽略是可行的 圖6給出了低速 時(shí) 轉(zhuǎn)速估算過程中電機(jī)輸入電流波形 最大沖擊 電流不到額定電流6O 轉(zhuǎn)速估算費(fèi)時(shí)約900 ms 轉(zhuǎn)速估算過程中 電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn) 無嘯叫聲也 著 早 翥 漿 1 Ooo 95O 9o0 850 80o 750 700 650 60o 實(shí)驗(yàn)次數(shù)O 1 17 圖4估計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速值 中低速 Fig 4 The estimated and the real speed medium or low speed 圖5估計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速值 中高速 Fig 5 The estimated and the real speed medium or high speed l ms 5ooms l硌 圖6電機(jī)帶速再啟動(dòng)時(shí)電流波形 150 r min Fig 6 The current response when motor restart with speed 6 結(jié)論 本文基于異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 提出了一種異步 電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估算的方法 該方法采用數(shù)字實(shí) 現(xiàn)從而節(jié)省了轉(zhuǎn)速傳感器和相關(guān)外圍電路 通過 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性和正確性 參考文獻(xiàn) 1 李永東 李明才 感應(yīng)電機(jī)高性能無速度傳感器控制系 統(tǒng) 回顧 現(xiàn)狀與展望 J3 電氣傳動(dòng) 2004 34 1 4 10 2 尚敬 劉可安 年曉紅 等 牽引電動(dòng)機(jī)無速度傳感器及帶速 度重投控制 J 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2006 26 15 118 123 3 尚敬 劉可安 電力牽引電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器間 接定子量控制 J 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2007 22 2 22 27 4 西門子 中國 有限公司 SIEMENS MicroMaster4 MM440 操作手冊(cè)使用大全 Z 2002 104 107 53樊揚(yáng) 瞿文龍 陸海峰 等 基于轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量的異步電 機(jī)間接矢量控制轉(zhuǎn)差頻率校正 J 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2009 29 9 62 66 麗百兩 丁 修改稿日期 2012 04 11 15 一 q J 僵辯