一種異步電機再啟動時轉速估算方法.pdf

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ELECTRIC DRIVE 2012 Vo1 42 No 9 電氣傳動 2012年 第42卷 第9期 一種異步電機再啟動時轉速估算方法 趙文才 金富寬 王傲能 康現(xiàn)偉 中冶南方 武漢 自動化有限公司 湖北武漢430205 摘要 為了能讓高速自由旋轉的異步電機直接以當前速度啟動 研究了一種異步電機再啟動時轉速估算 的方法 該方法從電機模型提取出理想的參考電流 通過比較該電流和實際電流來調節(jié)變頻器輸出頻率 使輸 出頻率趨近于電機轉子電頻率 該方法無需速度傳感器 物理意義清晰易于實現(xiàn)且轉速估算算法簡單可靠 仿真和實驗結果證明了該方法的有效性 關鍵詞 異步電機 轉速估算 定子電流矢量定向 電機帶速度再啟動 中圖分類號 TM921 文獻標識碼 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 在高性能異步電機矢量控制系統(tǒng)中 轉速閉 環(huán)是必不可少的 由于速度傳感器在安裝 維護 成本等方面影響了不少異步電機調速系統(tǒng)的簡便 性 廉價性及系統(tǒng)的可靠性 人們提出了無速度傳 感器的轉速閉環(huán)控制方案口 其核心問題是對轉 子轉速的估算 轉速估算算法發(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 有可能處于旋轉狀態(tài) 典型的有以下2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 2 機車牽引電機 機車可能比較長時間處 于自然滑行狀態(tài) 由于電機轉子處于自由旋轉狀 態(tài) 其定子側電氣物理量與其轉速沒有必然聯(lián)系 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(xiàn)過電流 文獻 2 3 利用 同一電壓空間矢量作用時定子電流空間矢量的 Heyland圓 提出了一種初始轉速自由化搜索算 法 可以在很小的電流 轉矩沖擊下完成電機重投 勵磁過程 但該文并沒有深入說明其實現(xiàn)過程 西門子變頻器使用手冊 4 提到一種轉子頻率搜索 方法 搜索時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系物理意義不是 非常明確 另外 由于實際所需負載電流并不明 確 恒定額定電流控制會惡化啟動過程中的動態(tài) 特性 另外還有一種方法 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(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 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(tǒng)中也很難判斷 因此一般不采用 這種方案 這種以電機當前轉速啟動的技術又被 作者簡介 趙文才 1984一 男 碩士 Email caicaiyu1985 163 CO1TI 電氣傳動 2012年 第42卷 第9期 趙文才 等 一種異步電機再啟動時轉速估算方法 稱為轉速跟蹤啟動 本文將提出一種轉速估算的 方法 該方法的工作分以下2步 1 通過變頻器產(chǎn) 生一個頻率較高 幅值較大的電壓加在電機定子 側 在定子電流定向坐標系下估算出電機轉速粗 略值 2 以第1步估算的電機轉速作為初始轉速 開始搜索電機真實轉速 以下2個物理量是轉速 搜索的主要依據(jù) 電機定子電流實際值和電機模 型中提取出的定子電流參考值 該方法所估算的 轉速值能比較準確地反映電機當前真實轉速 最 后本文通過仿真和實驗驗證了這種思路 2 電機再啟動轉速估算 異步電機調速系統(tǒng)中 獲得轉速信號的典型 思路有以下3種 1 基于電動機數(shù)學模型計算轉 速 開環(huán)計算轉速 2 基于閉環(huán)控制作用構造轉 速信號 閉環(huán)構造轉速 3 利用電動機結構特征 提取轉速信號 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 典型應用有模型參考自適應系統(tǒng) MARS 如在轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中 比較定子電流轉矩分量 用PI閉環(huán)控制構造轉 速 這些方法一般是在電機運行過程 檢測分析 相關電氣物理量 進而提取其中與轉速相關的信 息 如果電機當前是在外力拖動下自由旋轉 而沒 有被變頻器直接驅動 那么電機定子側就不存在 電壓和電流 不考慮電機突然斷電 定子側還存在 感應殘壓的情況 故而無法采用以上方式 通過 檢測電流來直接獲得與轉速相關的信息 在電機轉速未知的情況下 通過變頻器產(chǎn)生 一個幅值恒定 頻率一定的電壓來驅動電機 通 過檢測電機定子側電流 可以判斷當前所發(fā)的頻 率與電機轉子電頻率之間大小關系 采用閉環(huán)控 制不斷調整驅動電機的頻率 直至所發(fā)的頻率與 電機轉子電頻率相等為止 在一定情況下 如果電機定子旋轉磁場速度 低于電機轉子速度時 電機為發(fā)電狀態(tài) 電機的能 量將通過變頻器回饋給直流母線電容 如果電機 定子磁場旋轉速度高于轉子轉速 電機將從直流 母線電容上吸收功率 通過檢測變頻器輸出電 流 可以計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 電機處于電動或發(fā)電狀態(tài) 進而可以判斷變頻器 所發(fā)電壓的頻率與轉子轉速之間的大小關系 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)電壓矢量與電機定子側電 流矢量的夾角 當電機在額定條件下空載運行 轉差非常接 近零 那么以下關系成立 一 式中 工 為電機的額定空載勵磁電流幅值 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 假設電機處于以下運行狀態(tài) 轉子以電氣角 頻率叫 自由旋轉 為了估算該轉速 讓變頻器發(fā) 出電壓幅值為U 頻率為 的電壓矢量驅動電 機 可以通過檢測定子側電流 計算出此時定子電 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為實際檢測電流j 的參考值 大小按以下所述估計 當變頻器驅動電機的電 壓幅值為u 角頻率為 且轉子運行的電氣角 頻率為叫 即轉差頻率為0時 有以下關系 一 式中 為定子側電流幅值 它是一個理想情況 下的參考值 的含義是當定子和轉子的電氣角頻率都為 時 定子電流矢量幅值 從物理意義上看 該電流 只含有勵磁分量而不含轉矩分量 如果頻率較 高 可以采用下式近似計算 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 有轉差和無轉差情況下電流幅值的誤 差率 從控制角度看 是從電機模型中提取的 參考值 工 為電機定子側電流實際值 通過不斷 調整頻率 當 趨近于 時就意味著變頻器所 發(fā)頻率趨近于轉子真實電頻率 根據(jù)式 1 式 趙文才 等 一種異步電機再啟動時轉速估算方法 電氣傳動 2012年 第42卷 第9期 3 當定子側電氣角頻率 即頻率估計值 等于轉 子電氣角頻率時 ER 一0 當定子側電氣 角頻率大于轉子電氣角頻率時 ER J 0 ER I 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 間大小關系 這也是ER I 可以作為PI控 制器的輸入 通過控制器的調節(jié) 讓定子側頻率 即控制器的輸出 不斷趨近于真實轉子電頻率的 依據(jù) 3 電機再啟動轉速估算仿真分析 根據(jù)上節(jié)所述原理 可以構造下面控制系統(tǒng) 讓電流誤差率函數(shù)ER f 通過PI控制器調 節(jié)給出轉子轉速的估計值 根據(jù)上節(jié)的分析如 果 大于實際轉子轉速cu 則PI控制器的輸入 為負 控制器的調節(jié)作用會使轉子轉速估計值 趨近于轉子真實轉速 此時電流誤差率函數(shù)也會 趨近零 反之亦然 以上思路可以在Matlab Simulink環(huán)境下搭 建仿真模型驗證 仿真模型中 額定電壓380 V 50 Hz 額定功率4 kw 2對極 額定轉速1 440 r min 定子電阻0 732 Q 轉子電阻0 816 Q 定 子和轉子電感為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實際轉速為150 r min 900 r min 1 350 r min時 估算轉速與電機實際 轉速波形 此外還給出了當電機帶載運行時 轉速 估算效果 圖2a給出了電機轉速較低 一150 r min 時 轉速估計值與真實轉速之間的仿真波形 轉 速跟蹤過程中 轉速估計值 以額定同步轉速開 始往下調節(jié) 整個過程中施加在電機端的電壓幅 值較小 磁場較弱 故而整個過程中 電機真實轉 速幾乎沒有明顯的變化 但當轉速估計值趨近于 真實值時 頻率減小很多 相同電壓下氣隙主磁通 也會增強 此時有相對較大的電磁轉矩作用于電 機 從仿真波形上看 轉速估計值 低于真實轉 速 故該轉矩是制動性質的 通常在實際系統(tǒng) 中電機低速段的轉速估算是非常困難的 因為系 統(tǒng)參數(shù) 尤其是定轉子電阻 和電流檢測誤差的影 響明顯增大 但此處仿真模型中不存在這2個問 題 所以仿真中轉速估計值 能較好地跟蹤真實 轉速 圖2b給出了電機中速運行時 一900 r min 轉速估計值與真實轉速之間的仿真波形 圖2c給出了電機高速運行時 一1 350 r min 轉速估計值與真實轉速之間的仿真波形 從圖2a 圖2c仿真波形來看 雖然穩(wěn)態(tài)下 轉速估計值能較好地跟蹤到真實轉速值 但系統(tǒng) 的快速性并不理想 從圖2a可以看出 轉速估計 值從額定同步轉速搜索至真實轉速過程約0 27 S 這是因為 1 轉速估計的初始值與真實轉速相 差較大 2 整個系統(tǒng)是基于穩(wěn)態(tài)設計的 這也制約 了系統(tǒng)調節(jié)的速度 從圖2c可以看出 如果轉速 估計的初始值與電機轉速相差不大 搜索轉速的 時間會明顯減少 圖2d為電機轉子側帶一定負載轉矩 10 N m 時 轉速估計值與實際轉速仿真波形圖 由于恒定負載轉矩的作用 電機會線性減速 從該 圖得知 轉速估計值跟隨電機真實轉速下降 轉速 估計值能實時地反映電機真實轉速變化趨勢 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轉速估計值與真實轉速 Fig 2 The estimated and the real speed 13 電氣傳動 2012年 第42卷 第9期 趙文才 等 一種異步電機再啟動時轉速估算方法 該方案在估計電機轉速時 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 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 氣隙主磁通也會較大 該磁場切割轉子會產(chǎn)生很大的電流 這樣電機定 子側很容易出現(xiàn)過電流 另外一方面 即使電機 過渡到穩(wěn)態(tài) 那么由于電機端電壓較高 電機會在 這個電壓的控制下電動或制動運行 這樣也就與 最初估計電機轉速的初衷不一致了 所以用以估 計電機轉速的電壓矢量 其幅值應該在對應于額 定頻率時 不會對電機產(chǎn)生明顯的電動轉矩 即該 電壓作用下 電機不會短時間飛速旋轉 顯然這 是一個幅值很低的電壓 實際系統(tǒng)中要產(chǎn)生這么 低的電壓 必須要考慮功率開關器件的管壓降和 死區(qū)電壓并做相應的補償 同時 該方案中 式 3 計算電流幅值誤差率的方式 實際上是基于穩(wěn) 態(tài)的分析方式 而實際上 估算過程中 驅動電機 電壓的頻率一直都是變化的 而電機定子端電流 的變化始終都是滯后頻率變化 由于有這種制約 所以這種計算誤差的方式只有在變頻器輸出的頻 率變化較慢時才能更好地反映電流誤差 而當頻 率變化很快時 它不能實時準確地反映當前電流 誤差 這個特點也制約了系統(tǒng)轉速跟蹤的快速性 比較典型的情況為電機的直流制動 這種情況下 電機定子側的頻率遠低于轉子電頻率 電機短時 制動 轉子機械動能都通過定子側和轉子側電阻 發(fā)熱消耗掉 式 3 不能反映出該過程 因為該過 程是一個非?？斓膭討B(tài)過程 電機內(nèi)部電流幾乎 沒有穩(wěn)定值 該方案實施時 如果電機轉速估計的初始值 如1 500 r min 與電機實際轉速偏差較大時 控 制器輸出結果可能發(fā)散 效果不是特別理想 只有 在電機轉速估計的初值與實際偏差不大時 控制 器輸出才能較好 很快地收斂到真實電機轉速 基于以上所述 為了提高系統(tǒng)轉速估算的快速性 增強控制器的穩(wěn)定性 下文將用一種方法粗略地 估計電機轉速 把該轉速作為控制器的初值 此時 控制器輸出值可以較好 較快地趨近于電機真實 轉速 4 定子電流定向轉速初值估算 采用定子電流矢量 定向 電機模型可以用 下列兩組方程描述 d q坐標系中 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 為轉差角頻率 上面兩組方程是電機運行的一般方程 其形 式比較復雜 由于此處只需用上述模型估算一個 粗略的轉速值 可以假設電機處于穩(wěn)態(tài)運行 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 該表達式中包含較多電機參數(shù) 包括轉子時間常數(shù) 定子電阻 定子電感 而且根 據(jù)上節(jié)所述原則 估算轉速時 通過變頻器所發(fā)電 壓幅值應該盡量小些 不能對電機產(chǎn)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 式 8 估算轉速較為困難 為此 實際實施時須適 當提高變頻器所發(fā)電壓的頻率 這樣做的優(yōu)點是 1 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 2 增大頻率后 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 這樣也有利于測量和計算 實際系統(tǒng)中 通過開關函數(shù)重構驅動電機的 電壓U U U 采樣電機輸入側三相電流 I 通過以下公式計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 一種異步電機再啟動時轉速估算方法 電氣傳動 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 具有平穩(wěn)的啟動過程和較好的快速性 故 本文所提方案能滿足相應場合的需求 綜上可得三 初始值整體計算框圖如圖3所示 式 9 式 12 式 11 式 8 圖3轉速計算框圖 Fig 3 The calculation block diagram for motor speed 5 實驗驗證 實驗平臺由一套ABB的三相異步電機和三 相變頻器組成 電動機型號為160M4A 功率為 11 kW 同步轉速為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 在電機定子側施加一個幅值一定的電壓 將異步 電機拖到一定的轉速 電機空載運行 然后封鎖 PWM驅動信號 讓電機處于自由減速旋轉狀態(tài) 等待電機定子側感應殘壓消失后啟動轉速估算模 塊 該模塊的工作分為以下幾步 1 通過變頻器 產(chǎn)生一個頻率較高 幅值較大的電壓加在電機定 子側 用上一節(jié)所述方法 估算出電機轉速值 2 降低輸入電壓的某一恒定值 降低輸入電壓的頻 率至第一步所計算出的電頻率 同時把PI控制器 的初始值設成該頻率 3 PI控制器開始工作 控 制器的輸出就能實時反映當前電機轉子電頻率 通過以上方法 一次實驗可以獲得一組轉速 估算值和轉速實際值 反復進行上述實驗 測得 34組實驗數(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次實驗數(shù)據(jù)值 分別代 表電機處于中低速和中高速旋轉時 轉速估算實 驗波形 從圖4和圖5結果來看 在中高速段 轉速估 計值與真實轉速幾乎重合 本文所提方案在中高 速段獲得良好的跟蹤性能 中低速也能較準確地 反映實際電機轉速 低速時轉速估計效果會有所 變差 主要原因是方案具體實施時 式 5 采用近 似處理 而低速時定子電阻往往不可忽略 但實 際應用中 這種忽略是可行的 圖6給出了低速 時 轉速估算過程中電機輸入電流波形 最大沖擊 電流不到額定電流6O 轉速估算費時約900 ms 轉速估算過程中 電機運行平穩(wěn) 無嘯叫聲也 著 早 翥 漿 1 Ooo 95O 9o0 850 80o 750 700 650 60o 實驗次數(shù)O 1 17 圖4估計轉速與實際轉速值 中低速 Fig 4 The estimated and the real speed medium or low speed 圖5估計轉速與實際轉速值 中高速 Fig 5 The estimated and the real speed medium or high speed l ms 5ooms l硌 圖6電機帶速再啟動時電流波形 150 r min Fig 6 The current response when motor restart with speed 6 結論 本文基于異步電機數(shù)學模型 提出了一種異步 電機再啟動時轉速估算的方法 該方法采用數(shù)字實 現(xiàn)從而節(jié)省了轉速傳感器和相關外圍電路 通過 仿真和實驗驗證了該方法的可靠性和正確性 參考文獻 1 李永東 李明才 感應電機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 2004 34 1 4 10 2 尚敬 劉可安 年曉紅 等 牽引電動機無速度傳感器及帶速 度重投控制 J 中國電機工程學報 2006 26 15 118 123 3 尚敬 劉可安 電力牽引電動機異步電動機無速度傳感器間 接定子量控制 J 電工技術學報 2007 22 2 22 27 4 西門子 中國 有限公司 SIEMENS MicroMaster4 MM440 操作手冊使用大全 Z 2002 104 107 53樊揚 瞿文龍 陸海峰 等 基于轉子磁鏈q軸分量的異步電 機間接矢量控制轉差頻率校正 J 中國電機工程學報 2009 29 9 62 66 麗百兩 丁 修改稿日期 2012 04 11 15 一 q J 僵辯