专利名称：确定异步电机再启动时转速的方法
技术领域：
本发明涉及一种电机转速估算方法，具体涉及一种确定异步电机再启动时电机转速的方法。
背景技术：
在高性能异步电机矢量控制系统中，转速闭环是必不可少的。由于速度传感器在安装、维护、成本等方面影响了不少异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性， 人们提出了无速度传感器的转速闭环控制方案。其核心问题是对转子转速的估算。转速估算算法发展至今已有十几种方法，其基本出发点是利用直接计算、观测器、自适应等手段， 从定子边测量电压电流进而提取与转速有关的量。然而在变频器驱动电机运行之前，电机转子有可能出于旋转状态，典型的有以下两种场合(1)转动惯量比较小的风机，轻微自然风可能让其自然旋转；( 机车牵引电机， 机车可能比较长时间处于自然滑行状态。由于电机转子处于自由旋转状态，其定子测电气物理量与其转速没有必然联系，此时如果要重新控制电机必须先获取电机的转速，否则变频器会出现过电流。工程上有人采用一种转子频率搜索方法搜索时始终保持定子为恒定额定电流， 比较变频器输出电压与v/f曲线上的电压，二者相等时以为此时的输出频率就是转子频率。但实际上v/f曲线与定子额定电流的关系物理意义不是非常明确，另外，由于实际所需负载电流并不明确，恒定额定电流控制会恶化起动过程中的动态特性。还有一种方法，通过检测直流母线电压变化趋势或通过检测直流电流，当定子侧电频率与电机转子电频率相等时直流母线电流最小。这种思路虽然物理概念清晰明确但实现起来难度较大，一般在变频器装置中没有直流母线电流检测，而且直流母线电流最小和直流母线电容变化趋势在实际系统中也很难判断，因此一般不采用这种方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定异步电机再启动时转速的方法，该方法能够在异步电机高速自由旋转时，较为准确地确定异步电机当前转速，从而让异步电机无电流过冲地直接以当前转速平稳启动。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的确定异步电机再启动时电机转速的方法，其包括以下步骤A.通过变频器产生一个适当的电压矢量加在电机定子侧，在定子电流定向坐标系下估算出电机转速粗略值；所述电压频率为额定频率或略高于额定频率，电压幅值小于或等于额定电压10%，电压幅值的选取原则上只要不让电机过电流即可，实际选取时在该原则下尽量取大比较好，这样利于测量和计算；B.以步骤A得到的电机转速作为初始转速，开始搜索电机真实转速，其中电流误差率函数ER( θ ,InIi;)为转速搜索的主要依据，该函数可由变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角、电机模型中提取出的定子电流参考值和电机定子电流实际值计算出，θ为变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角，Im*为定子电流参考值，I1为电机定子侧电流实际值，该电流误差率函数能定量反映当前变频器输出频率与转子电频率之间大小关系，从而为通过闭环控制调节变频器输出频率，使之趋近于转子电频率提供依据。所述步骤A中需注意以下几点(1)需要在电机转速未知的情况下，给定幅值一定的电压矢量来控制电机，这个过程中，气隙主磁通重新建立的过程必不可少，如果电压幅值较大，气隙主磁通也会较大，该磁场切割转子会产生很大的电流，这样电机定子侧很容易出现过电流。另外一方面，即使电机过渡到稳态，那么由于电机端电压较高，电机会在这个电压的控制下电动或制动运行，转子出现明显的加速或减速过程，这样也就与估计电机转速的初衷相悖了。所以用以估计电机转速的电压矢量，假如其频率为额定频率，则其幅值应以不会对电机产生明显的电动转矩为宜，即该电压作用下，电机不会短时间飞速旋转。(2)在步骤(1)中，电机转子频率估算采用定子电流矢量定向模型，该模型能反映电机运行的一般状态，其形式比较复杂。由于此处只需用估算一个粗略的转速值，因此可以假设按步骤(1)所需电压矢量作用于电机时，电机处于稳态运行状态，进而使用稳态模型进行转速估算。(3)根据步骤( 所述模型中包含较多电机参数，包括转子时间常数、定子电阻、 定子电感，并且根据步骤(1)，估算转速时，通过变频器所发电压幅值应该尽量小些，不能对电机产生较明显的制动或电动的电磁转矩。这些因素使得直接利用上式子估算转速较为困难。为此，实际实施时应适当提高变频器所发电压的频率，这样做的好处是一，定子电阻不准确的影响会明显被削弱，因为定子电感的阻抗值将会增大；二，增大频率后，相同电压下， 气隙主磁通和电磁转矩会更小，所以此时可以增大输入电压幅值，这样也有利于测量和计笪弁。(4)满足步骤(2)所述电压矢量在实际系统中，通过重构开关函数获得；满足步骤 (3)所述电流矢量通过采样电机输入侧三相电流获得；满足步骤C3)所述电压矢量与电流矢量夹角可由系统中瞬时功率估算获得。所述步骤B中需注意以下几点(1)所述的转子频率估算方法是基于闭环控制作用来构造转速信号(闭环构造转速)的。在电机转速未知的情况下，通过变频器产生一个幅值恒定，频率一定的电压来驱动电机。通过检测电机定子侧电流，可以计算出输出电流和输出电压基波之间的相位θ，比较该相位与90°之间的大小，可以判断电机处于电动或发电状态，进而可以判断变频器所发电压的频率与转子电频率之间的大小关系。若变频器输出频率大于转子电频率，则应减小变频器输出频率，反之则增大变频器输出频率，采用闭环控制的思路不断调整变频器输出的频率，直至所发的频率与电机转子电频率相等为止。(2)所述定子电流参考值I1；是在电机模型中提出所得，计算电机定子侧电流实际值I1和变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角θ，由此可以获得电流误差率函数ER(e，I1, I1;),该误差经PI控制器调节不断调整变频器输出频率，当I1趋近于 I；时就意味着变频器所发频率趋近于转子电频率。
(3)满足所述的误差函数ER( θ ,I1, I；)具有以下特点当定子侧电气角频率(即频率估计值)等于转子电气角频率时，ER( θ ,I1Ji;) =0;当定子侧电气角频率大于转子电气角频率时，ER( θ，I1, Γ*) < 0 ；当定子侧电气角频率小于转子电气角频率时，ER( θ，I1, I；) >0。ER(9 , I1, I；)没有明确物理含义，但它能定量反映当前定子侧频率与转子电频率之间大小关系。这也是ER(9 ,InIi;)可以作为PI控制器的输入，通过控制器的调节，让定子侧频率(即控制器的输出)不断趋近于真实转子电频率的依据。本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果1.转速估算过程中，电压矢量施加合理，电机上不会出现过电流，同时能在电机转速基本不发生变化的情况下，快速地给出电机当前转速的估计值，该估计值能较准确地反映电机当前转速。2.电机转速估计值是由闭环控制器给出，物理意义清晰且稳定可靠，能够在一定时间内实时反映电机当前转速。图7、图8和图9为本发明应用于实际电机再启动时的典型实验波形。实验样机为 ABB的三相异步电机，电动机型号为160M4A，功率为11KW，同步转速为1500r/min，输入额定电压为380V/50HZ，额定电流为21. 46A(有效值)。从图7和图8看，本发明所提方案在中高速获得良好的跟踪性能，中低速也能较准确地反映实际电机转速。图9为电机转速较低时， 电机转速估算过程中，变频器其中一相输出电流波形。结合电机铭牌参数与实验波形可知， 转速估算过程中，最大冲击电流不到额定电流60 %，转速估算费时约900ms，转速估算过程中，电机运行平稳，无啸叫声也无振动，具有平稳的启动过程和较好的快速性，故本发明所提方案能满足相应场合的需求。总之，本发明能在异步电机自由旋转时较准确地估算电机当前的转速，从而让异步电机直接以当前速度启动；只需检测变频器输出的三相电流，无需速度传感器以及相关外围电路，能降低硬件设计复杂度和成本，物理意义清晰，易于实现且转速估算算法简单可罪。
图1为转速估算整体示意图。
图2为转速估计值与真实转速仿真波形(η=150r/min)。
图3为转速估计值与真实转速仿真波形(η=900r/min)。
图4为转速估计值与真实转速仿真波形(η=1350r/min)。
图5为转速估计值与真实转速仿真波形(TL=IONm)。
图6为转速计算框图。
图7为转速估计值与真实转速实验波形(中低速)。
图8为转速估计值与真实转速实验波形(中高速)。
图9为电机再启动时其中一相电流波形(η=300r/min)。
具体实施例方式本发明提供的确定异步电机再启动时电机转速的方法，其包括以下步骤A.通过变频器产生一个适当的电压矢量加在电机定子侧，在定子电流定向坐标系下估算出电机转速粗略值；所述电压频率为额定频率或略高于额定频率，电压幅值小于或等于额定电压10%，电压幅值的选取原则上只要不让电机过电流即可，实际选取时在该原则下尽量取大比较好，这样利于测量和计算；B.以步骤A得到的电机转速作为初始转速，开始搜索电机真实转速，其中电流误差率函数ER( θ ,InIi;)为转速搜索的主要依据，该函数可由变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角、电机模型中提取出的定子电流参考值和电机定子电流实际值计算出，θ为变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角，Im*为定子电流参考值，I1为电机定子侧电流实际值，该电流误差率函数能定量反映当前变频器输出频率与转子电频率之间大小关系，从而为通过闭环控制调节变频器输出频率，使之趋近于转子电频率提供依据。下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。在许多电机应用场合，典型的有如下两种转动惯量比较小的风机和机车牵引电机，电机经常处于自由旋转状态，如果要控制电机运行，必须先获取电机当前转速，否则只能等待电机停止旋转后再启动电机。获取电机转速最简单的办法是通过速度传感器直接测量电机转速，但是在实际应用某些场合，电机通常采用无速度传感器控制，在这种情况下， 通过一种可靠的方法获取电机的转速，让电机能平稳并且无电流过冲地启动，在实际工程中是非常有意义的。本发明提供的方法，能确定电机自由旋转时的转速，从而让电机直接以当前转速平稳启动，启动过程中电机无啸叫声也无振动且具有较好的快速性，并且能满足某些工程应用场合的需求。在电机转速未知的情况下，通过变频器产生一个幅值恒定，频率一定的电压来驱动电机。在相对稳定的情况下，如果电机定子旋转磁场滞后转子旋转磁场时，电机为发电状态，电机的能量将通过变频器回馈给直流母线电容；如果电机定子旋转磁场超前转子旋转磁场，电机将从直流母线电容上吸收功率。通过检测电机定子侧电流，可以计算出变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的相位差Θ。比较该相位与90°之间的大小，可以确定电机处于电动或发电状态，进而可以判断变频器所发电压的频率与转子电频率之间的大小关系。假如判断结果为电机处于电动状态，这意味着变频器输出的频率大于转子电频率，则应减少变频器输出频率，反之则增加变频器频率，采用这种闭环控制不断调节变频器的输出频率，直至所发的频率与电机转子电频率相等为止。由此可以定义变量Sign(e)
权利要求
1.一种确定异步电机再启动时电机转速的方法，其特征在于包括以下步骤A.通过变频器产生一个适当的电压矢量加在电机定子侧，在定子电流定向坐标系下估算出电机转速粗略值；所述电压矢量的频率为额定频率或略高于额定频率，电压幅值小于或等于额定电压10%，电压幅值的选取原则上只要不让电机过电流即可，实际选取时在该原则下尽量取大比较好，这样利于测量和计算；B.以步骤A得到的电机转速作为初始转速，开始搜索电机真实转速，其中电流误差率函数ER(e，I1, I；)为转速搜索的主要依据，该函数可由变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角、电机模型中提取出的定子电流参考值和电机定子电流实际值计算出，θ为变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角，I1；为定子电流参考值，I1为电机定子侧电流实际值，该电流误差率函数能定量反映当前变频器输出频率与转子电频率之间大小关系，从而为通过闭环控制调节变频器输出频率，使之趋近于转子电频率提供依据。
2.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于所述步骤A中在电机转速未知的情况下，给定幅值一定的电压矢量来控制电机，用以估计电机转速的电压矢量，若该电压矢量的频率选为额定频率，则其幅值的选取应以不会对电机产生明显的电动转矩为宜，即该电压作用下，电机不会短时间飞速旋转。
3.根据权利要求1和2的所述的方法，其特征在于所述步骤A中电机转子频率估算采用定子电流空间矢量定向模型，用以反映电机运行的一般状态；由于此处只需用估算一个粗略的转速值，因此假设按所述电压矢量作用于电机时，电机处于稳态运行状态，进而使用稳态模型进行转速估算。
4.根据权利要求3的所述的方法，其特征在于在实际系统中，满足所述的定子电流空间矢量通过采样电机输入侧三相电流获得；满足所述电压矢量是通过重构开关函数获得， 该电压矢量与电流矢量夹角θ由系统中瞬时功率获得。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B中所述电机模型包含的电机参数有转子时间常数、定子电阻、定子电感，并且根据步骤A所述原则，估算转速时，变频器所发电压幅值应该尽量小些，不能对电机产生较明显的制动或驱动的电磁转矩；这些因素使得直接利用上式子估算转速较为困难；为此，实际实施时应提高变频器所发电压的频率， 同时增大输入电压幅值，以有利于测量和计算。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B中所述的转子电频率估算方法是基于闭环控制作用来构造转速信号的，在电机转速未知的情况下，通过变频器产生一个幅值恒定，频率一定的电压来驱动电机；通过检测电机定子侧电流，计算出输出电流和电压矢量之间的相位θ，比较该相位与90°之间的大小，以判断电机处于电动或发电状态， 进而判断变频器所发电压的频率与转子电频率之间的大小关系，采用闭环控制不断调整变频器输出频率，直至该频率与转子电频率相等为止。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤B中，所述的闭环控制的输入即电流误差率函数ER( θ，I1, I；)由以下三个量确定定子电流参考值ΙΛ电机定子侧电流实际值I1和变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角θ ；且该函数有以下特点当定子侧电气角频率即频率估计值等于转子电气角频率时，ER( θ，I1, I；) = 0 ；当定子侧电气角频率大于转子电气角频率时，ER( θ，I1, I；) < 0 ；当定子侧电气角频率小于转子电气角频率时，ER(e，I1, I；) >0。
8.根据权利要求1和7所述的方法，其特征在于所述步骤B中所述电流误差率函数 ER(e ,11；0经PI控制器调节产生变频器输出频率，当I1趋近于InT时就意味着变频器所发频率趋近于转子电频率；比如假设转速估计值大于实际转子转速ωρ则PI控制器的输入ERd1, I；)为负，控制器的调节作用会让转速估计值^^减小，使之趋近于转子真实转速，此时电流误差率函数ERd1, I；)也会趋近零，控制器的输出即转速估计值^^会保持并实时跟踪转子真实转速；反之亦然。
全文摘要
本发明公开了一种确定异步电机再启动时电机转速的方法，该方法分为两步1.通过变频器产生一个适当的电压矢量加在电机定子侧，在定子电流空间矢量定向坐标系下估算出电机转速粗略值；2.以第一步估算的电机转速作为初始转速，开始搜索电机真实转速，其中电流误差率函数为转速搜索的主要依据，该函数可由变频器输入侧电压矢量与电机输入侧电流矢量之间的夹角、电机模型中提取出的定子电流参考值和电机定子电流实际值计算出。本发明能在异步电机自由旋转时较准确地确定电机当前的转速，从而让异步电机直接以当前速度启动，所施方案无需速度传感器以及相关外围电路，物理意义清晰，易于实现且转速估算算法简单可靠。
文档编号H02P21/14GK102299679SQ20111025264
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者康现伟, 王傲能, 赵文才, 金富宽 申请人:中冶南方(武汉)自动化有限公司