CN106533312A - 异步电机转速跟踪再启动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于变频器的异步电机转速跟踪再启动的方法，实现该方法包括如下步骤：检测剩磁在定子侧的感应电流，并以此电流为目标，控制变频器输出电流跟随感应电流逐步衰减至零；若电流幅值小，则输出一直流脉冲进行强励磁，重新检测电流根据电流的α、β分量，计算出电流空间矢量幅值和角度；对角度进行微分，求出同步角频率，并计算转子频率；根据电机的压频比曲线，计算转子频率对应电压值，并逐步调整电压至对应值，完成再启动。本发明基于一般的通用变频器，是一种软件算法，无需额外硬件成本，无复杂计算，实现方法简单可靠，可跟踪电机的任意转速。

Description

异步电机转速跟踪再启动的方法

技术领域

本发明涉及一种异步电机转速跟踪再启动方法，属于异步电机控制领域。

背景技术

交流异步电机由于结构简单、可靠性高、坚固耐用、易于维护、制造方便、价格低廉、环境适应性强等特性，在许多工业应用场合中得到了广泛应用。在某些场合，变频器启动前，电机已经处于旋转状态。例如在风机传动系统中，风道或管道中常常存在压力，从而推动电机自由旋转；又例如变频器在运行中，由于电网瞬时掉电，导致变频器掉电再启动，此时由于惯性，电机大都处于旋转状态。在这种状态下，要想重新控制异步电机，变频器必须首先检测出电机当前的实际转速，否则在启动过程中会造成变频器过流、过压等故障情况，严重的可能烧毁变频器功率管。因此，跟踪异步电机转速再启动也成为了通用变频器所必须具有的功能之一。

目前的转速跟踪启动方法，主要有几个方向：

一是在电机侧加装增量式编码器，由编码器直接反馈出电机当前转速。这种方法要增加硬件成本，且编码器抗干扰能力差，易损坏，容易造成系统不稳定，最主要的加编码器测速与当前交流电机无速度传感器控制趋势相悖，故变频器可以有编码器测速的功能，但必须有纯软件的速度跟踪启动算法。

二是有一种频率搜索算法，其工作原理是：在逆变器输出频率与转速相匹配时，电动机功率最小。搜索时，变频器输出一个从额定频率逐渐下降至0的频率给定信号，经V/f曲线得到定子电压给定信号，在搜索中用电机电压、电流瞬时值计算功率，当功率小于某门槛值时停止搜索，并把这个频率值设为变频器初始频率。该方案最主要的问题是搜索时间过长，在正方向没有搜索到所需频率时，还要在从反方向开始搜索，另外在搜索过程中，信号不好设置，很容易造成过流。这种搜索方式在电机被负载拖动处于加速状态时完全失效。

中国发明专利申请公开说明书CN 103795319 A公开了一种交流电机的转速跟踪方法，用于跟踪交流电机再启动时的转速，其核心思想是利用磁场定向方式，控制电机电流空间矢量跟随磁链矢量角度变化，利用电压矢量积分来估算实际的磁链矢量角度，并对角度进行微分来求得实际转速。该方法最大的问题是磁链矢量是通过电压矢量的纯积分来估算的，而实际中由于电压检测误差、电压零漂等的影响，很容易造成积分饱和，而无法估算出真实的磁链，从而无法得出准确的速度值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种异步电机转速跟踪启动的方法，该方法不需要添加任何硬件设备，在电机高低速自由旋转时均可快速识别电机当前转速，从而让异步电机以当前转速平滑启动至给定转速。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下步骤和原理来实现的：

a、在电机定子绕组通一有序电压，采样定子侧电流i_u和i_v，对电流进行3/2变换，转为i_α和i_β，再直极变换计算出空间电流矢量的幅值I和相位角θ。旋转电机在有剩磁的情况下，将在定子绕组上感应出电压，变频器通过控制IGBT的开关序列在定子绕组通一有序电压，为电流提供低阻通道，使电流得以辨识并采集。该有序电压来源于变频器内部的电流PI调节器输出。

b、以电流i_α和i_β为目标，通过PI调节器控制变频器输出电流跟随感应电流的相位变化，并逐步衰减至零，PI的输出通过SVPWM调制作用到电机。定子感应电流空间相位随转子旋转而不断变化，且幅值逐步衰减，直至转子磁场能量全部消耗，为了跟踪电流变化，变频器内部需用PI调节器来控制变频器输出合适的电压矢量。

c、若检测的电流幅值I小于一定阈值，则认为剩磁已完全消失，控制变频器输出短时直流脉冲，对电机进行强制励磁，励磁后控制变频器输出电流至零，然后重新进入步骤a；若强励后感应电流幅值仍然极小，则跟踪频率按零处理，即电机处于静止，直接进入步骤e。

所述步骤b和c中：控制电机电流衰减到零，消除电机剩磁，在电机再起动时，不会因相位问题造成过大的电流。

d、对电流空间矢量相位角θ进行微分，求出同步角频率，即为转子同步角频率⍵，并计算对应频率f。异步电机转子磁场切割定子绕组，且由于变频器输出电流是跟随定子侧感应电流而变化，此时异步电机相当于一台同步发电机，其转子转速等于转子磁场同步速，也等于定子侧感应电流空间矢量同步速，因此可对电流空间矢量角度进行微分，来求取转子速度。

e、根据电机的压频比曲线，计算转子频率对应电压值，保持输出频率不变，并逐步调整电压至对应值，完成再启动。

对常用的笼型异步电机，当三相对称电源接入定子绕组，便有三相对称电流流过定子绕组，在气隙中建立基波旋转磁场，以同步转速同时切割定、转子绕组，从而在定转子中感应电动势，其定子相绕组基波电动势有效值E_u1（以u相为例）：

E_Ф1=4.44f N₁K_dp1Ф₁

式中：N₁—每相串联匝数、K_dp1—基波绕组因数、Ф₁—每极基波磁通

电机断电后，定子电流虽然为零，但磁链ψ不会马上消失，磁通Ф₁也不会瞬间消失，因为在磁链减弱过程中，转子绕组会感生电流阻碍磁链减小，需经3倍转子时间常数Tr后才能使它降到零；电机越大，Tr也越大，则所需消磁时间越长。在消磁过程中，由于旋转磁场还存在，在定子绕组中会产生感应电压，此时，若通过变频器将电机定子侧绕组接通，则定子侧必然会产生感应电流，异步电机工作于发电模式，等同于一台同步发电机。相应的感应电压U_u1和电流I _u1以u相为例，计算如下：

式中：R_u—u相定子绕组电阻、X_u—u相定子绕组感抗

通过对感应电流I _u1的跟踪控制，检测感应电流的空间角度变化，即可估算出电机转子磁场同步速，而由于滑差频率很小，因此可认为转子转速等于磁场同步速。

若转子剩磁链太小，导致感应电流过小而无法检测，则可通过变频器输出一直流电流脉冲，对转子进行短时直流励磁。励磁结束后，此时转子也将会有剩磁链，利用该剩磁链即可测出转子转速；若感应电流幅值仍很小，则认为当前转速为零。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：算法简单，无需复杂旋转变换；所需外部参数极少，现场应用几乎不需要调整，适用范围广，通用性强；转速辨识精度高，可估算转速范围广，搜索时间短，再启动过程平滑。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明:

图1为本发明异步电机转速跟踪再启动方法的系统及算法框图。

图2为本发明在37kW异步电机上的实测波形图。

具体实施方式

图1示出了本发明结合变频器和电机的系统结构及算法框图，包含通用变频器的硬件系统、软件系统和电机部分，其中软件系统由电流采样部分、静止坐标变换（3/2变换）、电流PI控制器、SVPWM模块、直极变换、微分计算模块、频率转换模块等。当跟踪启动有效时，上述电流PI调节器输出的u_αβ直接到SVPWM模块，当跟踪起动完成后，SVPWM模块的输入源转为正常的V/F控制或由矢量控制生成的u_αβ。

当跟踪启动有效时，首先采集两相电流i_u和i_v，按下式进行坐标变换转为i_α和i_β：

因当前变频器中IGBT模块处于关闭状态，电流没有通路，为零，首次PWM模块输出为零矢量，即上臂三管开通或下臂三管开通。此时对采样电流进行直极变换，计算幅值和相位角度没有意义。稳定运行一定时间，比如20ms后，感应电流控制处于稳态，此时对i_α和i_β按下式进行计算：

求取幅值I和相位角θ，对幅值I与阈值进行比较，当小于阈值时，变频器改变电流控制器的给定量，输出一脉冲直流，对电机进行强制励磁。强励后，等电机进入稳态重新根据采样电流计算幅值再比较，若幅值仍然很小，则认为电机处于静止状态，从设定的起动频率起动即可；若计算的幅值I大于设定的阈值，则进一步对相位角θ进行微分得到角频率⍵，如下计算：

再将角频率⍵折算到频率f

按此频率f输出，并查设定的压频比曲线的对应电压，调整当前输出电压至对应电压，即完成整个跟踪启动过程。

在上述过程中，为提高转速跟踪的精度，避免偶然因素造成的误跟踪，可以对跟踪频率多次计算求取平均值。

图2示出了37kW异步电机跟踪过程中的频率和电流波形，3个通道对应3条实测曲线，1通道为电机安装的编码器实测频率，3通道为跟踪频率，4通道为电机电流，其中1、3通道用变频器的模拟输出给出，同时为便于区分两个频率值，将通道1、3做了不同的偏置。从图中可以看出，跟踪频率与实测频率一致，误差完全可以忽略。跟踪过程中的电流很小，仅有1.6A，没有冲击，且输出电压调整前，电流在按斜坡下降，消除电机剩磁。转速跟踪过程不到500ms，跟踪响应快。从跟踪频率到设定目标频率加速过程平稳，电流波形无异常。

Claims (5)

1.一种异步电机转速跟踪再启动的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、在电机定子绕组通一有序电压，采样定子侧电流i_u和i_v，按下式进行3/2变换，转为i_α和i_β，再直极变换计算出空间电流矢量的取幅值I和相位角θ；

b、以电流i_α和i_β为目标，通过PI调节器控制变频器输出电流跟随感应电流的相位变化，并逐步衰减至零，PI的输出通过SVPWM调制作用到电机；

c、若检测的电流幅值I小于一定阈值，则认为剩磁已完全消失，控制变频器输出短时直流脉冲，对电机进行强制励磁，励磁后控制变频器输出电流至零，然后重新进入步骤a；若强励后感应电流幅值仍然极小，则跟踪频率按零处理，即电机处于静止，直接进入步骤e；

d、对电流空间矢量相位角θ进行微分，求出同步角频率，即为转子同步角频率⍵，并计算对应频率f；

e、根据电机的压频比曲线，计算转子频率对应电压值，保持输出频率不变，并逐步调整电压至对应值，完成再启动。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤a中,其特征在于：旋转电机在有剩磁的情况下，将在定子绕组上感应出电压，变频器通过控制IGBT的开关序列在定子绕组通一有序电压，为电流提供低阻通道，使电流得以辨识并采集；该有序电压来源于变频器内部的电流PI调节器输出。

3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤b中,其特征在于：定子感应电流空间相位随转子旋转而不断变化，且幅值逐步衰减，直至转子磁场能量全部消耗；为了跟踪电流变化，变频器内部需用PI调节器来控制变频器输出合适的电压矢量。

4.根据权利要求1所述的方法，所述步骤b和c中,其特征在于：控制电机电流衰减到零，消除电机剩磁，在电机再起动时，不会因相位问题造成过大的电流。

5.根据权利要求1所述的方法，所述步骤d中,其特征在于：异步电机转子磁场切割定子绕组，且由于变频器输出电流是跟随定子侧感应电流而变化，此时异步电机相当于一台同步发电机，其转子转速等于转子磁场同步速，也等于定子侧感应电流空间矢量同步速，因此可对电流空间矢量角度进行微分，来求取转子速度。