CN1651927A - 异步电机磁链的在线观测方法 - Google Patents

Abstract

一种异步电机磁链的在线观测方法，含有异步电机转子时间常数的在线观测单元，在不同的座标系和电机转速即使为零的情况下，能从根本上消除了电机实时温度变化对电机定子磁链或转子磁链的观测值所造成的误差。另外所具有的磁链初始值的取得和减少信号谐波成分带来的影响等功能又使定子磁链或转子磁链的观测精度大大提高一步。电机正式起动前的准确预励磁更使得直接转矩控制式或转子磁链定向控制式或定子磁链定向控制式或定子电压定向控制式的变频调速器获得了高起动转矩及低变频调速器起动电流亦即低产品成本等可贵性能。

Description

异步电机磁链的在线观测方法

本发明涉及一种观测电机参数技术，特别是一种异步电机磁链的在线观测方法。

在异步电机变频调速领域中，为了获得高性能，一般都设有磁链闭环，因而作为磁链反馈信号用的在线观测电机磁链单元是必不可少的，如在线观测定子磁链单元[参文1：朱鹏程，康勇，陈坚.异步电机直接转矩系统研究.电力电子技术，2003，(1)：44-46.]和在线观测转子磁链单元[参文2：崔俊国，陶生桂.上海地铁2号线车辆交流传动系统仿真分析.机车电传动，2002，(1)：29-34.]。上述二种在线观测磁链单元在电机起动和低速区间都是根据电机电流模型而构成的，但所用的电机的转子时间常数不能自适应电机实时温度的变化，由此带来磁链观测误差大，引起电机欠励或过励，导致起动转矩小和变频器起动电流大，从而显著地提高了产品成本。

本发明的目的是提供一种异步电机磁链的在线观测方法，并具有转子时间常数自适应电机实时温度变化的功能。

在含有异步电机转子时间常数的在线观测单元的条件下，本发明的技术方案是：

在定子静座标系或转子转速座标系或同步旋转座标系下，定子磁链或转子磁链的观测式均使用了异步电机转子时间常数的在线观测单元的观测值；在电机转速为零亦即转差角频率等于定子角频率的情况下，定子磁链或转子磁链的观测式均保持不变而照常工作。

在同步旋转座标系下的定子磁链或转子磁链的观测式中，使该式内的微分项都等于零，即能得出定子磁链或转子磁链的初始值。

对同步旋转座标系的二维座标轴上电流及电压的二维分量各自进行数字滤波处理，即是对在时间跨度上等于一个定子角频率周期时间长的采样数据群，取其平均值的处理方法。

上述的异步电机转子时间常数的在线观测单元技术则来自已经授权的专利号：ZL02277160.3，所需输入有电机定子电流、电机定子电压、定子角频率及转差角频率或转子转速角频率。

附图1为方框图，图中符号和本说明书所用其它符号的含义现说明如下。

0A为在线观测异步电机磁链的方框图。

ψ₁、ψ₂分别为定子磁链、转子磁链，并向外输出。

I₁、V₁分别为电机定子电流、电机定子电压。

L₁、L₂、M分别为定子自感、转子自感、定转子间互感。

σ为漏磁系数，σ＝1-M²/(L₁L₂)。

ω₁、ω₂、ωM分别为定子角频率、转差角频率、转子转速角频率，ω₂＝ω₁-ω_M。

P＝d/dt，为微分符号。

T₂为转子时间常数，即异步电机转子时间常数的在线观测单元的观测值。

各符号的下标”α，β“、”X，Y“、”D，Q“分别代表定子静座标系、转子转速座标系、同步旋转座标系的二维座标轴。

ω_M＝2πpN/60，p为电机磁极对数，N为电机转数(转/分)。

(A)、在定子静座标系(α，β)下，以I₁及ω_M为输入，ψ₂或ψ₁为输出，其磁链的观测式为

I₁＝I_1α+jI_1β，ψ₂＝ψ_2α+jψ_2β，ψ₁＝ψ_1α+jψ_1β，而V₁＝V_1a+jV_1β，

(1+T₂P)ψ_2α＝MI_1α-ω_MT₂ψ_2β

(1+T₂P)ψ_2β＝MI_1β+ω_MT₂ψ_2α

ψ_1α＝σL₁I_1α+(M/L₂)ψ_2α

ψ_1β＝σL₁I_1β+(M/L₂)ψ_2β

(B)、在转子转速座标系(X，Y)下，不同的是先将定子静座标系(α，β)的参数经过座标变换到转子转速座标系(X，Y)中进行磁链的观测式计算，以I₁为输入，ψ₂或ψ₁为输出，如有需要再将所得计算结果经座标反变换到定子静座标系(α，β)中来。此种情况下的磁链的观测式为

I₁＝I_1X+jI_1Y，ψ₂＝ψ_2X+jψ_2Y，ψ₁＝ψ_1X+jψ_1Y，而V₁＝V_1X+jV_1Y，

(1+T₂P)ψ_2X＝MI_1X

(1+T₂P)ψ_2Y＝MI_1Y

ψ_1X＝σL₁I_1X+(M/L₂)ψ_2X

ψ_1Y＝σL₁I_1Y+(M/L₂)ψ_2Y

(C)、在同步旋转座标系(D，Q)下，不同的是先将定子静座标系(α，β)的参数经过座标变换到同步旋转座标系(D，Q)中进行磁链的观测式计算，以I₁及ω₂为输入，ψ₂或ψ₁为输出，如有需要再将所得计算结果经座标反变换到定子静座标系(α，β)中来。此种情况下的磁链的观测式为

I₁＝I_1D+jI_1Q，ψ₂＝ψ_2D+jψ_2Q，ψ₁＝ψ_1D+jψ_1Q，而V₁＝V_1D+jV_1Q，

(1+T₂P)ψ_2D＝MI_1D+ω₂T₂ψ_2Q

(1+T₂P)ψ_2Q＝MI_1Q-ω₂T₂ψ_2D

ψ_1D＝σL₁I_1D+(M/L₂)ψ_2D

ψ_1Q＝σL₁I_1Q+(M/L₂)ψ_2Q

上述各种座标系中的磁链的观测式既可用硬件实现也可用软件实现。当用软件实现时，还需知道磁链的初始值，由于同步旋转座标系(D，Q)中的信号为直流，故在其中计算较为简便，这时使同步旋转座标系(D，Q)的磁链的观测式中的微分项都等于零(P＝0)即可，从而得出结果如下：

ψ_2D ⁰＝M(ω₂ ⁰T₂I_1Q ⁰+I_1D ⁰)/(1+(ω₂ ⁰T₂)²)

ψ_2Q ⁰＝M(-ω₂ ⁰T₂I_1D ⁰+I_1Q ⁰)/(1+(ω₂ ⁰T₂)²)

ψ_1D ⁰＝σL₁I_1D ⁰+(M/L₂)ψ_2D ⁰

ψ_1Q ⁰＝σL₁I_1Q ⁰+(M/L₂)ψ_2Q ⁰

在上列式中，上标^“0”代表初始值。

为了使电机磁路及变频器电流在起动时均得到充分有效的利用从而大幅度降低产品成本和其体积重量，因而如何在电机正式起动前将其磁路准确预励磁到额定磁链值(既不欠励，也不过励)则成为一个关键问题。

在电机正式起动前的预励磁时，电机转速为零，这时ω_m＝0及ω₂＝ω₁，并ω₁取值较小。又由于电机的热惯性时间常数很大，T₂值变化十分缓慢，在预励磁的短暂时间内，T₂值可视为不变。由变频调速总控制系统中的磁链闭环来控制定子电流大小，使得ψ₁或ψ₂发生变化，当ψ₁或ψ₂达到所期望值时，电机的预励磁阶段即告结束而转入正式起动。

为了减少信号谐波成分带来的影响，对同步旋转座标系的二维座标轴上电流及电压的二维分量(即I_1D、I_1Q、V_1D及V_1Q)各自进行数字滤波处理，即是对在时间跨度上等于一个定子角频率周期时间长的采样数据群，取其平均值(或加权平均值)的处理方法，都十分有利于提高预励磁的精度。

在变频调速器中，常使用不同的座标系进行计算，但在计算无功功率WG、有功功率YG及定子电流平方值IK方面，却又有一致的格式，现根据电机学述说加下，以有利于对转子时间常数的在线观测单元技术的了解。WG＝V_1n×I_1m-V_1m×I_1n，YG＝V_1m×I_1m+V_1n×I_1n，IK＝I_1m ²+I_1n ²，式中：V₁，I₁分别代表电机定子电压及电机定子电流。当下标m＝α，n＝β时，为定子静座标系。当下标m＝X，n＝Y时，为转子转速座标系。当下标m＝D，n＝Q时，为同步旋转座标系。

本发明的优特点是：

一、能在不同的座标系和电机转速为零的情况下，对定子磁链或转子磁链进行观测，并从根本上消除了电机实时温度变化对电机定子磁链或转子磁链的观测值所造成的误差。

二、所具有的磁链初始值的取得和减少信号谐波成分带来的影响等功能又使定子磁链或转子磁链的观测精度大大提高一步，这对于电机正式起动前的预励磁来说尤为重要。

三、电机正式起动前的准确预励磁更使得直接转矩控制式或转子磁链定向控制式变频调速器获得了高起动转矩及低变频调速器起动电流亦即低产品成本等可贵性能。对于定子磁链或定子电压定向控制的变频调速器来说，能通过定子磁链闭环调节定子电阻设定值来控制定子电流大小以实现准确预励磁。

四、一旦电机转动起来后，由于动磨擦系数小于静磨擦系数，又由于轴承室中油膜已经建立起来，故负载转矩变小，从这以后即使中止转子时间常数T₂的在线观测，对一般负载而言，也能顺利升速。

Claims (3)

1、一种异步电机磁链的在线观测方法，含有异步电机转子时间常数的在线观测单元，其特征是：在定子静座标系或转子转速座标系或同步旋转座标系下，定子磁链或转子磁链的观测式均使用了异步电机转子时间常数的在线观测单元的观测值；在电机转速为零亦即转差角频率等于定子角频率的情况下，定子磁链或转子磁链的观测式均保持不变而照常工作。

2、根据权利要求1所述的在线观测方法，其特征是：在同步旋转座标系下的定子磁链或转子磁链的观测式中，使该式内的微分项都等于零，即能得出定子磁链或转子磁链的初始值。

3、根据权利要求1所述的在线观测方法，其特征是：对同步旋转座标系的二维座标轴上电流及电压的二维分量各自进行数字滤波处理，即是对在时间跨度上等于一个定子角频率周期时间长的采样数据群，取其平均值的处理方法。

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