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一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

1 引言

级联高压变频器广泛应用于大功率风机、泵类的起动与变频调速,且节能效果明显。然而为了满足高性能的调速需要,具有优良控制性能的矢量控制级联高压变频调速系统的理论和应用技术研究逐渐成为广泛关注的热点。要实现高压变频器的矢量控制,必须对速度进行闭环控制,但速度传感器的安装、维护、非线性和低速性能等方面的问题,影响了高压异步电动机调速性能的简单性、廉价性和可靠性。因此,无速度传感器矢量控制已成为交流传动领域重要的研究课题。

至于异步电动机转速辨识,国内外学者提出了许多转速辨识方法。由于应用MRAS方法原理简单,易于实现,在无速度传感器矢量控制系统中得到了广泛应用。

传统MRAS算法分别以两相静止坐标系下转子磁链电压模型和两相旋转坐标系下转子磁链电流模型为参考模型和可调模型。通过调节可调模型中所需辨识的转速值,使两模型所计算的磁链差?#30331;?#20110;零,从而辨识电机转速。但此速度辨识方法易受采样电压电流直流偏移的影响,实际应用中稳定性较差。基于此,以改进型转子磁链电压模型为参考模型,以两相旋转坐标系下转子磁链电流模型为可调模型,通过对两模型计算的转子磁链角度差进行PI调节来辨识异步电动机的转速。最后基于此转速辨?#31471;?#27861;,分别在Matlab仿真软件和以TMS320F28335型DSP芯片为核心的级联高压变频器异步电机实验平台上完成了仿真和实验。通过仿真和实验表明,该MRAS转速辨识方案应用在级联高压变频器异步电机无速度传感器矢量控制系统中结构简单,易于实现,而且能准确地估?#39057;?#26426;磁链及转速。

2 级联高压变频器电?#26041;?#26500;

级联高压变频器主电路如图1所示。该电路由于结构和控制方法?#23478;?#20110;向更多电平数扩展,故已成为目前最受关注的多电平电路?#38382;健?#20854;主要特点有:①电机侧逆变单元采用H桥级联方式,使用低压器件实现高压输出。由于各功率单元结构相同,易于模块化设计和封装;②直流侧采用独立电源供电,无需箝位器件,也不存在电压均衡问题;③采用级联方式,分别对每一单元进行PWM控制,保障了装置的可靠运行,结合现代交流电机的高性能控制算法,可实现在多种场合下的应用。采用低压变频器级联构成高压变频器的功率器件可采用晶闸管或可关断器件,选择余地较大。特别是随着GTO,IGBT的成熟应用和IGCT等新型全控型器件的出现,以及以DSP为核心的高性能数字控制技术的?#35813;?#21457;展,级联高压变频器得到了广泛应用。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

3 基于旋转坐标系下MRAS速度?#28010;?/p>

3.1 改进型转子磁链电压模型

异步电机在两相α,β坐标系下的转子磁链电压方程为:

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

式中:ψrα,ψrβ为转子磁链在α,β轴?#31995;?#30913;链分量;Rs为定子电阻;Lm为互感;Ls为定子每相绕组的等效自感;Lr为转子每相绕组的等效自感;usα,usβ,isα,isβ为定子电压、电流在α,β轴?#31995;?#30005;压、电流分量;σ为漏磁系数。

由式(1)可知,转子磁链电压模型中不包含转子电阻Rr,因此受转子?#38382;?#30340;影响较小。但电压模型中包含积分环节,磁链计算受采样电压电流直流偏移影响较大。将纯积分环节替换为一阶低通滤波环节,可有效消除积分初始值引起的输出误差,但对于输入直流偏置,却无能为力。在此将参?#21363;?#38142;矢量经低通滤波后用以补偿低通滤波环节引入的相位滞后,并且将滤波器的时间常数取为转子励磁时间常数,还可削弱Rs的变化引起的偏差。模型如图2所示。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

图2中,截止频率ωc取为转子励磁时间常数Tr的倒数。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

3.2 转子磁链电流模型

基于两相旋转坐标系下转子磁链电流模型为:

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

式中:ωs为转子角速度;ωs为转差角频率;ism,ist为定子电流m,t轴的分量;p为微分算子。

转子磁链旋转角速度:ω=ωr+ωs,转子磁?#27425;?#32622; 。基于d,q坐标系下的转子磁链电流模型如图3所示。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

3.3 转速辨识

图4为MRAS转速辨识结构图。转子磁链电压模型和电流模型比?#31995;?#26159;同一状态变量,即转子磁链角度。认为电压磁链模型估计的转子磁链角度真实而又准确。如果电流模型计算的转子磁链角度与电压模型确定的相同,那么转速辨识准确。图4所示的转速?#28010;?#26041;法就是对电压模型与电流模型的转子磁链角度差进行PI控制,从而辨识出电机转速。转子角速度辨识公式为:

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

4 仿真分析

为证实理论与分析,利用Matlab/Simulink搭建了级联逆变器异步电机无速度传感器矢量控制仿真模型。该系统中异步电机模型的主要?#38382;篟s=87 mΩ,Rr=228 mΩ,Lσs=Lσr=0.8 mH,Lm=34.7 mH,np=2,J=1.662 kg·m2。级联的各单元母线电压Udc=180 V,每相三级功率模块串联。

图5为给定转速分别为100 rad·s-1,120 rad·s-1时电机空载启动到转速稳定后的实际转速与辨识转速仿真波形。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

由仿真结果可见,将所研究的改进型MRAS转速辨识方案应用在级联逆变器异步电机无速度传感器矢量控制系统中,能准确地辨识出电机的转速,并且具有较高的辨识精度。

5 实验结果

为了验证所研究的MRAS转速辨识方案,在6 kV级联高压变频器异步电机无速度传感器矢量控制实验平台上进行了实验,实验系统硬件结构图如图6所示。级联的功率单元数为6级,各单元母线电压为810 V。实验用异步电机型号为Y-500-3-4,?#38382;?#22914;下:1 250 kW,6 kV,星形接法,1 488 r·min-1,50 Hz,给定磁通8 Wb,Rs=225 mΩ,Rr=749 mΩ,Lσs=Lσr=7.1 mH,Lm=371.1 mH。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

图7为给定转速先为157 rad·s-1,待电机转速稳定后变为80 rad·s-1,电机空载启动到转速稳定后的转速辨识波形(波形由主控D/A通道口输出至录波仪,500 Hz滤波)。由实验波形可知,动态时转速辨识准确。

一种基于两相旋转坐标系的高压变频器无速度传感器矢量控制设计

6 结论

研究了一种基于两相旋转坐标系的改进型MRAS转速辨识方案,应用在级联高压变频器异步电机无速度传感器矢量控制中,省去了速度传感器的安装、维护以及一些工业场所不易安装等问题,并且较传统的基于两相静止坐标系下的MRAS转速辨识方法有了很大改进。仿真和实验结果表明,该改进型MRAS转速辨识方法应用在级联高压变频器异步电机无速度传感器矢量控制系统中,能较好地估?#39057;?#26426;的磁链及转速,是一种结构简单,易于实现,可靠性高的转速辨识方案。

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浅析变频器过电压跳闸的原因及处理方法

四大方案解决变频器仪表信号乱跳的问题

在现场,变频器的干扰出现得比较多,且比较?#29616;兀?#29978;至导致控制系统无法?#24230;?#20351;用,这一直是个很让人头痛的问...

发表于 2018-11-11 11:12 ? 801次阅读
四大方案解决变频器仪表信号乱跳的问题

变频器过电流跳闸的特性

在变频调速系统里,存在着两个设备:变频器和电动机。两者对过电流的耐受程度是不一样的。生产机械的设计人...

发表于 2018-11-10 09:17 ? 837次阅读
变频器过电流跳闸的特性

三菱FX系列PLC通讯方式控制变频器

本文以三菱产品为?#29420;?#23558;这种?#23433;?#29992;扩展存储器通讯控制变频器”的简便方法作一简单介绍。

发表于 2018-11-09 14:18 ? 880次阅读
三菱FX系列PLC通讯方式控制变频器

图文解析台达变频器调试全过程

变频器安装完成后,断开变频器的输出,在没通电前先使用数字表的二极管档对变频器的输入输出进行测量,确保...

发表于 2018-11-09 14:05 ? 995次阅读
图文解析台达变频器调试全过程

浅析功率分析仪与电能质量分析仪的不同

功率分析仪主要用来测量电机、变频器、变压器等功率转换装置的功率、效率等参量。被广泛用于混合动力电动汽...

发表于 2018-11-08 15:02 ? 232次阅读
浅析功率分析仪与电能质量分析仪的不同

简介变频功率分析仪

变频功率分析仪是大家在工业生产?#33455;?#24120;会使用到的一种测量仪器,变频功率分析仪是指以变频电量为基本测量与...

发表于 2018-11-08 10:12 ? 152次阅读
简介变频功率分析仪

简介高精度功率分析仪功能及要求

高精度功率分析仪根据特点有时也称宽频功率分析仪或变频功率分析仪。高精度功率分析仪是用于各类变频调速系...

发表于 2018-11-08 10:06 ? 247次阅读
简介高精度功率分析仪功能及要求

台达泛用型矢量控制变频器C2000系列 精准控制...

?#24178;?#26426;,是常见的纺纱设备之一,也是纺纱生产中最耗能的机器设备。在纺织工艺里主要作用是将?#39038;考埽?#36865;料)...

发表于 2018-11-08 09:24 ? 180次阅读
台达泛用型矢量控制变频器C2000系列 精准控制...

台达PLC与台达VFD-M系列变频器通讯的使用方...

以下总结供大家参考: 【控制要求】 读取 VFD-M 系列变频器主频率(频率指令)、输出频率并将...

发表于 2018-11-03 11:25 ? 1819次阅读
台达PLC与台达VFD-M系列变频器通讯的使用方...

关于伺服电机扭矩的控制问题解答

伺服进行扭矩控制,有一种就是当扭力越来越大,伺服速度越来越慢,还有一种?#26725;?#21147;越大伺服速度越来越快,当...

发表于 2018-11-03 11:06 ? 360次阅读
关于伺服电机扭矩的控制问题解答

随着现代化工业步伐的加快 多传动控制系统越来越重...

随着现代化工业步伐的加快,一些企业和工厂的规模越来越大,这就需要电机需要越来越多的传动点来实现复杂的...

发表于 2018-11-02 16:44 ? 123次阅读
随着现代化工业步伐的加快 多传动控制系统越来越重...

一文了解谐波是什么及谐波的产生

通俗而言,在电力系统把50HZ的电压或者电流波,叫做基波,不是50Hz的电压、电流就是谐波。电网中有...

发表于 2018-11-01 11:22 ? 329次阅读
一文了解谐波是什么及谐波的产生

变频器内部故障排查实例分析

变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

发表于 2018-11-01 08:59 ? 1824次阅读
变频器内部故障排查实例分析

掰一掰磁传感器在各个领域的应用?#32431;?/a>

前,在加强行车支?#20540;?#36335;系统(AHS)、智能运输系统(ITS)和道?#26041;?#36890;信息系统(VICS)等的开发与...

发表于 2018-10-31 17:13 ? 874次阅读
掰一掰磁传感器在各个领域的应用?#32431;? /></a>
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高压电机和低压电机的优劣对比分析

高压电机的电压在1000V以上。常用的是6300V和10000V。电机功率与电压和电流的乘积?#28903;?#27604;,...

发表于 2018-10-31 16:44 ? 612次阅读
高压电机和低压电机的优劣对比分析

SN7416 具有高电压输出的六路反向缓冲器/驱...

这些TTL十六进制反相缓冲器/驱动器具有高压集电极开路输出,用于连接高电平电路(如MOS)或驱动高电平电流负载(如灯或继电器),也可用作驱动TTL输入的变频器缓冲器。 SN5406和SN7406的最小击穿电压为30 V. SN5416和SN7416的最小击穿电压为15 V. SN5406和SN5416的最大灌电流为30 mA,SN740和SN7416的最大灌电流为40 mA。 特性 将TTL电压电平转换为MOS电平 高漏电流能力 输入钳位二极管简化系统设计 指示灯和继电器的开路集电极驱动器 输入与大多数TTL电路完全兼容 ?#38382;?与其它产品相比 反向缓冲器/驱动器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Bits (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (Mhz) ICC @ Nom V...

发表于 2018-10-15 16:20 ? 27次阅读
SN7416 具有高电压输出的六路反向缓冲器/驱...
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