CN103346713A - 一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法。该算法通过电压霍尔和模拟采样电路采集到不同转速下的电机定子三相电压波形，同步比较三相电压波形大小判断此时的电机转子位置，根据判断出来的实时转子位置给出合适的逆变脉冲使相应的晶闸管开通，保证电机起动过程同步旋转。采用本发明方法，无需在电机侧外接转子位置检测装置，使得设备现场安装调试大大简化，同时避免了为适用不同设备而需要加装不同的转子位置检测装置，可减少繁琐的外部连接和维修成本。本发明简单实用，易于实现，且不受电机生产厂家、型号、功率等不同参数的影响，适于在不同电机的同步变频软起动装置中设计使用。

Description

一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法

技术领域

本发明属于电工及电子技术领域，尤其涉及一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法。

背景技术

同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能，在大功率电气传动领域独占鳌头，是驱动大型风机、水泵、压缩机、高炉鼓风机、短路实验机组的优选机型，更是抽水蓄能电站必不可少的关键设备。同步电动机不但本身具有良好的功率因数，还可以通过调节转子励磁电流向电网馈送感性无功功率，从而有利于提高电网的功率因数。同步电动机虽然有很多优点，但它的最大缺点是起动困难，不能直接起动。目前，同步电动机的起动方法主要有异步起动法、辅助电机起动法和变频同步起动法。其中，利用负载换向电动机的原理，对大型同步电动机或发电机进行变频同步起动是应用较为广泛的软起动方式。

现有同步变频软起动装置主要由变流器和控制单元组成。变流器主电路由整流桥、逆变桥和直流平波电抗器组成的电流源型交-直-交变频器，用在负载换相同步电动机调速系统中时，它与一般意义的晶闸管交-直-交逆变器不同，无需强迫换相电容和串联二极管，靠同步电动机的反电势换相，同步电动机的转矩和转速分别受直流电流和逆变器频率控制。控制单元的作用主要是把来自转子位置检测器（BQ）的信号进行分析，判明转子的真实位置和转速后，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位大小，保证变频器的输出频率始终和电机转速保持同步，实现自控式变频起动过程。

转子位置检测单元提供逆变桥控制所需要的转子空间位置信息，其检测结果的准确、可靠性直接影响到自控式变频系统的正常运行。在工程应用中通常采用的直接办法是在电机转子上安装转子位置检测器，如光电式、磁感应式或接近开关等，因而增大了设备成本及系统投产后的维修工作量，而且很多情况是现场各种不同型号的电机都已经安装到位，不可能再给安装位置检测器的地方，因此一种简单可靠的无位置传感器的检测方法的提出会大大提高产品的现场适用能力，也可以满足不同功率，不同连接方式的下的同步电机的转子位置检测。

目前针对电机位置的算法多种多样，如基于电机理想模型的开环计算方法，基于各种观测器模型的闭环算法，根据电机凸极性进行估算的方法等。这些算法有各自的优点，但普遍存在对电机的参数依赖比较多，如果不能很好的给定电机参数或者电机模型，往往会导致检测偏差。

CN101719753B提供了一种“抽水储能电站静止变频起动电机转子初始位置检测方法”，该方法通过合理的设置判断出转子初励时刻，为正确起动积分运算提供保证，采用自适应调节磁通器进行计算，从而快速、准确地计算出电机转子位置。该方法虽然解决了转子初始位置判断的问题，尤其是在转子处于静止的情况下，通过相应的积分算法，滤波回路，保证了计算的准确性，但仅仅限于转子没有旋转的情况下，其积分算法带来的延迟可以无法及时跟踪旋转电机中的转子位置，尤其是在高速状态下，其相应处于ms级的就更不能满足要求了。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于同步变频软起动装置，在电机起动时，无需机械或者外接检测装置，不受电机参数的影响，不需要关注转子的实时位置，仅根据转子在设定区间的转化时刻，给出关键的触发导通波形，保证电机同步旋转的同步变频软起动电机转子位置检测简化算法。

本发明的目的是这样实现：一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，其特征在于包含如下步骤：

①通过电压霍尔和模拟采样电路采集不同转速下的同步电机定子三相电压波形，给入到AD采样口，由控制DSP对三路电压采样信号进行处理；

②同步比较同步电机定子三相电压波形的正负状态和相互的大小，判断此时的电机转子位置；

③根据判断出来的同步电机实时转子位置、所处的控制区间和判断当前电机转速是处于低速还是处于高速控制，发出触发脉冲导通相应的晶闸管。

所述的电机定子三相电压为三相线电压或者是三相相电压。

所述的控制区间根据区分三相电压的正负半波分为6个区间，或者区分正负半波后再比较三相电压大小进而分出12区间。

所述电机定子三相电压波形的正负状态、相互的大小关系所决定的实时电机转子位置和所处的控制区间在低速和高速时与导通晶闸管的对应关系如下：

大小比较：AB>CAAB<CABC>CABC<CABC>ABBC<ABCA>ABCA<ABCA>BCCA<BCAB>BCAB<BC导通管（低速）VT₂和VT₃VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂导通管（高速）VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂VT₂和VT₃

上述AB、BC、CA为电机定子三相线电压；符号+、-分别电压波形的正负状态，电压波形处于0～180度时为正值,处于180～360度时为负值；大小比较为电压波形做大小比较时，同符号的两个电压波形做比较，另一路不同符号的电压波形不做比较；低速为逆变晶闸管处于强制关断过程的电机转速，高速为逆变晶闸管处于自然换向阶段的电机转速。

本发明简化算法是在保证电机端电压采样正确的情况下，对电机端电压采取互相比较大小的方式，将电机转子在0～360°分成6个或12个区间，结合变频器的6种逆变输出状态，给系统指明当前转子所在区间位置，指导系统给出合适的触发脉冲，使相应的逆变晶闸管开通。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、避免在电机侧外接转子位置检测装置，使得设备现场安装调试大大简化，同时避免了为适用不同设备而需要加装不同的转子位置检测装置，不仅减少了繁琐的外部连接，而且降低了故障发生率和维修成本。

2、需要的检测信号简单，仅仅是电机的三相电压波形，没有定子电流波形或者其他的信号量，对于一次系统设计要求大大降低。

3、适用于不同电机的设计，不受电机生产厂家、型号、功率等不同参数的影响，也避免了在电机起动过程中，参数随温度的变化导致检测偏差。

附图说明

图1是电机定子三相电压波形与电机转子角度对应图。

图2是现有同步变频软起动装置及电机等效模型。

图3为图2的逆变桥A、B相换流时等效电路。

图4为图3的A、B相反电势波形。

图中：VR为整流部分，VT为逆变部分，BQ转子位置检测器，ABC为电机定子端口，Ld直流电抗，if励磁电流。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

本发明一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，包含如下步骤：

①通过电压霍尔和模拟采样电路采集不同转速下的同步电机定子三相电压波形，给入到AD采样口，由控制DSP对三路电压采样信号进行处理；

此步骤中，电机起动后，电机端电压通过电压霍尔感应到二次侧变成低压信号，然后通过模拟采样电路把电压电平调整到合适的幅值，给入到AD采样口，由控制DSP对三路电压采样信号进行处理。

电机定子三相电压波形为三相线电压波形，也可以是三相相电压波形。本实施例为三相线电压波形。线电压和相电压的区间对应关系参见图1，波形上面的角度为转子位置角，下面的数字为所分的区间。

②同步比较同步电机定子三相电压波形的正负状态和互相的大小，结合变频器的逆变输出状态，判断此时的电机转子位置；

此步骤中，机端电压采集来后，除进行必要的滤波，防干扰处理外及电平转换外，不需要额外的波形处理，可以直接进入判断过程。

③根据判断出来的同步电机实时转子位置、所处的控制区间和判断当前电机转速是处于低速还是处于高速控制，发出合适的触发脉冲，导通相应的晶闸管。

此步骤中，控制区间根据区分三相电压的正负半波分为6个区间，或者区分正负半波后再比较三相电压大小进而分为12区间。本实施例为分为12区间。

当判断出转子位置在某一控制区间后，再判断当前电机转速是处于低速还是处于高速控制。低速是指起动时电机转速不高于10%的额定转速，不同电机会有不同的取值，只要软起动装置的逆变晶闸管处于强制关断过程，就都属于低速范围，高速是指逆变晶闸管处于自然换向阶段。

不同转速区间的控制要求不同，这是由于电机低速时机端电压不够大，不能快速有效的关断晶闸管，需要提前关断。而在高速时，电机转速上来，晶闸管可以通过电机端电压来实现本身管子的电压反向从而实现自关断。

电机定子三相电压波形的正负状态、相互的大小关系所决定的实时电机转子位置和所处的控制区间在低速和高速时与导通晶闸管的对应关系如下：

大小比较：AB>CAAB<CABC>CABC<CABC>ABBC<ABCA>ABCA<ABCA>BCCA<BCAB>BCAB<BC导通管（低速）：VT₂和VT₃VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂导通管（高速）：VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂VT₂和VT₃

上述对应关系列表如下：

表中AB、BC、CA分别代表电机定子侧的线电压；+、-分别代表电压波形处于0～180、180～360度的范围，0～180度时，电压波形为正值，180～360度时，电压波形为负值。

大小比较为电压波形做大小比较，电压波形做大小比较时，同符号的两个电压波形做比较，另一路不同符号的电压波形不做比较，且12和1区间、2和3区间、4和5区间、6和7区间、8和9区间、10和11区间内电压的符号不会变化，自由在两两区间转换的时候才有电压的符号变化，例如12～1区间变化时没有符号改变，1～2区间变化时CA由负转为正。3～4区间、5～6区间、7～8区间、9～10区间、11～12区间都是如此。因此，在实际判断使用时，需要首先判断的是三个电压波形的正负值，然后同符号的两个电压波形做大小比较，比较过程都是带符号进行。

判断波形处在的区间后，按照上述的对应关系，发出相应的触发信号到晶闸管。VT₁，VT₂，VT₃，VT₄，VT₅，VT₆为逆变侧的晶闸管，参见图2，为涉及到超前问题，如果在12和1区间，低速时VT₂和VT₃开通，其他管子不开通；高速时VT₃和VT₄开通，其他管子不开通。

同步电机自控变频调压运行时，逆变超前角γ₀整定得越小，平均转矩越大，转矩脉动越小。为了得到良好的转矩输出特性，理想情况下逆变桥能按γ₀＝0°导通方式工作。参见图3，设在期望换流点k之前晶闸管VT₁、VT₂导通，电流流经定子电枢绕组AC相。要使AC相导通切换到BC相导通，若按照正常位置换流，应在k点时触发晶闸管VT₃，并关断VT₁。参见图4，如果在k点触发晶闸管VT₃，此后反电势e_A≤e_B，晶闸管VT₁因不能承受反电压将继续导通，导致换流失败。为了让负载电流能够从A相换到B相，需要将换流点提前一定的电角度，如图4所示的S点（γ₀＝60°），若在此时触发晶闸管VT₃，由于反电势e_A＞e_B，且在随后的60°电角度内都将保持e_A＞e_B。晶闸管VT₁将承受一个反压e_AB＝e_A-e_B＞0，该反压促使晶闸管VT₁、VT₃和电机定子A、B相绕组间形成的回路中产生一个短路电流i_k，迫使A相电流从负载电流I_d逐渐下降为零，VT₁关断，负载电流全部转移到B相流通，实现负载电流从A相到B相的顺利换流。

转子旋转磁势在空间中旋转产生的定子感应的反电动势是一一对应的，而以变频为控制对象，以逆变器顺利换流为目的，直接关注反电势的变化过程，就可以既能保证晶闸管的顺利换流，也能直接跟踪转子的实时位置，且一一对应。

通过区间判断可以知道转子在旋转过程中，落在各个区间的时间，因此采用6区间或采用12区间均可以计算电机的实时转速。但是在低速情况下，尤其是从强制晶闸管关断到晶闸管自然关断阶段，此时的转速一般为10%的额定转速，采用6区间的时候转速的实时更新时间最少为33ms，而采用12区间时候转速的更新时间最少为16ms，明显精度可以更高。在电机的转速闭环过程中12区间能更好的带来转速精度的控制效果。

本发明简单实用，易于实现，且不受电机生产厂家、型号、功率等不同参数的影响，除了需要做必要的滤波处理，可以通过硬件电路直接实现，也可以通过预存软件实现，适于在不同电机的同步变频软起动装置中设计使用。

Claims (4)

1.一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，其特征在于包含如下步骤：

①通过电压霍尔和模拟采样电路采集不同转速下的同步电机定子三相电压波形，给入到AD采样口，由控制DSP对三路电压采样信号进行处理；

②同步比较同步电机定子三相电压波形的正负状态和相互的大小，判断此时的电机转子位置；

③根据判断出来的同步电机实时转子位置、所处的控制区间和判断当前电机转速是处于低速还是处于高速控制，发出触发脉冲导通相应的晶闸管。

2.根据权利要求1所述的同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，其特征在于所述的电机定子三相电压为三相线电压或者是三相相电压。

3.根据权利要求1所述的一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，其特征在于所述的控制区间根据区分三相电压的正负半波分为6个区间，或者区分正负半波后再比较三相电压大小进而分出12区间。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种同步变频软起动电机转子位置检测简化算法，其特征在于所述电机定子三相电压波形的正负状态、相互的大小关系所决定的实时电机转子位置和所处的控制区间在低速和高速时与导通晶闸管的对应关系如下：

大小比较：AB>CAAB<CABC>CABC<CABC>ABBC<ABCA>ABCA<ABCA>BCCA<BCAB>BCAB<BC导通管（低速）VT₂和VT₃VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂导通管（高速）VT₃和VT₄VT₄和VT₅VT₅和VT₆VT₁和VT₆VT₁和VT₂VT₂和VT₃

上述AB、BC、CA为电机定子三相线电压；符号+、-分别电压波形的正负状态，电压波形处于0～180度时为正值,处于180～360度时为负值；大小比较为电压波形做大小比较时，同符号的两个电压波形做比较，另一路不同符号的电压波形不做比较；低速为逆变晶闸管处于强制关断过程的电机转速，高速为逆变晶闸管处于自然换向阶段的电机转速。

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