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吉林时时彩连线走势图表:用于感應電機轉速估計的感應線圈設計方法

2019-05-09    來源:電氣技術
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[ 導讀 ]:針對基于定子電流的轉子槽諧波法存在的通用性、信號信噪比和實時性方面的問題,本文提出在電機內部布置線圈感應氣隙磁場中的轉子槽諧波,不同于定子繞組,感應線圈感應電動勢中的轉子槽諧波不會受到電機結構的限制,因此適用范圍更廣。
海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員張逸超、王東等,在2018年第24期《電工技術學報》上撰文指出,轉子槽諧波法作為一種重要的電機轉速估計方法,受電機參數影響小,具有很強的參數魯棒性,在感應電機無速度傳感器控制領域應用前景良好。傳統轉子槽諧波法大部分基于定子電流進行分析,而定子電流中的轉子槽諧波易受電機結構限制,且幅值較小,信噪比弱,影響了通用性和轉速估計精度。

針對上述問題,本文提出在電機內部布置線圈感應氣隙磁場中的轉子槽諧波,通過研究影響感應線圈中轉子槽諧波信噪比的因素,提出感應線圈布置方式的優化設計方法。在一臺十五相電機上開展了仿真和實驗研究,結果表明所設計感應線圈可大幅提升轉子槽諧波信噪比,轉速估計方法具有良好的精度。

感應電機矢量控制需要準確的轉速值以實現閉環控制。實際中一般利用轉速傳感器測量電機轉速,如旋轉變壓器和光電編碼器等,這些裝置技術成熟,測量精度較高,但在一些對環境、空間以及可靠性要求苛刻的場合,存在測量精度下降、線路維護困難等問題,特別是當發生浸水、振動偏心等情況時無法正常工作,這些問題均會降低電機系統的可靠性,限制其應用范圍。

為提高電機系統的可靠性,可采用無速度傳感器轉速估計方法作為替代或者冗余。目前轉速估計方法主要有兩類,第一類方法基于電機數學模型進行計算,如全階狀態觀測器、擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter, EKF)、滑模觀測器和模型參考自適應系統(Model Reference Adaptive System, MRAS)等方法,這類方法依賴電機數學模型的準確性,在使用過程中不可避免地受到電機參數變化的影響;第二類方法利用電機固有的磁凸極結構特性獲取電機轉速信息,如轉子槽諧波(Rotor Slot Harmonics, RSH)法和高頻信號注入法等,這類方法對電機參數變化具有較強的魯棒性,在可靠性和穩定性上具備一定優勢。

籠型感應電機的轉子各向異性較弱,適宜利用轉子齒槽效應產生的磁凸極進行轉速估計,而高頻信號注入法會增加電機的轉矩脈動,同時對轉子凸極效應要求較高,所以本文沿襲轉子槽諧波法的思路開展研究。

自20世紀90年代起,國內外學者開始嘗試利用定子電流中的轉子槽諧波估計電機轉速。該方法操作簡便,成本低廉,然而其應用范圍受到電機結構限制,當轉子槽數與電機極對數的比值為奇數或分數時,定子各槽中的轉子槽諧波感應電動勢相互抵消,不會產生轉子槽諧波電流。此外電機定子電流中的轉子槽諧波幅值很小,尤其當電機輕載或定子相電壓較小時,與附近頻域的諧波及電磁噪聲相比幅值區分度不大],降低了轉速測量的準確性和可靠性。

針對基于定子電流的轉子槽諧波法存在的問題,有學者提出引出定子繞組的抽頭進行連接作為探測線圈,所得轉子槽諧波信號不會由于電機結構抵消為零,同時對信號處理有一定簡化作用,但只能應用于三相電機?;褂醒д嚀岢鱸詬杏Φ緇飪羌幼暗即盼鎦?,在其上布置線圈感應轉子槽諧波電壓。這種方法可以顯著簡化轉速估計算法,適用范圍更廣,但線圈中轉子槽諧波信號幅值較小,信噪比差,難以保證在極端工況下轉速估計的準確性。

本文提出一種在電機內部布置感應線圈感應轉子槽諧波的方法,提高傳統方法在不同電機結構條件下的通用性,同時增強轉子槽諧波信號信噪比。通過研究感應線圈的布置方式對轉子槽諧波的信噪比的影響,提出對感應線圈進行優化設計的方法,進一步增強了轉子槽諧波信噪比,降低了信號處理的難度。通過仿真和實驗,驗證了理論分析和方法的有效性,實驗中轉速估計結果證明此方法具有良好的精度。



圖6 實驗電機感應線圈實物圖

結論
針對基于定子電流的轉子槽諧波法存在的通用性、信號信噪比和實時性方面的問題,本文提出在電機內部布置線圈感應氣隙磁場中的轉子槽諧波,不同于定子繞組,感應線圈感應電動勢中的轉子槽諧波不會受到電機結構的限制,因此適用范圍更廣。

分析了感應線圈跨距與線圈組合信號合成對轉子槽諧波幅值以及信噪比的影響,通過對這兩個要素進行優化設計,可以有效增強轉子槽諧波信噪比,提高了方法的可靠性和準確性。

仿真和實驗驗證了理論和方法的正確性,利用優化設計后的感應線圈在電機中高速運行時具有較高的轉速估計精度,而在電機低轉速運行工況仍需繼續研究可行的處理方法。
 
 
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