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用于感应电机转速估计的感应线圈设计方法

2019-05-09    来源:电气技术
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[ 导读 ]:针对基于定子电流的转子槽谐波法存在的通用性、信号信噪比和实时性方面的问题,本文提出在电机内部布置线圈感应气隙磁场中的转子槽谐波,不同于定子绕组,感应线圈感应电动势中的转子槽谐波不会受到电机结构的限制,因此适用范围更广。
海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员张逸超、王东等,在2018年第24期《电工技术学报》上撰文指出,转子槽谐波法作为一种重要的电机转速估计方法,受电机参数影响小,具有很强的参数鲁棒性,在感应电机无速度传感器控制领域应用前景良好。传统转子槽谐波法大部分基于定子电流进行分析,而定子电流中的转子槽谐波易受电机结构限制,且幅值较小,信噪比弱,影响了通用性和转速估计精度。

针对上述问题,本文提出在电机内部布置线圈感应气隙磁场中的转子槽谐波,通过研究影响感应线圈中转子槽谐波信噪比的因素,提出感应线圈布置方式的优化设计方法。在一台十五相电机上开展了仿真和实验研究,结果表明所设计感应线圈可大幅提升转子槽谐波信噪比,转速估计方法具有良好的精度。

感应电机矢量控制需要准确的转速值以实现闭环控制。实际中一般利用转速传感器测量电机转速,如旋转变压器和光电编码器等,这些装置技术成熟,测量精度较高,但在一些对环境、空间以及可靠性要求苛刻的场合,存在测量精度下降、线路维护困难等问题,特别是当发生浸水、振动偏心等情况时无法正常工作,这些问题均会降低电机系统的可靠性,限制其应用范围。

为提高电机系统的可靠性,可采用无速度传感器转速估计方法作为替代或者冗余。目前转速估计方法主要有两类,第一类方法基于电机数学模型进行计算,如全阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)、滑模观测器和模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System, MRAS)等方法,这类方法依赖电机数学模型的准确性,在使用过程中不可避免地受到电机参数变化的影响;第二类方法利用电机固有的磁凸极结构特性获取电机转速信息,如转子槽谐波(Rotor Slot Harmonics, RSH)法和高频信号注入法等,这类方法对电机参数变化具有较强的鲁棒性,在可靠性和稳定性上具备一定优势。

笼型感应电机的转子各向异性较弱,适宜利用转子齿槽效应产生的磁凸极进行转速估计,而高频信号注入法会增加电机的转矩脉动,同时对转子凸极效应要求较高,所以本文沿袭转子槽谐波法的思路开展研究。

自20世纪90年代起,国内外学者开始尝试利用定子电流中的转子槽谐波估计电机转速。该方法操作简便,成本低廉,然而其应用范围受到电机结构限制,当转子槽数与电机极对数的比值为奇数或分数时,定子各槽中的转子槽谐波感应电动势相互抵消,不会产生转子槽谐波电流。此外电机定子电流中的转子槽谐波幅值很小,尤其当电机轻载或定子相电压较小时,与附近频域的谐波及电磁噪声相比幅值区分度不大],降低了转速测量的准确性和可靠性。

针对基于定子电流的转子槽谐波法存在的问题,有学者提出引出定子绕组的抽头进行连接作为探测线圈,所得转子槽谐波信号不会由于电机结构抵消为零,同时对信号处理有一定简化作用,但只能应用于三相电机。还有学者提出在感应电机外壳加装导磁物质,在其上布置线圈感应转子槽谐波电压。这种方法可以显著简化转速估计算法,适用范围更广,但线圈中转子槽谐波信号幅值较小,信噪比差,难以保证在极端工况下转速估计的准确性。

本文提出一种在电机内部布置感应线圈感应转子槽谐波的方法,提高传统方法在不同电机结构条件下的通用性,同时增强转子槽谐波信号信噪比。通过研究感应线圈的布置方式对转子槽谐波的信噪比的影响,提出对感应线圈进行优化设计的方法,进一步增强了转子槽谐波信噪比,降低了信号处理的难度。通过仿真和实验,验证了理论分析和方法的有效性,实验中转速估计结果证明此方法具有良好的精度。



图6 实验电机感应线圈实物图

结论
针对基于定子电流的转子槽谐波法存在的通用性、信号信噪比和实时性方面的问题,本文提出在电机内部布置线圈感应气隙磁场中的转子槽谐波,不同于定子绕组,感应线圈感应电动势中的转子槽谐波不会受到电机结构的限制,因此适用范围更广。

分析了感应线圈跨距与线圈组合信号合成对转子槽谐波幅值以及信噪比的影响,通过对这两个要素进行优化设计,可以有效增强转子槽谐波信噪比,提高了方法的可靠性和准确性。

仿真和实验验证了理论和方法的正确性,利用优化设计后的感应线圈在电机中高速运行时具有较高的转速估计精度,而在电机低转速运行工况仍需继续研究可行的处理方法。
 
 
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