Авторы: R. Micheletti, R. Fieri

Перевод: Л.О. Тетерина

Источник: http://www.imeko.org/publications/wc-2003/PWC-2003-TC4-016.pdf

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ СКОЛЬЖЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Аннотация – в статье точное измерение скольжения асинхронных двигателей. Предложенная процедура использует неразрушающую схему измерения скольжения, основанную на цифровом фильтровании и динамической оценке параметра. Измерение скольжения выполнено без датчика скорости и выведено, анализируя спектр гармоники магнитного поля в близости асинхронного двигателя. Сначала ЭДС вызвала форму волны, взятую из поиска катушку, фильтруется с помощью алгоритмов, основанных на дискретное преобразование Фурье. Тогда частота статора и частота ротора получены, сравнивая фильтрованное напряжение с математической моделью, используя процедуру оптимизации. Параметры модели варьируются, пока адекватное соответствие не будет получено с отфильтрованным напряжением. Результаты эксперимента представлены для проверки этого метода.

Ключевые слова: Асинхронные двигатели, измерение скольжения, цифровая фильтрация.

1 ВВЕДЕНИЕ

Диски асинхронного двигателя теперь находятся все больше в перерабатывающей промышленности из-за применения ориентируемой стратегии управления области. Тем не менее, эффективность такого метода управления сильно зависит от точности параметров двигателя, используемых в векторе контроллера. Известно, что изменение сопротивления ротора и ротора постоянное время имеет самый доминирующий эффект на работу контроля. К сожалению, сопротивление ротора зависит широко от температуры ротора и от частоты скольжения, приводящей к разрушению двойного условия потока и вращающего момента.

В последние годы много исследований тогда выполнены, чтобы преодолеть эту ситуацию. Методы оценки, чтобы получить использование параметров ротора расширили подход фильтра Кальмана [1], технический наблюдатель [2] и адаптивная система [3].

Она активно продолжает исследовать по скорости – векторного управления, который оценивает скорость ротора и частоту скольжения без датчика скорости. Обнаружение частоты скольжения выполнено, используя гармонику ротора [4], [5] или зондирования и эксплуатируя ток статора [6].

Эта работа представляет алгоритм для точного измерения частоты скольжения, основанный на цифровом фильтровании и динамическом методе оценки параметра [7] – [10]. Измерение частоты скольжения выполнено без датчика скорости и выведено, анализируя спектр гармоники магнитного поля в близости асинхронного двигателя. Сначала ЭДС вызвала форму волны, взятую из поиска катушку, фильтруется, с помощью алгоритмов, основанных на дискретное преобразование Фурье. Тогда частота статора, частота ротора и последовательно частота скольжения получены, сравнивая фильтрованное напряжение с математической моделью, используя процедуру оптимизации. Тогда частота статора и частота ротора получены, сравнивая фильтрованное напряжение с математической моделью, используя процедуру оптимизации. Параметры модели варьируются, пока адекватное соответствие не будет получено с отфильтрованным напряжением. Результаты эксперимента представлены для проверки этого метода.

Параметры, которые затрагивают исполнение алгоритма, являются по существу размером окна данных, темпом осуществления выборки и особенностями фильтра.

Эффект ошибки квантования от входного напряжения, введенного 12 – бит А/Ц, преобразователь был включен в анализ. Влияние на точность измерения скольжения других двигателей, работающих в близости также проанализировано, и это нанесено на карту ответ системы измерения в нескольких положениях поиске катушки.

Математическое развитие алгоритма представлено и эффекты основных параметров, которые затрагивают исполнение алгоритма, обсуждены. Представлен представительный набор экспериментальных результатов испытаний.

Предложенный метод может быть достоверно применен в идентификации параметра ротора в стационарных условиях и ходовых испытаний.

2. АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ СТАТОРА И ЧАСТОТЫ РОТОРА

f_s частоты статора и частота ротора f получены с той же самой процедурой, сравнивая соответствующие фильтрованные напряжения с математической моделью, используя метод оптимизации.

После операции фильтрации мы получаем ряд "n" образцы статора (ротора) напряжения. Фильтрованное напряжение может быть приближено синусоидой

(1)

где V и амплитуда и фаза, соответственно. Переписывая напряжение с точки зрения компонентов квадратуры

(2)

с

(3)

Расширение v (t) в ряд Тейлора в окрестности заданных значениях параметров дает

(4)

где более высокого порядка, условий он расширения игнорируются, и Принцип работы методика оценки основан на сравнении между реальными значениями отфильтрованного напряжения и значения оценки модели. Таким образом, проблема состоит в определении параметров , которые в состоянии минимизировать ошибку между значениями выборки и оценки значений. Общая площадь ошибке , в момент, выражается в виде

(5)

где и представляют собой выборку выходы реальной системы после фильтрации и эталонной модели в момент времени, соответственно. Подставим (4) в (5) получим

(6)

Общая площадь ошибки сведена к минимуму путем решения частных производных (6) относительно оценивается в

; ; (7)

Там результаты после перестановки

Решение (8) дает поправки и необходимые для того, чтобы обновить параметры и для каждого шага итерации. Этот рекурсивный метод позволяет получить неизвестные статора и частоту ротора с хорошей точностью. Наконец частоты скольжения задается

(9)

Итерационные методы хорошо известны за свою чувствительность к первоначально предполагаемым неизвестных. Начальные значения, используются для эталонной модели, определяются следующим образом. Начальное значение получается с помощью первых пяти образцов входного напряжения

Начальное значение и определено, решая систему:

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Алгоритм измерения был проверен, чтобы исследовать законность этой техники.

Номинальные значения асинхронного двигателя, используемого в экспериментах, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Номинальные значения испытания асинхронного двигателя

Мощность	11 кВт
Напряжение	400 В
Ток	21.5 A
Частота	50 Гн
Оборот в минуту (об/мин)	1450
cos φ	0.85

Измерение частоты скольжения выполнено, анализируя форму волны вызванной ЭДС, взятой из поиска катушки, из-за магнитного поля в близости асинхронного двигателя.

Рис. 1 показывает форму волны вызванной ЭДС с двигателем, ненагруженным в 1498 об/мин . Очевидно, это условие является, наиболее, тяжелым, так как слабые значения ЭДС на роторе частотный компонент может снизить точность измерений, причем это требует более длительного приобретение интервала.

С более реалистическими рабочими условиями частота скольжения примерно соответствующей частоте ротора 1.66 Гц; поэтому уменьшения интервала приобретения значительно уменьшается в то время, когда, в некоторых случаях, могло быть совместимым с целями контроля.

Поиск катушки помещается в конструкцию асинхронного двигателя.

Рис. 1. Форма волны индуцированной ЭДС с поиском катушки положить на корпус асинхронного двигателя.

Тогда этот сигнал фильтруется с помощью алгоритмов, основанных на дискретном преобразовании Фурье.

Операция по фильтрованию получена с двумя восьмыми БИХ-фильтров. Первый - полосовой фильтр с частотой центра 50 Гц и полосой пропускания 4 Гц, выход которого ЭДС компонента на частоте статора (ЭДС в статоре компонент частоты). Второй - фильтр нижних частот с переменной частотой среза от 1 Гц до 3 Гц; в испытании показан на следующем рисунке, мы выбрали частоту среза 1 Гц. Выходной сигнал фильтра нижних частот является компонент ЭДС в частоте ротора (ЭДС в компоненте частоты ротора).

Задержка, введенная операцией по фильтрованию, составляет приблизительно 0.5 с.

Испытания были проведены при различных значениях частоты скольжения в диапазоне от до с частотой дискретизации 800 Гц. Разработка для генерации новых значений и на каждом итеративном шаге выполнена на окне данных около 1/4 цикла соответствующих фильтрованных напряжений; эти значения частоты дискретизации и размер окна данных, были выбраны с целью чтобы увеличить скорость сходимости и для повышения точности.

Начальные значения параметров оцениваются как упомянуто в предыдущем разделе, и только шесть шагов итерации требуется, чтобы добраться до сходимости.

Предлагаемая система работает удовлетворительно при любом значении частоты скольжения в ранее упомянутом диапазоне и при любом положении поиске катушки на расстоянии менее 10 см; ошибка была всегда в пределах ± 0,08%.

При поиске катушки на расстоянии 20 см, достоверность оценки скольжения ухудшается незначительно из-за слабого значения ЭДС на компоненты статора и ротора частот; ошибки в любом случае в пределах ± 0,2%.

Таким образом, влияние на точность скольжения измерения других двигателей, используемых в наших испытаниях, работающих на расстоянии более 40 см можно практически пренебречь.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Был представлен новый цифровой подход для точного измерения частоты скольжения асинхронных двигателей.

Не агрессивная процедура, основанная на цифровом фильтровании и динамической оценке параметра, как показывали, работала эффективно по почти широкому диапазону условий нагрузки и скорости.

Измерение частоты скольжения выполнено без датчика скорости и выведено, используя магнитное поле в близости асинхронного двигателя. Системный аппарат состоит из поиска катушки, платы АЦП и ПС; измерительная система нуждается только в сигнале с поисковой катушкой (ЭДС), чтобы пропустить через цифровой фильтр с помощью алгоритмов на основе дискретного преобразования Фурье. Полезные оценки частоты скольжения получены, используя около 1/4 цикла ЭДС в статоре и роторе частоты. Частота дискретизации, размер окна данных и характеристик фильтра являются критическими параметрами, которые влияют не эффективность алгоритма.

Точность измерения скольжения, в ранее упомянутых диапазон частоты скольжения, не зависит от нагрузки, приложенной к двигателю, ни любых последующих изменений в параметры двигателя.

Кроме того, точность скольжения оценка не чувствительны к положению поиск катушки, если расстояние от асинхронного двигателя составляет менее 10 см; в этом диапазоне расстояние скольжения точность измерений является хорошим и надежным. Точность ухудшается незначительно, если расстояние увеличивается до 20 см, в то время как точность измерительной системы резко уменьшается с расстоянием более 20 см.

Предлагаемый метод является точным, простым и недорогим, причем это позволяет измерение участка частоты скольжения асинхронного двигателя даже в опасных средах, и она может быть надежно применяться в идентификации параметра ротора в стационарных условиях и ходовых испытаний.

Экспериментальная проверка подтвердила справедливость предложенной процедуры.

Список источников

[1] Y.R. Kim, S.K.Sul, M.H. Park: Speed sensorless vector control of induction motor ^using extended Kalman, IEEE Trans. On Industry Applications, Sep-Oct. 1994, pp. 1225-1233.

[2]H. Kubota, K. Matsuse, T. Nakano: DSP-based speed adaptive flux observer of induction motor, IEEE Trans. On Industry Applications, Mar.-Apr. 1993, pp. 344-348.

[3] G. Yang, T.H. Chin: Adaptive-speed identification scheme for a vector-controlled speed sensorless inverter-induction motor, IEEE Trans. On Industry Applications, Jul.-Aug. 1993, pp. 820-825.

[4] M. Ishida, K. Iwata: A new slip frequqncy detector of an induction motor utilizing rotor slots harmonics, IEEE Trans. On Industry Applications, May-June 1984, pp. 575-582.

[5] K.D. Hurst, T.G. Habetler: A comparison of spectrum estimation techniques for sensorless speed detection in induction machines, IEEE Trans. On Industry Applications, vol. 33, n. 4, 1997.

[6] R. Beguenane, M.E.H. Benbouzid, G.A. Capolino: On-line identification of induction motor rotor parameters from terminal signals, Electromotion, vol.3, no.2, April-June 1996, pp. 51-57.