專利名稱：一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，該方法可以在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，對(duì)轉(zhuǎn)速不為零的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行初步估算，從而減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，加快無速度傳感器控制策略收斂的快速性，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，通常采用無速度傳感器控制策略。這是因?yàn)樵陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，無速度傳感器控制策略非常具有優(yōu)勢(shì)。第一，兆瓦級(jí)永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，在溫度、濕度、震動(dòng)等惡劣環(huán)境條件下，對(duì)速度傳感器的要求較高，增加了機(jī)組的維護(hù)成本，降低了可靠性。而且速度傳感器在外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)上，難以安裝，影響了其應(yīng)用。第二，不存在電機(jī)的零速或者低速啟動(dòng)問題，而該問題是無速度傳感器控制中最難和最不穩(wěn)定的部分。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入轉(zhuǎn)速一般在額定轉(zhuǎn)速的15％～30％左右，永磁同步電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)足夠大，有利于無速度傳感器控制策略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的估算。第三，永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，即在低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)出的功率較小，高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)出的功率較大。對(duì)無速度傳感器控制策略來說，轉(zhuǎn)速越高，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的估算越準(zhǔn)確，對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的影響越小。第四，對(duì)于大容量的永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，通常電機(jī)設(shè)計(jì)為多套獨(dú)立繞組，采用多臺(tái)變流器并聯(lián)運(yùn)行，每臺(tái)變流器分別對(duì)各套電機(jī)繞組獨(dú)立控制。采用無速度傳感器控制策略后，避免了各臺(tái)變流器間的高速通信，提高了系統(tǒng)可靠性。
綜上所述，為了提高永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的可靠性，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，在兆瓦級(jí)永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中，通常采用無速度傳感器控制策略。
關(guān)于永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制技術(shù)，國內(nèi)外提出了很多相應(yīng)的方法，歸納起來大概分為三類。一類是基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法，包括直接計(jì)算法和反電動(dòng)勢(shì)積分法。第二類是基于各種觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法，包括擴(kuò)展卡爾曼濾波法、模型參考自適應(yīng)法和滑模觀測(cè)器等。第三類是基于電機(jī)非理想特性的算法，以高頻注入法為代表。
以上各種永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制方法，應(yīng)用在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，都存在一個(gè)問題，那就是在電機(jī)啟動(dòng)過程中，不能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行快速估算。由于永磁同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，已經(jīng)有一定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，其電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)并不為零。而啟動(dòng)前變流器并不知道此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置、反電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位等信息，要靠給永磁電機(jī)定子端施加一定的電壓，然后把電機(jī)定子電流的信息反饋給無速度傳感器控制算法，經(jīng)過計(jì)算后再得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。變流器所施加的電壓，如果和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的幅值、相位相差較大，就會(huì)造成電機(jī)瞬時(shí)過流，給電機(jī)施加一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩，造成風(fēng)電機(jī)組震動(dòng)，對(duì)機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)造成不利影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，可以在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，對(duì)轉(zhuǎn)速不為零的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行初步估算，從而減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，加快無速度傳感器收斂的快速性，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，其特征在于具體包括如下步驟 (1)系統(tǒng)控制器釋放機(jī)組剎車，打開槳葉，風(fēng)機(jī)在槳葉的帶動(dòng)下，開始旋轉(zhuǎn)； (2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切入轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)控制器給電機(jī)側(cè)變流器發(fā)出啟動(dòng)指令； (3)系統(tǒng)控制器將電機(jī)的定子輸出端短路，并檢測(cè)定子短路電流ia，ib，ic； (4)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)定子短路電流ia，ib，ic，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr； (5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr，更新無速度傳感器控制策略中的相關(guān)變量初始值，并啟動(dòng)無速度傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)。
所述步驟(4)具體包括如下計(jì)算步驟 (4a)將所述步驟(3)檢測(cè)得到的定子短路電流ia，ib，ic，轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系iα、iβ； (4b)根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的定子短路電流iα、iβ，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角
(4c)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
本發(fā)明的有益效果是該方法通過檢測(cè)定子短路電流，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，對(duì)轉(zhuǎn)速不為零的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行初步估算，從而減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，加快無速度傳感器收斂的快速性，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的。



圖1為同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法的流程圖； 圖2為三相逆變橋主回路結(jié)構(gòu)圖； 圖3為同步電機(jī)三相輸出端短路等效示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
如前所述，雖然各種無速度傳感器的控制算法，最終都能收斂，得到和真實(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置基本一致的信息，但其收斂時(shí)間和轉(zhuǎn)子的初始位置有關(guān)。如果能在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，就對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置等相關(guān)信息進(jìn)行初步估算，然后對(duì)無速度傳感器控制策略中的相關(guān)計(jì)算變量進(jìn)行初始化，就能使得輸出電壓的幅值、相位與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的幅值、相位相差較小，減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，并使得機(jī)組啟動(dòng)后，無速度傳感器控制策略能夠在若干計(jì)算周期內(nèi)快速收斂。本發(fā)明即是基于這一思路在永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，對(duì)轉(zhuǎn)速不為零的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行初步估算，從而減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，加快無速度傳感器收斂的快速性，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的。
如圖1所示，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法具體包括如下步驟 1、系統(tǒng)控制器釋放機(jī)組剎車，打開槳葉，風(fēng)機(jī)在槳葉的帶動(dòng)下，開始旋轉(zhuǎn)； 2、當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切入轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)控制器給電機(jī)側(cè)變流器發(fā)出啟動(dòng)指令； 3、系統(tǒng)控制器將電機(jī)的定子輸出端短路，并檢測(cè)定子短路電流ia，ib，ic； 這里，電機(jī)定子輸出端的短路方式有很多，本實(shí)施例中是對(duì)電機(jī)側(cè)變流器采用開通三相IGBT逆變橋全部上橋臂的辦法來實(shí)現(xiàn)定子輸出端短路的。
4、根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)定子短路電流ia，ib，ic，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr； 5、根據(jù)步驟(4)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速，更新無速度傳感器控制策略中的相關(guān)變量初始值，并啟動(dòng)無速度傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)。
這里，所述的無速度傳感器控制策略可以是前述任何一種無速度傳感器的控制策略，本發(fā)明的設(shè)計(jì)要點(diǎn)并不限于此。
在上述本發(fā)明所設(shè)計(jì)的同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法中，其核心的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于通過步驟(3)、(4)在啟動(dòng)無速度傳感器控制策略之前，首先通過檢測(cè)定子的短路電流，進(jìn)而計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置角和轉(zhuǎn)速，從而對(duì)無速度傳感器控制策略的相關(guān)變量設(shè)置初始值。根據(jù)前面的原理分析，對(duì)無速度傳感器控制策略中的相關(guān)計(jì)算變量進(jìn)行初始化，可以使得輸出電壓的幅值、相位與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的幅值、相位相差較小，減小機(jī)組的啟動(dòng)電流，并使得機(jī)組啟動(dòng)后，無速度傳感器控制策略能夠在若干計(jì)算周期內(nèi)快速收斂，最終實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的目的。
在步驟(4)中，該轉(zhuǎn)子的位置角和轉(zhuǎn)速之所以能夠通過定子的短路電流計(jì)算而得，是基于電機(jī)的物理特性推導(dǎo)得出的。如圖2、圖3所示，當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速不為零時(shí)，其電動(dòng)勢(shì)ea，eb，ec為 ea＝ωrψfcos(θr+90°) eb＝ωrψfcos(θr+90°-120°) ec＝ωrψfcos(θr+90°+120°) 其中，ωr轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ψf為永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)鏈過定子繞組的磁鏈，θr為轉(zhuǎn)子位置角。
以電機(jī)A相為例，當(dāng)永磁同步電機(jī)三相輸出端短路后，其定子電流ia與電動(dòng)勢(shì)ea的關(guān)系為 定子電流ia可表示為 永磁同步電機(jī)定子三相輸出短路，采用的是給三相逆變橋上橋臂給相同的PWM指令。例如，在500us的IGBT開關(guān)周期內(nèi)，50％的占空比，有250us上橋臂的IGBT全部導(dǎo)通，電機(jī)輸出短路，電機(jī)電流從0開始上升；另外250us內(nèi)上橋臂的IGBT關(guān)斷，電機(jī)輸出開路，電機(jī)電流衰減為0。
由于短路時(shí)間較短，可以認(rèn)為電機(jī)電動(dòng)勢(shì)ea在短路時(shí)間內(nèi)保持不變，則采樣得到的定子電流可表示為 式中，ΔTs為IGBT的開關(guān)周期，D為IGBT導(dǎo)通的占空比?？梢钥闯?，采樣得到的電機(jī)短路電流ia與電動(dòng)勢(shì)ea成正比關(guān)系，角速度相同，只是相位幅值相差180°。所以通過分析三相短路電流ia，ib，ic，就可以得到電機(jī)電動(dòng)勢(shì)ea，eb，ec的角速度信息，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和轉(zhuǎn)速信息。
基于以上分析，本發(fā)明具體設(shè)計(jì)所述步驟(4)中根據(jù)定子短路電流ia，ib，ic計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr的步驟如下 4a、將檢測(cè)得到的定子三相短路電流ia，ib，ic，轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系iα、iβ； 其轉(zhuǎn)換公式如下 4b、根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的定子短路電流iα、iβ，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角
這是因?yàn)槎ㄗ佣搪冯娏鞯南辔粸?

而基于前述分析，電動(dòng)勢(shì)的相位

因此，得到轉(zhuǎn)子位置角的計(jì)算公式為
4c、根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
通過上述計(jì)算方法對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置角進(jìn)行估算，我們最快可以在兩個(gè)采樣周期內(nèi)就可估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr，進(jìn)而對(duì)無速度傳感器的控制策略的相關(guān)變量進(jìn)行初始化。雖然，這種計(jì)算方法由于采樣點(diǎn)有限，無法得到較為精確的轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr數(shù)值，但是通過這種方法可以大大加快無速度傳感器控制策略的收斂，從而實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的目的。
本領(lǐng)域一般技術(shù)人員基于上述設(shè)計(jì)思想，所做任何不具有創(chuàng)造性的改動(dòng)，均應(yīng)視為在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，其特征在于具體包括如下步驟
(1)系統(tǒng)控制器釋放機(jī)組剎車，打開槳葉，風(fēng)機(jī)在槳葉的帶動(dòng)下，開始旋轉(zhuǎn)；
(2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切入轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)控制器給電機(jī)側(cè)變流器發(fā)出啟動(dòng)指令；
(3)系統(tǒng)控制器將電機(jī)的定子輸出端短路，并檢測(cè)定子短路電流ia，ib，ic；
(4)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)定子短路電流ia，ib，ic，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr；
(5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr，更新無速度傳感器控制策略中的相關(guān)變量初始值，并啟動(dòng)無速度傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，其特征在于所述步驟(4)具體包括如下計(jì)算步驟
(4a)將所述步驟(3)檢測(cè)得到的定子短路電流ia，ib，ic，轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系iα、iβ；
(4b)根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的定子短路電流iα、iβ，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角
(4c)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
全文摘要
本發(fā)明提供了一種同步電機(jī)無速度傳感器的快速啟動(dòng)方法，(1)系統(tǒng)控制器釋放機(jī)組剎車，打開槳葉，風(fēng)機(jī)在槳葉的帶動(dòng)下，開始旋轉(zhuǎn)；(2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切入轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)控制器給電機(jī)側(cè)變流器發(fā)出啟動(dòng)指令；(3)系統(tǒng)控制器將電機(jī)的定子輸出端短路，并檢測(cè)定子短路電流ia，ib，ic；(4)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)定子短路電流ia，ib，ic，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr(5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θr和轉(zhuǎn)速ωr，更新無速度傳感器控制策略中的相關(guān)變量初始值，并啟動(dòng)無速度傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)。通過在電機(jī)啟動(dòng)前，對(duì)電機(jī)控制策略中的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始化，加快無速度傳感器控制策略的收斂，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的。
文檔編號(hào)H02P6/20GK101771378SQ20101011935
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者陳守川, 苑國鋒, 鄭艷文 申請(qǐng)人:北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司