前言
我很喜欢异步电机。当然特指三相异步电机。如果是单相的,那是一点喜欢不起来。
三相异步电机,如果需要精确的控制,总是需要转速传感器。有了转速传感器,就可以配合滑差率进行闭环控制。
但是,传感器并不总是有的。很多时候,传感器安装不便,有的情况下,也是为了懒惰:没传感器的情况下只需要接3根线。
没有传感器,如何获得转速呢?
在无刷电机里,转子有磁场。有转速就可以发电。于是可以用反电动势大法获得转子的位置——连实时位置都有了,转速更有了。
但是,在异步电机里,如何在无传感器的情况下获取转子速度呢?
电流幅值和瞬时值
异步电机说到底还是交流电驱动的。交流电过去后,就可以测量出电流的幅值和相对电压的相位差了。
电流相对电压的相位差,也就是无功功率的由来。
我们通过测量手段测量出来的,实际上是三条相线的相电流。Ia Ib Ic。在古代电机控制算法里,需要经过一个变换将他变成 Iq 和 Id。但是,这一个步骤,对无刷电机来说,首先需要知道电机的转子电角度,对异步电机来说,首先需要知道转差率。
不如换一种变换方式,首先将他转换为通常意义上的 “电流”,也就是不带矢量的电流。这个电流,就是电功率 P=IU 里的那个电流。三相电虽然电流和电压的大小时刻在变化,但是它的功率是保持恒定的。因此他实际上有一个固定 I 和一个固定的 U. 这个固定的 I 和固定的 U 就是三相交流电的有效电压和有效电流。 这个等效电压,可以通过 $占空比*母线电压 / \sqrt{2}$计算出来,而这个等效电流,如何快速的通过 Ia Ib Ic 计算出来呢?
答案是,通过矢量合成。由于 Ia Ib Ic 是在空间上错开120度的矢量,经过合成,就知道了这个合成矢量的模。
于是 $ I = \sqrt{2/3*(Ia^2 + Ib^2 + Ic^2 ) } $
这样计算获得的就是每相电的有效值。
因此,在任意时刻,程序手头能立刻获得的实时数据有:
1:输出电压幅值
2:输出频率
3:相电流有效值
而此时要求得的是,滑差率,从而确定下一个周期的 输出频率。
凭借这4个参数,能否求得滑差率呢?
答案是,不能。
因此,还需要添加额外的参数:也就是所谓的电机参数。
这个额外的电机参数是:
1:定子电阻
2:鼠笼绕组的等效电阻
有了这额外的2个参数,能否计算出滑差率呢?
那么,我们来看,滑差率如何影响电流的幅值和相位。
首先我们知道,定子输入的功率P一部分被定子的电阻消耗,而另一部分不会凭空消失,肯定是转移给了转子。
因此,转子消耗的功率
$ Protor = Ptotal - Psator $
转子消耗的功率,一部分变成的机械能输出,而另一部分,则变成了转子的励磁电流,经过转子的电阻消耗掉了。
这个比值,恰好等于转差率!
也就是
$ 转差率= (Irotor^2*Rrotor) \div (Ptotal-Pstator) $
而转子电流的大小,恰好等于定子电流*定子匝数。这里,定子电流就是上面计算出来的相电流有效值。 于是,我们把转子的电阻和电流都换算到初级侧,就可以去掉定子匝数,只需要转子的等效电阻 Rrotor’
$ 转差率= (I^2*Rrotor’) \div (Ptotal-Pstator) $
这里,转子的等效电阻这个东西,是可以通过 “参数辨识” 功能获取的,不需要用户提前编码到控制器里。
参数辨识过程
但是,电机的转子的等效电阻,定子电阻,这个对变频器来说极其重要的参数,是不会标在电机铭牌上的。
于是,变频器必须自己获得这个参数。
要获得这个参数,需要变频器进行2个测试:直流测试和堵转测试。
分别获取 直流测试电流和堵转电流。以及测试的时候分别测得的功率。
那么,
$ 定子电阻 = 直流测试功率/直流测试电流 $
然后,转子等效电阻有一个工程近似计算公式
$ 转子等效电阻=堵转功率/(堵转电流^2*3) - 定子电阻 $
于是,这2个对后续计算极其重要的参数就这么简单的 获得了。
Comments