[发明专利]一种无速度传感器的交流异步电机变频器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无速度传感器的交流异步电机变频器，更具体地说，涉及基于PC机的变频器调试与监控软件，基于以太网、USB、RS485、RS232任一串行总线的通讯机制实现该软件与变频器间的双向数据通讯，交流异步电机的参数辨识，交流异步电机的转速辨识，无速度传感器矢量控制方式的变频器。

背景技术

现行国产变频器的设置或调试多是通过变频器操作面板实现，一则操作烦锁，再者无法准确判断交流异步电机在一段时间内的定子电压、定子电池、转速、转矩变化趋势。而采用基于PC机的变频器调试与监控软件，则可以通过该视窗化人机界面设置变频器的相关参数，发布控制命令，以文体形式动态显示变频器、交流异步电机的相关参数，以图形化方式动态显示交流异步电机转速、转矩、定子电压、定子电流的波形，直观而又方便。

对于高性能的变频器，速度闭环是必不可少的，转速闭环需要交流异步电机的转速，而目前交流异步电机速度检测装置多采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。但是，由于速度传感器的安装给系统带来如下缺陷：

(1)系统的成本增加。

(2)码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。

(3)使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。

(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且速度检测装置工作精度易受环境条件的影响。

因此，无速度传感器的交流异步电机变频器受到当前学术界的关注。其中交流异步电机转子磁链和转速的估算都和电机参数相关，对电机参数的检测准确度直接影响到无速度传感器变频器的性能。如果电机参数不准确，将直接导致变频器性能的下降。由于在工作现场难以预知所用的电机参数，也不可能采用常规的电机试验去测量电机参数。因此，在电机投入使用之前，自动辨识出电机的参数是十分必要的。自动辨识电机参数，较传统的现场电机试验法测量电机参数，不但提高了电机参数测量的准确性，而且便于操作。

无速度传感器的交流异步电机变频器，在线辨识电机速度是实现闭环矢量控制的关键。电机转速辨识方法主要包括转差频率计算法、串联双模型法，基于状态方程的直接综合法，模型参考自适应(MRAS)法，扩展卡尔曼滤波法等。其中MRAS法因其算法实现简单，辨识精度高而被广泛应用于无速度传感器的交流异步电机矢量变频控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现行变频器调试与监控不便的实际情况，开发基于PC机的变频器调试与监控软件，通过以太网、USB、RS485、RS232任一串行总线实现该软件与变频器间的双向数据通讯。

针对现行交流异步电机参数检测困难、检测精度不高的现实，提出电机参数的自动辨识。具体做法：在电机运行之前，通过基于PC机的调试与监控软件，利用变频器自身的资源向电机输入特定的激励信号，对电机进行直流伏安法实验，单相交流实验，空载实验以及阶跃电压实验，依据电机的响应，采样电压、电流值并通过程序辨识出电机的相应参数值。

针对无速度传感器的交流异步电机变频器的速度在线辨识问题，依据离线辨识出的电机参数，提出基于无功功率的MRAS法，在线辨识电机的转速，进而实现异步电机的闭环矢量控制。

本发明所述的交流异步电机参数与转速的辨识方法包括以下步骤：

直流伏安法辨识定子电阻的步骤：令其中的两相绕组短接，与另外一相绕组串接，向电机两相施加高频斩波电压，调节频率占空比，直到稳定电流达到电机的额定电流，检测电机输入的电压值与输出的电流值，利用欧姆定律计算得出定子电阻。

单相实验法辨识交流异步电机转子电阻、定子漏感、转子漏感的步骤：令电机其中一相绕组断开，给另两相施加电机额定电压的0.4倍左右的正弦电压。此时，检测该两相的电压、电流值，再利用相关函数的计算方法得出电压、电流的基波幅值以及相位差，进而计算出电机的转子电阻、定子漏感，转子漏感。

空载实验法辨识互感的步骤：给电机施加三相正弦电压，使电机空载运行，检测其中一相的相电压、电流，再利用相关函数的计算方法得出电压、电流的基波幅值以及相位差，进而辨识出定子转子间的互感值。

阶跃电压实验法辨识总漏感的步骤：令电机的两相短接与另一相串接，在足一定的时间里，给电机施加一定幅值的电压信号，检测电机输出电流，经过近似等效，计算得出总漏感值。