CN110932610B - 双异步电机的同步控制方法及*** - Google Patents

双异步电机的同步控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双异步电机的同步控制方法，从两台被控异步电机技术资料中获取励磁电阻、定子电阻以及定子功率因数等参数。使异步电机堵转，给定直流电压和励磁电阻两侧电压，根据堵转时等效电路模型计算两台异步电机的转子电阻折合值。使两台异步电机正常同步运行，获取定子相电压、定子相电流、励磁电流等参数，计算两台异步电机的实时转差率。确定一台异步电机为跟踪电机，另一台异步电机为被跟踪电机，根据两台异步电机的实时转差率，利用PI运算调节所述转速跟踪电机的输出频率，实现转速同步。这种方法减少了硬件成本，控制方法简单，提高了测量数据的稳定性和精确度。

Description

双异步电机的同步控制方法及***
技术领域
本发明属于异步电机技术领域，具体涉及一种转差率存在差异的双异步电机的同步控制方法及***。
背景技术
异步电机结构简单、制造容易、成本和价格低、坚固耐用、运行可靠并有适用于多种机械负载的工作特性。因此，异步电机在各行各业和人们的日常生活中应用最为广泛，为多种机械设备和家用电器提供动力。
工业的发展使得双异步电机同步***的应用越来越广泛。双异步电机同步***中，两台电机的额定转差率相同而实时转差率不同，变频控制时会导致两台电机出现速度差，影响***正常工作。例如卷纸机的两台电机因为转差率不同，两台电机产生速度差，经常出现纸张断裂的情况。为了解决这一个问题，通常的做法是增加测速元件，准确识别转速，再调节频率实现转速同步。这种方法增加了硬件成本，转速的获得也需要对测速元件的信号进行处理间接得到。
本发明通过等效电路模型，计算不同负载、给定频率情况下的实时转差率，通过实时转差率计算两台异步电机的实时转速，再调节频率实现转速同步。
发明内容
本发明提供了一种双异步电机的同步控制方法及***，以解决现有技术中变频控制时因为实时转差率不同导致转速不同步的问题。
本发明提供了一种双异步电机的同步控制方法，具体方法包括如下步骤：
步骤1：分别获取两台异步电机的励磁电阻、定子电阻以及定子功率因数；
使两台异步电机堵转，分别给定两台异步电机以直流电压，根据所述定子电阻的阻值、励磁电阻的阻值、直流电压的电压值和励磁电阻两侧的电压值分别计算两台异步电机的转子电阻折合值；
步骤2：分别获取两台异步电机在同步运行时的定子相电压、定子相电流、励磁电流；
步骤3：根据步骤1和2中获取的每台异步电机的定子相电压、定子相电流、定子电阻、定子功率因数、转子电阻折合值、励磁电流、励磁电阻计算相应异步电机的实时转差率；
步骤4：将一台异步电机设置为跟踪电机，另一台异步电机设置为被跟踪电机，将所述跟踪电机的实时转差率以被跟踪电机的实时转速率为参照，利用PI运算调节所述跟踪电机的输出频率。
可选地，所述步骤1中异步电机的转子电阻折合值的具体计算步骤如下：
步骤11：给定异步电机以第一次直流电压，计算异步电机第一次转子电阻折合值；
步骤12：给定异步电机以第二次直流电压，计算异步电机第二次转子电阻折合值；
步骤13：计算第一次转子电阻折合值与第二次转子电阻折合值的平均值，所述平均值作为最终的转子电阻折合值。
可选地，计算所述步骤1异步电机的转子电阻折合值的具体公式如下：
Figure GDA0003337254080000021
其中，“R2′”是转子电阻折合值；“
Figure GDA0003337254080000022
”是给定直流电压标幺值；“
Figure GDA0003337254080000023
”是励磁电阻两侧电压标幺值；“R1”是定子电阻；“Rm”是励磁电阻。
可选地，计算所述步骤3异步电机的实时转差率的具体公式如下：
Figure GDA0003337254080000024
其中，“s”是异步电机的实时转差率；“U1”是定子相电压；“I1”是定子相电流；“
Figure GDA0003337254080000025
”是定子相电压标幺值；“R1”是定子电阻；“
Figure GDA0003337254080000026
”定子功率因数；“R2′”是转子电阻折合值；“I0”是励磁电流；“
Figure GDA0003337254080000027
”是励磁电流标幺值；“Rm”是励磁电阻。
可选地，所述步骤4将所述跟踪电机的实时转差率以被跟踪电机的实时转速率为参照，利用PI运算调节所述跟踪电机的输出频率的具体计算公式为：
Figure GDA0003337254080000028
其中，“f(t)”为跟踪电机的输出频率；“f0”为所述跟踪电机调节前的输出频率；“sz”为所述跟踪电机的实时转差率；“sb”为所述被跟踪电机的实时转差率；“kp”为PI运算的比例常数，取值0.3～0.5；“ki”为PI运算的积分常数，取值0.02～0.05。
本发明提供了一种双异步电机的同步控制***，包括：转子电阻折合值单元、实时数据采集单元、实时转差率计算单元、频率调节单元，其中：
所述实时数据采集单元分别与第一异步电机、第二异步电机连接，用于获取两台异步电机同步运行时的定子相电压、定子相电流、励磁电流；
所述实时转差率计算单元分别与所述转子电阻折合单元、实时数据采集单元、频率调节单元连接，用于计算两台异步电机的实时转差率，并将计算的结果输入到所述频率调节单元；
所述频率调节单元与作为转速跟踪异步电机的第二异步电机连接，根据两台异步电机的实时转差率，利用PI运算调节所述转速跟踪异步电机的频率。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明通过异步电机等效电路模型，计算不同负载、给定频率情况下的实时转差率，通过实时转差率计算两台异步电机的实时转速，再调节频率实现转速同步，这种方法减少了硬件成本，控制方法简单。
2、通过本发明提供的双异步电机的同步控制方法，异步电机的转速是可以直接获得，减少了对测速元件的信号进行处理，提高了测量数据的稳定性和精确度。
3、本发明通过异步电机堵转时的等效电路模型，计算转子电阻折合值的，用于异步电机正常运行时转差率的计算。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施的一种双异步电机的同步控制方法的流程图；
图2为异步电机堵转时的等效电路图；
图3为异步电机正常运行时的等效电路及功率流程图；
图4为本发明具体实施的一种双异步电机的同步控制***的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种双异步电机的同步控制方法，具体方法包括如下步骤：
步骤A1：分别获取两台异步电机的励磁电阻、定子电阻以及定子功率因数；
使两台异步电机堵转，分别给定两台异步电机以直流电压，根据所述定子电阻的阻值、励磁电阻的阻值、直流电压的电压值和励磁电阻两侧的电压值分别计算两台异步电机的转子电阻折合值；
步骤A2：分别获取两台异步电机在同步运行时的定子相电压、定子相电流、励磁电流；
步骤A3：根据步骤A1和A2中获取的每台异步电机的定子相电压、定子相电流、定子电阻、定子功率因数、转子电阻折合值、励磁电流、励磁电阻计算相应异步电机的实时转差率；
步骤A4：将一台异步电机设置为跟踪电机，另一台异步电机设置为被跟踪电机，将跟踪电机的实时转差率以被跟踪电机的实时转速率为参照，利用PI运算调节所述跟踪电机的输出频率。
根据如图2所示的异步电机堵转时的等效电路图，步骤A1中异步电机的转子电阻折合值的具体公式如下：
Figure GDA0003337254080000041
其中，“
Figure GDA0003337254080000042
”是给定直流电压标幺值，单位：V；“
Figure GDA0003337254080000043
”是励磁电阻两侧电压标幺值，单位：V；“R1”是定子电阻，单位：Ω；“Rm”是励磁电阻，单位：Ω。给定直流电压的情况下，认定定子漏电抗“Xσ1”、励磁电抗“Xm”、转子漏电抗的折合值“X′σ2”为0。
例如，获取定子电阻R1＝2.08Ω、励磁电阻Rm＝4.12Ω，当异步电机堵转时，
第一次给定直流电压标幺值
Figure GDA0003337254080000044
第一次给定励磁电阻两侧电压标幺值
Figure GDA0003337254080000045
计算第一次测量时，R′2(1)具体计算公式为：
Figure GDA0003337254080000051
第二次给定直流电压标幺值
Figure GDA0003337254080000052
第二次给定励磁电阻两侧电压标幺值
Figure GDA0003337254080000053
计算第二次测量时，R′2(2)具体计算公式为：
Figure GDA0003337254080000054
将两次测量的转子电阻折合值取平均值：
Figure GDA0003337254080000055
根据如图3所示的异步电机正常运行时的等效电路及功率流程图，步骤A3中异步电机的实时转差率的具体公式如下
Figure GDA0003337254080000056
其中，“m1”为定子相数、“U1”为定子相电压，单位：V；“I1”为定子相电流，单位：A，“
Figure GDA0003337254080000057
”是定子相电压标幺值，单位：A；“
Figure GDA0003337254080000058
”为定子功率因数；“R1”为定子电阻，单位：Ω；“I0”是励磁电流，单位：A；“
Figure GDA0003337254080000059
”是励磁电流标幺值，单位：A；“Rm”是励磁电阻，单位：Ω；“I2′”是转子相电流折合值，单位：A；“R2′”是转子电阻折合值，单位：Ω。“P1”为输入功率，单位：W；“pCu1”为定子铜耗，单位：W；“pFe”为定子铁耗，单位：W；“Pem”电磁功率，单位：W；“pCu2”为转子铜耗，单位：W。
例如，当第一异步电机正常运行时，获取定子电阻R1＝2.08Ω、励磁电阻Rm＝4.12Ω、定子功率因数
Figure GDA00033372540800000510
定子相电压U1＝220V、定子相电流I1＝6.974A、定子相电流标幺值
Figure GDA00033372540800000511
励磁电流I0＝3.363A、励磁电流标幺值
Figure GDA00033372540800000512
转子电阻折合值R2′＝3.474Ω计算转差率s具体公式为：
Figure GDA0003337254080000061
当第二异步电机正常运行时，获取定子电阻R1＝2.08Ω、励磁电阻Rm＝4.12Ω、定子功率因数
Figure GDA0003337254080000062
定子相电压U1＝220V、定子相电流I1＝7.441A、定子相电流标幺值
Figure GDA0003337254080000063
励磁电流I0＝3.363A、励磁电流标幺值
Figure GDA0003337254080000064
转子电阻折合值R2′＝3.474Ω计算转差率s具体公式为：
Figure GDA0003337254080000065
由图3等效电路图所示，异步电机正常运行时的转差率s与电磁功率Pem及转子铜损耗pCu2之间的关系为：
Figure GDA0003337254080000066
由图3功率流程图所示，异步电机以转速n稳态运行时，从交流电源输入有功功率P1，输入功率P1进入电动机后，在定子上消耗一小部分定子铜耗pCu1和定子铁耗pFe。电动机正常运行时，铁耗主要集中在定子中，转子铁耗可忽略不计。输入功率P1扣出定子铜耗pCu1和铁耗pFe后，剩下的大部分功率通过气隙旋转磁场的作用从定子经过气隙传递到转子，这部分功率是转子通过电磁感应作用而获得的，因此称为电磁功率Pem。电磁功率Pem进入转子后，在转子电阻上产生转子铜耗pCu2°
可选地，步骤A5根据两台异步电机的实时转差率，利用PI运算调节转速跟踪电机的输出频率的f(t)具体计算公式为：
Figure GDA0003337254080000067
其中，“f0”为跟踪电机调节前的输出频率，单位：Hz；“sz”为跟踪电机的实时转差率；“sb”为被跟踪电机的实时转差率；“kp”为PI运算的比例常数，取值3～5；“ki”为PI运算的积分常数，取值0.2～0.5。选择PI运算能够更快的调节转速，而为了避免振荡所以不引入微分计算。比例常数和积分常数取值不易过大，避免超调的产生。
例如，“f0”为跟踪电机调节前的输出频率为20Hz，为了最大化调节效果将“kp”为PI运算的比例常数取值5，“ki”为PI运算的积分常数取值0.5。利用(1)式和(2)式，且设异步电机1为被跟踪电机、异步电机2为跟踪电机，可以计算得到：
Figure GDA0003337254080000071
如图4所示，本发明提供了一种双异步电机的同步控制***，包括：转子电阻折合值单元、实时数据采集单元、实时转差率计算单元、频率调节单元，其中：
实时数据采集单元52分别与第一异步电机、第二异步电机连接，用于获取两台异步电机同步运行时的定子相电压、定子相电流、励磁电流；
实时转差率计算单元53分别与所转子电阻折合单元51、实时数据采集单元52、频率调节单元54连接，用于计算两台异步电机的实时转差率，并将计算的结果输入到频率调节单元54；
频率调节单元54与作为转速跟踪异步电机的第二异步电机连接，根据两台异步电机的实时转差率，利用PI运算调节转速跟踪异步电机的频率。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种双异步电机的同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：分别获取两台异步电机的励磁电阻、定子电阻以及定子功率因数；
使两台异步电机堵转，分别给定两台异步电机以直流电压，根据所述定子电阻的阻值、励磁电阻的阻值、直流电压的电压值和励磁电阻两侧的电压值分别计算两台异步电机的转子电阻折合值，计算异步电机的转子电阻折合值的具体公式如下：
Figure FDA0003337254070000011
其中，“R2′”是转子电阻折合值；
Figure FDA0003337254070000012
是给定直流电压标幺值；
Figure FDA0003337254070000013
是励磁电阻两侧电压标幺值；“R1”是定子电阻；“Rm”是励磁电阻；
步骤2：分别获取两台异步电机在同步运行时的定子相电压、定子相电流、励磁电流；
步骤3：根据步骤1和2中获取的每台异步电机的定子相电压、定子相电流、定子电阻、定子功率因数、转子电阻折合值、励磁电流、励磁电阻计算相应异步电机的实时转差率，具体公式如下：
Figure FDA0003337254070000014
其中，“s”是异步电机的实时转差率；“U1”是定子相电压；“I1”是定子相电流；
Figure FDA0003337254070000015
是定子相电压标幺值；“R1”是定子电阻；
Figure FDA0003337254070000016
定子功率因数；“R2′”是转子电阻折合值；“I0”是励磁电流；
Figure FDA0003337254070000018
是励磁电流标幺值；“Rm”是励磁电阻；
步骤4：将一台异步电机设置为跟踪电机，另一台异步电机设置为被跟踪电机，将所述跟踪电机的实时转差率以被跟踪电机的实时转差率为参照，利用PI运算调节所述跟踪电机的输出频率，具体公式如下：
Figure FDA0003337254070000017
其中，“f(t)”为跟踪电机的输出频率；“f0”为所述跟踪电机调节前的输出频率；“sz”为所述跟踪电机的实时转差率；“sb”为所述被跟踪电机的实时转差率；“kp”为PI运算的比例常数，取值0.3～0.5；“ki”为PI运算的积分常数，取值0.02～0.05；
其中，所述步骤1的具体步骤如下：
步骤11：给定异步电机以第一次直流电压，计算异步电机第一次转子电阻折合值；
步骤12：给定异步电机以第二次直流电压，计算异步电机第二次转子电阻折合值；
步骤13：计算第一次转子电阻折合值与第二次转子电阻折合值的平均值，所述平均值作为最终的转子电阻折合值。
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