真空干泵用屏蔽电机无速度传感器带速重投控制系统
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安跃军 张志恒 张振厚 王光玉 孔祥玲
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180473
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导语
针对真空干泵用屏蔽电机带速重投的工程问题，设计了基于正弦脉宽调制（SPWM）的调制波模拟器和无速度传感器带速重投系统。提出了：①交流电机扇区内转速估算法、②预重投重投两步重投法、③扇区交界面重投法、④定子坐标系修正法，使定子电流空间矢量轨迹接近于理想圆形，抑制重投时电流冲击、转矩脉动和转速波动。
通过模型仿真和22kW 罗茨真空干泵机组实验，验证了该定子坐标系修正法及扇区内转速估算法在泵类工程中具有较好的适用性，预重投阶段的转速稳定时间控制在0.6s 以内，重投阶段的冲击电流平均减小51.27%。
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研究背景所
随着真空应用技术的发展，真空行业普遍使用具有高可靠性、低振动、低噪声、耐腐蚀及清洁无油的真空干泵用屏蔽电机。实际工程中，无规律冲击负载、设备故障、生产工艺需要或电源间歇性故障，都会导致电机在通电和断电状态之间切换。
若在电机断电减速过程中直接重投电源，线路中会产生冲击电流；若等待电机减速为零再重投电源，由于真空机组惯量较大，恢复至原来转速和真空度需要较长时间。真空行业对真空状态的变化比较敏感，而当前广泛采用的交流电机带速重投策略在真空干泵行业具有较大的局限性。
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论文所解决的问题及意义
目前在真空干泵用屏蔽电机控制系统中，尚未考虑非对称绕组对空间电流矢量、基波磁动势及带速重投的影响规律，同时也未对交流电机定子绕组实际坐标系的确定方法进行研究。本文提出了一种基于定子残压的定子扇区内的平均转速计算法和轴线角度差计算法。
设计了基于调制波模拟器的无速度传感器带速重投系统，主要由设置升频曲线模块、正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）波模块、调制波模拟器SPWM 模块、电压型逆变器、残压采样模块、残压标准化模块、扇区及轴线确定模块（Determine the Sector and Determine the Axis, DSDA）、转速估算模块等组成。
由图3可知，预重投和重投过程中，电流峰值与电机起动过程中的电流峰值基本一致，即没有产生较大的冲击电流；由于变频器的输出频率为离散化上升，转速曲线呈现非线性且存在尖峰电流。
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本文首次提出将带速重投过程分为预重投和重投两个阶段，可以提高带速重投的成功率；设计了调制波模拟器及适用于真空干泵用屏蔽电机的无速度传感器带速重投系统，该系统可适用于大型交流机车、地铁机车、新能源汽车、大惯量起重设备、冶金工业用交流电机的控制系统中，为改善交流电机控制性能、降低运行损耗、降低故障停机时间提供思路和方案。
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结论
（1）对于大惯量交流电机，如泵类电机、大型机车电机，将定子空间分为6p（p 为极对数）个扇区，利用标准化处理后的定子残压或反电动势可估算扇区内的平均转速，克服了采用传统方法计算结果滞后一个扇区的问题，误差控制在3%以内。
（2）采用调制波模拟器与调制波模块协同实现带速重投过程中的闭环控制，预重投阶段转速稳定时间控制在0.6s 以内，重投冲击电流降低51.27%。可进一步降低损耗和防止保护误动作，提高真空干泵用屏蔽电机及真空生产线在线运行时间。
（3）轴线角度差会对交流电机带速重投的电流冲击、转矩脉动及转速波动产生影响，进行定子坐标系修正可以使空间电流矢量轨迹接近于理想圆形，为开发基于无速度传感器的交流电机高性能和高鲁棒性的矢量控制和智能控制提供科学依据。
安跃军, 张志恒, 张振厚, 等. 真空干泵用屏蔽电机无速度传感器带速重投控制系统[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2665-2675.
An Yuejun, Zhang Zhiheng, Zhang Zhenhou et al. Restarting at Unknown Speed with Speed-Sensorless Control System of Canned Motor for Vacuum Dry Pump[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2665-2675.
作者简介
安跃军（1962-） 男，留德博士，教授，博士生导师，沈阳工业大学电气工程学院教师。留德期间，出色完成磁悬浮列车电力推动系统推力分析与实验等课题（上海磁悬浮列车技术），并在奔驰、博世、西门子和托克斯等国际知名公司合作科研工作。
2017年作为负责人获批承担十三五国家科技重大专项项目“智能干泵电机的研发与应用”（项目编号：2017ZX02201005-002）；曾承担国家各级研究课题和企业新产品研发项目45项，以第一发明人获发明专利授权9项，获实用新型专利授权27项，转化发明专利4项，开发新产品11种，8系列，45个规格。获省市科技进步奖3项、发明专利奖2项、技术发明奖1项。
发表论文70余篇，收入三大检索30余篇，编著教育部高校创新教材《电机系统及其计算机仿真》1部。承担的教学课程主要有“特种电机及其控制”，“电机系统及其计算机仿真”等。
张志恒（1994-） 男，硕士研究生，研究方向为特种电机及其控制，参与十三五国家科技重大专项项目“智能干泵电机的研发与应用”（项目编号：2017ZX02201005-002）等项目。