同步电机转子静止电气位置检测方法概述

刘腾，闫伟，石祥建，吴龙

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)

【摘　要】　本文阐述了准确检测电机静止时转子初始位置对抽水蓄能电站变频启动机组的重要性，并介绍了常见转子静止初始位置检测方法。针对无机械位置传感器的转子初始位置辨识策略，在分析其原理的基础上，本文着重研究了电压滤波方法和磁通计算方法，对比了二者的优缺点。

【关键词】　静止变频器;初始转子位置检测

0　引言

抽水蓄能电站发电电动机运行灵活、反应迅速，可用于电力系统调峰、填谷、调频、调相、备用和黑启动，是极具经济性的大规模储能设施。在抽水蓄能电站机组的水泵启动策略中，变频启动因其对电网冲击小、速度快、可靠等特点，成为水泵工况启动的优选启动方式。

静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)是一种电流源型变频器，有结构简洁、功率密度大、可靠性高等优点，常用于大型抽水蓄能电站机组水泵运行的变频启动。准确检测电机的转子电气位置，是SFC精确控制的基础。其中，转子静止初始电气位置的检测尤为重要，直接影响机组启动的成功与否。错误的转子初始位置判别，会导致机组启动失败，甚至初始反向转动。在SFC的某些应用场合，这可能造成机组机械部件的损伤。

根据是否使用专用的转子位置检测装置，SFC转子位置检测分为有机械位置传感器和无机械位置传感器两种。随着测控技术的不断发展，越来越多的SFC产品开始采用后一种方式。这在减少用户维护工作量和降低产品成本的同时，也对SFC的控制策略提出了更高的要求。无机械位置传感器的转子初始位置辨识，是现代SFC的关键技术，也是技术难点。

1　转子初始位置与初始触发

为了驱动静止的电机轴系按指定方向加速，SFC施加给电机的定子电流需要产生(在加速方向上)超前转子磁场的定子磁场。电机的转子位置静止时具有随机性，而SFC的机桥初始导通只有6种导通组合。通常，SFC控制系统根据检测到的转子初始位置，按照既定规则触发合适的晶闸管对，以产生正向足够大的加速转矩。

SFC初始触发示意图见图1，在电机启动前，转子在所示的位置，通过触发机桥的晶闸管VT4和VT5，建立定子磁场，即可牵引转子按设定方向加速启动。若转子初始位置计算错误，会导致SFC系统触发不恰当的机桥晶闸管，引起初始启动转矩严重不足，甚至反向转动，引起电机启动失败，比如触发VT1和VT2。

2　转子初始位置检测方法

2.1　机械位置传感器

在电机的轴上装设与大轴同步旋转的模拟转子磁极的齿盘，在支架上装有模拟三相定子绕组位置的三个传感器探头，三个电磁传感器按120°电角度分布。A、B、C三相定子绕组的磁极中心线与传感器感应的方波电压波形中心线相重合。转子每转过一个磁极位置传感器，接收一个幅值恒定脉宽为180°的方波电压。这些方波与转子磁场位置一致，用于反映发电机的实际转子位置[1]。采用机械位置传感器的电机，每次电机检修后，需要对机械位置传感器做校准试验。

2.2　无机械位置传感器的检测原理

不同于上述方法，下面介绍依据电磁感应原理实现的转子初始位置软件辨识策略，基本原理为:机组启动前，励磁系统接收SFC的阶跃励磁电流指令，向转子绕组施加突变的励磁电流，变化的励磁电流会感应出定子电压。三相定子感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关，见图2。

考虑到SFC启动前电机定子开路，有

式中:ψA、ψB、ψC为定子三相绕组的磁链;Msr定转子绕组间互感;MsD为定子绕组与D轴阻尼绕组间互感;if为转子电流;iD为d轴阻尼绕组电流;γ0为定子A相绕组轴线与转子轴线的初始夹角;ωr为转子电角转速。

列出定子电压方程为

其中Φs=Msr if+MsD iD

假设施加转子励磁电流时，电机转子静止，即ωr=0，式(2)可简化为

在实际工程应用中，如励磁电流变化率不够高，定子感应电压幅值较小，并考虑各种叠加噪声的干扰，实际测量到的定子感应电压信噪比很低。为了从测量信号中准确提取转子初始电气位置，需要对原始信号进行特殊的信号处理。下面两节将对工程中两种常见的方法进行介绍和比较。

2.3　电压滤波法

针对原始信号信噪比低的特点，直接对其进行数字滤波，将滤波器G(z)的传递函数写为

式中:F1(z)为数字式Butterworth低通滤波器;F2(z)具有相位超前特性，用以补偿F1(z)的相位延迟，确保G(z)对低频信号的相位延迟较小。

将滤波后的电压信号带入式(4)，即可反算得转子的初始位置γ0。

电压计算方法算法简洁、直观且易于理解，可以满足大型抽水蓄能电站机组的启动需求，通过了长期工程应用的检验，鲁棒性较好。

2.4　磁通计算法

式(1)两边同时乘以变换矩阵C，将磁链方程变换到αβ两相静止坐标系下，得

式中:ψα、ψβ为定子磁链的α和β轴分量。

转子位置角度γ的计算为

根据同步电机电压方程，列写定子磁通ψα和ψβ的电压模型法计算为

式中:uα、uβ为定子电压的α和β轴分量;isα、isβ为定子电流的α和β轴分量;Rs为定子电阻。

由于被积分信号的零漂分量及积分初始时刻的影响，直接数字积分存在直流偏移和波形畸变等问题，需要采取特殊措施。文献[2]提出了一种自动幅值补偿的改进积分算法，可用于定子电压的积分计算，算法模型见图3。当PI调节器进入稳定状态，有

即电压与磁通矢量正交。该算法利用电压与磁通矢量的正交关系，实现对ψα、ψβ的观测，适用于磁通幅值变化的工况。

该算法不仅可用于电机的转子初始位置检测，引入电机定子电流isα和isβ后，还可用于SFC全启动过程的ψα、ψβ观测和转子位置辨识。

磁通计算法的计算量较大，软件实现也更加复杂;磁通的实际跟踪精度严重依赖于模型中PI调节器的参数，给工程实现和调试带来了一定困难。

3　结语

综上所述，准确可靠的转子初始位置检测技术是SFC的关键技术，严重影响抽水蓄能机组的启动成功率。作为技术发展的趋势，无机械位置传感器的转子初始位置辨识方法，有不止一种实现策略，且各有优缺点。合理地将上述两种转子位置辨识方法结合，通过校验两方法的辨识结果，应该能更好地保障SFC系统的安全稳定运行。

参考文献:

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].2版.北京:中国电力出版社，2009.

[2]HU Jun，WU Bin.New integration algorithms for estimatingmotor flux over a wide speed range[J].IEEE Trans on Power Electronics，1998，13(5):969-977.

[3]H.Tajima，Y.Hori.Speed sensorless field oriented control of the induction machine[J].IEEE IAS’91，1991:385-391.

作者简介:

刘腾(1986—　)，男，山东枣庄人，硕士，工程师，从事电力电子在电力系统中的应用研究、静止变频器研究工作。Email:liuteng@nrec.com

闫伟(1981—　)，男，陕西咸阳人，硕士，高级工程师，从事电力电子在电力系统中的应用研究、静止变频器研究工作。Email:yanw@nrec.com

石祥建(1980—　)，男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，从事电力电子在电力系统中的应用研究、静止变频器研究工作。Email:shixj@nrec.com

吴龙(1970—　)，男，江苏宿迁人，教授级高级工程师，从事发电机励磁系统研究。Email:wul@ nrec.com