风力发电及伺服控制系统中,为了更有效的对电机进行控制,必须实时监控电机转速。
本文首先分析了现有的几种转速检测方法及优缺点,并选取一种方法进行了误差分析,研究表明电机转速测量误差主要来源于时间误差和角度误差。最后,实验装置的数据表明,本文所做的误差分析是合理的。
关键词 电机 转速检测 误差分析
1 引言 对感应电机而言,其启动特性的获得需要测定瞬时转速,从而计算出加速度与力矩, 对于带有离心开关的感应电动机,则需要测定电机旋转起来后离心开关打开时的瞬时转速,以此来判断电机是否合格。对应用越来越广泛的分布式发电系统来说,需要随时监控电机的转速,并对其进行控制,才能提高系统的能量转换效率。因此,对电机瞬时速度的测量非常重要,但由于在启动和其他暂态过程中,其速度的变化过程非常迅速,普通测试
仪器根本不能测量瞬时转速。随着计算机技术的飞速发展,在单片机、DSP、光感元件的应用下。才使之成为可能。
2 数字测量技术 电机转速的数字测量技术主要分为以下三种,在此基础上,对特殊应用场合,经过改进又产生了很多变形,但基本原理相同。瞬时转速的测量主要是借助光电或磁电传感器来实现,其具体做法是:与电机同轴连接一均匀分布的齿盘或直接利用电机来带动齿盘旋转,使该齿盘与电机轴同步旋转。光电或磁电传感器发出信号,经过光敏电阻后形成电脉冲,将脉冲送入计 数器,并记录脉冲间隔时间, 通过计算即可得出电机的瞬时转速。 根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有:M 法（测频法）、T法（测周期法）和M/T法。211测频法“ M法” 其基本原理是,在一定的测量时间Tg内,测速脉冲发生器产生的脉冲数为m1。则电机转速应为: n= 60m1 MTg （1） 其中n（r/min）为电机转速,M为电机转一周脉冲发生器产生的脉冲数,即齿盘的齿轮数。212测周期法“T法” 电机的转速也可以用脉冲发生器产生的一个脉冲宽度Tp来决定,Tp可以用时钟脉冲数m2来表示,计算公式为: n= 60fc Mm2 （2） 其中fc代表硬件设备产生的基准时钟脉冲频率。213M/T法 综合以上两种方法,电机的转速可以用测量在同一时间T内脉冲数m1以及时钟脉冲m2来确定,T等于Tg加上△T,转速计算公式为: n= 60fcm1 Mm2 （3） 在以上三种测速方法中,从测量精度上看,T法测低速时精度较高,但随着转速的增加,精度变差;M法则相反,高速时精度较高;M/T法结合了两者的优点,在整个转速范围内具有较高的分辨率,精度介于二者之间。
3 误差分析 为了测量电机在暂态过程中的实际转速,笔者用 单片机（8098）开发了智能转速监测系统。在实际测量过程中,发现上述方法的测速精度具有非线性,在大的转速范围内,测量误差逐渐增加,使整个系统的精度下降,下面简要分析了测速装置误差的来源。 以“M”法为例,假定脉冲发生器对应的时标信号周期为τ,脉冲计数器读数为K,则有: TM=K τ（4） TM代表检测时间。如果在时间TM内电机旋转角 为α,那么“M”法测速公式可以有另一种表示形式为: n=60α360TM= α6TM （5）当α足够小时,公式（5）可以看作是电机的瞬时转速。由公式可以看出,转速测量值n的 （下转第34页） ? 95? 电容性电流是助磁的,就会使发电机端部的合成磁通增加,有可能引起发电机端部过热。总之,为了防止发电机励磁电流过多降低而引起静态稳定的破坏和发电机的过热,必须对发电机的励磁电流的最小值加以限制,所以一般同步发电机组都要装设欠励限制和保护。 当发电机甩负荷或解列,电枢反应的去磁作用就减弱,电压就会升高,发电机组空载或启动时过励也会引起机端电压升高,而系统发生事故时,系统会处于低频运行。因为发电机的磁通量与机端电压和频率的比值成正比,所以Ut3/f3的值越大,发电机和变压器铁芯饱和越严重。铁芯越饱和,励磁电流就越会增加,从而造成铁芯发热加剧,所以必须对电压/ 频率的比值加以限制。通常,电压/频率限制和保护只限制低频下的励磁,即检测f<50Hz时的励磁。当Ut3/f3>1.2时,电压/频率限制保护动作,发出声音报警,并在数据显示屏上显示, 提醒工作人员进行调节和处理,只有当Ut3/f3Φ1.2时,限制保护动作才停止。 图2 总程序流程图 恒机端电压运行方式是发电机励磁系统闭环自动调节方式。它能维持发电机的机端电压恒定。采用增量式PID调节,调节器只输出增量Δu（KT）,所以当计算机误动时造成的影响较小,u（KT）也不会发生大幅度变化。手动或自动切换时的冲击也小,而且不需要对第K次采样时系统的偏差值e（KT）作累加,增量Δu（KT）只和最近的三次采样值有关,容易获得较好的控 制作用 。
4 结束语 通过简单实验,可以检验出文中的软件程序能够达到要求,在计算机屏幕分别显示开关量的状态和模拟量的具体数值,一旦超过预定的值或者预定的范围则发出声音报警,并显示在屏幕上相应的位置,提醒操作员进行调节直至恢复正常。 参 考文 献 1 李兴源,黄耀群1同步电机现代励磁系统及其控制1成都 科技大学出版社 ,1993 2 周双喜 ,李丹 1同步发电机数字式励磁调节器1中国电力 出版社,1998 3 王正智18088/8086宏汇编程序设计教程（修订版）1 电子工 业出版社 ,1998 4 刘甘娜 ,马瑞芳,冯刚1微机原理及接口技术 5 周佩玲,吴耿锋, 万炳奎.16位微型计算机原理、 接口及其应 用 .中国科学技术大学出版社,1995 6 STD5000 系列工业控制计算机STD5088V20使用说明书1北 京康拓工业电脑公司（航空航天部520所主办）,1993 7 Electricity,Chinesesocietyforelectricalengineering.1999,10 （上接第59页）误差取决于角度α和时间TM两个量。311时间误差 由（4）式,时间TM的相对误差为: dTMTM=dKK + d ττ（6） 在误差最大情况下,有: dTM TM Max =± dKK + dττ（7） 上式中dK为计数误差,dK=±1 。所以,脉冲记数K越大,此项误差越小。通过增加齿盘的齿轮数即 可实现。对于（7）式中第二项误差,由于晶体震荡器的稳定度很高,所以在一般情况下,可以忽略。312角度误差 这一项误差主要取决于电机轴上的齿盘结构和安装情况,以及转动过程中产生的震荡和扭曲。齿盘在 加工过程中,由于工艺精度造成齿轮间距不一致,使得旋转角度产生误差。齿轮数过密,加工困难将使该误差放大。在具体的应用中,应该根据转速综合分析选择最优的齿轮数。随着电机旋转速度和震荡幅度增 大,该项误差也会升高。在强烈的扭曲下,测量精度很难保证。这是本方法的弱点,也是现阶段各测试方法需要解决的共同问题。 通过上述分析,我们将装置中的实际误差与计算结果相比较,数据显示能够很好地吻合,表明本文的误差分析是合理的。
