CN101539611A - 一种开关磁阻电机绕组互感的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机绕组互感的测量方法是采用磁链特性测量装置测量单相绕组磁链特性和两相绕组磁链特性，再经过数学计算得到互感特性。该测量方法所测得的互感特性结合单相励磁时的自感特性，可以准确描述两相绕组同时励磁工作状态下的绕组磁链值，实现开关磁阻电机的准确建模。磁链特性测量装置具有方便性和通用性，采用电容放电法省去了大容量的开关电源；电容放电法使电机绕组电流为瞬态电流，发热量较小，电阻温漂小，测量精度高；采用可调隔离变压器和整流电路可使电容电压在0到1.2U范围可调，能适应不同电机绕组的电压需求。

Description

一种开关磁阻电机绕组互感的测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁场饱和状态下绕组互感的测量方法，具体地说，是一种开关磁阻电机两相励磁工作方式下绕组互感的测量方法。

背景技术

开关磁阻电机在起动性能要求较高的场合具有较好的应用，但因低速转矩脉动较大而制约其发展。通过控制算法可以改善传矩脉动的程度，其前提是对被控对象准确建模。清华大学的曹家勇在《电工技术学报》(2004.11：25-30)“开关磁阻电动机特性检测与参数辨识方法研究”一文中公开了“一相绕组磁链特性的检测方法”，该方法可用于电机在单相励磁工作状态下的建模。事实上，四相及以上的开关磁阻电动机工作在低速斩波控制方式时，任何时刻都有两相绕组同时励磁，定转子轭部磁场高度饱和，两相绕组的总磁链已不是两相分别单相励磁时磁链的叠加，应考虑相间互感以准确描述。国外的Debiprasad Panda在《IEEETransactions on magnetics》(2007.8：3445-3456)“Mutual coupling and its effect onsteady-state performance and position estimation of even and odd number phaseswitched reluctance motor drive”一文中公开了“开关磁阻电机绕组互感的测量方法”，该方法对一相绕组励磁，另一相绕组开路，通过测量开路电压的方法计算出互感，这种对一相绕组励磁的方法不能反映出两相绕组同时励磁工作状态下磁场的分布情况和饱和程度，所测互感不能用来表示两相励磁状态下绕组磁链与单相励磁状态下绕组磁链的差别，不适用于开关磁阻电机两相励磁工作状态下的建模。

发明内容

本发明的目的是提供一种两相绕组均有电流，且磁场相对饱和时互感的测量方法，用于解决开关磁阻电动机工作在两相励磁模式时，因磁场分布情况和饱和程度发生变化，导致被控对象模型准确度降低的问题。

本发明采用磁链特性测量装置测量单相绕组磁链特性和两相绕组磁链特性，再经过数学计算得到互感特性。具体方法是采用磁链特性测量电路对A相绕组放电，记录A相绕组的放电瞬间的电压和电流波形，利用式(1)积分计算出A相绕组不同电流时的磁链值为

式(1)中，u(k)、i(k)和ψ(k)分别是k×Δt时刻的电压、电流和磁链值，r为被测相绕组内阻，ψ(0)为磁链初值，可认为是零；再对该相绕组的相邻相(比如B相)放电，计算出B相绕组不同电流时的磁链值；最后将A相和B相绕组串联，计算出A相和B相绕组不同电流时的总磁链值。A相和B相相间互感的计算式为

$M_{\mathrm{AB}}=\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{AL}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{BL}})-({\mathrm{\ψ}}_A+{\mathrm{\ψ}}_B)}{{2i}_A}---\left(2\right)$

式中，ψ_A和ψ_B分别是A相和B相单相励磁时的磁链，ψ_AL+ψ_BL是A相和B相绕组串联励磁时的总磁链，将相同电流时的磁链值代入式(2)，计算出该电流时的互感值，同理计算出其它电流时的互感值，得到互感随电流的变化关系。

本发明所述的磁链特性测量装置是由电压和电流采样单元，供电单元和转子定位单元构成。供电单元是由可调隔离变压器M1，单相整流器B1，电阻R1，电容C1，伏特表V，单刀双掷开关K1和续流二极管D1构成；电压和电流采样单元是由数字存储示波器DSO，电流采样电阻R2和开关磁阻电机相绕组构成；转子定位单元是由分度头IDX和开关磁阻电动机构成。

所述的供电单元的单相整流器B1输入端与可调隔离变压器M1可调端并联相接，其输出端与电阻R1、单刀双掷开关K1的1端、电容C1依次串联连接，伏特表与电容C1并联相接，二极管D1阳极接电容C1下端，阴极接单刀双掷开关K1的2端。

所述的电压和电流采样单元的电阻R2一端接二极管D1阳极，另一端与开关磁阻电机相绕组一端串联，开关磁阻电机相绕组另一端连接二极管D1阴极，示波器DSO通道CH1与电阻R2并联相接，示波器DSO通道CH2与开关磁阻电动机相绕组并联相接。

所述的转子定位单元的分度头IDX与开关磁阻电动机同轴连接。

比较本发明的互感测量方法与普通的互感测量方法。普通的互感测量方法是在一相绕组励磁的条件下，通过测量另一相绕组的开路电压，计算得出互感随电流的变化关系，测量条件不能反映出两相绕组同时励磁时磁场的分布情况和导磁材料饱和程度的变化情况。本发明方法同时对两相绕组励磁，与电机实际运行条件相符，所测互感可以准确表征两相励磁条件下磁链的变化量，结合单相励磁时的自感特性，可以实现开关磁阻电机两相励磁工作状态下的准确建模。

本发明所述的磁链特性测量电路具有很大的方便性和通用性。采用电容放电法可省去大容量开关电源；电容放电法使电机绕组电流为瞬态电流，发热量较小，电阻温漂小，测量精度高；采用可调隔离变压器和整流电路可使电容电压在0到1.2U范围可调，能适应不同电机绕组的电压需求。

附图说明

图1是本发明磁链特性测量电路图

图2是本发明实施方式的磁链特性测量曲线图

图中：ψ_A是A相单相励磁时A相磁链和电流的对应关系，ψ_B是B相单相励磁时B相磁链和电流的对应关系，ψ_AL+ψ_BL是A相和B相绕组串联励磁时两相总磁链和电流的对应关系，ψ_A+ψ_B是ψ_A和ψ_B的代数和。

图3是本发明实施方式的磁链特性的五阶滤波曲线图

图中：ψ_A，ψ_B，ψ_AL+ψ_BL，ψ_A+ψ_B的含义同图2。

图4是本发明实施方式的互感测量曲线图

具体实施方式

下面以测量A相和B相相间互感为例，结合附图进一步描述本发明的开关磁阻电机绕组互感的测量方法，本专业技术领域的技术人员在阅读了本具体实施

图1中，用分度头IDX的夹紧机构将开关磁阻电机轴夹紧，调节分度头使转子定位在被测点。可调隔离变压器M1输入端接交流电源，输出端与单相整流器B1输入端并联，调节可调隔离变压器M1，单相整流器B1输出电压变化。单相整流器B1输出端与电阻R1、单刀双掷开关K1的1端、电容C1依次串联连接。单刀双掷开关K1掷1端时，电源对电容充电，电阻R1限制充电电流，保护电源。伏特表与电容C1并联相接，当电容C1充电至所需电压时，将单刀双掷开关K1掷2端。单刀双掷开关K1的2端与电机被测相绕组、电流采样电阻R2、电容C1依次串联连接，构成电容C1的放电回路。示波器DSO通道CH1与电阻R2并联相接，示波器DSO通道CH2与被测相绕组并联相接，电容放电过程中，示波器DSO通道CH1和通道CH2记录数据，通道CH1所记录电压与绕组电流成正比，通道CH2所记录电压为绕组电压。二极管D1阳极接电容C1下端，阴极接单刀双掷开关K1的2端，防止电容C1放电过程中，与绕组电感构成的二阶振荡回路产生振荡，造成电容承受反向电压而损坏。对示波器所记录数据处理后，用式(1)计算出被测相绕组磁链与电流的关系曲线。若被测相为A相，则得式(2)中A相绕组磁链ψ_A和电流的关系曲线；若被测相为B相，则得式(2)中B相绕组磁链ψ_B和电流的关系曲线；若被测相为A相和B相绕组的串联，则得式(2)中两相励磁总磁链ψ_AL+ψ_BL和电流的关系曲线；以上关系曲线示于图2。对图2所示曲线五阶滤波后得图3，再利用式(2)，可计算不同励磁电流时的互感值，互感和电流的关系曲线示于图4。

松开夹紧机构，调整分度头IDX可改变转子位置，再重复上述过程，可以得到不同转子位置下，不同励磁电流时的互感值，即互感特性，该互感特性可用于开关磁阻电机两相励磁工作状态下的准确建模。

本发明在开关磁阻电机绕组互感的测量方法中，所采用的磁链特性测量装置是由电压和电流采样单元、供电单元和转子定位单元构成；

所述的供电单元是由可调隔离变压器M1、单相整流器B1、电阻R1、电容C1、伏特表V、单刀双掷开关K1和续流二极管D1构成；所述的电压和电流采样单元是由数字存储示波器DSO、电流采样电阻R2和开关磁阻电机相绕组构成；所述的转子定位单元是由分度头IDX和开关磁阻电动机构成；其中，

所述的供电单元的单相整流器B1输入端与可调隔离变压器M1可调端并联相接，其输出端与电阻R1、单刀双掷开关K1的1端、电容C1依次串联连接，伏特表与电容C1并联相接，二极管D1阳极接电容C1下端，阴极接单刀双掷开关K1的2端。

所述的电压和电流采样单元的电阻R2一端接二极管D1阳极，另一端与开关磁阻电机相绕组一端串联，开关磁阻电机相绕组另一端连接二极管D1阴极，示波器DSO通道CH1与电阻R2并联相接，示波器DSO通道CH2与开关磁阻电动机相绕组并联相接。

所述的转子定位单元的分度头IDX与开关磁阻电动机同轴连接。

Claims (2)

1.一种开关磁阻电机绕组互感的测量方法，包括一相绕组磁链特性的检测方法，以及磁链特性测量装置，其特征在于采用磁链特性测量装置测量单相绕组磁链特性和两相绕组磁链特性，再经过数学计算得到互感特性，其具体方法如下：

采用磁链特性装置测量电路对A相绕组放电，记录A相绕组的放电瞬间的电压和电流波形，并利用式(1)积分计算出A相绕组不同电流时的磁链值为：

式(1)中，u(k)、i(k)和ψ(k)分别是k×Δt时刻的电压、电流和磁链值，r为被测相绕组内阻，ψ(0)为磁链初值，可认为是零；

再对该相绕组的相邻相(比如B相)放电，计算出B相绕组不同电流时的磁链值；最后将A相和B相绕组串联，计算出A相和B相绕组不同电流时的总磁链值。A相和B相相间互感的计算式为：

$M_{\mathrm{AB}}=\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{AL}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{BL}})-({\mathrm{\ψ}}_A+{\mathrm{\ψ}}_B)}{2i_A}---\left(2\right)$

式中，ψ_A和ψ_B分别是A相和B相单相励磁时的磁链，ψ_AL+ψ_BL是A相和B相绕组串联励磁时的总磁链，将相同电流时的磁链值代入式(2)，计算出该电流时的互感值；

同理计算出其它电流时的互感值，得到互感随电流的变化关系。

2.权利要求1所述的开关磁阻电机绕组互感的测量方法，其特征在于磁链特性测量装置是由电压和电流采样单元、供电单元和转子定位单元构成；

所述的供电单元是由可调隔离变压器M1、单相整流器B1、电阻R1、电容C1、伏特表V、单刀双掷开关K1和续流二极管D1构成；所述的电压和电流采样单元是由数字存储示波器DSO、电流采样电阻R2和开关磁阻电机相绕组构成；所述的转子定位单元是由分度头IDX和开关磁阻电动机构成；其中，

所述的供电单元的单相整流器B1输入端与可调隔离变压器M1可调端并联相接，其输出端与电阻R1、单刀双掷开关K1的1端、电容C1依次串联连接，伏特表与电容C1并联相接，二极管D1阳极接电容C1下端，阴极接单刀双掷开关K1的2端。

所述的电压和电流采样单元的电阻R2一端接二极管D1阳极，另一端与开关磁阻电机相绕组一端串联，开关磁阻电机相绕组另一端连接二极管D1阴极，示波器DSO通道CH1与电阻R2并联相接，示波器DSO通道CH2与开关磁阻电动机相绕组并联相接。

所述的转子定位单元的分度头IDX与开关磁阻电动机同轴连接。

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