CN102221673B - 多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法 - Google Patents

Abstract

多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法，属于电机测试技术领域。它解决了采用大功率感应电机的特性测试方法进行大功率低速永磁同步电机的铜损及其温升的测试时，稳定性差的问题。它将作为电动机运行的N₁个独立运行单元分别外接驱动器，设置控制器对所有驱动器进行控制；使作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组处于短接状态；通过控制器发送指令给所有驱动器；根据作为电动机运行的一个独立运行单元的相电流I_a1和作为发电机运行的一个独立运行单元的相电流I_a2计算获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损；测量所述温度传感器的输出信号，获得多相化大功率低速永磁同步电机的温升。本发明适用于对大功率低速永磁同步电机进行特性测试。

Description

多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法

技术领域

本发明涉及一种多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法，属于电机测试技术领域。

背景技术

目前，大功率感应电机的特性测试技术已经比较成熟，最常用和最主要的方法是把大功率感应电机装在实验架上，将电机本身作为电动机运行，同时利用大功率直流电机作为机械负载，完成对大功率感应电机特性的测试。也就是说，需要构成一个机组，才能实现对大功率感应电机的特性测试。在某些特殊场合，需要分别测试感应电机在额定状态下的铁损和铜损及其温升情况，进而对其运行可靠性进行评估。测试铁损及其温升一般采用空载实验法，而测试铜损及其温升一般用堵转实验法。采用同样的方法在进行大功率低速永磁同步电机的铜损及其温升的测试时，则存在以下诸多问题，主要有：

1、设备问题：大功率低速永磁同步电机在运行时，由于转速较低，一般不超过200rpm，其转矩很大，因此需要很大容量的直流电机及其辅助设备作为负载。比如，一个500kW100rpm的低速永磁同步电机，其额定转矩是50000Nm。这对于一般的研制单位来说，根本不具备数百千瓦甚至兆瓦级的直流电机负载实验条件，因此完成不了这种测试；

2、稳定性问题：永磁同步电机的运行与普通感应电机不同，存在稳定性问题。如果采用电动机作为对拖负载，两种电机如果失步则可能出现震荡等不稳定现象。另外，由于永磁同步电机的永磁励磁，即使是在断电的情况下，其电机绕组中也会存在很高的电势，因此会对供电电源产生冲击；

3、时间问题：由于采用机组测试方式，需要配备和调试好电源及负载，不仅占用实验场地，而且大功率低速永磁同步电机到达稳定温升所需的时间较长，这对于研发过程中仅仅需要一般性的测试来说，既不经济，也不需要；

4、安全性问题：由于只是测量铜损及其温升，如果按照感应电机的测量方法，则需要把转子堵转。对于可以达到上万牛米的大功率低速永磁同步电机来说，采用机械方法，则需要把电机的机壳和轴伸分别稳定可靠固定，巨大的应力也是不安全因素。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前采用大功率感应电机的特性测试方法进行大功率低速永磁同步电机的铜损及其温升的测试时，稳定性差的问题，提供一种多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法。

本发明所述多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为三相对称交流绕组，多相化大功率低速永磁同步电机的相数m为：m＝3N，其中N为大于2的整数；

作为电动机运行的独立运行单元的个数为N₁，作为发电机运行的独立运行单元的个数为N₂，并且N＝N₁+N₂，N₁＞N₂，当N为奇数时，选择N₁＝N₂+1；当N为偶数时，选择N_1＝N₂+2；将温度传感器埋设于多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组内；

该测试方法包括以下步骤：

步骤一：将作为电动机运行的N₁个独立运行单元分别外接驱动器，以实现对该N₁个独立运行单元的驱动，并设置控制器用来对所有驱动器进行控制；同时使作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组处于短接状态；

步骤二：通过控制器发送指令给所有驱动器，使多相化大功率低速永磁同步电机的转子开始旋转；

步骤三：根据作为电动机运行的一个独立运行单元的相电流I_a1和作为发电机运行的一个独立运行单元的相电流I_a2计算获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损；

测量所述温度传感器的输出信号，获得多相化大功率低速永磁同步电机的温升。

本发明的优点是：本发明根据大功率低速永磁同步电机多相化的特点，利用电机的自身绕组的结构特点，采用电动机-发电机的组合方式，来完成电机铜损及其温升的测试。

本发明巧妙地利用了永磁电机绕组短路时其电磁转矩的制动性质，实现了在所有独立运行单元中都通以额定数值的交流电流的设想，同时电机的转速极低，接近于堵转，实现了所需要的铜损及其导致的温升的测试。

采用本发明方法实现电机铜损及其温升的测试过程中，电机的机壳和轴伸都不用特殊固定，也不需要外部设备。具有结构简单、性能稳定、数据可靠等一系列优点，可以满足一般性的低速永磁同步电机性能测试的需要。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的测试结构示意图，图中U₁表示作为电动机运行的第一个独立运行单元，U_N1表示作为电动机运行的第N₁个独立运行单元；u₁表示作为发电机运行的第一个独立运行单元，u_N2表示作为发电机运行的第N₂个独立运行单元；

图3为多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组结构示意图，图中U₁₁、U₁₂、U₁₃分别表示作为电动机运行的第一个独立运行单元的三相对称交流绕组，U_N11、U_N12、U_N13分别表示作为电动机运行的第N₁个独立运行单元的三相对称交流绕组；图中u₁₁、u₁₂、u₁₃分别表示作为发电机运行的第一个独立运行单元的三相对称交流绕组，u_N21、u_N22、u_N23分别表示作为发电机运行的第N₂个独立运行单元的三相对称交流绕组。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为三相对称交流绕组，多相化大功率低速永磁同步电机的相数m为：m＝3N，其中N为大于2的整数；

作为电动机运行的独立运行单元的个数为N₁，作为发电机运行的独立运行单元的个数为N₂，并且N＝N₁+N₂，N₁＞N₂，当N为奇数时，选择N₁＝N₂+1；当N为偶数时，选择N₁＝N₂+2；将温度传感器埋设于多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组内；

该测试方法包括以下步骤：

步骤一：将作为电动机运行的N₁个独立运行单元分别外接驱动器，以实现对该N₁个独立运行单元的驱动，并设置控制器用来对所有驱动器进行控制；同时使作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组处于短接状态；

步骤二：通过控制器发送指令给所有驱动器，使多相化大功率低速永磁同步电机的转子开始旋转；

步骤三：根据作为电动机运行的一个独立运行单元的相电流I_a1和作为发电机运行的一个独立运行单元的相电流I_a2计算获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损；

测量所述温度传感器的输出信号，获得多相化大功率低速永磁同步电机的温升。

本实施方式适用于多相化设计的大功率低速永磁同步电机。作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组采用短路方式产生制动转矩，以使所述电机运行在非常低的转速下；利用预先埋设的温度传感器来测得绕组铜损产生的温升数据。

本实施方式中对铜损产生的温升的测量为一种最成熟的普通方法，对温度传感器输出信号的测量，可利用二次仪表进行测量，由此能够实时测量电机绕组各部分的温度，进而得到铜损引起的温升数值。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述步骤三中获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损的方法为：

计算多相化大功率低速永磁同步电机的转子上受到的合成转矩ΔT：

ΔT＝N₁T_em-N₂T_B，

式中T_em为作为电动机运行的一个独立运行单元的电磁转矩，T_B为作为发电机运行的一个独立运行单元的制动转矩；

T_em＝k_TI_q1，

T_B＝k_TI_q2，

式中k_T为多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组的一个独立运行单元的力矩系数，I_q1为作为电动机运行的一个独立运行单元的交轴电流，I_q2为作为发电机运行的一个独立运行单元的交轴电流；

将合成转矩ΔT近似为零：N₁T_em-N₂T_B≈0，

得到 $I_{q2}\≈\frac{N_1}{N_2}{I}_{q1},$

由

，式中

为作为电动机运行的一个独立运行单元的功率因数角；

再由作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组处于短接状态，获得I_q2≈N_a2，

将

变形为

调节作为电动机运行的各个独立运行单元的功率因数角的大小，使得

得到I_a2≈I_a1，

设定I_N＝I_a2≈I_a1，

得到多相化大功率低速永磁同步电机的铜损P_Cu为：

$P_{\mathrm{Cu}}={\mathrm{NP}}_{\mathrm{Cu}1}=3{\mathrm{NI}}_N^2{R}_a,$

式中P_Cu1为多相化大功率低速永磁同步电机每个独立运行单元的铜损，R_a为多相化大功率低速永磁同步电机每相交流绕组的电阻。其它与实施方式一相同。

当控制器发出指令后，在N₁个电动机运行单元中会产生驱动电流和电磁转矩，使所述电机的转子开始旋转，此时N₂个发电机运行单元的绕组就会产生感生电势，进而产生电枢电流和制动转矩，由此得到所述电机转子上受到的合成转矩ΔT。

由于合成转矩ΔT只是克服电机的空载力矩，在大功率低速永磁同步电机中其空载力矩占的比例很小，可以忽略不计，因而合成转矩ΔT近似为零。

在N₂个发电机运行单元中，由于绕组处于短接状态，所以可近似认为I_q2≈I_a2。

由于N₁＞N₂，所以实验过程中可以根据额定电流的大小来确定作为发电机的各单元中电流的大小，再调节作为电动机的各单元的功率因数角的大小，使得

最后，使电机的所有单元稳定运行于：

I_N＝I_a2≈I_a1，

这样，当电机每相绕组的电阻为R_a时，电机的铜损就可以表示为：

$P_{\mathrm{Cu}}={\mathrm{NP}}_{\mathrm{Cu}1}=3{\mathrm{NI}}_N^2{R}_a.$

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述N等于5，N₁等于3，N₂等于2。其它与实施方式一或二相同。

本实施方式的测试对象为一台15相的大功率低速永磁同步电机，它分为5个对称单元，在实验测试时，可以任选三个单元作为电动机运行，将另外两个单元的绕组短路，作为发电机运行，根据实施方式一或二所述的方法调节驱动参数，即可以完成所需要的铜损及其温升的测试。

Claims (3)

1.一种多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法，所述多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为三相对称交流绕组，多相化大功率低速永磁同步电机的相数m为：m=3N，其中N为大于2的整数；其特征在于： 

作为电动机运行的独立运行单元的个数为N₁，作为发电机运行的独立运行单元的个数为N₂，并且N=N₁+N₂，N₁>N₂，当N为奇数时，选择N₁=N₂+1；当N为偶数时，选择N₁=N₂+2；将温度传感器埋设于多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组内； 

该测试方法包括以下步骤： 

步骤一：将作为电动机运行的N₁个独立运行单元分别外接驱动器，以实现对该N₁个独立运行单元的驱动，并设置控制器用来对所有驱动器进行控制；同时使作为发电机运行的N₂个独立运行单元的绕组处于短接状态； 

步骤二：通过控制器发送指令给所有驱动器，使多相化大功率低速永磁同步电机的转子开始旋转； 

步骤三：根据作为电动机运行的一个独立运行单元的相电流I_a1和作为发电机运行的一个独立运行单元的相电流I_a2计算获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损； 

测量所述温度传感器的输出信号，获得多相化大功率低速永磁同步电机的温升。 

2.根据权利要求1所述的多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法，其特征在于：所述步骤三中获得多相化大功率低速永磁同步电机的铜损的方法为： 

计算多相化大功率低速永磁同步电机的转子上受到的合成转矩ΔT： 

ΔT=N₁T_em-N₂T_B， 

式中T_em为作为电动机运行的一个独立运行单元的电磁转矩，T_B为作为发电机运行的一个独立运行单元的制动转矩； 

T_em=k_TI_q1， 

T_B=k_TI_q2， 

式中k_T为多相化大功率低速永磁同步电机的定子绕组的一个独立运行单元的力矩系数，I_q1为作为电动机运行的一个独立运行单元的交轴电流，I_q2为作为发电机运行的一个独 立运行单元的交轴电流； 

将合成转矩ΔT近似为零：N₁T_em-N₂T_B≈0， 

得到

由

式中

为作为电动机运行的一个独立运行单元的功率因数角； 

再由作为发电机运行的N2个独立运行单元的绕组处于短接状态，获得I_q2≈I_a2，将

变形为

调节作为电动机运行的一个独立运行单元的功率因数角的大小，使得

得到I_a2≈I_a1， 

设定I_N=I_a2≈I_a1， 

得到多相化大功率低速永磁同步电机的铜损P_Cu为： 

式中P_Cu1为多相化大功率低速永磁同步电机每个独立运行单元的铜损，R_a为多相化大功率低速永磁同步电机每相交流绕组的电阻。 

3.根据权利要求1或2所述的多相化大功率低速永磁同步电机铜损及其温升的测试方法，其特征在于：所述N等于5，N₁等于3，N₂等于2。 

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