CN102253337B - 一种同步电机零功率过欠励试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步电机零功率过欠励试验方法，该过欠励试验方法的具体步骤为：首先，启动励磁绕组电流控制环后，再启动弱磁控制环、电机速度控制环、电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环。通过电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速后稳定在额定转速，然后启动电枢电流控制环，并通过增加电枢d轴电流幅值，增加电枢电流的幅值，调节电机端电压。本发明的试验方法通过同步电机矢量控制以及同步电机转子角度识别，由传统的电压控制电流，改为电流控制电压，安全可靠，可以有效保护变流器。通过采用矢量控制，电机运行平稳。实验操作方便，容易达到实验要求。

Description

一种同步电机零功率过欠励试验方法

技术领域

本发明涉及同步电机零功率过欠励试验技术，更具体地说，是涉及一种同步电机零功率过欠励试验方法。

背景技术

在电机的出厂检验过程中，需要给使用者提供电机的性能参数，因此必须对电机进行过励试验以及欠励试验来测定电机的杂散损耗，从而得出电机的性能。现有的过欠励试验方法如下：

(1)传统试验方法发电机法，是将同步发电机拖到额定转速，带感性负载，调节励磁电流，实现同步发电机过励试验。

(2)采用igbt等电力电子器件变流器实现对同步电机的VF控制，将同步电机拖到额定转速，调节变流器输出电压接近电机额定电枢电压，调节电机励磁电流，实现同步电机过励欠励试验。

但现有技术存在以下的缺点：

(1)采用变频交流VF控制方法，同步电机启动很容易失步，过厉时很容易引起电机震荡失步。

(2)采用传统发电机法，对于某些特殊同步电机，需要单独设计配套的异步电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步电机零功率过欠励试验方法，不仅可以使实验过程安全可靠，保护电机不受破坏，同时还可以适应多种频率的同步电机实验。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于，

该过欠励试验方法的具体步骤为：

A.启动励磁绕组电流控制环后，再启动弱磁控制环、电机速度控制环、电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环；

B.电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速后稳定在额定转速；

C.启动电枢电流控制环，并通过增加电枢d轴电流幅值，增加电枢电流的幅值，调节电机端电压。

所述的步骤C的具体步骤为：

C1.电枢d轴电流增加的方向抵消励磁绕组电流产生的磁场，使电机端电压下降；

C2.弱磁控制环增加励磁绕组电流以稳定电机端电压。

或者，所述的步骤C的具体步骤为：

C1.电枢d轴电流增加的方向增强励磁绕组电流产生的磁场，使电机端电压增加；

C2.弱磁控制环调节使得励磁电流减小，维持电机端电压小于最大端电压。

与现有技术相比，采用本发明的一种同步电机零功率过欠励试验方法，该过欠励试验方法的具体步骤为：首先，启动励磁绕组电流控制环后，再启动弱磁控制环、电机速度控制环、电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环。通过电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速后稳定在额定转速，然后启动电枢电流控制环，并通过增加电枢d轴电流幅值，增加电枢电流的幅值，调节电机端电压。本发明的试验方法通过同步电机矢量控制以及同步电机转子角度识别，由传统的电压控制电流，改为电流控制电压，安全可靠，可以有效保护变流器。通过采用矢量控制，电机运行平稳。实验操作方便，容易达到实验要求。

附图说明

图1是本发明的同步电机零功率过欠励试验方法的流程示意图；

图2是本发明的励磁绕组电流控制环的原理示意图；

图3是本发明的弱磁控制环的原理示意图；

图4是本发明的电机速度控制环的原理示意图；

图5是本发明的电枢q轴电流控制环的原理示意图；

图6是本发明的电枢电流控制环的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

零功率因数过励试验可在被试电机作为发电机或电动机运行时进行。作发电机运行时，有功功率应等于零；作电动机运行时，轴上负载应该是零。试验时，在过励零功率因数下，测定励磁电流，它对应的电压和电枢电流值最好与额定值的偏差不大于±0.15标幺值。通过零功率因数过欠励试验，结合空载电动机法试验可以计算出电机的杂散损耗。

本发明的同步电机零功率过欠励试验方法采用IGBT电力电子器件变流器，通过矢量控制实现同步电机过欠励试验。矢量控制因为含有电流环，不仅避免了调节过程中的电枢电流过流，同时还有速度闭环，避免了调节过程中电机失速。本发明的同步电机零功率过欠励试验方法原理如下：

1)他励同步电机过励电动机法：采用同步电机转子定向矢量控制，将电机拖到同步转速后启动电枢电流环，调节电枢d轴电流。当电枢电流小于额定电流时增加电枢d轴电流，当电枢电流大于额定电流时减小电枢d轴电流；同时根据电机电枢电压调节励磁绕组电流，当电枢绕组电压超过额定电压时减小励磁绕组电流，当电枢绕组电压小于额定电压时增大励磁绕组电流。转速环调节电枢q轴电流维持转速稳定。此时电枢d轴电流产生的磁链方向与转子磁链方向相反抵消了电机的气息磁链，所以随着电枢d轴电流增加，电枢电压减小，励磁绕组电流同时增大以维持电枢电压为额定电压，即所谓过励电动机法。

2)他励同步电机欠励电动机法：除电枢d轴电流方向产生的磁链方向与转子磁链方向一致外，其余同上。由于电枢电流的增加时气息磁链同时增加，所以电机电枢电压也增大，为维持电机电枢电压在额定电压，励磁绕组电流将减小啊，即所谓欠励电动机法。

请参阅图1所示的一种同步电机零功率过欠励试验方法，该过欠励试验方法的具体步骤为：

11.启动励磁绕组电流控制环后，再启动弱磁控制环、电机速度控制环、电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环；

12.电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速后稳定在额定转速；

13.启动电枢电流控制环，并通过增加电枢d轴电流幅值，增加电枢电流的幅值，调节电机端电压。

在启动电机电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环，励磁绕组电流控制环，弱磁控制环以及电机速度控制环后，将电枢d轴电流参考值设为0，电机速度参考值设为额定转速，由于电机电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速然后稳定在额定转速。在转速稳定在额定转速后，启动电枢电流控制环，给定电枢d轴电流参考值，增加d轴电流幅值，进而增加电机电枢电流的幅值。

在零功率过励试验时，d轴电流产生的磁链方向与励磁绕组电流产生的磁链相反抵消气息磁链，使电机端电压下降，这时弱磁控制环则增加励磁绕组电流以稳定电机端电压，实现零功率过励试验电动法。

在零过率欠励试验时，d轴电流产生的磁链方向与励磁绕组电流产生的磁链一致，增强气息磁链，使电机端电压增加。在弱磁控制环的调节下励磁电流减小，维持端电压小于最大端电压，实现零功率欠励磁试验电动法。

在此，需要阐述一下矢量坐标系上电机简化数学模型：

矢量控制中将电机模型投影到特定的直轴与交轴两个矢量坐标系上，通常将直轴与同步电机转子绕组电流产生的磁链重合。按通常标号，直轴记为d轴，交轴记为q轴。在d，q轴上的他励同步电机理想数学模型为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s& 0\\ 0& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{sL}}_d& -\mathrm{\ω}{L}_q\\ \mathrm{\ω}{L}_d& s{L}_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}s\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]L_{\mathrm{fm}}{i}_f$ (公式1)

v_f=sL_fi_f+R_fi_f           (公式2)

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{pL}}_{\mathrm{fm}}{i}_f{i}_q}{B+\mathrm{sJ}}$ (公式3)

其中：v_d为电机定子d轴电压，v_q为电机定子q轴电压，R_s为电机定子电阻，i_d为电机定子d轴电流，i_q为电机定子q轴电压，L_d为电机定子d轴电感，L_q为电机定子q轴电感，s为微分运算符，ω为电机电角速度，L_fm为电机励磁气息磁场感应电感，L_f为电机励磁绕组电感，v_f为电机励磁绕组电压，R_f为电机励磁绕组电阻，i_f为电机励磁绕组电流，p为电机极对数，B为电机机械摩擦系数，J为电机转子惯性矩。

电机理想数学模型认为电机铁芯部分导磁系数为常数，忽略定子漏感，忽略温度对电机绕组电阻的影响，认为电机气息磁场按正弦分布。

在i_f，i_q保持不变时，i_d变化量记为Δi_d，i_d的变化引起v_d的变化记为Δv_d，由(公式1)可得到Δv_d关于Δi_d的公式：

Δv_d=(R_s+sL_d)Δi_d        (公式4)

同样可得到i_q变化量Δi_q，引起v_q的变化量Δv_q的公式：

Δv_q=(R_s+sL_q)Δi_q       (公式5)

i_f变化量Δi_f，引起v_f的变化量Δv_f的公式：

Δv_f=(R_f+sL_f)Δi_f        (公式6)

由(公式4)将同步电机d轴电流模型简化为

由(公式5)q轴电流模型简化为

励磁绕组简化电流模型

由(公式3)得到电机旋转速度关于电机q轴电流的模型

c为常数。

请参阅图2所示的用于稳定电机励磁绕组电流的励磁绕组电流控制环，励磁绕组电流控制环包括第一误差比较器21、与第一误差比较器21依次连接的第一比例积分调节器22以及第一运算器23，第一误差比较器21、第一比例积分调节器22以及第一运算器23构成控制回路，第一运算器23内设有电机励磁绕组电流计算公式，该计算公式为

$\frac{1}{R_f+{\mathrm{sL}}_f},$

其中：R_f为电机励磁绕组电阻；s为微分运算符；L_f为电机励磁绕组电感。图中if_ref为输入励磁绕组电流参考值，通过第一误差比较器21与电机励磁绕组电流if的反馈值比较，输出电流误差值。通过第一比例积分调节器22计算输出励磁绕组电压vf；励磁绕组电流if按电机励磁绕组电流计算公式随vf变化而变化，进而使励磁绕组电流if与励磁电流参考值if_ref保持一致。

再请参阅图3所示的弱磁控制环，用于稳定电机电枢端电压在额定电压以下，防止电机过压。弱磁控制环包括第二误差比较器31、与第二误差比较器31依次连接的第二比例积分调节器32、输出限幅模块33以及第二运算器34，第二误差比较器31、第二比例积分调节器32、输出限幅模块33以及第二运算器34构成控制回路。第二运算器34内依次设有励磁绕组电流控制环计算公式以及代表电机电枢端电压与励磁绕组电流关系的系数K所述励磁绕组电流控制环计算公式为

$\frac{1}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1}},$

其中：s为微分运算符；ω₁为磁绕组电流控制环带宽，由具体的比例积分调节器参数决定。；系数K代表电机电枢端电压与励磁绕组电流比例关系，当电机稳定在额定转速时，励磁绕组电流if增大或减小电机电枢电压也随之增大或减小，数值由具体电机的参数决定。该数值决定比例积分调节器32参数的设定。

图中v_max为输入电机容许端电压最大值，其与电机端电压反馈值Vout通过误差比较，输出误差值通过第二比例积分调节器32计算出励磁电流参考值if_ref；励磁电流参考值if_ref值被输出限幅模块33控制在励磁电流最小值if_min以及励磁电流最大值if_max之间。电机励磁绕组电流if跟随哪个参考值变化，同时引起电机端电压变化。当电机端电压小于最大值时，励磁电流增大，直到励磁电流最大值；当电机端电压大于最大值时，励磁电流减小，直到励磁电流最小值。

再请参阅图4所示的用于将电机转速稳定在额定转速的电机速度控制环，电机速度控制环包括第三误差比较器41、与第三误差比较器41依次连接的比例积分微分调节器42以及第三运算器43，第三误差比较器41、比例积分微分调节器42以及第三运算器43构成控制回路；第三运算器43内依次设有电枢q轴电流环计算公式以及电机速度响应计算公式，所述电枢q轴电流环计算公式为

$\frac{1}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}},$

其中：s为微分运算符，ω₀为为电枢q轴电流控制环带宽，由具体的比例积分调节器参数决定；

所述电机速度响应计算公式为

其中：c为常数，B为电机机械摩擦系数，s为微分运算符，J为电机转子惯性矩。

图中s_ref为速度参考值，通过第三误差比较器41与电机速度ω反馈值比较，输出速度误差值；通过比例积分微分调节器42计算输出q轴电流参考值iq_ref，通过第三运算器43中的q轴电流控制环使电机输出指定的q轴电流iq，跟随q轴电流参考值iq_ref变化；进而q轴电流iq与电机励磁绕组电流作用调节转矩，电机转速按电机速度响应公式跟随变化。

再请参阅图5所示的电枢q轴电流控制环，包括第四误差比较器51、与第四误差比较器51依次连接的第四比例积分调节器52以及第四运算器53，第四误差比较器51、第四比例积分调节器52以及第四运算器53构成控制回路，第四运算器53内设有电枢q轴电流计算公式，该计算公式为

其中：R_s为电机定子电阻；s为微分运算符；L_q为电机定子q轴电感。

图中iq_ref为输入q轴电流参考值，反馈q轴电流。第四误差比较器51比较q轴电流参考值iq_ref与q轴电流iq的反馈值，输出误差值；第四比例积分调节器52输入误差值，通过比例及积分计算输出q轴电压分量，电压改变使电枢q轴电流按q轴电流计算公式变化，进而与q轴电流参考值iq_ref保持一致。

再请参阅图6所示的用于将电机电枢电流控制在额定电流附近的电枢电流控制环，它包括第五误差比较器61、与第五误差比较器61依次连接的第五比例积分调节器62以及第五运算器63，第五误差比较器61、第五比例积分调节器62以及第五运算器63构成控制回路；

所述电枢电流控制环还包括第六运算器64以及反向控制器65，第六运算器64通过反向控制器65与第五误差比较器61相连接；

第五运算器63内设有电枢d轴电流计算公式，

该计算公式为

其中：R_s为电机定子电阻；s为微分运算符；L_d为电机定子d轴电感；所述第六运算器64内设有电枢d轴电流参考值计算公式，所述电枢d轴电流参考值计算公式为

其中：i_ref为电枢电流参考值；iq_ref为q轴电流参考值。

从图中可见，通过第六运算器64将电机电枢电流中q轴分量除掉其余作为d轴电流参考值；在欠励试验时，d轴参考值乘以1，此时反向控制器65不进行方向操作；d轴电流产生的磁磁链与励磁绕组电流磁磁链方向一致。在过励试验时，通过反向控制器65的反向操作，使得d轴参考值乘以-1，d轴电流产生的磁链抵消励磁绕组电流产生的气隙磁磁链。与电枢q轴电流控制环一样，通过反馈闭环比例积分调节，控制d轴电流与参考值一致。最终使电枢电流总值与电枢电流参考值即额定电流一致。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于，

该过欠励试验方法的具体步骤为：

A.启动励磁绕组电流控制环后，再启动弱磁控制环、电机速度控制环、电枢d轴电流控制环，电枢q轴电流控制环；

B.电枢q轴电流和励磁绕组电流作用产生转矩，电机转速上升到额定转速后稳定在额定转速；

C.启动电枢电流控制环，并通过增加电枢d轴电流幅值，增加电枢电流的幅值，调节电机端电压。

2.根据权利要求1所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述的步骤C的具体步骤为：

C1.电枢d轴电流增加的方向抵消励磁绕组电流产生的磁场，使电机端电压下降；

C2.弱磁控制环增加励磁绕组电流以稳定电机端电压。

3.根据权利要求1所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述的步骤C的具体步骤为：

C1.电枢d轴电流增加的方向增强励磁绕组电流产生的磁场，使电机端电压增加；

C2.弱磁控制环调节使得励磁绕组电流减小，维持电机端电压小于最大端电压。

4.根据权利要求1或2或3所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述励磁绕组电流控制环包括第一误差比较器、与第一误差比较器依次连接的第一比例积分调节器以及第一运算器，所述第一误差比较器、第一比例积分调节器以及第一运算器构成控制回路，第一运算器内设有电机励磁绕组计算公式，该计算公式为

其中：R_f为电机励磁绕组电阻；s为微分运算符；L_f为电机励磁绕组电感。

5.根据权利要求1或2或3所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述弱磁控制环包括第二误差比较器、与第二误差比较器依次连接的第二比例积分调节器、输出限幅模块以及第二运算器，所述第二误差比较器、第二比例积分调节器、输出限幅模块以及第二运算器构成控制回路；所述第二运算器内依次设有励磁绕组电流控制环计算公式以及系数K，

所述励磁绕组电流控制环计算公式为

其中：s为微分运算符；ω₁为励磁绕组电流控制环的带宽；系数K为电机电枢端电压与励磁绕组电流比例关系。

6.根据权利要求1或2或3所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述电机速度控制环包括第三误差比较器、与第三误差比较器依次连接的比例积分微分调节器以及第三运算器，所述第三误差比较器、比例积分微分调节器以及第三运算器构成控制回路；所述第三运算器内依次设有电枢q轴电流环计算公式以及电机速度响应计算公式，

所述电枢q轴电流环计算公式为

其中：s为微分运算符，ω₀为电枢q轴电流控制环带宽；

所述电机速度响应计算公式为

其中：c为常数，B为电机机械摩擦系数，s为微分运算符，J为电机转子惯性矩。

7.根据权利要求1或2或3所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述电枢q轴电流控制环包括第四误差比较器、与第四误差比较器依次连接的第四比例积分调节器以及第四运算器，所述第四误差比较器、第四比例积分调节器以及第四运算器构成控制回路，第四运算器内设有电枢q轴电流计算公式，该计算公式为

其中：R_s为电机定子电阻；s为微分运算符；L_q为电机定子q轴电感。

8.根据权利要求1所述的同步电机零功率过欠励试验方法，其特征在于：

所述电枢电流控制环包括第五误差比较器、与第五误差比较器依次连接的第五比例积分调节器以及第五运算器，所述第五误差比较器、第五比例积分调节器以及第五运算器构成控制回路；

所述电枢电流控制环还包括第六运算器以及反向控制器，所述第六运算器通过反向控制器与第五误差比较器相连接；

所述第五运算器内设有电枢d轴电流计算公式，

该计算公式为

其中：R_s为电机定子电阻；s为微分运算符；L_d为电机定子d轴电感；

所述第六运算器内设有电枢d轴电流参考值计算公式，所述电枢d轴电流参考值计算公式为

其中：i_ref为电枢电流参考值；iq_ref为输入q轴电流参考值。

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