CN102636749A - 电动机参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电动机参数的测量方法，是包括了以下步骤：A)提供一供电设备电性连接一感应电动机；B)该供电设备提供一驱动电力导通至该感应电动机使该感应电动机无载的自静止启动加速至一稳态转速，同时检测并记录该感应电动机自静止启动加速至该稳态转速时的一启动瞬时电流与一启动瞬时电压；C)该供电设备停止提供该驱动电力使该感应电动机自该稳态转速减速至静止，同时检测并记录该感应电动机自该稳态转速自然减速至静止启动时的一关机瞬时电流与一关机瞬时电压；D)提供该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压至一运算系统以运算获得该感应电动机的参数。

Description

电动机参数的测量方法

技术领域

本发明涉及一种电气参数的测量方法，尤其涉及一种感应电动机参数的测量方法。

背景技术

感应电动机经过多年来的发展，为了要让感应电动机适用于各种机械上而发展出许多变化型态，各种型态的感应电动机各具有不同的输出特性。为了确保制造出来的感应电动机具有正确的特性，就必须了解该感应电动机在电路上的等效模型，多年来有许多对感应电动机等效电路的学术研究，协助了生产业者可通过测量感应电动机在运转时的数据，进一步推算出等效电路型态。更了解感应电动机在通电后的等效电路型态后，即可进一步了解电动机的特性与缺点，并且制作输出更精准、更稳定的感应电动机。

而已知的测量方式有中国台湾专利公告第298620号“马达电气参数鉴定法”，其中该方法包括：(a)提供一马达；(b)提供一编码器，其是用以侦测该马达转子的转速；(c)提供一马达基本向量控制架构，其是用以作为执行控制该马达转速的向量控制法则；(d)令具正弦波脉宽调变(SPWM)功能的一变频器以作为该所驱动马达的电源供应，其中该变频器内的微处理器为一数字控制单元，该数字控制单元包括一坐标转换方块A、一坐标转换方块B及一随机随机数产生器；(e)使该坐标转换方块A用以将该马达的一定子电流量测值转换成一转子磁场坐标系统(d-q)轴的一两轴电流分量；(f)使该坐标转换方块B用以将该转子磁场坐标系统的一d轴定子电压标的值与一q轴定子电压标的值换算成输入一正弦波脉宽调变(SPWM)反相器的一三相输入电压标的值；(g)令该转子磁场坐标上该q轴电压标的值为零，此时该马达呈静止状态，而其中一转子磁通角度标的值为任一值；(h)使该随机随机数产生器用以产生该转子磁场坐标系统(d-q)轴上的该d轴定子电压标的值；(i)令驱动该马达的该变频器内的该数字控制单元于一取样时间取样并记录该转子磁场坐标上该d轴电压标的值及该d轴输出电流；以及(j)使该马达的动态数学方程式自动推导出各项马达电气参数的估测值。

由第298620号前案的技术内容可知，该方法需要利用到一定子电流量以及通过d轴定子电压标的值与一q轴定子电压标的值换算成输入一正弦波脉宽调变(SPWM)反相器的一三相输入电压标的值。再令该马达呈静止状态，而测定转子磁通角度标的值。利用随机数产生器产生该转子磁场坐标系统(d-q)轴上的该d轴定子电压标的值。最后令驱动该马达的该变频器内的该数字控制单元于一取样时间取样并记录该转子磁场坐标上该d轴电压标的值及该d轴输出电流。通过多次繁复的测量与计算才得以取得马达的电气参数。

而中国台湾专利公告第485248号揭示一种马达电气自动参数鉴定法，其方法步骤大致包括：a)提供一马达；b)提供一变频器驱动该马达，该变频器内包含了空间向量调变的电流控制器、向量控制器；c)控制变频器输出马达某一相接线端为直流电源正极，另两相则为直流电源负极，以完成直流试验；d)控制变频器输入马达某一相接线端为单相交流电源正极，另两相则为单相交流电源负极，完成堵住转子试验；e)令马达无载并使变频器输入马达三相额定频率或各种不同的交流电源，而能够让马达旋转于接近输入频率的同步转数，完成无载试验；f)通过三项试验而由马达的动态数学方程式推导出各项马达电气参数的估计值。该前案必须通过三次不同的试验，测量过程同样的繁琐，无法快速而简便的获得马达的电气参数。

除了前述的两个前案以外，其它感应电动机的测量方法如中国台湾专利公告第544524号、第565992号以及第I227331号，这些现有专利的测试方法同样的繁复，且最大的缺点在不便于配合实际需要，在感应电动机运作的工作场所内直接进行在线测量。又，前述的堵转试验最大的缺点就是需考虑温度的效应，造成测试过程更加复杂繁琐，一般使用者(工厂内操作者)无法自行测量，故多在感应电动机制作完成出厂时由厂商测量标示。但经多道工业程序后，转子的导电性会受到影响，其正确性无法令人信任。

此外，于“IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATION VOL.44NO.4.JULY/AUGUST 2008”第1034～1037页刊载一种交流电源线阻抗测试方法(请参阅附件一)。该公开文献的第三节(III.NOVEL MEASUREMENTSCHME)揭示一种测验方法，该节包含了使用的测量电路以及测试的步骤，而测验的步骤是取得三个不同时点的参数：无载时的线电压峰值Vo、具有负载时的线电压峰值Vr、以及LC谐振循环上第一个半周期的波长。为了取得上述的参数，该文献使用了一开关元件SW通过导通或截止取得不同时点的参数，并通过公式的推导来获得电路等效阻抗。

由前述现有技术可知，传统上若欲得到感应电动机的完整参数，需要倚赖外接检测装置或者控制电路，均需要多个步骤的测量，过于繁杂。

再者，工业用的感应电动机体积与重量较大，移动该感应电动机并非易事，且专业的测量器材与计算机设备也不便于移动。因此，在实务上前述先前专利难以适用于现场测量。在无法轻易测量感应电动机参数的情况下，工厂内的操作者只能依据感应电动机出厂的铭板得知感应电动机的部分参数，无法测量该感应电动机启动后的实际效能。既无法在工厂产线上直接测量感应电动机的参数，也无法得知该感应电动机使用后的磨损状态。

发明内容

工业用感应电动机受限于体积与重量而不易移动，不容易移动到实验室中进行测量。再者，现有的测量技术需要使用到转速计、变频器、向量控制器等等设备，这些设备同样的不便于携带或移动，并且要进行测量时必须重接感应电动机的电力线路，造成测量的不便。因此，本发明的目的在于提供一种测量方法，为要达到测量方式与所需设备简化，并且直接在感应电动机的作业线路上测量的优点。

本发明为一种电动机参数的测量方法，是包括了以下步骤：A)提供一供电设备电性连接一感应电动机；B)该供电设备提供一驱动电力导通至该感应电动机使该感应电动机无载的自静止启动加速至一稳态转速，同时检测并记录该感应电动机自静止启动加速至该稳态转速时的一启动瞬时电流与一启动瞬时电压；C)该供电设备停止提供该驱动电力使该感应电动机自该稳态转速减速至静止，同时检测并记录该感应电动机自该稳态转速自然减速至静止启动时的一关机瞬时电流与一关机瞬时电压；D)提供该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压至一运算系统以运算获得该感应电动机的参数。

本发明与现有技术的主要区别在于本发明是检测该感应电动机在启动至转速稳定这段期间的电流、电压数值，以及转速稳定时停止供应电力使其自然减速至停止这段期间的电流、电压数值。通过前述检测到的电流与电压数值，可进一步获取该感应电动机的单相等效电抗、转子等效电阻、定子等效电抗、转子等效电抗、转差率、气隙功率、输出转矩、摩擦系数、转子转速、等效磁化电感、感应机惯量之中的任意一个或多个参数。由此，可快速、简便的了解每一台感应电动机的特性。只要了解感应电动机本身确实的参数后，可协助使用者将测得的参数与出厂标定参数比对，以确认感应电动机本身的寿命损耗或者是否有结构上的缺陷。更进一步的，操作者将可依据感应电动机的实际参数而设定控制电路，使感应电动机的输出更符合操作者的实际需要，甚至可改变该感应电动机的输出曲线，以应用在不同的工作需求。

附图说明

图1是本发明电动机参数的测量方法一实施例的步骤流程示意图；

图2为本发明电动机参数的测量方法用于实施前述步骤的电路架构示意图。

具体实施方式

本发明为一种电动机参数的测量方法，以下将配合附图说明本发明的技术内容。

请参阅图1所示，是本发明一实施例的步骤流程示意图，如图所示：本发明揭示的测量方法包括以下步骤：A.提供一供电设备电性连接一感应电动机。B.该供电设备输出一驱动电力导通至该感应电动机使该感应电动机无载的自静止启动加速至一稳态转速(如图1步骤方块S1所示)，同时检测并记录该感应电动机自静止启动加速至该稳态转速时的一启动瞬时电流与一启动瞬时电压(如图1步骤方块S2所示)。C.该供电设备停止输出该驱动电力使该感应电动机自该稳态转速减速至静止，同时检测并记录该感应电动机自该稳态转速自然减速至静止启动时的一关机瞬时电流与一关机瞬时电压(如图1步骤方块S3所示)。D.提供该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压至一运算系统以运算获得该感应电动机的参数(如图1步骤方块S4所示)。

另外，再请参阅图2所示，是本发明一用于实施前述步骤的电路架构示意图，该电路架构包含有一供电设备，该供电设备是提供一电性连接一电力来源20的配电盘3，该配电盘3具有一三相供电线路31电性连接一三相总线2，该三相总线2则电性连接一电力来源20，以提供一三相电力作为驱动电力驱动一感应电动机1。而该三相供电线路31上设有一断路器33，该断路器33后端则连接一感应电动机1。并且该电力来源20与该断路器33之间连接一分流线路32，通过该分流线路32以实施前述步骤B、C中所述取得启动瞬时电流、关机瞬时电流。而一比压线路35电性连接于断路器33与该感应电动机1之间，通过该比压线路35以实施前述步骤B、C中所述取得该启动瞬时电压与关机瞬时电压。该分流线路32还包括一耦合于该三相供电线路31上的一比流器320；该比压线路35包含了一连接于并联于该三相供电线路31上的一比压器350。该分流线路32与比压线路35自该三相供电线路31获取电流与电压值，并且分别连接一检测与记录单元4而将电流与电压值传至该检测与记录单元4。该比压器350可选择的连接于一浪涌吸收器34以吸收三相供电线路31上的电力浪涌。该三相供电线路31更可选择并联平衡三相供电线路31上三相比压器36，该三相比压器36为分别电性连接至各相线路由单相比压器361所构成，该单相比压器361仅可提供无载启动的电压值，以比压器350才可完整记录启动和停止电压值。前述的检测与记录单元4还连接一运算系统5。

测量开始时，该配电盘3通过该三相供电线路31提供一驱动电力使该感应电动机1无载的自静止启动加速至一稳态转速(如图1方块S1所示)，此为一启动时期。在该段时间中，该检测与记录单元4通过该分流线路32与该比压线路35检测并记录该感应电动机1自静止启动加速至该稳态转速时的一启动瞬时电流与一启动瞬时电压(如图1方块S2所示)。此时，该检测与记录单元4可记录在感应电动机1启动至稳态转速时的电流与电压变化。接着，停止提供驱动电力至正在稳态转速的感应电动机1，使该感应电动机1自该稳态转速自然减速至静止(如图1方块S3所示)。在该感应电动机1关机的期间，该检测与记录单元4检测并记录该感应电动机1自该稳态转速自然减速至静止启动时的一关机瞬时电流与一关机瞬时电压(如图1方块S4所示)。最后，该检测与记录单元4提供所记录的该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压至该运算系统5以运算获得该感应电动机1的参数(如图1方块S5所示)。

该运算系统5通过已知的表达式来获取该感应电动机1单相等效电抗、转子等效电阻、定子等效电抗、转子等效电抗、转差率、气隙功率、输出转矩、摩擦系数、转子转速、等效磁化电感、感应机惯量之中的任意一个或多个参数。

例如通过所取得的感应电动机1输入端单相的启动与关机的瞬时电压v_s(t)、电流i_s(t)可通过已知的公式获得：

电压：v(t)＝V_msin(ωt)

电流：i(t)＝I_msin(ωt-θ₁)

在没有谐波干扰的情况下，电压的正、余弦分量分别为v₁(t)及v₂(t)：

v₁(t)＝v(t)＝V_msin(ωt)

v_2(t)＝v(t+90°)＝V_msin(ωt+90°)＝V_mcos(ωt)

电流的正、余弦分量分别为i₁(t)及i₂(t)：

i₁(t)＝i(t)＝I_msin(ωt)

i₂(t)＝i(t+90°)＝I_msin(ωt-θ₁+90°)＝I_mcos(ωt-θ₁)

实功率：

$P=\frac{1}{2}[v_{1\left(t\right)}\·i_1\left(t\right)+v_2\left(t\right)\·i_2\left(t\right)]$

虚功率：

$Q=-\frac{1}{2}[v_2\left(t\right)\·i_1\left(t\right)+v_1\left(t\right)\·i_2\left(t\right)]$

通过现有的测量仪器运算获得单相电压V_m、电压频率f、电流均方根(RMS)值I_rms、实功P_Φ与虚功Q_Φ。

电压：v(t)＝V_msin(ωt)＝V_msin(2πft)

其正、余弦分量为：

v₁(t)＝V_msin(2πft)

v₂(t)＝V_mcos(2πft)

其中振幅V_m为：

$V_m=\sqrt{v_1^2\left(t\right)+v_2^2\left(t\right)}$

将前述正、余弦分量微分，可得：

$\frac{{\mathrm{dv}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{fV}}_m\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)={v_1}^{\′}\left(t\right)$

$\frac{{\mathrm{dv}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-2\mathrm{\π}{\mathrm{fV}}_m\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)={v_2}^{\′}\left(t\right)$

整理上述表达式可得频率为：

$f=\frac{v_2\left(t\right){v_1}^{\′}\left(t\right)-v_1\left(t\right){v_2}^{\′}\left(t\right)}{2\mathrm{\π}[v_1^2\left(t\right)+v_2^2\left(t\right)]}$

更进一步的，利用单相实功P_Φ，可得到单相等效电阻：

R_eq＝P_Φ/I_s ²

利用单相虚功可得单相等效电抗。

X_eq＝Q_Φ/I_s ²

在感应电动机1启动初期可得转子等效电阻：

R_r’＝R_eq-R_s

定子、转子等效电抗：

$\mathrm{Xs}={\mathrm{Xr}}^{,}\≅1/2X_{\mathrm{eq}}$

而启动初期至稳定转速的转差率为：

s₁＝P，并可进一步求得ω_r1(t)

利用单相实功P_Φ与定子端单相电流I_s，可得前式中的气隙功率P_G：

P_G＝P_Φ-I_s ²×R_s

利用气隙功率P_G，可得感应电动机1输出转矩：

$T_{\mathrm{ind}}=\frac{3\×P_G}{\mathrm{\ωs}}$

利用输出转矩T_ind与转子角速度ω_r0，可得摩擦系数：

$F=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ind}}}{{\mathrm{\ω}}_{r0}}$

利用频率f可得开关打开后的转子转速：

${\mathrm{\ω}}_{r2}\left(t\right)=\frac{2}{P}\×2\mathrm{\πf}\left(t\right)$

待V_m×ω_s/ω_r2(t)衰减至

时间t₂即为时间常数T，等效磁化电感为：

$L_m\≅\mathrm{\τ}{R}_r^{\′}$

待ω_r2(t)衰减至ω_r0e^-1，时间t₂即为时间常数T，电动感应机1惯量即为：

J＝τ_rF

修正因数k：

$k\≅\frac{X_m}{\sqrt{{\left(\frac{R_r^{\′}}{s}\right)}^2+(X_r^{\′}+X_m^2)}}$

将转差率修正为：

s_1k＝k²×s₁

进一步可得修正后的转子转速

ω_1k(t)＝(1-s_1k)ω_s

因此，只要依据本发明提供的前述步骤取得启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压后，即可进一步推算出该感应电动机1运转的重要参数，方便业者控制该感应电动机1，更进一步有助于感应电动机1的研发与改良。

该方法的重点在于使该感应电动机1在无载的情况下接受一驱动电力启动，该感应电动机1从静止启动加速到达一稳态转速的期间检测并记录一启动瞬时电流与一启动瞬时电压。接着，停止提供该驱动电力，使该感应电动机1无载的自然减速至静止，并在稳态转速减速到静止的期间检测并记录一关机瞬时电流与一关机瞬时电压。利用该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压运算获得感应电动机参数。在现有的测量方式中，并未见任何现有技术是利用启动与关闭两期间的电流、电压值运算出参数值。再者，本发明前述的步骤中并不需要使用变频器来控制感应电动机1的运作，不需为了达到某个特定状态而调整该感应电动机1的最高转速或者转矩，本发明只需接上电力使该感应电动机1开始运转即可执行测量的步骤。由此，可快速、简便的了解每一台感应电动机1的特性。只要了解感应电动机1本身确实的参数后，可协助使用者将测得的参数与出厂标定参数比对，以确认感应电动机1本身的寿命损耗或者是否有结构上的缺陷。更进一步的，操作者将可依据感应电动机1的实际参数而设定控制电路，使感应电动机1的输出更符合操作者的实际需要，甚至可改变该感应电动机1的输出曲线，以应用在不同的工作需求上。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。任何熟习此技艺者，在不脱离本案的精神和范围内，而所作的些许更动与润饰，均应涵盖于本发明中，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定为准。

Claims (13)

1.一种电动机参数的测量方法，其特征在于，该方法包括步骤：

A.提供一感应电动机(1)电性连接一供电设备；

B.该供电设备提供一驱动电力导通至该感应电动机(1)使该感应电动机(1)无载的自静止启动加速至一稳态转速，同时检测并记录该感应电动机(1)自静止启动加速至该稳态转速时的一启动瞬时电流与一启动瞬时电压；

C.该供电设备停止提供该驱动电力使该感应电动机(1)自该稳态转速减速至静止，同时检测并记录该感应电动机(1)自该稳态转速自然减速至静止启动时的一关机瞬时电流与一关机瞬时电压；以及

D.提供该启动瞬时电流、启动瞬时电压、关机瞬时电流与关机瞬时电压至一运算系统(5)以运算获得该感应电动机(1)的参数。

2.如权利要求1所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该供电设备是提供一电性连接一电力来源(20)的配电盘(3)，该配电盘(3)提供一三相电力驱动该感应电动机(1)的线路上具有一断路器(33)。

3.如权利要求2所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，于步骤B以及步骤C中，分别由该电力来源(20)与该断路器(33)之间的线路上取得该启动瞬时电流以及该关机瞬时电流。

4.如权利要求2所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，于步骤B以及步骤C中，分别由该断路器(33)与该感应电动机(1)之间的线路上取得该启动瞬时电压与该关机瞬时电压。

5.如权利要求2所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该电力来源(20)与该断路器(33)之间的线路上电性连接有一分流线路(32)，该分流线路(32)的另一端电性连接该运算系统(5)。

6.如权利要求5所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该运算系统(5)与该分流线路(32)之间设有一检测与记录单元(4)。

7.如权利要求5所述的电动机参数的测量方法，其特征在于该分流线路(32)包含耦合于该配电盘(3)线路上的一比流器(320)。

8.如权利要求2所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该断路器(33)与该感应电动机(1)之间的线路上电性连接一分压线路(35)，该分压线路(35)的另一端电性连接该运算系统(5)。

9.如权利要求8所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该运算系统(5)与该分压线路(35)之间设有一检测与记录单元(4)。

10.如权利要求8所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该分压线路(35)包含一并联于该配电盘(3)的线路上的比压器(350)。

11.如权利要求2所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该配电盘(3)的线路上并联一用以平衡线路上电压的电压平衡单元。

12.如权利要求11所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该电压平衡单元为分别电性连接至该配电盘(3)的线路且相互磁耦合的多个电压耦合器。

13.如权利要求1所述的电动机参数的测量方法，其特征在于，该感应电动机(1)的参数包含单相等效电抗、转子等效电阻、定子等效电抗、转子等效电抗、转差率、气隙功率、输出转矩、摩擦系数、转子转速、等效磁化电感、感应机惯量之中的任意一个或多个参数。

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