CN102645632B - 一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统及控制方法，本发明通过两台电机对拖的方式进行电机效率测试负载试验。测试中，通过无传感器控制方法使得陪试电机工作在第四象限，并将其发出的电能回馈至直流母线处。对于中大功率的永磁电机来说极大地节约了效率测试所消耗的能源，并不会对电网产生污染；而且采用闭环控制调节陪试电机的转矩，因而调节范围宽，稳定可靠。

Description

一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统及控制方法

技术领域

本发明属于一种电机效率测试系统，适用于永磁同步电机的效率测试。

背景技术

目前，电机效率及损耗的测试方法国际上并不统一。比较权威的有美国的IEEE112标准、国际电工委员会的IEC34标准及日本JEC标准。这些方法都需要对电机进行负载试验，因此要求测试系统拥有加载设备。传统的加载方案有：能耗制动法；直流电机负载法；变频发电机组回馈法等。其中能耗制动法是最为常用的方法，机械制动器、涡流制动器以及磁粉制动器都属于能耗制动法。此类设备用于高速电机时必须安装机械减速装置，对于中大功率的永磁电机还需要强制冷却装置且测试时浪费能源。直流电机负载法是将校正过的直流电机作为被测电机的负载。这种方法同样需要减速装置才能用于高速电机，且直流电机与被测电机中心高度不同，对轴不便，同样测量时浪费能源。变频发电机组回馈法由4台电机组成一个双向的发电机组，既可以作为三相电源使用，也可以通过调节发电机组，作为负载机使用，把负载电机发出的电回馈电网，节约了能源，该方法在电机行业使用比较广泛。该方法与前两种方法比较，具有节能的优点，但是节能的效率较低，由4台电机组成的机组，本身的效率很难达到50%以上（4台电机发热损耗等），仍然有一半左右的能源浪费掉了。因此该方法只是负载调节方便了，而节电的效果不很理想。

专利ZL200720095313.5提出了一种电子内回馈变频电源用于电机效率测试。其思想是两台相同型号的电机对拖，其中一台作被测电机，一台作陪试电机。该电子内回馈变频电源通过某种控制方法使被测电机工作在电动机状态，陪试电机工作在发电机状态，并将陪试电机发出的电能回馈到直流母线。这种方法调节负载方便，节约能源且对电网没有污染。但是该方法用于永磁同步电机效率测试时，必须要用到角度传感器才能完成对被测电机和陪试电机的控制。这增加了系统的成本。此外，对于一些高速永磁同步电机，没有合适的角度传感器。这些都限制了这种方法的应用。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种精确、节能。对电网无污染且无需角度传感器的永磁同步电机的效率测试系统及其控制方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统，包括控制模块、功率分析仪、整流模块、直流母线排、主逆变模块、辅逆变模块、陪试电机、转矩仪、和被测电机，其中：所述整流模块，通过整流器将三相交流电转变成直流电，并输入到直流母线排；所述直流母线排，将直流电分别输送到主逆变模块和辅逆变模块；所述主逆变模块和辅逆变模块，将直流电转成交流电后分别输送到被测电机和陪试电机；所述陪试电机和被测电机通过转矩仪连接；所述功率分析仪用于采集被测电机输出功率；所述控制模块，收集转矩仪采集的信号，并控制主逆变模块和辅逆变模块，从而使被测电机能同步跟踪陪试电机的输出负载转矩和电流，保持稳定运行。

作为优选，所述主逆变模块和辅逆变模块均采用三相全桥式逆变器。

作为优选，所述主逆变模块与被测电机之间还设有滤波器。

本发明解决的另个问题是提供一种上述永磁同步电机无角度传感器效率测试系统的控制方法，它包括以下步骤：（1）初始位置调整，定义被测电机直轴为d1、交轴为q1；陪试电机直轴为d2、交轴为q2；主逆变器和辅逆变器均给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得d1轴与d2轴分别对齐被测电机与陪试电机的定子A轴；并设立假定旋转坐标系，定义被测电机的转矩轴为δ1、励磁轴为γ1；陪试电机的转矩轴为δ2、励磁轴为γ2，并假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系；（2）启动电机，在控制模块中先通过开环控制算法启动被测电机至一定的转速；该过程中仅对陪试电机的δ2，γ2轴进行电流闭环控制，并将δ2、γ2轴电流的参考值都设置为零，从而使得该过程陪试电机不输出负载转矩；（3）效率测试，对陪试电机进行转矩、电流双闭环控制，该过程γ2轴电流参考值设置为零，而δ2轴电流根据转矩仪反馈值与给定陪试电机的负载转矩间的误差来调节；而被测电机进行转速和电流双闭环控制，该过程中被测电机δ1轴与q1轴对齐，且被测电机的输出转矩根据给定转速与实际转速的误差进行调整。此时通过功率分析仪得出被测电机输入功率，以及由转矩仪得到的输出功率，从而得到被测电机在任何可调转速和负载下的效率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、省去了减速装置，由于使用的是两台型号相同的高速永磁电机，两者具有相同的额定转速，无需减速装置，节省了测试系统的成本。2、节约能源。由于陪试电机将发出的电能全部回馈至直流母线处，运行时市电仅仅提供两台电机损耗的功率。对于中大功率的永磁电机来说极大地节约了效率测试所消耗的能源。此外这种直流回馈不会对电网产生污染。3、负载调节方便。可以使用闭环控制调节陪试电机的转矩，调节范围宽，稳定可靠。4、无需角度传感器，节省了系统成本。而且使其能够运用于如高速等无法安装角度传感器的场合。

附图说明

图1为本发明所述永磁同步电机无角度传感器效率测试系统结构示意图；

图2为本发明所述电机启动过程中被测电机与陪试电机的无角度传感器控制方法的系统框图；

图3为本发明所述电机效率测试时被测电机与陪试电机的无角度传感器控制方法的系统框图。

其中，控制模块1、整流模块2、交流电3、功率分析仪4、辅逆变模块5、主逆变模块6、陪试电机7、转矩仪8、直流母线排9、被测电机10、滤波器11、PI控制器12、坐标变换13、反坐标变换14、控制增益15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统的硬件结构，包括控制模块1、功率分析仪4、整流模块2、直流母线排9、主逆变模块5、辅逆变模块4、陪试电机7、转矩仪8、和被测电机10，整流模块2的输入端根据电机额定电压联接三相或单相交流电3，其输出端联接直流母线排9的输入端，而直流母线排9的输出分别联接主逆变模块4和辅逆变模块5，然后主逆变模块5通过滤波器11联接被测电机10，而辅逆变模块4则与陪试电机7连接，而被测电机与陪试电机通过转矩仪8连接。控制模块1块用于控制主逆变模块和辅逆变器，并收集转矩仪8采集的信号。功率分析仪4接被测电机10的输入端。

其中：所述整流模块2，通过整流器将交流电转变成直流电，并输入到直流母线排9；所述直流母线排9，将直流电分别输送到主逆变模块和辅逆变器；所述主逆变模块和辅逆变器，将直流电转成交流电后分别输送到被测电机10和陪试电机7；所述陪试电机7和被测电机10通过转矩仪8连接；所述功率分析仪4用于采集被测电机10输出功率；所述控制模块1，收集转矩仪8采集的信号，并控制主逆变模块和辅逆变器，从而使被测电机10能同步跟踪陪试电机7的输出负载转矩和电流，保持稳定运行。

系统的工作原理是：两台相同型号的永磁同步电机通过高速转矩仪8联接在一起，其中一台作为被测电机10，一台作陪试电机7。市电通过整流单元变为直流电存储于直流母线之上。直流母线同时连接两个逆变模块。两个逆变模块同时受控于控制模块1。其中主逆变模块6通过无传感器控制算法对被测电机10进行转速、电流双闭环控制使其作为电动机工作，而辅逆变模块5则使用不同的无传感器算法对陪试电机7进行转矩、电流闭环控制使其工作在第四象限即发电状态，这样，陪试电机7能够给被测电机10提供负的转矩，且陪试电机7所发出的电能将回馈到直流母线。转矩仪8用来测量被测电机10输出的机械转矩，从而确定电机输出功率。功率分析仪4用来测量被测电机10的输入功率，两者相比可以得到电机在任何工作转速和负载下的效率。

上述永磁同步电机效率测试过程中的控制方法包括以下步骤：首先，调整初始位置。定义被测电机10直轴为d1、交轴为q1；陪试电机7直轴为d2、交轴为q2。主、辅逆变器均给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得d1轴与d2轴分别对齐被测电机10与陪试电机7的定子A轴。保持这个位置，通过转矩仪8将两台电机转子联接在一起。（这里不可能做到完全的对齐，但是不影响整个系统的工作）。设立假定旋转坐标系，定义被测电机10的转矩轴为δ1、励磁轴为γ1；陪试电机7的转矩轴为δ2、励磁轴为γ2。假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系。

第二步，启动电机。在控制模块1中先通过PI控制算法12启动被测电机10至一定的转速。在此阶段中仅对陪试电机7的δ2，γ2轴进行电流闭环控制，并将δ2、γ2轴电流的参考值都设置为零，而不对陪试电机7的转速进行控制。这样，陪试电机7在这一阶段基本不输出负载转矩，控制方法如图2。

第三步，效率测试。转速稳定后将被测电机10的控制算法切换到本发明中涉及的一种闭环控制算法，如图3。通过坐标变换将被测电机三相电流转换为δ1、γ1轴电流。将γ1轴电流与零作差，结果通过PI调节器12得到δ1轴给定电压。而δ1轴电流乘以增益K作为γ1轴给定电压。结果经过坐标变换与PWM调制输出至被测电机10完成闭环控制。该闭环算法能够使得被测电机10的δ1轴对齐q1轴，并且能够根据给定转速与实际转速的误差自行调整被测电机10的输出转矩。这样可将通过被测电机10将陪试电机7带到想要测试的转速。由于第一步中将被测电机10与陪试电机7的d1与d2轴分别对齐了各自的A轴，而控制模块1可以做到将两电机的假定旋转坐标系同步，即δ1对齐δ2、γ1对齐γ2，而被测电机10与陪试电机7的转子通过转矩仪8联接在一起。因此当被测电机10的δ1轴对齐q1轴时，陪试电机7的δ2轴也对齐q2轴。因此，对陪试电机7进行转矩、电流双闭环控制，如图3。通过坐标得到δ2、γ2轴电流，其中γ2轴电流与零作差，结果通过PI调节得到γ2轴输出电压。同时根据转矩仪8的反馈值与给定负载转矩间的误差来调节δ2轴给定电流，该给定值与实测的δ2轴电流作差，结果通过PI调节得到δ2轴输出电压。δ2与γ2轴电压经过坐标变换与PWM调制输出至陪试电机以达到调节负载转矩的目的。此时通过功率分析仪4可以得出被测电机10输入的电功率，根据转矩仪8可以得到被测电机10输出的机械功率，两者相比较可以精确地得到被测电机10在任何可调转速与负载下的效率。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机无角度传感器效率测试系统的控制方法，该效率测试系统包括控制模块、功率分析仪、整流模块、直流母线排、主逆变模块、辅逆变模块、陪试电机、转矩仪、和被测电机，其中：所述整流模块，通过整流器将三相交流电转变成直流电，并输入到直流母线排；所述直流母线排，将直流电分别输送到主逆变模块和辅逆变模块；所述主逆变模块和辅逆变模块，将直流电转成交流电后分别输送到被测电机和陪试电机；所述陪试电机和被测电机通过转矩仪连接；所述功率分析仪用于采集被测电机输出功率；所述控制模块，收集转矩仪采集的信号，并控制主逆变模块和辅逆变模块，从而使被测电机能同步跟踪陪试电机的输出负载转矩和电流，保持稳定运行；其特征在于，所述效率测试系统的控制方法包括以下步骤：

（1）初始位置调整，定义被测电机直轴为d1、交轴为q1；陪试电机直轴为d2、交轴为q2；主逆变器和辅逆变器均给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得d1轴与d2轴分别对齐被测电机与陪试电机的定子A轴；并设立假定旋转坐标系，定义被测电机的转矩轴为δ1、励磁轴为γ1；陪试电机的转矩轴为δ2、励磁轴为γ2，并假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系；

（2）启动电机，在控制模块中先通过PI控制算法启动被测电机至一定的转速；此过程中，仅对陪试电机的δ2，γ2轴进行电流闭环控制，并将δ2、γ2轴电流的参考值都设置为零，从而使得此过程陪试电机不输出负载转矩；

（3）效率测试，对陪试电机进行转矩、电流双闭环控制，此过程γ2轴电流参考值设置为零，而δ2轴电流根据转矩仪反馈值与陪试电机的负载转矩间的误差来调节；而被测电机进行转速和电流双闭环控制，此过程中被测电机δ1轴与q1轴对齐，且被测电机的输出转矩根据给定转速与实际转速的误差进行调整；此时通过功率分析仪得出被测电机输入功率，以及由转矩仪得到的输出功率，从而得到被测电机在任何可调转速和负载下的效率。

2.根据权利要求1所述永磁同步电机无角度传感器效率测试系统的控制方法，其特征在于：所述主逆变模块和辅逆变模块均采用三相全桥式逆变器。

3.根据权利要求1所述永磁同步电机无角度传感器效率测试系统的控制方法，其特征在于：所述主逆变模块与被测电机之间还设有滤波器。