CN103472312B - 交流永磁电机铁心损耗测试方法 - Google Patents

交流永磁电机铁心损耗测试方法 Download PDF

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Abstract

交流永磁电机铁心损耗测试方法，属于电机测试技术领域。所述方法利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点，令一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行，从而不用外加机械负载装置得到多单元电机负载状态下电机的参数。再令所有单元电动运行，通过控制驱动器，适当调整dq轴电流，模拟出电机负载状态下的铁损。从而解决了现有铁耗测试方法测试仪器调整困难和无法考虑轧制工艺对损耗测试影响的问题。采用本发明方法实现多相多单元电机机械特性的测试过程中，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，可以满足一般性的永磁同步电机铁损测试的需要。

Description

交流永磁电机铁心损耗测试方法
技术领域
本发明属于电机测试技术领域，涉及一种交流永磁电机铁心损耗的测试方法。
背景技术
目前，对于永磁同步电机铁心损耗的测试方法可分为两种：直接测试法和间接测试法。一般的直接测试法是利用原动机与被测试电机对拖，利用不同负载下的测试计算电机铁心损耗。而一般的间接测试法是利用外加设备测试单片定子铁心的电工钢片损耗，绘制出其损耗曲线，再利用有限元法计算电机不同运行状态下的转速和磁密波形，从而得到这一状态下的定子铁心损耗。但是，用这种方法对永磁同步电机在做定子铁心损耗测试时，需要铁耗测试仪等测试装置，对不同牌号的电工钢片，不同测试情况下，测试仪上的等效磁路长度调整困难。而且，这种测试方法无法考虑电机定子叠片轧制成型后，制作工艺对测试结果的影响。
发明内容
为了解决目前利用铁耗测试仪测试永磁同步电机铁心损耗时，需要外测试加设备调整困难而且不能考虑铁心制造工艺影响的问题，本发明提供一种无机械负荷的多相多单元永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法。
本发明提出的无机械负荷的多相多单元永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：交流永磁电机的发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断。
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速、三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角。
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元的三相绕组内通入和步骤二运行状态下电流有效值相同的直流电流，并测试其绕组端电压，得到这一状态下的绕组电阻。
    步骤四：整理三相绕组电流波形，经dq变换求得q轴电流的直流恒定分量                                                和d轴电流的直流恒定分量，在电动单元的BC相绕组内通入带有直流偏置的交流电流，直流偏置电流为所求得的q轴电流直流恒定分量，在这一状态下测试出单元电机的交直轴电感和。
    步骤五：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通。
步骤六：将所有单元全作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，控制绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤二中的转速，并测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流和，并使此时的dq轴电流满足下式：
；
     此时，电机的铁心损耗可由下式计算得出：
    。
步骤七：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤六，得出多单元电机的不同转速、不同负载下的电机铁损曲线。
本发明所述交流永磁电机为多相多单元永磁同步电机，其定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为m1相对称交流绕组（m1为3），多相多单元永磁同步电机的相数m为: ，其中N为大于3的整数。本发明的多相多单元永磁同步电机的结构示意图如图1所示，负载参数测试结构示意图如图2所示。
本发明的优点是利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点，令一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行，从而不用外加机械负载装置得到多单元电机负载状态下电机的参数。再令所有单元电动运行，通过控制驱动器，适当调整dq轴电流，模拟出电机负载状态下的铁损。从而解决了现有铁耗测试方法测试仪器调整困难和无法考虑轧制工艺对损耗测试影响的问题。相比于损耗的间接测试方法，该方法无需外加机械负载装置，节省了测试成本。相比于损耗的直接测试方法，该方法无需使用铁耗测试仪，避免了复杂的仪器参数计算和调整，且考虑了轧制工艺对损耗测试影响。采用本发明方法实现多相多单元电机机械特性的测试过程中，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，可以满足一般性的永磁同步电机铁损测试的需要。
附图说明
图1为本发明的多相多单元永磁同步电机的结构示意图，图中1A，1B，1C表示第一个独立运行单元的3相对称交流绕组；2A，2B，2C表示第二个独立运行单元的3相对称交流绕组；3A，3B，3C表示第二个独立运行单元的3相对称交流绕组；NA，NB，NC表示第N个独立运行单元的3相对称交流绕组；
图2为本发明方法的负载参数测试结构示意图；
图3为本发明方法的测试流程图；
图4为测试交直轴电感时待测试电机单元的电路连接图；
图5为测试交直轴电感时另一个非测试单元的电路连接图；
图6为电机被固定在交轴位置的电磁力示意图；
图7为电机被固定在直轴位置的电磁力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图3所示，本发明提出的无机械负荷的多相多单元永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一：发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断。
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速，三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角。
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元的三相绕组内通入和步骤二运行状态下电流有效值相同的直流电流，并测试其绕组端电压，得到这一状态下的绕组电阻。
步骤四：整理三相绕组电流波形，经dq变换求得q轴电流的直流恒定分量和d轴电流的直流恒定分量，在电动单元的BC相绕组内通入带有直流偏置的交流电流，直流偏置电流为所求得的q轴电流直流恒定分量，在这一状态下测试出单元电机的交直轴电感和。
交直轴电感的测试方法，具体包括以下步骤：
（一）在待测试单元电机的BC相绕组中，通入带有直流分量的正弦交流电流，其中电流的直流分量为，电流的交流分量有效值为，交流电流频率为，其具体的电气连接图如图4所示。记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。
（二）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在BC相绕组中，加入直流电流，记录此时BC绕组两端的线电压。
（三）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在待测试单元电机的BC相绕组中，通入带有直流分量的正弦交流电流，其中电流的直流分量为，电流的交流分量有效值为，交流电流频率为。同时，在一个非测试单元的AC相绕组中通入的直流电流（=2），其具体的电气连接图如图5所示。记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。
按照上述步骤进行测试后，多单元永磁同步电机交直轴电感的具体计算方法如下：
按照（一）中待测试单元通入的直流电流分量的约束，电机将被固定在交轴位置，其具体合成矢量如图6所示。所以此时测试出的电感为待测试单元的交轴电感。
将（一）中记录下的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形中的直流分量分离出去，得到BC相电流的交流分量有效值为，BC相交流电压有效值为。则此时交轴电感L q 的表达式如公式(1)所示：
                            (1)。
按照（三）中待测试单元通入的直流电流分量和非测试单元通入直流电流的约束，电机将被固定在直轴位置，其具体合成矢量如图7所示。所以此时测试出的电感为待测试单元的直轴电感。
将（三）中记录下的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形中的直流分量分离出去，得到BC相电流交流分量有效值为，BC相交流电压有效值为。则此时直轴电感L d 的表达式如公式(2)所示：
                                 (2)。
本测试方法利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点结合交流静态法测试电机交直轴电感时，能在通过在绕组中加直流偏置电流模拟运行时的饱和效应，同时采用其他单元通入直流电流来固定转子处于直轴的位置，而不对测试单元造成影响，从而既测试出了电机交直轴电感的饱和值又省去了外加转子堵转装置。
步骤五：将所测试出的电机转速、绕组电阻、单元电机的交直轴电感、功率角、q轴电流流恒定分量带入公式(3)、(4)和(7)，联立解出在这一负载时，这一转速下的电磁转矩。
根据电机参数计算电机电磁转矩的原理:
电机产生的电磁转矩计算可表达为公式(3)所示：
                                                         (3)；
其中，T e 为电机产生的电磁转矩，为转矩系数，为dq变换后q轴电流的直流恒定分量。
    根据电势系数K e 和转矩系数的推导过程和表达式，他们的关系式如下：
                                             (4)；
    多单元永磁同步电机一个单元的电压方程经过dq坐标变换后，可表示成如下形式：
                                (5)；
                                        (6)；
其中，为一个电动单元的功率角，为空载反电势，为dq变换后d轴电流的直流恒定分量，为直轴电抗，为交轴电抗，为一个电动单元的电压，为绕组电阻。
     联立公式(5)和公式(6)，可解出q轴电流的表达式如下：
  (7)；
其中，为直轴电感，为交轴电感，为电机的转速，为电机的极对数。
由多单元永磁同步电机的数学模型进行推导后可发现，电机的基本电磁转矩仅与绕组相电流和运行的单元电机数量有关，而与运行单元电机的空间位置无关。当N单元永磁同步电机所有单元共同运行时，其基本电磁转矩是其一个单元运行的N倍：
                                 (8)。
步骤六：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通。
步骤七：将所有单元作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，控制绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤二中的转速，测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流和，并使此时的dq轴电流满足公式(9)：
            (9)；
其中，为电机永磁体每极的总磁通，为步骤二状态下q轴电流，为步骤二状态下q轴电感，为步骤七状态下直轴电流，为步骤七状态下直轴电感，为步骤七状态下交轴电流，为步骤七状态下交轴电感。
    此时，多单元电机的铁心损耗可由公式(10)计算得出：
    (10)；
其中，为电机铁损，为电机输入功率，为电机铜损，为步骤七状态下电机A相绕组电压，为步骤七状态下电机B相绕组电压，为步骤七状态下电机C相绕组电压，为步骤七状态下电机A相绕组电流，为步骤七状态下电机B相绕组电流，为步骤七状态下电机C相绕组电流，为步骤七状态下电机A相绕组电阻，为步骤七状态下电机B相绕组电阻，为步骤七状态下电机C相绕组电阻。
由对电机铁心损耗的分析可知，此时电机的铁损近似等于多单元电机产生基本电磁转矩时的铁损。
步骤八：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤七，即可得出多单元电机输出不同电磁转矩下的损耗曲线。

Claims (5)

1.交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述测试方法步骤如下：
步骤一：交流永磁电机的发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断；
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速、三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角；
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元的三相绕组内通入和步骤二运行状态下电流有效值相同的直流电流，并测试其绕组端电压，得到这一状态下的绕组电阻；
步骤四：整理三相绕组电流波形，经dq变换求得q轴电流的直流恒定分量Iq1和d轴电流的直流恒定分量Id1，在电动单元的BC相绕组内通入带有直流偏置的交流电流，直流偏置电流为所求得的q轴电流直流恒定分量，在这一状态下测试出单元电机的交直轴电感Lq1和Ld1；
步骤五：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通Φ0；
步骤六：将所有单元全作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，控制绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤二中的转速，并测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流Iq2和Id2，并使此时的dq轴电流满足下式：
Φ0 2+(Iq1Lq1)2＝(Φ0+Id2Ld2)2+(Iq2Lq2)2；
其中，Φ0为电机永磁体每极的总磁通，Iq1为步骤二状态下q轴电流，Lq1为步骤二状态下q轴电感，Id2为步骤六状态下直轴电流，Ld2为步骤六状态下直轴电感，Iq2为步骤六状态下交轴电流，Lq2为步骤六状态下交轴电感；
此时，电机的铁心损耗可由下式计算得出：
其中，PFe为电机铁损，P1为电机输入功率，Pcu为电机铜损，Uia为步骤六状态下电机A相绕组电压，Uib为步骤六状态下电机B相绕组电压，Uic为步骤六状态下电机C相绕组电压，Iia为步骤六状态下电机A相绕组电流，Iib为步骤六状态下电机B相绕组电流，Iic为步骤六状态下电机C相绕组电流，Ra为步骤六状态下电机A相绕组电阻，Rb为步骤六状态下电机B相绕组电阻，Rc为步骤六状态下电机C相绕组电阻；
步骤七：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤六，得出多单元电机的不同转速、不同负载下的电机铁损曲线。
2.根据权利要求1所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述交流永磁电机为多相多单元永磁同步电机，其定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为m1相对称交流绕组，多相多单元永磁同步电机的相数m为:m＝m1×N，其中N为大于3的整数，m1为3。
3.根据权利要求1或2所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述交流永磁电机机械特性测试方法，其特征在于所述步骤四中，单元电机的交直轴电感的测试方法包括如下步骤：
(一)在永磁同步电机的待测试单元电机的BC相绕组中，通入带有直流分量的正弦交流电流，其中电流的直流分量为IBC_d，交流分量有效值为iBC，交流电流频率为ω，记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形；
(二)断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在BC相绕组中，加入直流电流IBC，记录此时BC相绕组两端的线电压UBC；
(三)断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在待测试单元电机的BC相绕组中，通入带有直流分量的正弦交流电流，其中电流的直流分量为IBC_d，电流的交流分量有效值为iBC，交流电流频率为ω；同时，在一个非测试单元的AC相绕组中通入IAC的直流电流， IAC＝2IBC，记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。
4.根据权利要求3所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于按照(一)中待测试单元通入的直流电流分量的约束，电机将被固定在交轴位置，此时测试出的电感为待测试单元的交轴电感Lq，其具体计算方法如下：
将(一)中记录下的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形中的直流分量分离出去，得到BC相电流的交流分量有效值为iBC，BC相交流电压有效值为uBC(q)，则此时交轴电感Lq的表达式为：
5.根据权利要求3所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于按照(三)中待测试单元通入的直流电流分量和非测试单元通入直流电流的约束，电机将被固定在直轴位置，此时测试出的电感为待测试单元的直轴电感Ld，其具体计算方法如下：
将(三)中记录下的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形中的直流分量分离出去，得到BC相电流的交流分量有效值为iBC，BC相交流电压有效值为uBC(d)，则此时直轴电感Ld的表达式为：
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