CN103472394B - 交流永磁电机机械特性测试方法 - Google Patents

Abstract

交流永磁电机机械特性测试方法，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，在预测电机的机械特性时，能在一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行的运行状态下，测试相关电机参数预测出一个单元电机的机械特性，再通过一个单元输出转矩与整机输出转矩关系得出整机机械特性，从而既预测出了电机的机械特性又省去了外加的负载装置。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机械特性测试的需要。

Description

交流永磁电机机械特性测试方法

技术领域

本发明属于电机测试技术领域，涉及一种多相多单元永磁同步电机机械特性的测试方法。

背景技术

目前，对于永磁同步电机机械特性的测试方法比较成熟，大多是直接测试法，即把电机装在实验台上，电机本身电动运行，同时外加一个测功机作机械负载，然后测试不同转速下电机的输出转矩，完成对电机机械特性的测试。

但是，用这种方法对永磁电机在做机械特性测试时，需要外加测功机或机械负载装置，无形中增加了测试所需的设备条件。而且，大功率低速永磁同步电机运行的转速较低，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，有些实验室或研究所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。

发明内容

为了解决目前采用测功机或机械负载测试大功率永磁同步电机机械特性时，需要外加设备的问题，本发明提供一种无机械负荷的多相多单元永磁同步电机机械特性的预测方法。

本发明提出的无机械负荷的多相多单元永磁同步电机机械特性测试方法，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，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，测试出单元电机的交直轴电感。

步骤五：用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，计算出在这一负载时，这一转速下的电磁转矩。

步骤六：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，重复步骤一至步骤五，得出一个单元电机的电磁转矩与转速曲线。

步骤七：发电单元开路，重复步骤二至步骤五，得出电机空载时的q轴电流值，这部分电流用于平衡电机的铁损和杂散损耗，所以不产生输出转矩。计算出电机电磁转矩与转速曲线上每个点的铁损。

    步骤八：用步骤六得出的一个单元电机电磁转矩与转速曲线上每个点的功率减去步骤七计算出的与其对应的这个点的铁损，再除以转速得出这一转速下的输出转矩。将所测试点做出曲线即可获得一个单元电机的机械特性，再乘上整机的单元数目，即可得出多单元永磁同步电机整机的机械特性。

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                                                相对称交流绕组（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，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，在预测电机的机械特性时，能在一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行的运行状态下，测试相关电机参数预测出一个单元电机的机械特性，再通过一个单元输出转矩与整机输出转矩关系得出整机机械特性，从而既预测出了电机的机械特性又省去了外加的负载装置。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机械特性测试的需要。

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；

图8为本发明方法预测的样机机械特性曲线与用测功机测试的机械特性曲线对比图。

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机械特性测试方法，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刚才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，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，测试出单元电机的交直轴电感。

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：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，重复步骤一至步骤五，得出一个单元电机的电磁转矩与转速曲线。

步骤七：发电单元开路，重复步骤二至步骤五，得出电机空载时的q轴电流值，这部分电流用于平衡电机的铁损和杂散损耗，所以不产生输出转矩。计算输入功率和绕组铜损，得出电机铁损和杂散损耗。

由于多单元永磁同步电机大多用于低速场合，所以定子铁耗的主要成分为磁滞损耗。不同转速下，电机的铁损关系式可近似表示如下：

                                           (9)；

其中，为电机的某一状态下转速， 为电机转速为下的电机铁损，为电机的另一状态下转速， 为电机转速为下的电机铁损。

通过公式(9)和步骤七所测得的电机铁损，可计算出电机电磁转矩与转速曲线上每个点的铁损。

步骤八：用一个单元电机电磁转矩与转速曲线上每个点的功率减去这个点的铁损，再除以转速得出这一转速下的输出转矩，如公式(10)所示。将所测试点做出曲线即可获得一个单元电机的机械特性，再乘上整机的单元数目，即可得出多单元永磁同步电机整机的机械特性。

                                  (10)；

其中，为输出转矩，为电磁转矩，为转速n下的铁耗。

    本发明利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点，在预测电机的机械特性时，能在一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行的运行状态下，测试相关电机参数预测出一个单元电机的机械特性，再通过一个单元输出转矩与整机输出转矩关系得出整机机械特性。从而既预测出了电机的机械特性又省去了外加的负载装置。分别用本发明方法和测功机负载法对一台16极18槽两单元表贴式永磁同步电机机械特性测试（结果如图8所示），证明了本发明提出方法预测的机械特性的误差在2%以内，满足一般的测试要求。

Claims (7)

1.交流永磁电机机械特性测试方法，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，分别在电动机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，在电动机单元的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，测试出单元电机的交直轴电感；

步骤五：用所测试出的电机转速、绕组电阻、单元电机的交直轴电感、电动机单元功率角，计算出在这一负载时，这一转速下的电磁转矩；

步骤六：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，重复步骤一至步骤五，得出一个单元电机的电磁转矩与转速曲线；

步骤七：发电机单元开路，重复步骤二至步骤五，得出电机空载时的q轴电流值，计算出电机电磁转矩与转速曲线上每个点的铁损；

步骤八：用步骤六得出的一个单元电机电磁转矩与转速曲线上每个点的功率减去步骤七计算出的与其对应的这个点的铁损，再除以转速得出这一转速下的输出转矩，将所测试点做出曲线即可获得一个单元电机的机械特性，再乘上整机的单元数目，即可得出交流永磁电机整机的机械特性。

2.根据权利要求1所述的交流永磁电机机械特性测试方法，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m₀相对称交流绕组，多相多单元永磁同步电机的相数m为:m＝m₀×N，其中N为大于3的整数，m₀为3。

3.根据权利要求1或2所述的交流永磁电机机械特性测试方法，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I_{BC_d}，交流分量有效值为i_BC，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I_BC，记录此时BC相绕组两端的线电压U_BC；

(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I_{BC_d}，电流的交流分量有效值为i_BC，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I_AC的直流电流，I_AC＝2I_BC，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机械特性测试方法，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L_q，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i_BC，BC相交流电压有效值为u_BC(q)，则此时交轴电感L_q的表达式为：

$L_q=\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\sqrt{{\left(\frac{u_{\mathrm{BC}\left(q\right)}}{i_{\mathrm{BC}}}\right)}^2-{\left(\frac{U_{\mathrm{BC}}}{I_{\mathrm{BC}}}\right)}^2}.$

5.根据权利要求3所述的交流永磁电机机械特性测试方法，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L_d，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i_BC，BC相交流电压有效值为u_BC(d)，则此时直轴电感L_d的表达式为：

$L_d=\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\sqrt{{\left(\frac{u_{\mathrm{BC}\left(d\right)}}{i_{\mathrm{BC}}}\right)}^2-{\left(\frac{U_{\mathrm{BC}}}{I_{\mathrm{BC}}}\right)}^2}.$

6.根据权利要求1或2所述的交流永磁电机机械特性测试方法，其特征在于所述步骤五中，根据电机参数计算电磁转矩，具体计算公式如下：

T_e＝K_TI_q；

$K_T=\frac{60}{2\mathrm{\π}}{K}_e;$

$I_q=\frac{{\mathrm{UR}}_a\cos \mathrm{\δ}+{\mathrm{UX}}_d\sin \mathrm{\δ}-E_0{R}_a}{R_a^2+X_d{X}_q}=\frac{{\mathrm{UR}}_a\cos \mathrm{\δ}+(\mathrm{Up}\frac{2\mathrm{\π}}{60}{L}_d\sin \mathrm{\δ}-K_e{R}_a)n}{{\left(R_a\right)}^2+(p\frac{2\mathrm{\π}}{60}{L}_d\·p\frac{2\mathrm{\π}}{60}{L}_q)n^2};$

其中，T_e为电机产生的电磁转矩，K_T为转矩系数，I_q为dq变换后q轴电流的直流恒定分量，K_e为电势系数，K_T为转矩系数，δ为一个电动机单元的功率角，E₀为空载反电势，I_d为dq变换后d轴电流的直流恒定分量，X_d为直轴电抗，X_q为交轴电抗，U为一个电动机单元的绕组端电压，R_a为绕组电阻，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，n为电机的转速，p为电机的极对数。

7.根据权利要求1或2所述的交流永磁电机机械特性测试方法，其特征在于所述步骤七中，不同转速下，电机的铁损关系式如下：

$\frac{P_{\mathrm{Fe}\left(n_1\right)}}{P_{\mathrm{Fe}\left(n_2\right)}}=\frac{n_1}{n_2};$

其中，n₁为电机的某一状态下转速，为电机转速为n₁下的电机铁损，n₂为电机的另一状态下转速，为电机转速为n₁下的电机铁损。