CN104034464A - 偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法 - Google Patents

Abstract

一种偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，属于电机测试技术领域。为了解决目前采用直接测量法测试多相偶数单元永磁同步电机的转矩波动时，需要外加负载设备的问题，本发明利用多相偶数单元永磁同步电机偶数单元的绕组结构特点在测试电机转矩波动时，能利用部分单元电机电动运行作为输入功率端，部分单元电机发电运行作为输出功率端，从而在模拟电机负载的情况下，保证电机所有单元运行。通过测试这种状态下的转矩波动和相关电机参数等效测试出某一负载状态下的转矩波动曲线，通过改变发电单元电机的负载电阻即可等效测试出电机任意输出功率状态下的转矩波动，从而既等效测试出了电机的转矩波动又省去了外加的负载装置。

Description

偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法

技术领域

本发明属于电机测试技术领域，涉及一种多相偶数单元永磁同步电机转矩波动的测试方法。

背景技术

目前，对于永磁同步电机转矩波动的动态测试方法主要分为直接测量方法和间接测量方法。其中，直接测量方法能相对准确测试出电机的转矩波动，而间接测量方法则需要依赖于处理器的计算速度和其间接测试参数的准确性，无形中增加了测试误差。但是针对大功率电机的转矩波动测试也存在一些问题。一般情况下，测试电机的转矩需要外加测功机或机械负载装置作为负载，这就增加了测试所需的设备条件。对于大功率低速永磁同步电机这种运行转速较低(一般不超过200rpm)、转矩很大的待测电机而言，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，完成不了这种测试。而且加入负载后，测试装置将由电机和力矩传感器串联，变为电机、负载和力矩传感器串联，增加了轴向长度，影响转矩波动的测试精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前采用直接测量法测试多相偶数单元永磁同步电机的转矩波动时，需要外加负载设备的问题，提供一种无机械负荷的多相偶数单元永磁同步电机转矩波动的测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，包括如下步骤：

步骤一：利用多相偶数单元永磁同步电机的结构特点，通过在一个单元电机内加直流电，使电机处于某一位置，在一相绕组两端加入带有直流偏置的正弦交流电压信号，直流偏置电压分量与待测运行状态下相绕组电压相等。测量这相绕组的电流以及其他相绕组电流，从而得到这一位置处电机绕组自感和其与其他绕组的互感，改变加电单元电机内直流电矢量，使电机处于其他位置，从而测量出一个电周期内电机绕组自感和互感随转子位置变化的曲线。

步骤二：处理自感和互感曲线，利用傅里叶分解得到其各自的恒定分量和谐波分量。通过对自感和互感的谐波分量进行处理，可以得到模拟电机某一运行状态相电流I时，等效测试状态相电流为I'。

步骤三：将N₁个相邻的单元电机用作发电单元，接负载电阻；同时，将N₂个相邻的单元电机用作电动单元，连接到控制驱动器，控制驱动器先关断。其中，N₁＝N₂，N₁+N₂＝N。

步骤四：控制驱动器开始运行，使电动单元相电流值为I'，通过力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线，同时测量发电单元的相电流值I₂'。

步骤五：用电动单元相电流值为I'和测量得到的发电单元的相电流值I₂'以及不同绕组间互感曲线，计算出互感不对称带来的转矩波动曲线。

步骤步：用力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线减去计算出互感不对称带来的转矩波动曲线得到等效测试出的电机转矩波动曲线。

步骤七：改变发电单元的负载电阻值大小，重复以上步骤即可得到任意状态下电机的转矩波动曲线。

本发明所述多相偶数单元永磁同步电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为3相对称交流绕组，多相偶数单元永磁同步电机的相数m为：m＝3×N，其中N为大于1的偶数。

本发明的优点是利用多相偶数单元永磁同步电机偶数单元的绕组结构特点在测试电机转矩波动时，能利用部分单元电机电动运行作为输入功率端，部分单元电机发电运行作为输出功率端，从而在模拟电机负载的情况下，保证电机所有单元运行。通过测试这种状态下的转矩波动和相关电机参数等效测试出某一负载状态下的转矩波动曲线，通过改变发电单元电机的负载电阻即可等效测试出电机任意输出功率状态下的转矩波动，从而既等效测试出了电机的转矩波动又省去了外加的负载装置。

采用本发明方法实现多相偶数单元电机转矩波动的测试过程中，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为本发明方法的测试结构示意图；

图2为本发明方法的测试流程图；

图3为本发明方法的电机绕组连接示意图；

图4为本发明的多相偶数单元永磁同步电机的结构示意图；

图5为本发明方法预测的无机械负载情况下样机转矩波动曲线与用机械负载测试的转矩波动曲线对比；

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表示第三个独立运行单元的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。

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。

本发明提供了一种偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤一：利用偶数单元电机的结构特点(如图4所示)，通过在一个单元内加直流电，使电机处于某一位置，在一相绕组两端加入带有直流偏置的正弦交流电压信号，直流偏置电压分量与待测运行状态下相绕组电压相等。测量这相绕组的电流以及其他相绕组电流，从而得到这一位置处电机绕组自感和其与其他绕组的互感，改变加电单元电机内直流电矢量，使电机处于其他位置，从而测量出一个电周期内电机绕组自感和互感随转子位置变化的曲线。

步骤二：处理自感和互感曲线，利用傅里叶分解得到其各自的恒定分量和谐波分量。自感和互感的一次谐波分量决定了电枢反应带来的磁路饱和对转矩波动的影响，二次谐波分量决定了部分单元电动运行和部分单元发电运行的状态下转矩二次和四次波动的大小。通过对自感和互感的谐波分量进行处理，可以得到模拟电机某一运行状态相电流I时，等效测试状态电动单元相电流为I'。

而某一运行状态相电流I与等效测试状态电动单元相电流为I'的关系如为式(1)所示。

$\frac{I}{I^{\′}}=\frac{L_{01}-M_{11}}{L_{01}}---\left(1\right)$

其中，L₀₁为一相绕组自感一次谐波的幅值，M₁₁为相邻两绕组互感一次谐波幅值。

步骤三：将N₁个相邻的单元电机用作发电单元，端接入负载电阻；同时，将N₂个相邻的单元电机用作电动单元，连接到控制驱动器，控制驱动器先关断。其中，N₁＝N₂，N₁+N₂＝N。具体的发电单元与电动单元绕组连接示意图如图2所示，

步骤四：测试方法的具体测试平台结构图如图1所示，控制驱动器开始运行，使电动单元相电流值为I'，通过力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线，同时测量发电单元的相电流值I₂'。

步骤五：用电动单元相电流值为I'和测量得到的发电单元的相电流值I₂'以及不同绕组间互感曲线，计算出互感不对称带来的转矩波动曲线。

步骤六：用力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线减去计算出互感不对称带来的转矩波动曲线得到等效测试出的电机转矩波动曲线。

互感不对称带来的转矩波动计算过程如公式(2)和(3)所示。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{T}_1\\ \mathrm{\Δ}{T}_2\end{array}\right]=p\frac{1}{2}{\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ {I_2}^{\′}\end{array}\right]}^T\frac{d}{\mathrm{d\θ}}\left[\begin{array}{cc}L& M_{12}\\ M_{12}^T& L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ {I_2}^{\′}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，L为单元电机的电感矩阵，为发电单元和电动单元电机之间的互感矩阵，ΔT₁为互感不对称情况下电动单元电机引入的转矩波动，ΔT₂为互感不对称情况下发电单元电机引入的转矩波动，p为电机的极对数，θ为电机运行时，定转子相差的机械角度。

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_1+\mathrm{\Δ}{T}_2=\frac{1}{2}p{I}^{\′}\·{I_2}^{\′}(M_{S02}-M_{S12})(\sin (2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})+\sin (4\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3}))---\left(3\right)$

其中，ΔT为由互感不对称带来的转矩波动，M_S02为相邻绕组互感，M_S12为相隔一个绕组的两相绕组互感。

步骤七：改变发电单元的负载电阻值大小，重复以上步骤即可得到任意状态下电机的转矩波动曲线。

为了将测试流程更清晰的呈现出来，本发明所阐述的测试实施流程如图3所示。

分别用本发明方法和测功机负载法对一台32极36槽四单元表贴式永磁同步电机转矩波动测试(结果如图5所示)，证明了本发明提出方法预测的转矩波动的幅值误差在2％以内，满足一般的测试要求。

Claims (6)

1.一种偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述测试方法步骤如下：

步骤一：利用多相偶数单元永磁同步电机的结构特点，通过在一个单元电机内加直流电，使电机处于某一位置，在一相绕组两端加入带有直流偏置的正弦交流电压信号，测量这相绕组的电流以及其他相绕组电流，从而得到这一位置处电机绕组自感和其与其他绕组的互感，改变加电单元电机内直流电矢量，使电机处于其他位置，从而测量出一个电周期内电机绕组自感和互感随转子位置变化的曲线；

步骤二：处理自感和互感曲线，利用傅里叶分解得到其各自的恒定分量和谐波分量，通过对自感和互感的谐波分量进行处理，可以得到模拟电机某一运行状态相电流I时，等效测试状态相电流为I'；

步骤三：将N₁个相邻的单元电机用作发电单元，接负载电阻；同时，将N₂个相邻的单元电机用作电动单元，连接到控制驱动器，控制驱动器先关断；

步骤四：控制驱动器开始运行，使电动单元相电流值为I'，通过力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线，同时测量发电单元的相电流值I₂'；

步骤五：用电动单元相电流值为I'和测量得到的发电单元的相电流值I₂'以及不同绕组间互感曲线，计算出互感不对称带来的转矩波动曲线'；

步骤六：用力矩传感器读出一个电周期内的转矩波动曲线减去计算出互感不对称带来的转矩波动曲线得到等效测试出的电机转矩波动曲线；

步骤七：改变发电单元的负载电阻值大小，重复以上步骤即可得到任意状态下电机的转矩波动曲线。

2.根据权利要求1所述的偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述多相偶数单元永磁同步电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为3相对称交流绕组，多相偶数单元永磁同步电机的相数m为：m＝3×N，其中N为大于1的偶数。

3.根据权利要求1所述的偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述直流偏置电压分量与待测运行状态下相绕组电压相等。

4.根据权利要求1所述的偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述N₁＝N₂，N₁+N₂＝N。

5.根据权利要求1所述的偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述某一运行状态相电流I与等效测试状态电动单元相电流为I'的关系如下式所示：

$\frac{I}{I^{\text{'}}}=\frac{L_{01}-M_{11}}{L_{01}};$

其中，L₀₁为一相绕组自感一次谐波的幅值，M₁₁为相邻两绕组互感一次谐波幅值。

6.根据权利要求1所述的偶数单元交流永磁电机转矩波动测试方法，其特征在于所述互感不对称带来的转矩波动计算过程如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{T}_1\\ \mathrm{\Δ}{T}_2\end{array}\right]=p\frac{1}{2}{\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ {I_2}^{\′}\end{array}\right]}^T\frac{d}{\mathrm{d\θ}}\left[\begin{array}{cc}L& M_{12}\\ M_{12}^T& L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ {I_2}^{\′}\end{array}\right],$

其中，L为单元电机的电感矩阵，为发电单元和电动单元电机之间的互感矩阵，ΔT₁为互感不对称情况下电动单元电机引入的转矩波动，ΔT₂为互感不对称情况下发电单元电机引入的转矩波动，p为电机的极对数，θ为电机运行时，定转子相差的机械角度；

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_1+\mathrm{\Δ}{T}_2=\frac{1}{2}p{I}^{\′}\·{I_2}^{\′}(M_{S02}-M_{S12})(\sin (2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})+\sin (4\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})),$

其中，ΔT为由互感不对称带来的转矩波动，M_S02为相邻绕组互感，M_S12为相隔一个绕组的两相绕组互感。