CN104569807A - 一种同步电机试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步电机试验方法，包括如下步骤，电联逆变器和永磁同步电机，将逆变器的上开关A1与下三管A2串联成第一条支路，所述逆变器的上开关B1与下三管B2串联成第二条支路，所述逆变器的上开关C1与下三管C2串联成第三条支路，所述永磁同步电机的三个接线端U、V、W分别连接在三条支路上，所述永磁同步电机的接线端U和V分别连接电流传感器，本发明的设计点在于逆变器端的电机控制，使用基于SVPWM的开环控制策略将永磁同步电机自启动到额定转速，将控制程序中给定的电压幅值为0，使逆变器表征为上3个开关器件或者下3个开关器件与电机的三相绕组组成短接回路，形成短时电机短路，测量及时温度下的短路电流，保证试验的稳定性。

Description

一种同步电机试验方法

技术领域

本发明涉及一种同步电机试验方法。

背景技术

通常永磁同步电机(以下简称PMSM)传动系统是指以PMSM为控制对象，通过调频调压方式控制永磁同步电机的转速和转矩的一种新型传动系统。相对于传动的以异步电机为控制系统的交流传动系统而言，PMSM传动系统有着结构简单、功率密度大，低速输出扭矩大，效率高，维护方便等一系列交流电机无法媲美的优势，正逐渐取代异步电机交流传动系统，成为未来的主流。

但不论任何应用场合，任何控制方式，电机的可靠性是基本的保障，因此，电机的设计相当的关键。在电机设计完成后，需要完成一些出厂试验来验证电机方案的有效性，包括，前期的反电动势测量，短路试验，温升试验等等。对电机性能最为关键的两个因素是，反电动势和短路电流。

传统的短路试验方法是：陪试电机和逆变器各一台，将测试电机的UVW三相绕组，按照短路试验电路图对接；开启逆变器，将陪试电机的转速拖动到试验电机的额定转速，在不同温度条件下，记录电流传感器电流值，完成短路电流测量，完成试验。此方法的缺点是：1、对于陪试验的电机有一定的要求，陪同试验电机的最高转速不能低于试验的额定转速，如果低于将要加入齿轮箱。使得试验成本增加，多一台电机的同时，还会需要配套的工装，且需要增加对陪试的电机的控制方案，使得试验人员增多，试验接线复杂，试验过程繁琐。；、如果按照现有方案进行短路试验，试验场地也有要求，需要至少1个能建立对拖台的试验场地，场地限制使得电机运输成本增加；3、而对于被试验电机而言，按照现有方案的作法，直接短接电机三相绕组，如果出现电机温度度过高，电机绝缘损坏的情况下，不能自动断开故障，只有陪试电机断开，隔断故障，因此，试验过程，试验电机处于不可控状态，没有故障隔断能力，给试验带来风险；4、传统方法试验时，由于短路状态下，试验电机形成的短路电流易产生较大的制动力矩，因此为了能够在短路的状态下将被试电机拖动，陪试电机需要的容量相对较大。

发明内容

本发明的目的是解决上述存在的问题，提供一种不仅能够单独对试验电机进行电机控制，当将试验电机启动到额定转速后，能对电机有效电压归0，使电机三相进行短暂短路的试验办法，而且不受场地限制，能够现场安全完成短路试验，同时通过逆变器的限制条件，即自动断开故障，又完成故障自动隔离的一种同步电机试验方法。

本发明的目的是以如下方式实现的：一种同步电机试验方法，包括如下步骤：

A、电联逆变器和永磁同步电机，将逆变器的上开关A1与下三管A2串联成第一条支路，所述逆变器的上开关B1与下三管B2串联成第二条支路，所述逆变器的上开关C1与下三管C2串联成第三条支路，所述永磁同步电机的三个接线端U、V、W分别连接在三条支路上，所述永磁同步电机的接线端U和V分别连接电流传感器；

B、在所述逆变器的主控芯片上引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略和电机控制算法；

C、开启逆变器，用基于空间矢量脉冲宽度调制的开环控制将永磁同步电机空载自启动到额定转速；

D、将给定电压幅值u_s=0，即调制比的电压为0，此时调制有效电压矢量为作用时间T₁=0，T₂=0，逆变器只保持0矢量和7矢量发生作用，且作用时间为开关频率的一半，T₀=T₇＝T_pwm／2，两种矢量发生作用时候，此时逆变器与永磁同步电机的电路等效短路；

E、记录上述状态下的电流传感器的电流值，完成短路试验。

上述的一种同步电机试验方法，所述的B步骤电机控制算法为给定f_s为定子电源供电频率，E_s为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，N_s为定子每相绕组串联匝数，k_w为基波绕组系数，φ为每极气隙磁通，可以通过以下公式即电机端电压u_s与感应电动势E_s的关系为u_s=R·i_s+E_s，其中R定子电阻；

假设电机工况稳定，忽略定子电阻上的电压降，根据气隙磁通可表示为，

$\mathrm{\φ}=\frac{u_s}{\sqrt{2}\mathrm{\π}\·f_s\·N_s\·k_w}=c\frac{u_s}{f_s};$

永磁同步电机转矩公式可表示为，

$T_e=-\frac{3P}{{\mathrm{\ω}}_s}[\frac{u_s{E}_s}{Z_s}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})-\frac{E_s^{2}R}{Z_s}]$

β为电流角，定子电抗为Xs=2πf_sL_s，定子阻抗值为如果忽略定子电阻大小，将公式带入上述方程，得到如下方程：

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\mathrm{\φ};$

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·N}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·{\mathrm{\φ}}^2;$

在电机开环控制过程中，由上述公式可知，电磁转矩只跟气隙磁链φ有关，只要同时协调控制u_s和f_s，就可以控制φ，因此只要控制好气隙磁链φ就能达到控制电磁转矩的效果，来算出永磁同步电机定子每相感应电动势的有效值。

上述的一种同步电机试验方法，所述的B步骤引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略具体表现为，给定子电源供电频率f_s计算定子电压相位：α(k+1)＝α(k)+2πf_sT_s；其中k+1表示当前时刻，k表示上一时刻；初始时刻a(k)为0；由所述定子电压的相位a，可以通过以下公式获得空间矢量脉冲宽度调制所需的u_α和u_β，即 $\left.\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=u_s\·\cos \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\\ u_{\mathrm{\β}}=u_s\·\sin \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\end{array}\right\},$ 由u_α和u_β进行空间矢量脉冲宽度调制，输出PWM秒冲给逆变器。

上述的一种同步电机试验方法，所述的D步骤具体表现为当只有7矢量作用时，逆变器的上三组开关A1，B1，C1导通，下三管A2，B2，C2断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

上述的一种同步电机试验方法，当只有0矢量作用时，逆变器的下三管A2，B2，C2导通，上三组开关A1，B1，C1断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

上述的一种同步电机试验方法，所述试验方法还包括在所述逆变器中设有温度传感器。

本发明的优点：1、本发明的设计点在于逆变器端的电机控制，使用基于SVPWM的开环控制策略将永磁同步电机自启动到额定转速，将控制程序中给定的电压幅值为0，使逆变器表征为上3个开关器件或者下3个开关器件与电机的三相绕组组成短接回路，形成短时电机短路，测量及时温度下的短路电流，保证试验的稳定性。

2、本发明去掉了传统的陪试电机，不仅降低试验成本，而且抑制试验场地的限制。同时在将试验电机启动到额定转速后，对电机有效电压归0，使电机三相进行短暂短路的试验办法，能现场安全完成短路试验，其试验成本降低，试验过程简单且可以在任意工况现场完成，让整个试验过程变的可控，从而使试验过程更加安全可靠。

3、本发明在逆变器中设有的温度传感器将电机温度调制成设定值，当电机温度超过设定值时，封锁逆变器脉冲使能，断开电机三相绕组与逆变器的连接，让永磁同步电机退出工作。而逆变器中的电流传感器可以检测电机三相电流，当三相电机超过设定值，封锁逆变器脉冲使能，断开电机三相绕组与逆变器的连接，让永磁同步电机退出工作。这样的设计能够降低试验风险。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明试验过程的电路图；

图2是开关状态为7时候的短路试验图；

图3是开关状态为0时候的短路试验图；

图4是电机拖动到额定转速后，电机波形示意图；

图5是当电压归0时，电压和电流波形示意图；

图6是开环控制系统框图。

具体实施方式：

见图1至图6所示，一种同步电机试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、电联逆变器和永磁同步电机，将逆变器的上开关A1与下三管A2串联成第一条支路，所述逆变器的上开关B1与下三管B2串联成第二条支路，所述逆变器的上开关C1与下三管C2串联成第三条支路，所述永磁同步电机的三个接线端U、V、W分别连接在三条支路上，所述永磁同步电机的接线端U和V分别连接电流传感器和温度传感器；

B、在所述逆变器的主控芯片上引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略和电机控制算法；

C、开启逆变器，用基于空间矢量脉冲宽度调制的开环控制将永磁同步电机空载自启动到额定转速；

D、将给定电压幅值u_s=0，即调制比的电压为0，此时调制有效电压矢量为作用时间T₁=0，T₂=0，逆变器只保持0矢量和7矢量发生作用，且作用时间为开关频率的一半，T₀＝T₇＝T_pwm／2，两种矢量发生作用时候，此时逆变器与永磁同步电机的电路等效短路；

E、记录上述状态下的电流传感器的电流值，完成短路试验。

其中所述的B步骤电机控制算法为给定f_s为定子电源供电频率，E_s为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，N_s为定子每相绕组串联匝数，k_w为基波绕组系数，为每极气隙磁通，可以通过以下公式即电机端电压u_s与感应电动势E_s的关系为u_s=R·i_s+E_s，其中R定子电阻；

假设电机工况稳定，忽略定子电阻上的电压降，根据气隙磁通可表示为，

$\mathrm{\φ}=\frac{u_s}{\sqrt{2}\mathrm{\π}\·f_s\·N_s\·k_w}=c\frac{u_s}{f_s};$

永磁同步电机转矩公式可表示为，

$T_e=-\frac{3P}{{\mathrm{\ω}}_s}[\frac{u_s{E}_s}{Z_s}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})-\frac{E_s^{2}R}{Z_s}]$

β为电流角，定子电抗为X_s=2πf_sL_s，定子阻抗值为如果忽略定子电阻大小，将公式带入上述方程，得到如下方程：

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\mathrm{\φ};$

而对永磁同步电机来说，忽略定子侧漏感磁链，气隙磁链与定子磁链相等，上述公式化简如下：

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·N}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·{\mathrm{\φ}}^2;$

在电机开环控制过程中，由上述公式可知，电磁转矩只跟气隙磁链φ有关，只要同时协调控制u_s和f_s，就可以控制φ，因此只要控制好气隙磁链φ就能达到控制电磁转矩的效果，来算出永磁同步电机定子每相感应电动势的有效值。

而对于所述的B步骤引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略具体表现为，给定子电源供电频率f_s计算定子电压相位：α(k+1)=α(k)+2πf_sT_s；其中k+1表示当前时刻，k表示上一时刻；初始时刻a(k)为0；由所述定子电压的相位a，可以通过以下公式获得空间矢量脉冲宽度调制所需的u_α和u_β，即 $\left.\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=u_s\·\cos \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\\ u_{\mathrm{\β}}=u_s\·\sin \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\end{array}\right\},$ 由u_α和u_β进行空间矢量脉冲宽度调制，输出PWM秒冲给逆变器。

见图2所示，其中所述的D步骤具体表现为当只有7矢量作用时，逆变器的上三组开关A1，B1，C1导通，下三管A2，B2，C2断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

见图3所示，当只有0矢量作用时，逆变器的下三管A2，B2，C2导通，上三组开关A1，B1，C1断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同步电机试验万法，其特征在于，包括如下步骤：

A、电联逆变器和永磁同步电机，将逆变器的上开关A1与下三管A2串联成第一条支路，所述逆变器的上开关B1与下三管B2串联成第二条支路，所述逆变器的上开关C1与下三管C2串联成第三条支路，所述永磁同步电机的三个接线端U、V、W分别连接在三条支路上，所述永磁同步电机的接线端U和V分别连接电流传感器；

B、在所述逆变器的主控芯片上引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略和电机控制算法；

C、开启逆变器，用基于空间矢量脉冲宽度调制的开环控制将永磁同步电机空载自启动到额定转速；

D、将给定电压幅值u_s=0，即调制比的电压为0，此时调制有效电压矢量为作用时间T₁=0，T₂=0，逆变器只保持0矢量和7矢量发生作用，且作用时间为开关频率的一半，T₀=T₇＝T_pwm／2，两种矢量发生作用时候，此时逆变器与永磁同步电机的电路等效短路；

E、记录上述状态下的电流传感器的电流值，完成短路试验。

2.根据权利要求1所述的一种同步电机试验方法，其特征在于：所述的B步骤电机控制算法为给定f_s为定子电源供电频率，E_s为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，N_s为定子每相绕组串联匝数，k_w为基波绕组系数，φ为每极气隙磁通，可以通过以下公式即电机端电压u_s与感应电动势E_s的关系为u_s=R·i_s+E_s，其中R定子电阻；

假设电机工况稳定，忽略定子电阻上的电压降，根据气隙磁通可表示为，

$\mathrm{\φ}=\frac{u_s}{\sqrt{2}\mathrm{\π}\·f_s\·N_s\·k_w}=c\frac{u_s}{f_s};$

永磁同步电机转矩公式可表示为，

$T_0=-\frac{3P}{{\mathrm{\ω}}_s}[\frac{u_s{E}_s}{Z_s}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})-\frac{E_s^{2}R}{Z_s}]$

β为电流角，定子电抗为X_s=2πf_sL_s，定子阻抗值为如果忽略定子电阻大小，将公式带入上述方程，得到如下方程：

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\mathrm{\φ};$

而对永磁同步电机来说，忽略定子侧漏感磁链，气隙磁链与定子磁链相等，上述公式化简如下：

$T_e=\frac{3P\·{\mathrm{\ψ}}_s}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·\frac{u_s}{f_s}=\frac{3P\·N}{2\mathrm{\π}\·L_s}\·{\mathrm{\φ}}^2;$

在电机开环控制过程中，由上述公式可知，电磁转矩只跟气隙磁链φ有关，只要同时协调控制u_s和f_s，就可以控制φ，因此只要控制好气隙磁链φ就能达到控制电磁转矩的效果，来算出永磁同步电机定子每相感应电动势的有效值。

3.根据权利要求2所述的一种同步电机试验方法，其特征在于：所述的B步骤引入空间矢量脉冲宽度调制的开环控制策略具体表现为，给定子电源供电频率f_s计算定子电压相位：α(k+1)=α(k)+2πf_sT_s；其中k+1表示当前时刻，k表示上一时刻；初始时刻a(k)为0；由所述定子电压的相位a，可以通过以下公式获得空间矢量脉冲宽度调制所需的u_α和u_β，即 $\left.\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=u_s\·\cos \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\\ u_{\mathrm{\β}}=u_s\·\sin \left(\mathrm{\α}(k+1)\right)\end{array}\right\},$ 由u_α和u_β进行空间矢量脉冲宽度调制，输出PWM秒冲给逆变器。

4.根据权利要求3所述的一种同步电机试验方法，其特征在于：所述的D步骤具体表现为当只有7矢量作用时，逆变器的上三组开关A1，B1，C1导通，下三管A2，B2，C2断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

5.根据权利要求3所述的一种同步电机试验方法，其特征在于：当只有0矢量作用时，逆变器的下三管A2，B2，C2导通，上三组开关A1，B1，C1断开，跟传统的短路电路一样，通过电流传感器能采样得到短路电流值，完成短路试验。

6.根据权利要求1或4或5任一项所述的一种同步电机试验方法，其特征在于：所述试验方法还包括在所述逆变器中设有温度传感器。