CN1071258A - 测定直流电机转子回路或平波电抗器电感的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用脉动电流的实测波形来测定直流电机 转子回路或平波电抗器的方法，它包括步骤：1)测量 转子回路的电阻R；2)测量整流电路的输入电压V； 3)测量脉动电流的平均值I_D；4)测量整流电路的输 出电压V_D；5)确定脉动电流的初始值i(o)；6)计算 控制角A；7)确定参数C、P、D、W、B、K、M、S、G的 值；8)计算电感L。该方法使用方便、所求电感值精 度较高。

Description

本发明涉及一种测量直流电机转子回路电感的方法，特别涉及一种利用脉动电流实测波形来测定直流电机转子回路或平波电抗器电感的方法。

当直流电动机由直流发电机提供的直流电流供电时，在稳态下，其电流通常为恒值。近代由于出现了整流电源（或稳压电源），且整流电源使用方便，因而大多数直流电动机由整流电源供电。但是，由于整流电源是一种脉动电源，其电流大小也有周期变化，有时还会出现变化不连续的现象。为使电流连续，电机还需串联一平波电抗器。由于存在电流的变化（di/dt），精确测定直流电机转子回路或平波电抗器的电感量越来越重要。

对于小阻抗的电感量，当流过的电流较小时，可以用电桥测定。对于工作在大电流负载的情况下的电感测量，通常用以下几种方法：

1）直流法。该方法是在电机转子或平波电抗器的两端突加一直流低电压，并测量其直流电流的上升率，测量时，电机须激（励磁），因而电机转子必须牢固地掣动。于是，所求电感的大小由外加电压除以电流的上升率得到。但是，该方法不仅需要外特性较硬的电源即在实验过程中外加电压不能有变化而且试验过程复杂。

2）磁通量测量法。该方法是将一辅助线圈与被测电机的转子（枢子）连接起来，组成一电桥，同时也组成了一磁通链，输入电流从I₁变化到I₂，再用一磁通计测量上述磁通链中的磁通量的变化△Φ于是上述转子回路的电感L＝ (△Φ)/(△I) （其中，△I＝I₁-I₂）。该方法由于测量过程复杂，因而使用不太方便。

3）交流法。该方法通常被大多数电机制造厂家采用。它是在转子或平波电抗器的两端加上一工频交流电压

，将电机磁场激（励），测出其电流

，于是所求电感 $\mathrm{L=}\frac{\sqrt{{\mathrm{(V/I)}}^2{\mathrm{-R}}^2}}{\omega }$ ，其中ω为交流电压

的频率，R为转子回路的电阻值。但是该方法仍有两个缺点：（1）当外电压的频率不同时，由于涡流的影响，测量的电感量会有误差;（2）由于该方法比较适合于测量交流电压下的电感，因而对测量直流脉动负载（电流）下的电感，理论上有一定的缺陷。这样势必增大了测量的误差。

4）修正后的交流法。1988年IEC又推荐了一种修正后的交流法。该方法是将被测电机作为发电机，其规定电流为I_D，并将该电流作为直流分量，另用一交流发电机提供一交流分量，其值为额定电流的百分之二十，若提供交流分量的电压为

，电流为 ，

与

之间的相角为θ，则所求电感

。该方法由于提供了一直流分量，且预先确定了被测电感的磁饱和度，从而进一步弥补了交流法理论上的缺陷。但是;使用该方法必须配备一套较复杂的试验设备，且直流分量I_D须预先设定，而试验所规定的磁饱和度是有一定限量的，因而不能随意变化，但是，电机负载的实际直流分量（即直流电机的平均电流值）是随机变化的，即磁饱和度是随机的，故该方法并不能完全模拟实际工况。另外，使用的交流电压的频率为工频（50Hz或60Hz），但是所供直流脉动电流的频率并不限于工频，例如三相全控SCR的频率为300Hz，频率不同，产生的涡流也就不同，势必影响测量的精度。

本发明旨在克服上述诸方法的缺点，提供一种可以在任意负载电流下测定直流电机转子回路及平波电抗器电感的方法。

当直流电动机由整流电路提供电源（稳压电源）时，通常电机制造厂家在出厂试验时要测出以下几种参数：a）整流电路的交流输出电压 ;b）整流电路输出的直流电压，也就是说直流电机的输入电压V_D;c）电机负载时的平均电流I_D（直流值）;d）电机转子回路的电阻R。当然以上参数即使电机厂家不提供，用户也可很方便地测出。若供电电源为可控硅整流电路电源时，其控制角A可查阅有关可控硅手册求得。例如三相全控桥式整流电源的控制角A＝Cos^-1

。控制角A直接影响了脉动电流的是否连续。由等效电路可求得脉动电流i（t），其中， $\sqrt{2}$

(t)= V_m(t)=E+L (di)/(dt) +i·R，则此微分方程之解i（t）的函数关系式为i（t）＝f〔R，E，A，i（0）， _m，B，L，F（ωt）〕……（A）

上式（A）中，R、A、E（E＝V_D-I_D·R）上面已描述过。B为常数，它取决于使用何种整流电源。例如，对三相全控整流桥式整流电源B＝ (π)/3 ，t为时间自变量，而L＝ (R)/(ω) tgF，若求出脉动电流的初始电流i（o），F、L都可求出。事实上由上式（A）求电感L很复杂，有时很难求出，于是我们可提供电源的电流的连续性来求出电感L。

当整流脉动电流连续时，由于脉动电流的周期为τ，则有i（o）＝i（τ）某真实值，于是

i（τ）＝i（o）＝f〔R，E，A，i（o），V_m，B，L，F（ωτ）〕……（B）

由于上式（B）是一隐函数，因而不能用解析法求L。但是，可以采用图解法来求L。如果使用计算机也可求出L。

当整流脉动电流不连续时，初始电流i（o）＝0，此时每一电流脉动工作时间小于周期τ，设上述脉动时间为T，则

0＝i（T）＝f〔R，E，A，i（0），V_m，B，L，F（ωT）〕……（c）

事实上，目前直流电机使用的电源通常有（1）三相全控整流电源;（2）三相半控桥式整流电源;（3）单相全控桥式整流电源;（4）单相半控桥式整流电源;（5）三相零式整流电源;（6）方被（斩波）电源;（7）二极管桥式整流电源（主要测平波电抗器的电感）。本发明针对上述七种整流电源，在（A）、（B）两式的基础上归纳了求直流电机转子回路或平波电抗器的电感的通式：

〔i（o）R+V_D-I_DR〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝V_mCosPF{DSin（W+A-PF）-Sin（B+A-PF）e- (C)/(tgF) +KSinF.e (-M)/(tgF) +S·e- (G)/(tgF) }……（D）

其中E为回路的反电动势且E＝V_D-I_DR，

于是，本发明提供的测量直流电机转子回路或平波电抗器电感的方法包括以下步骤：

（1）将直流电机与整流电源相连;

（2）测量直流电机转子回路或平波电抗器回路的电阻R;

（3）测量整流电路（电源）输入的交流电压 ，并由公式V_m= $\sqrt{2}$

求出电压的最大值V_m;

（4）测量流经电机转子脉冲电流的平均值I_D;

（5）确定脉动电流的初始电流i（o）;

（6）计算可控硅整流电路的控制角A;

（7）根据可控硅整流电源的控制角A、电流的连续性、选择常数C、P、D、W、B、K、M、S、G的值;以及

（8）由公式〔i（o）R+V_D-I_DR〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝V_mCosPF

{DSin（W+A-PF）-Sin（B+A-PF）e- (C)/(tgF) +KSinF.e (-M)/(tgF) +S·e- (G)/(tgF) }

求得F，于是所求电感L＝ (R)/(ω) tgF。

上述参数C、P、D、W、B、K、M、S、G、E、A取决于整流电路（电源）的特性，这些特性包括：脉动电流的连续性、控制角A的大小及直流的特性，这些特性包括：脉动电流的连续性、控制角A的大小及直流电机所使用的整流电源的类型。

特别指出的是，将求的电感L的值代入列（A）式中求出其函数i（t）中一定数量的点的电流值i（t₁）、i（t₂）……i（t_n），然后根据上述点是否与脉形动电流实际脉形吻合，可验证或判断所求电感值的准确性。

本发明提供的方法具有以下优点：

（1）该方法可在任意负载电流下进行测量;所求电感传值精度较高，且可以验证其准确性;

（2）测量方便，不需要专门的测量及其设备，并可在电机运行时测量。

图1是本发明提供的方法使用的不包括平波电抗器的测量装置的示意图;

图2是本发明提供的方法使用的包括平波电抗器的测量装置的示意图;

图3是方波整流电源的波形示意图;

图4是本发明的第一实施例通过示波器显示的脉动电流的波形图;以及

图5是本发明的第二实施例通过示波器显示的脉动电流的波形图。

下面接合附图对本发明的方法作进一步说明。

图1是本发明提供的方法使用的不包括平波电抗器的测量装置的示意图。当直流电机功率较小，不需要平波电抗器时，可使用如图1所示的装置。图1中，整流电源1的端点a与直流电机2的转子（或枢子）一个接线端相连，其端点b与分流器3的接线端e相连，直流电机转子的另一接线端与分流器3的接线端f相连。直流电机2带有负载（图中未示出），分流器3用来与光电示波器或经A/D转换器

图2是本发明提供的方法使用的包括平波电抗器的测量装置示意图。与图1不同的是，在直流电机2与整流电源的端点a之间接有一平波电抗器4，以使脉动电流i（t）保持连续，从而使直流电机能正常工作。

必须指出的是，应用图1所示的装置，使用本发明提供的方法可求出直流电机2转子的电感，而应用图2所示的装置，则求出直流转子2和平波电抗器4的串联回路的电感。实际上，如果在图1的装置中，直流机2由平波电抗器4代替，并令公式（D）中的反电动势E＝0，即V_D-I_DR＝0，则可求出平波电抗器的电感。

图3是方波（斩波）整流电源的电压波形图。实际上通过计算或由波形图直流测量可得出它的三个时间常数T₁、T₂和周期L的值。

下面是七种常用的可控硅整流电源中参数C、P、D、W、B、K、M、S、G的值的表1-1。由可控硅整流电源的控制角A、脉动电流的连续性、以及整流电源的类型可从表1-1中查出上述参数的值，参见下表

表1-1

以下结合图3和图4分别说明本发明的两个实施例。

本发明的第一实施例测量的直流电机是Z₂型，其主要性能参数为：功率P＝2.75/3.4/4.7KW，转整n＝1220/1450/2500转/分，电压V＝175/220/320V，使用的可控硅整流电源为三相全控桥式整流电源。按图1所示的装置图，首先测出：电机转子回路的电阻R＝0.995Ω;输入电压

＝212V，则最大值V_m＝ $\sqrt{2}$

＝299.8V;脉动电流的平均值I_D＝14.8A;a.b间的直流输出电压V_D＝220V;由上述数据我们可以求出该整流电路的控制角A，由可控硅手册提供的公式 得A＝39.76°，由与分流器相连接的光电示波器得到如图4所示的脉动电流的波形。从波形图中求得初始电流i（o）＝8.8.2A由表1^-1可知L＝ (π)/3 、P＝1，D＝1，W＝ (2π)/3 、B＝ (π)/3 ，K＝0，S＝0，于是由公式（D）求得F＝68.89019°或1.202361rad，则所求电感L＝8.203mH。

为了判断所述电感值L的准确性，可将所求电感值L＝8.203mH代入到（A）式中，可求得脉动电流i（t）的一些值例如八个，如

i（t₀）＝i（.0000000）＝8.2A

i（t₁）＝I（0.0004167）＝15.13959A

i（t₂）＝i（.0008333）＝15.13959A

i（t₃）＝i（.0012500）＝17.26004A

i（t₄）＝i（.001667）＝18.23914A

i（t₅）＝i（.0020833）＝17.92703A

i（t₆）＝i（.0025000）＝16.20567A

i（t₇）＝i（.0029167）＝12.98256A

i（t₈）＝i（.0033339）＝8.199985A

将上述值在图4的坐标上点出，如图4的⊙所示，可以看出其值表示的点与曲线i（t）基本上吻合，考虑计算机误差，可以确信，所求电感L很精确。

本发明的第二实施例测量的直流电机是Z₂型，其主要性能参数为：功率P＝0.8KW，转整n＝1500转/分，电压V＝220V。使用的整流电源为单相半控桥式整流电源。将上述直流电机和整流电源按图1连接，然后测量得到回路电阻R＝5119Ω，电压V＝220V，则最大值V_M＝ $\sqrt{2}$

＝311.127V，脉动电流的平均值I_D＝4.2A，整流电路的输出电压V_D＝71V;于是查阅可控硅手册求得控制角A＝Cos^-1（ 71/(0.45×220) -1）＝106.4°;由与分流器3相连的示波器显示到的如图5所示的脉动电流的波形可知电流连续且初始电流i（o）＝0，由表1-1，可查得下列参数的值，即C＝2，P＝1，D＝0，B＝0，K＝1，M＝A，S＝0，于是求得电感L＝55.0756mH。

由图（5）所示的脉动电流的波形可知该脉动电流i（t）可为两个部分即i₁（t）和i₂（t），且i₂（o）＝i₁（ (π-A)/(ω) ），于是将所求L＝55.07056mH代入（A）式求得：

i₁（t₀）＝i（.0000000）＝0

i₁（t₁）＝i（0.00010222）＝4.067167

i₁（t₂）＝i（0.0030667）＝7.792159

i₁（t₃）＝i（.0040889）＝7.068013＝i₂（to）

i₂（t₁）＝i（0.0011822）＝5.323028

i₂（t₂）＝i（0.0023644）＝3.76216

i₂（t₃）＝i（.0035467）＝2.365978

i₂（t₄.＝i（.0047289）＝1.117108

i₂（t₅）＝i（.0059111）＝5.722046E-66

将上述值表示的点点到图5的坐标图上，如图“⊙”所示，可知这些点与i（t）曲线很吻合，说明所求电感值很精确。

通过上面的描述，我们可以知道本发明所述方法的频顺序可作些变化，如步骤（2）到（6）可任意变化，同样达到本发明的目的。

Claims (5)

1、一种利用脉动电流的实测波形来测定直流电机转子回路电感的方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)将直流电机与整流电源相连接；

(2)测量整流电源的输入交流电压

，由此求得该交流电压的最大值V_m= $\sqrt{2}$

；

(3)测量转子回路的电阻R；

(4)测量整流电源输出的直流电压V_D；

(5)测量整流电源输出的电流的平均值I_D；

(6)确定脉动电流的初始电流i(o)；

(7)确定整流电源控制角A；

(8)根据电源特性确定参数C、P、D、W、B、K、M、S、G的值；以及

(9)由公式[i(o)R+V_D-I_DR][1-e- (C)/(tgF) ]=V_mCosDF·{DSin(W+A-PF)-Sin(B+A-F)e- (C)/(tgF) +K SinFe- (M)/(tgF) +Se- (G)/(tgF) } ……(D)

以及L= (R)/(ω) tgF……(H)

求得直流电机转子回路的电感L。

2、一种利用脉动电流的实测波形来测定平波电抗器的回路电感的方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）将平波电抗器与整流电源相连;

（2）测量直流电源的输入交流电压

，由此求出该交流电压的最大值V_m= $\sqrt{2}$

;

（3）测量回路的电阻R;

（4）测量整流电源输出的直流电压V_D;

（5）测量整流电源输出的电流的平均值I_D;

（6）测量脉动电流的初始电流i（o）;

（7）确定整流电源控制角A;

（8）根据整流电源的特性和确定定参C、P、D、W、B、K、M、S、G的值;以及

（9）由公式〔i（o）R〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝V_mCosDF·{DSin（W+A-PF）-Sin（B+A-F）e- (C)/(tgF) +KSinFe- (M)/(tgF) +Se- (G)/(tgF) }……（D）

以及L＝ (R)/(ω) tgF……（H）

求得平波电抗器回路的电感L。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于上述整流电源为三相零式整流电源，方波电源、单相全控整流电源、单相半控整流电源、二极管单相桥式整流电源、单相全控桥式整流电源以及三相半控桥式整流电源中任一电源。

4、如权利要求1或2所述的方法，当整流电源为三相全控整流电源且电流连续时，上述参数中C＝ (π)/3 ，P＝1，D＝1，W＝ 2/3 π，B＝ (π)/3 ，K＝0，S＝0。

5、如权利要求1或2所述的方法，当整流电源为单相半控桥式整流电源且电源连续时，上述参数中C＝2，P＝1，D＝0，B＝0，K＝1，M＝A，S＝0。

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