CN109932648A - 一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法 - Google Patents

一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，包括：在定子电压从预设电压值下降至0对应的励磁电流中提取电机励磁电流的预设值；选取一电枢相绕组轴线与转子励磁绕组轴线垂直，并依次在各电机励磁电流预设值下，将直流阶跃电压输入电机的剩余两相绕组间；对各励磁电流预设值对应暂态过程中的电枢电流响应进行录波；根据各电枢电流响应和直流阶跃电压，计算q轴等效电路对应的各阶电感与各时间常数；并计算q轴电枢反应电感，获取q轴电感的饱和特性曲线。本发明不仅能够获取准确的电机q轴电感的饱和特性，同时降低了对设备的要求，具有很强的适用性。

Description

一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法
技术领域
本发明属于电机试验技术领域，更具体地，涉及一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法。
背景技术
同步电机电感参数的饱和特性对电机的设计、控制以及保护整定均具有重要的意义，电感参数通常依据dq0坐标系定义，具体包括d轴电感与q轴电感。目前，同步电机电感参数的饱和特性的主要试验方法是空载特性试验，利用试验得到的励磁电流与反电势的关系曲线来表征电感的饱和特性。由电机学知识可知，励磁绕组位于转子d轴，电机的反电势是由励磁电流与d轴电枢反应电感决定的，因此空载特性曲线表征的电感饱和特性仅为d轴电感的饱和特性，而非q轴电感的饱和特性。
在工程界，q轴同步电感通常通过低转差法来确定，但仅能获得q轴同步电感的不饱和值。相似地，利用静止频率响应法同样只能获得q轴各电感参数的不饱和值。因此，现有获取q轴电感饱和特性的解决方案是通过对d轴电感饱和特性折算处理来近似获取。其中，在隐极机中认为q轴电感饱和特性与d轴相同；对于凸极机则通过定义一个凸极系数来折算得到q轴电感饱和特性。但是，由于d、q轴磁路的不同，这种近似的方法会造成q轴电感饱和特性的偏差，进而导致对电机整体的输出特性与稳定特性进行分析时存在较大误差。因此，对同步电机q轴电感饱和特性的具体试验测量方法的研究具有重大意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，旨在解决因不存在专门获取q轴电感饱和特性的试验测量方法而导致测量不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，包括：
(1)在定子电压从预设电压值下降至0对应的励磁电流中提取电机励磁电流的预设值；
(2)选取一电枢相绕组轴线与转子励磁绕组轴线垂直，并依次在各电机励磁电流预设值下，将直流阶跃电压输入电机的剩余两相绕组间；
(3)对各励磁电流预设值对应暂态过程中的电枢电流响应进行录波；
(4)根据各电枢电流响应和直流阶跃电压，计算q轴等效电路对应的各阶电感与各时间常数；
(5)根据q轴等效电路及上述获取的各阶电感与各时间常数，计算q轴电枢反应电感，获取q轴电感的饱和特性曲线。
优选地，所述判断转子励磁绕组轴线与电枢相绕组轴线垂直的标准为：在与转子对应的电枢相绕组上施加单相交流电压，测量转子励磁绕组的感应电压是否为0，若感应电压为0，则转子完成定位；
优选地，所述定子电压的预设电压值大于定子电压的饱和电压；所述提取电机励磁电流的预设值个数为10-20个；
优选地，在电机两相绕组间输入直流阶跃电压后，需确保稳态电流值小于电机额定电流值的5％，避免较大q轴电流对电机内部磁场造成较大交磁作用，进而导致电感饱和特性误差较大的现象；
所述稳态电流值根据电枢电阻值和直流阶跃电压幅值进行计算，所述电枢电阻值包括定子绕组电阻值与外接实验设备引入的电阻值。
优选地，当q轴只考虑一个阻尼绕组时，电机的两相绕组间输入直流阶跃电压信号后，q轴电枢电流的时域响应通解Iq(t)为：
其中，A1，A2为衰减分量的幅值系数；λ1，λ2为衰减分量的衰减系数；Iqs为稳态q轴电流。
q轴电枢电流响应频域表达式为：
其中，Lq(s)表示q轴运算电感；Lq表示q轴同步电感；T″q，T″q0表示q轴超瞬态短路与开路时间常数；s表示拉普拉斯算子，rs表示电枢回路的每相电阻。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在电机处于静止状态下进行，试验过程中不需要原动机带动转子旋转，实验设备简单，安全性高，适用于所有电励磁同步电机。
(2)本发明在不同励磁电流值下，通过幅值很小的直流阶跃电压产生的电流响应来提取对应的q轴电感，特别是q轴电枢反应电感Laq。由于试验时电枢电流小，不会对电机磁场产生大的交磁作用，能保证测量得到的电感饱和特性的精确度。
(3)通过本发明不仅可以获得q轴电感的饱和特性，还可以获得其它q轴参数，例如稳态、瞬态电抗、电感，各瞬态时间常数等。
附图说明
图1是本发明提供的q轴电感饱和特性提取流程图；
图2是本发明提供的绕组轴线图；
图3是本发明提供的q轴等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，包括：
在定子电压从预设电压值下降至0对应的励磁电流中提取电机励磁电流的预设值；
选取一电枢相绕组轴线与转子励磁绕组轴线垂直，并依次在各电机励磁电流预设值下，将直流阶跃电压输入电机的剩余两相绕组间；
对各励磁电流预设值下暂态过程中的电枢电流响应进行录波；
仅考虑主磁路的饱和，根据各电枢电流响应和直流阶跃电压，计算q轴等效电路对应的各阶电感与各时间常数；
根据q轴等效电路及上述获取的各计算量，计算q轴电枢反应电感，获取q轴电感的饱和特性曲线。
优选地，所述判断转子励磁绕组轴线与电枢相绕组轴线垂直的标准为：在与转子对应的电枢相绕组上施加单相交流电压，测量转子励磁绕组的感应电压是否为0，若感应电压为0，则转子完成定位，如图2所示，通过转子励磁绕组的磁链达到最大；
优选地，所述定子电压的预设电压值大于定子电压的饱和电压；提取电机励磁电流的预设值个数为10-20个；
优选地，在电机两相绕组间输入直流阶跃电压，稳态电流值需确保小于电机额定电流值的5％，避免较大q轴电流对电机内部磁场造成较大交磁作用，进而导致电感饱和特性误差较大的现象；
优选地，稳态电流值根据电枢电阻值和直流阶跃电压幅值进行计算，所述电枢电阻值包括定子绕组电阻值与外接实验设备引入的电阻值。
优选地，当q轴只考虑一个阻尼绕组时，q轴的等效电路如图3所示，图中ra表示电枢绕组电阻；Lsl表示定子漏感；Laq表示q轴电枢反应电感；LQl表示q轴阻尼绕组漏感；rQ表示阻尼绕组电阻。
电机的两相绕组间输入直流阶跃电压信号后，电枢电流的时域响应通解Iq(t)为：
其中，A1，A2为衰减分量的幅值系数；λ1，λ2为衰减分量的衰减系数；Iqs为稳态q轴电流。
优选地，由电机瞬态理论知识，q轴频域运算电感为：
其中，Lq(s)表示q轴运算电感；Lq表示q轴同步电感；T″q，T″q ″0表示q轴超瞬态短路与开路时间常数；s表示拉普拉斯算子。
q轴存在的电压平衡方程为：
Vq(s)＝sLq(s)Iq(s)+rsIq(s)
其中：Vq(s)表示q轴直流阶跃电压信号的频域表达式；Iq(s)表示q轴电枢电流响应频域表达式；rs表示电枢回路的电阻。
q轴电枢电流响应频域表达式为：
利用上述电枢电流的时域相应通解形式对各励磁电流预设值下的电枢电流响应进行拟合，并将拟合后的电枢电流响应用拉普拉斯变换转换至频域并整理为有理分式形式，对比有理分式形式的q轴频域电流响应与q轴电枢电流响应频域公式计算获取T″q，T″q0，Lq以及q轴超瞬态电感Lq”。
根据获取的各稳态、瞬态参数以及如图3所示的等效电路，计算包括q轴电枢反应电感Laq在内的其他参数，在图3中，各电感与电阻量间存在以下关系：
Lq＝Laq+Lsl
由于Lq,Lq”,T″q,T″q0均为已知，可计算获取，因此根据上述四个变量以及四个方程可求解等效电路里包含的其余四个量，即可以求取Laq，Lsl，LQl，rQ。
优选地，在上述计算过程中，当励磁电流较小时，电机磁路处于不饱和状态，计算的q轴反应电感为不饱和值；当励磁电流较大时，电机磁路处于饱和状态，计算的q轴反应电感为饱和值。以励磁电流为横坐标，q轴电枢反应电感为纵坐标绘图，即可得到q轴电感的饱和特性曲线。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，包括：
(1)在定子电压从预设电压值下降至0对应的励磁电流中提取电机励磁电流的预设值；
(2)选取一电枢相绕组轴线与转子励磁绕组轴线垂直，并依次在各电机励磁电流预设值下，将直流阶跃电压输入电机的剩余两相绕组间；
(3)对各励磁电流预设值对应暂态过程中的电枢电流响应进行录波；
(4)根据各电枢电流响应和直流阶跃电压，计算q轴等效电路对应的各阶电感与各时间常数；
(5)根据q轴等效电路及上述获取的各阶电感与各时间常数，计算q轴电枢反应电感，获取q轴电感的饱和特性曲线。
2.如权利要求1所述的同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，所述判断转子励磁绕组轴线与电枢相绕组轴线垂直的标准为：在与转子对应的电枢相绕组上施加单相交流电压，测量转子励磁绕组的感应电压是否为0，若感应电压为0，则转子完成定位。
3.如权利要求1或2所述的同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，所述定子电压的预设电压值大于定子电压的饱和电压；所述提取电机励磁电流的预设值个数为10-20个。
4.如权利要求3所述的同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，所述电机两相绕组间输入直流阶跃电压后，对应稳态电流值小于电机额定电流值的5％。
5.如权利要求1或4所述的同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，当q轴只考虑一个阻尼绕组时，电机的两相绕组间输入直流阶跃电压信号后，q轴电枢电流的时域响应通解Iq(t)为：
其中，A1，A2为衰减分量的幅值系数；λ1，λ2为衰减分量的衰减系数；Iqs为稳态q轴电流。
6.如权利要求5所述的同步电机q轴电感饱和特性试验测量方法，其特征在于，q轴电枢电流的频域响应采用各阶电感与各时间常数表示为：
其中，Lq(s)表示q轴运算电感；Lq表示q轴同步电感；T″q，T″q0表示q轴超瞬态短路与开路时间常数；s表示拉普拉斯算子，rs表示电枢回路的每相电阻。
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