CN110346721B - 双支路交流永磁电机损耗的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，包括发电支路接可调节阻感性负载，电动支路接电机控制驱动器；控制驱动器运行，负载为纯阻性，测试电机转速、电动支路电流波形和相电压值、发电支路电流波形和相电压值和功率因数角；电机停止运行，断开发电机单元负载，计算得到绕组电阻；测试出电机交直轴电感；测试电机空载反电势并求解得到永磁体每极的总磁通Φ₀；重新运行电机，得到电机铁损。本发明相比于损耗的直接测试方法，该方法无需外加机械负载装置，节省了测试成本。相比于损耗的间接测试方法，该方法无需使用铁耗测试仪，避免了复杂的仪器参数计算和调整，且考虑了轧制工艺对损耗测试影响。

Description

双支路交流永磁电机损耗的测试方法

技术领域

本发明涉及一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，属于电机测试技术领域。

背景技术

目前，对于永磁同步电机铁心损耗的测试方法可分为两种：直接测试法和间接测试法。

一般的直接测试法是利用原动机与被测试电机对拖，利用不同负载下的测试计算电机铁心损耗。在采用直接测试法对电机损耗特性的测试过程中，不但需要外加负载装置，增加了测试的复杂性；且由于负载的存在，在损耗及温升的测试过程中，测试系统的能量消耗也较大。

而一般的间接测试法是利用外加设备测试单片定子铁心的电工钢片损耗，绘制出其损耗曲线，再利用有限元法计算电机不同运行状态下的转速和磁密波形，从而得到这一状态下的定子铁心损耗。但是，用这种方法对永磁同步电机在做定子铁心损耗测试时，需要铁耗测试仪等测试装置，对不同牌号的电工钢片，不同测试情况下，测试仪上的等效磁路长度调整困难。而且，这种测试方法无法考虑电机定子叠片轧制成型后，制作工艺对测试结果的影响。

因此，为了克服传统测试方法测试复杂以及能量浪费等问题，本发明以双支路交流永磁电机为对象，提出了双支路交流永磁同步电机的无机械负荷测试方法，该方法可以在不需要机械负载装置的情况下测试出双支路永磁电机的损耗。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够在没有机械负载装置或无法使用机械负载装置的情况下测试得到电机的损耗的双支路交流永磁电机损耗的测试方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：将双支路交流永磁电机分为电动支路和发电支路，其中发电支路连接可调节阻感性负载，电动支路连接电机控制驱动器；

步骤2：控制驱动器开始运行，负载调整为纯阻性负载，测试此时的电机转速、电动支路三相绕组的电流波形和相电压值、发电支路三相绕组的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因数角；

步骤3：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电支路的负载，分别在电动支路和发电支路的三相绕组内通入和步骤2运行状态下电流有效值相同的直流电流，并测试电动支路和发电支路的绕组端电压，得到这一状态下的电动支路绕组电阻和发电支路绕组电阻；

步骤4：整理电动支路三相绕组电流波形，经dq变换求得q轴电流的直流恒定分量I_q和 d轴电流的直流恒定分量I_d，在电动支路的任意两相绕组M、N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，在这一状态下测试出电机的交直轴电感；

步骤5：测试电机空载反电势并求解得到永磁体每极的总磁通Φ₀；

步骤6：重新运行电机，调节发电支路的阻感负载，使负载中的感性成分大于阻性成分，并控制发电支路绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤2中的转速，并测试出此时的电动支路和发电支路的三相绕组电压和电流，经dq变换得出此时的发电支路的dq 轴电流I_q1和I_d1，电动支路的dq轴电流I_q2和I_d2，并使此时的电流满足：

(Φ₀+2I_dL_d)²+(2I_qL_q)²＝(Φ₀+I_d1L_d1+I_d2L_d2)²+(I_q1L_q1+I_q2L_q2)²；

此时，电机的铁心损耗P_Fe满足：

其中，P_Fe为电机铁损，P₁为电机输入功率，P_cu为电机铜损，U_1a为电动支路的A相绕组电压，U_1b为电动支路的B相绕组电压，U_1c为电动支路的C相绕组电压，I_1a为电动支路的A相绕组电流，I_1b为电动支路的B相绕组电流，I_1c为电动支路的C相绕组电流；U_2a为发电支路的A相绕组电压，U_2b为发电支路的B相绕组电压，U_2c为发电支路的C相绕组电压，I_2a为发电支路的A相绕组电流，I_2b为发电支路的B相绕组电流，I_2c为发电支路的C相绕组电流； R_a为电机的A相绕组电阻，R_b为电机的B相绕组电阻，R_c为电机的C相绕组电阻。

本发明包括：

1.步骤4的交直轴电感的测试方法包括：

4.1：在双支路交流永磁电机的一条支路的任意两相绕组EF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_{EF_d}，交流电流有效值为i_EF，交流电流频率为ω，使双支路交流永磁电机被固定在交轴位置，记录此时电机的EF相绕组的端电压波形、EF相电流波形；

4.2：断开电源，保持电气连接不变，在步骤4.1的EF相绕组中，加入直流电流I_EF，记录此时EF绕组两端的线电压U_EF；

4.3：断开电源，保持电气连接不变，在步骤4.1的EF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_{EF_d}，交流电流有效值为i_EF，交流电流频率为ω，同时，在双支路交流永磁电机的另一条支路的任意两相绕组GH中通入直流电流I_GH，使双支路交流永磁电机被固定在直轴位置，记录此时步骤4.1的EF相绕组的端电压波形和相电流波形；

4.4：将4.1中记录下的端电压波形和相电流波形中的直流分量分离出去，得到EF相通入电流的交流分量有效值为i_EF时，EF相交流电压有效值为u_EF(q)，则此时交轴电感L_q满足：

4.5：将:4.3中记录下的EF相绕组的端电压波形、EF相电流波形中的直流分量分离出去，得到EF相通入电流的交流分量有效值为i_EF时，EF相交流电压有效值为u_EF(d)，则此时直轴电感L_d满足：

2.总磁通Φ₀满足：E₀＝K_eΦ₀，其中E₀为空载反电势，K_e为电势系数。

本发明有益效果：本发明的优点是利用双支路永磁同步电机的绕组结构特点，令一个支路电机电动运行，一个支路电机发电运行，从而不用外加机械负载装置得到电机负载状态下电机的参数。再调整发电支路负载的电阻和电感特性，通过控制驱动器，适当调整dq轴电流，模拟出电机负载状态下的铁损。从而解决了现有铁耗测试方法测试仪器调整困难和无法考虑轧制工艺对损耗测试影响的问题。相比于损耗的直接测试方法，该方法无需外加机械负载装置，节省了测试成本。相比于损耗的间接测试方法，该方法无需使用铁耗测试仪，避免了复杂的仪器参数计算和调整，且考虑了轧制工艺对损耗测试影响。采用本发明方法实现双支路交流永磁电机损耗的测试过程中，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铁损测试的需要。

附图说明

图1为本发明的双支路交流永磁电机绕组分布示意图；

图2为测试交直轴电感时#1支路的电路连接图；

图3为测试交直轴电感时#2支路的的电路连接图；

图4为电机被固定在交轴位置的电磁力示意图；

图5为电机被固定在直轴位置的电磁力示意图。

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。

本发明所述交流永磁电机为双支路永磁同步电机，其定子绕组具有两套同槽绕组，电机的结构示意图如图1所示。A1、B1、C1为#1支路的三相绕组，A2、B2、C2为#2支路的三相绕组。1为电机定子，2为永磁体，3为电机转子。

本发明提出的双支路永磁同步电机定子铁损的无机械负荷测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将双支路交流永磁电机分为电动支路和发电支路两个部分。其中发电支路接可调节阻感性负载，电动支路接电机控制驱动器。

步骤二：控制驱动器开始运行，负载调整为纯阻性负载，测试此时的电机转速、电动支路三相绕组的电流波形和相电压值、发电支路三相绕组的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因数角。

步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电支路的负载，分别在电动支路和发电支路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，得到这一状态下的电动支路绕组电阻和发电支路绕组电阻，计算公式如(1)所示：

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I_q和d轴电流的直流恒定分量I_d，在电动支路的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，在这一状态下测试出电机的交直轴电感。

交直轴电感的测试方法，具体包括以下步骤：

(一)在#1支路的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}，交流电流有效值为i_BC，交流电流频率为ω，其具体的电气连接图如图2所示，4为变频器。

记录此时电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。

(二)断开电源，保持电气连接不变，在#1支路的BC相绕组中，加入直流电流I_BC，记录此时BC绕组两端的线电压U_BC。

(三)断开电源，保持电气连接不变，在#1支路的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}，交流电流有效值为i_BC，交流电流频率为ω。同时，在#2支路的AC相绕组中通入I_AC的直流电流(I_AC＝2I_BC)，其具体的电气连接图如图3 所示。记录此时#1支路的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，同步电机交直轴电感的具体计算方法如下：

按照(一)中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4所示。所以此时测试出的电感为电机的交轴电感。

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相通入电流的交流分量有效值为i_BC时，BC相交流电压有效值为u_BC(q)。则此时交轴电感L_q的表达式如公式(1)所示：

按照(三)中通入的直流电流分量的约束，电机将被固定在直轴位置，其具体合成矢量如图5所示。所以此时测试出的电感为电机的直轴电感。

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相通入电流的交流分量有效值为i_BC时，BC相交流电压有效值为u_BC(d)，则此时直轴电感L_d的表达式如公式(2)所示：

步骤五：将所测试出的电机转速、绕组电阻、交直轴电感、功率角、q轴电流流恒定分量带入公式(4)、(5)和(8)，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(4)所示：

T_e＝K_TI_q (4)；

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。根据电势系数K_e和转矩系数K_T的推导过程和表达式，他们的关系式如下：

双支路永磁同步电机的电压方程经过dq坐标变换后，可表示成如下形式：

U cosδ＝E₀+I_qR_a-I_dX_d (6)；

U sinδ＝I_dR_a+I_qX_q (7)；

其中，δ为电机的功率角，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为相电压，R_a为绕组电阻。

联立公式(6)和公式(7)，可解出q轴电流的表达式如下：

其中，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。

则双支路永磁同步电机正常运行时的电磁转矩如下：

T_eN＝2T_e (9)

步骤六：测试电机空载反电势并求解得到永磁体每极的总磁通Φ₀，具体公式如(10)所示。

E₀＝K_eΦ₀ (10)

步骤七：重新运行电机，调节发电支路的阻感负载，使负载中的感性成分大于阻性成分，并控制绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤二中的转速，并测试出此时的电动支路和发电支路的三相绕组电压和电流，经dq变换得出此时的发电支路的dq轴电流I_q1和I_d1，电动支路的dq轴电流I_q2和I_d2，并使此时的电流满足(11)：

(Φ₀+2I_dL_d)²+(2I_qL_q)²＝(Φ₀+I_d1L_d1+I_d2L_d2)²+(I_q1L_q1+I_q2L_q2)² (11)

其中，Φ₀为电机永磁体每极的总磁通，I_q为步骤二状态下q轴电流，L_q为步骤二状态下q轴电感；I_d1为步骤七状态下电动支路的直轴电流，L_d1为步骤七状态下电动支路的直轴电感，I_q1为步骤七状态下电动支路的交轴电流，L_q1为步骤七状态下电动支路的交轴电感； I_d2为步骤七状态下发电支路的直轴电流，L_d2为步骤七状态下发电支路的直轴电感，I_q2为步骤七状态下发电支路的交轴电流，L_q2为步骤七状态下发电支路的交轴电感。

此时，电机的铁心损耗可由公式(12)计算得出

其中，P_Fe为电机铁损，P₁为电机输入功率，P_cu为电机铜损，U_1a为步骤七状态下电动支路的A相绕组电压，U_1b为步骤七状态下电动支路的B相绕组电压，U_1c为步骤七状态下电动支路的C相绕组电压，I_1a为步骤七状态下电动支路的A相绕组电流，I_1b为步骤七状态下电动支路的B相绕组电流，I_1c为步骤七状态下电动支路的C相绕组电流；U_2a为步骤七状态下发电支路的A相绕组电压，U_2b为步骤七状态下发电支路的B相绕组电压，U_2c为步骤七状态下发电支路的C相绕组电压，I_2a为步骤七状态下发电支路的A相绕组电流，I_2b为步骤七状态下发电支路的B相绕组电流，I_2c为步骤七状态下发电支路的C相绕组电流；R_a为步骤七状态下电机的A相绕组电阻，R_b为步骤七状态下电机的B相绕组电阻，R_c为步骤七状态下电机的C相绕组电阻。

本发明具体实施方式还包括：

本发明的无机械负荷的双支路永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将双支路交流永磁电机分为电动支路和发电支路两个部分。其中发电支路接可调节阻感性负载，电动支路接电机控制驱动器。

步骤二：控制驱动器开始运行，负载调整为纯阻性负载，测试此时的电机转速、电动支路三相绕组的电流波形和相电压值、发电支路三相绕组的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因数角。

步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电支路的负载，分别在电动支路和发电支路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，得到这一状态下的电动支路绕组电阻和发电支路绕组电阻。

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I_q和d轴电流的直流恒定分量I_d，在电动支路的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，在这一状态下测试出电机的交直轴电感。

步骤五：测试电机空载反电势并求解得到永磁体每极的总磁通Φ₀。

步骤六：重新运行电机，调节发电支路的阻感负载，使负载中的感性成分大于阻性成分，并控制绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤二中的转速，并测试出此时的电动支路和发电支路的三相绕组电压和电流，经dq变换得出此时的发电支路的dq轴电流I_q1和I_d1，电动支路的dq轴电流I_q2和I_d2，并使此时的电流满足下式：

(Φ₀+2I_dL_d)²+(2I_qL_q)²＝(Φ₀+I_d1L_d1+I_d2L_d2)²+(I_q1L_q1+I_q2L_q2)²；

此时，电机的铁心损耗可由下式计算得出

。

Claims (3)

1.一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将双支路交流永磁电机分为电动支路和发电支路，其中发电支路连接可调节阻感性负载，电动支路连接电机控制驱动器；

步骤2：控制驱动器开始运行，负载调整为纯阻性负载，测试此时的电机转速、电动支路三相绕组的电流波形和相电压值、发电支路三相绕组的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因数角；

步骤3：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电支路的负载，分别在电动支路和发电支路的三相绕组内通入和步骤2运行状态下电流有效值相同的直流电流，并测试电动支路和发电支路的绕组端电压，得到这一状态下的电动支路绕组电阻和发电支路绕组电阻；

步骤4：整理电动支路三相绕组电流波形，经dq变换求得q轴电流的直流恒定分量I_q′和d轴电流的直流恒定分量I_d′，在电动支路的任意两相绕组M、N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，在这一状态下测试出电机的交直轴电感；

步骤5：测试电机空载反电势并求解得到永磁体每极的总磁通Φ₀；

步骤6：重新运行电机，调节发电支路的阻感负载，使负载中的感性成分大于阻性成分，并控制发电支路绕组所加的直轴电压和交轴电压，使电机的转速为步骤2中的转速，并测试出此时的电动支路和发电支路的三相绕组电压和电流，经dq变换得出此时的发电支路的dq轴电流I_q1和I_d1，电动支路的dq轴电流I_q2和I_d2，并使此时的电流满足：

(Φ₀+2I_dL_d)²+(2I_qL_q)²＝(Φ₀+I_d1L_d1+I_d2L_d2)²+(I_q1L_q1+I_q2L_q2)²；

其中，I_q为步骤二状态下q轴电流，L_q为步骤二状态下q轴电感；I_d1为步骤6状态下电动支路的直轴电流，L_d1为步骤6状态下电动支路的直轴电感，I_q1为步骤6状态下电动支路的交轴电流，L_q1为步骤6状态下电动支路的交轴电感；I_d2为步骤6状态下发电支路的直轴电流，L_d2为步骤6状态下发电支路的直轴电感，I_q2为步骤6状态下发电支路的交轴电流，L_q2为步骤6状态下发电支路的交轴电感；

此时，电机的铁心损耗P_Fe满足：

其中，P_Fe为电机铁损，P₁为电机输入功率，P_cu为电机铜损，U_1a为电动支路的A相绕组电压，U_1b为电动支路的B相绕组电压，U_1c为电动支路的C相绕组电压，I_1a为电动支路的A相绕组电流，I_1b为电动支路的B相绕组电流，I_1c为电动支路的C相绕组电流；U_2a为发电支路的A相绕组电压，U_2b为发电支路的B相绕组电压，U_2c为发电支路的C相绕组电压，I_2a为发电支路的A相绕组电流，I_2b为发电支路的B相绕组电流，I_2c为发电支路的C相绕组电流；R_a为电机的A相绕组电阻，R_b为电机的B相绕组电阻，R_c为电机的C相绕组电阻。

2.根据权利要求1所述的一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，其特征在于：步骤4所述交直轴电感的测试方法包括：

4.1：在双支路交流永磁电机的一条支路的任意两相绕组EF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_{EF_d}，交流电流有效值为i_EF，交流电流频率为ω，使双支路交流永磁电机被固定在交轴位置，记录此时电机的EF相绕组的端电压波形、EF相电流波形；

4.2：断开电源，保持电气连接不变，在步骤4.1的EF相绕组中，加入直流电流I_EF，记录此时EF绕组两端的线电压U_EF；

4.3：断开电源，保持电气连接不变，在步骤4.1的EF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_{EF_d}，交流电流有效值为i_EF，交流电流频率为ω，同时，在双支路交流永磁电机的另一条支路的任意两相绕组GH中通入直流电流I_GH，使双支路交流永磁电机被固定在直轴位置，记录此时步骤4.1的EF相绕组的端电压波形和相电流波形；

4.4：将4.1中记录下的端电压波形和相电流波形中的直流分量分离出去，得到EF相通入电流的交流分量有效值为i_EF时，EF相交流电压有效值为u_EF(q)，则此时交轴电感L_q满足：

4.5：将:4.3中记录下的EF相绕组的端电压波形、EF相电流波形中的直流分量分离出去，得到EF相通入电流的交流分量有效值为i_EF时，EF相交流电压有效值为u_EF(d)，则此时直轴电感L_d满足：

3.根据权利要求1所述的一种双支路交流永磁电机损耗的测试方法，其特征在于：总磁通Φ₀满足：E₀＝K_eΦ₀，其中E₀为空载反电势，K_e为电势系数。

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