CN103472312A - 交流永磁电机铁心损耗测试方法 - Google Patents

交流永磁电机铁心损耗测试方法 Download PDF

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Abstract

交流永磁电机铁心损耗测试方法，属于电机测试技术领域。所述方法利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点，令一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行，从而不用外加机械负载装置得到多单元电机负载状态下电机的参数。再令所有单元电动运行，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。采用本发明方法实现多相多单元电机机械特性的测试过程中，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。

Description

交流永磁电机铁心损耗测试方法
技术领域
本发明属于电机测试技术领域，涉及一种交流永磁电机铁心损耗的测试方法。
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。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。
发明内容
为了解决目前利用铁耗测试仪测试永磁同步电机铁心损耗时，需要外测试加设备调整困难而且不能考虑铁心制造工艺影响的问题，本发明提供一种无机械负荷的多相多单元永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法。
本发明提出的无机械负荷的多相多单元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：交流永磁电机的发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断。
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速、三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角。
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元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                                                
Figure 169737DEST_PATH_IMAGE001
和d轴电流的直流恒定分量，在电动单元的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单元电机的交直轴电感
Figure 58114DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 829760DEST_PATH_IMAGE004
。
    步骤五：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通
Figure 842716DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤六：将所有单元全作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，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，并测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流
Figure 725221DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 77705DEST_PATH_IMAGE007
，并使此时的dq轴电流满足下式：
；
     此时，电机的铁心损耗可由下式计算得出：
Figure 271237DEST_PATH_IMAGE009
    。
步骤七：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤六，得出多单元电机的不同转速、不同负载下的电机铁损曲线。
本发明所述交流永磁电机为多相多单元永磁同步电机，其定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为m1相对称交流绕组（m1为3），多相多单元永磁同步电机的相数m为: ，其中N为大于3的整数。本发明的多相多单元永磁同步电机的结构示意图如图1所示，负载参数测试结构示意图如图2所示。
本发明的优点是利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点，令一个单元电机电动运行，一个单元电机发电运行，从而不用外加机械负载装置得到多单元电机负载状态下电机的参数。再令所有单元电动运行，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。相比于损耗的间接测试方法，该方法无需外加机械负载装置，节省了测试成本。相比于损耗的直接测试方法，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多相多单元电机机械特性的测试过程中，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为本发明的多相多单元永磁同步电机的结构示意图，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表示第二个独立运行单元的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；
图2为本发明方法的负载参数测试结构示意图；
图3为本发明方法的测试流程图；
图4为测试交直轴电感时待测试电机单元的电路连接图；
图5为测试交直轴电感时另一个非测试单元的电路连接图；
图6为电机被固定在交轴位置的电磁力示意图；
图7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。
如图3所示，本发明提出的无机械负荷的多相多单元永磁同步电机定子铁心损耗的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一：发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断。
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速，三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角。
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元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
Figure 226741DEST_PATH_IMAGE001
和d轴电流的直流恒定分量
Figure 340190DEST_PATH_IMAGE002
，在电动单元的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单元电机的交直轴电感
Figure 265421DEST_PATH_IMAGE003
和。
交直轴电感的测试方法，具体包括以下步骤：
（一）在待测试单元电机的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
Figure 131319DEST_PATH_IMAGE011
，电流的交流分量有效值为
Figure 150091DEST_PATH_IMAGE012
，交流电流频率为
Figure 624934DEST_PATH_IMAGE013
，其具体的电气连接图如图4所示。记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。
（二）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在BC相绕组中，加入直流电流
Figure 652933DEST_PATH_IMAGE014
，记录此时BC绕组两端的线电压
Figure 834516DEST_PATH_IMAGE015
。
（三）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在待测试单元电机的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
Figure 289768DEST_PATH_IMAGE011
，电流的交流分量有效值为
Figure 737061DEST_PATH_IMAGE012
，交流电流频率为
Figure 303172DEST_PATH_IMAGE013
。同时，在一个非测试单元的AC相绕组中通入
Figure 604840DEST_PATH_IMAGE016
的直流电流（
Figure 293310DEST_PATH_IMAGE016
=2
Figure 414850DEST_PATH_IMAGE014
），其具体的电气连接图如图5所示。记录此时的待测试单元电机的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，多单元永磁同步电机交直轴电感的具体计算方法如下：
按照（一）中待测试单元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6所示。所以此时测试出的电感为待测试单元的交轴电感。
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相电流的交流分量有效值为
Figure 784652DEST_PATH_IMAGE012
，BC相交流电压有效值为
Figure 252411DEST_PATH_IMAGE017
。则此时交轴电感L q 的表达式如公式(1)所示：
Figure 49466DEST_PATH_IMAGE018
                            (1)。
按照（三）中待测试单元通入的直流电流分量和非测试单元通入直流电流的约束，电机将被固定在直轴位置，其具体合成矢量如图7所示。所以此时测试出的电感为待测试单元的直轴电感。
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相电流交流分量有效值为，BC相交流电压有效值为
Figure 628531DEST_PATH_IMAGE019
。则此时直轴电感L d 的表达式如公式(2)所示：
             
Figure 639213DEST_PATH_IMAGE020
                    (2)。
本测试方法利用多相多单元永磁同步电机多单元的绕组结构特点结合交流静态法测试电机交直轴电感时，能在通过在绕组中加直流偏置电流模拟运行时的饱和效应，同时采用其他单元通入直流电流来固定转子处于直轴的位置，而不对测试单元造成影响，从而既测试出了电机交直轴电感的饱和值又省去了外加转子堵转装置。
步骤五：将所测试出的电机转速、绕组电阻、单元电机的交直轴电感、功率角、q轴电流流恒定分量带入公式(3)、(4)和(7)，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(3)所示：
Figure 607169DEST_PATH_IMAGE021
                                                         (3)；
其中，T e 为电机产生的电磁转矩，
Figure 703301DEST_PATH_IMAGE022
为转矩系数，
Figure 227954DEST_PATH_IMAGE023
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
Figure 93142DEST_PATH_IMAGE022
的推导过程和表达式，他们的关系式如下：
                                             (4)；
    多单元永磁同步电机一个单元的电压方程经过dq坐标变换后，可表示成如下形式：
Figure 877744DEST_PATH_IMAGE025
                                (5)；
Figure 393039DEST_PATH_IMAGE026
                                        (6)；
其中，
Figure 112734DEST_PATH_IMAGE027
为一个电动单元的功率角，为空载反电势，
Figure 807730DEST_PATH_IMAGE029
为dq变换后d轴电流的直流恒定分量，
Figure 861137DEST_PATH_IMAGE030
为直轴电抗，
Figure 700917DEST_PATH_IMAGE031
为交轴电抗，为一个电动单元的电压，为绕组电阻。
     联立公式(5)和公式(6)，可解出q轴电流的表达式如下：
Figure 206482DEST_PATH_IMAGE035
  (7)；
其中，
Figure 900768DEST_PATH_IMAGE036
为直轴电感，
Figure 817909DEST_PATH_IMAGE037
为交轴电感，
Figure 659963DEST_PATH_IMAGE038
为电机的转速，
Figure 55172DEST_PATH_IMAGE039
为电机的极对数。
由多单元永磁同步电机的数学模型进行推导后可发现，电机的基本电磁转矩仅与绕组相电流和运行的单元电机数量有关，而与运行单元电机的空间位置无关。当N单元永磁同步电机所有单元共同运行时，其基本电磁转矩是其一个单元运行的N倍：
Figure 869544DEST_PATH_IMAGE040
                                 (8)。
步骤六：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通
Figure 3591DEST_PATH_IMAGE041
。
步骤七：将所有单元作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，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，测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流
Figure 270625DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 469525DEST_PATH_IMAGE043
，并使此时的dq轴电流满足公式(9)：
            (9)；
其中，
Figure 194084DEST_PATH_IMAGE045
为电机永磁体每极的总磁通，
Figure 948414DEST_PATH_IMAGE046
为步骤二状态下q轴电流，
Figure 498475DEST_PATH_IMAGE047
为步骤二状态下q轴电感，
Figure 21860DEST_PATH_IMAGE048
为步骤七状态下直轴电流，
Figure 451704DEST_PATH_IMAGE049
为步骤七状态下直轴电感，
Figure 755647DEST_PATH_IMAGE050
为步骤七状态下交轴电流，
Figure 30770DEST_PATH_IMAGE051
为步骤七状态下交轴电感。
    此时，多单元电机的铁心损耗可由公式(10)计算得出：
Figure 674241DEST_PATH_IMAGE052
    (10)；
其中，
Figure 312203DEST_PATH_IMAGE054
为电机铁损，
Figure 41125DEST_PATH_IMAGE056
为电机输入功率，为电机铜损，
Figure 680233DEST_PATH_IMAGE060
为步骤七状态下电机A相绕组电压，为步骤七状态下电机B相绕组电压，
Figure 215568DEST_PATH_IMAGE064
为步骤七状态下电机C相绕组电压，
Figure 98073DEST_PATH_IMAGE066
为步骤七状态下电机A相绕组电流，
Figure 450557DEST_PATH_IMAGE068
为步骤七状态下电机B相绕组电流，
Figure 455423DEST_PATH_IMAGE070
为步骤七状态下电机C相绕组电流，
Figure 893357DEST_PATH_IMAGE034
为步骤七状态下电机A相绕组电阻，
Figure 625559DEST_PATH_IMAGE072
为步骤七状态下电机B相绕组电阻，
Figure 98128DEST_PATH_IMAGE074
为步骤七状态下电机C相绕组电阻。
由对电机铁心损耗的分析可知，此时电机的铁损近似等于多单元电机产生基本电磁转矩
Figure 211578DEST_PATH_IMAGE076
时的铁损。
步骤八：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤七，即可得出多单元电机输出不同电磁转矩下的损耗曲线。

Claims (5)

1.交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述测试方法步骤如下：
步骤一：交流永磁电机的发电机单元端接入负载电阻或负载电网，接入负载电网时，控制驱动器先关断；
步骤二：将电动机单元接入驱动器，并控制驱动器开始运行，测试此时的电机转速、三相绕组电流波形和相电阻电压值，并从控制器中读出这一状态下的功率角；
步骤三：控制驱动器将电机停止运行，然后断开发电机单元的负载，分别在电动单元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                                               和d轴电流的直流恒定分量
Figure 11657DEST_PATH_IMAGE004
，在电动单元的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单元电机的交直轴电感
Figure 979613DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 75745DEST_PATH_IMAGE008
；
    步骤五：用高斯计测量电机永磁体每极的总磁通
Figure 708720DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤六：将所有单元全作为电动单元接入电路，调节驱动控制器，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，并测试出此时的三相绕组电流，经dq变换得出此时的dq轴电流
Figure 839487DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 978345DEST_PATH_IMAGE014
，并使此时的dq轴电流满足下式：
Figure 499456DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure 749172DEST_PATH_IMAGE017
为电机永磁体每极的总磁通，
Figure 734445DEST_PATH_IMAGE018
为步骤二状态下q轴电流，为步骤二状态下q轴电感，
Figure 301879DEST_PATH_IMAGE020
为步骤七状态下直轴电流，
Figure 292969DEST_PATH_IMAGE021
为步骤七状态下直轴电感，
Figure 132749DEST_PATH_IMAGE022
为步骤七状态下交轴电流，为步骤七状态下交轴电感；
   此时，电机的铁心损耗可由下式计算得出：
Figure 92800DEST_PATH_IMAGE025
    ；
其中，
Figure 949898DEST_PATH_IMAGE027
为电机铁损，
Figure 644184DEST_PATH_IMAGE029
为电机输入功率，
Figure 295745DEST_PATH_IMAGE031
为电机铜损，
Figure 278745DEST_PATH_IMAGE033
为步骤七状态下电机A相绕组电压，为步骤七状态下电机B相绕组电压，
Figure 222747DEST_PATH_IMAGE037
为步骤七状态下电机C相绕组电压，
Figure 500669DEST_PATH_IMAGE039
为步骤七状态下电机A相绕组电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为步骤七状态下电机B相绕组电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为步骤七状态下电机C相绕组电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为步骤七状态下电机A相绕组电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为步骤七状态下电机B相绕组电阻，为步骤七状态下电机C相绕组电阻；
步骤七：改变发电机单元端接入的负载电阻的阻值或负载电网的电压值，重复步骤一至步骤六，得出多单元电机的不同转速、不同负载下的电机铁损曲线。
2.根据权利要求1所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述交流永磁电机为多相多单元永磁同步电机，其定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为m1相对称交流绕组，多相多单元永磁同步电机的相数m为: ，其中N为大于3的整数，m1为3。
3.根据权利要求1或2所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于所述交流永磁电机机械特性测试方法，其特征在于所述步骤四中，单元电机的交直轴电感的测试方法包括如下步骤：
（一）在永磁同步电机的待测试单元电机的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
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，交流分量有效值为
Figure 2013104510013100001DEST_PATH_IMAGE055
，交流电流频率为，记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形；
（二）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在BC相绕组中，加入直流电流
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，记录此时BC相绕组两端的线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE061
；
（三）断开电源，保持待测试单元电机的电气连接不变，在待测试单元电机的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
Figure 830020DEST_PATH_IMAGE053
，电流的交流分量有效值为
Figure 950291DEST_PATH_IMAGE055
，交流电流频率为
Figure 619170DEST_PATH_IMAGE057
；同时，在一个非测试单元的AC相绕组中通入
Figure DEST_PATH_IMAGE063
的直流电流，
Figure 815796DEST_PATH_IMAGE063
=2
Figure 304546DEST_PATH_IMAGE059
，记录此时的待测试单元电机的BC相绕组的端电压波形、BC相电流波形。
4.根据权利要求3所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于按照（一）中待测试单元通入的直流电流分量的约束，电机将被固定在交轴位置，此时测试出的电感为待测试单元的交轴电感L q ，其具体计算方法如下：
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相电流的交流分量有效值为
Figure 307137DEST_PATH_IMAGE055
，BC相交流电压有效值为
Figure DEST_PATH_IMAGE065
，则此时交轴电感L q 的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
                                    。
5.根据权利要求3所述的交流永磁电机铁心损耗测试方法，其特征在于按照（三）中待测试单元通入的直流电流分量和非测试单元通入直流电流的约束，电机将被固定在直轴位置，此时测试出的电感为待测试单元的直轴电感L d ，其具体计算方法如下：
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相电流的交流分量有效值为，BC相交流电压有效值为
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，则此时直轴电感L d 的表达式为：
                                  。
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