CN111257749A - 一种直线感应电机参数离线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线感应电机参数的离线测量方法，包括：对被测直线感应电机进行堵转，保证初次级间的气隙；被测电机初级通入额定频率，不同幅值的正弦电压，幅值逐渐增大，至初级电流接近额定值，记录不同幅值电压下的初级绕组端电压，初级电流，初级输入功率，绘制短路特性曲线；动力电机将被测电机拖到恒定速度；被测电机初级通入反向行进的，频率和初级运动速度相对应的正弦电压，幅值逐渐增大至接近额定值，记录初级绕组的端电压，初级电流，初级输入功率，绘制空载曲线；结合空载、短路的等效电路，利用获得的曲线，求解该速度下的励磁电阻和励磁电感，改变动力电机的拖动速度，重复上述步骤。本发明实现了直线感应电机参数的测量。

Description

一种直线感应电机参数离线测量方法

技术领域

本发明属于直线感应电机参数测量领域，更具体地，涉及一种直线感应电机参数离线测量方法。

背景技术

在牵引传动领域，直线感应电机由于其无中间传动传动装置，噪音小；牵引力不受静摩擦力的影响，爬坡能力强；无机械接触，故机械损耗小；无离心力，电机结构鲁棒性好。图1为现有直线感应电机结构示意图，如图1所示，包括初级和次级。初级、次级水平分离，散热效果好等一系列优点得到了越来越广泛的应用。但是，图2为现有直线感应电机的边端效应示意图，如图2所示，其直线的结构导致其出现第二类纵向边端效应，该效应使得次级的入端和出端感应出涡流，使得等效的励磁电感随着边端效应变化，造成了直线感应电机一直被人诟病的模型不准问题。

针对直线感应电机的结构特点，目前主流的做法是通过常见的感应电机T型等效静态测出初始的电阻、电感等参数。然后考虑边端效应，在动态过程中的电阻电感变化规律采用Duncan模型进行拟合。Duncan模型通过能量的等效进行数学推导，得出近似的励磁电阻和电感随速度的变化关系。而精确的损耗模型目前尚未完全建立。尤其在磁悬浮等大功率、大气隙的应用场合，该模型的准确程度尚值得商榷。此外，还有一大批学者在该数学模型的基础上进行参数的在线辨识，但只要少数变化非常明显的参数能够辨识，且在线辨识的前提是模型和其他参数非常精确。基于以上原因，直线电机模型的准确求解仍存在一定的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直线感应电机的参数离线测量方法，旨在解决由于直线感应电机边端效应导致电机励磁电阻和电感随速度的变化明显，数学模型难以精确建立，因此导致控制精度下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种直线感应电机参数的离线测量方法，包括如下步骤：

(1)将被测直线感应电机堵转使其初级位置固定，使得被测直线感应电机短路，保证初级和次级之间的气隙大小不变；

(2)向短路的被测直线感应电机的初级通入频率额定，幅值不同的第一正弦电压，将幅值逐渐增大，至初级电流达到额定值，记录不同幅值电压下初级绕组的端电压，初级电流，初级输入功率，以确定被测直线感应电机的短路特性曲线；

(3)将被测直线感应电机的初级拖到一个预定速度，所述预定速度取值在直线感应电机初级工作时的行进速度范围内；

(4)在初级被拖到预定速度后，将被测直线感应电机的初级通入反向行进的且频率由所述预定速度确定的第二正弦电压使得被测直线感应电机空载，逐渐增大第二正弦电压的幅值，至初级绕组的端电压达到额定值，记录不同幅值电压下初级绕组的端电压、初级电流及初级输入功率，以确定被测直线感应电机的空载特性曲线；

(5)根据被测直线感应电机的短路特性曲线和空载特性曲线，求解该预设速度下被测直线感应电机的励磁电阻和励磁电感；

(6)将被测直线感应电机的初级拖到另一预定速度，重复步骤(4)，(5)，获取不同预设速度下被测直线感应电机的励磁电阻和励磁电感。

可选地，通过动力电机将被测直线感应电机的初级拖到预定速度。

可选地，所述第二正弦电压的频率由所述预定速度确定，使得所述第二正弦电压产生的磁动势相对于初级的运动速度为所述预定速度的相反数，故磁动势相对于次级的运动速度为0，对次级无磁场切割，所述直线感应电机为空载状态，为空载实验创造了实验条件。

可选地，设所述预定速度为V，所述第二正弦电压的频率为：

τ为直线感应电机的初级绕组极距。

可选地，所述短路特性曲线或空载特性曲线包括：对应的初级绕组的端电压与初级电流的关系曲线，初级绕组的端电压与初级输入功率的关系曲线。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所提供的直线感应电机参数离线测量方法，首先根据T型等效电路确定电机的模型，然后通过堵转实验测得短路阻抗、转子电阻和定转子漏抗。再通过对不同速度下被测电机，注入反向行进频率和速度相对应的电压，使得其形成的磁通势相对次级静止，转差为0，进而求得该速度下的励磁电阻和励磁电感的大小。该方法能求解各个运行速度下的电机参数，考虑了电机的实际运行情况，以该数学模型进行控制可获得更高的运行效率，更高的推力精度。

(2)本发明所提供的直线感应电机参数离线测量方法，初级只需要注入正弦电压，检测初级电流和输入功率。控制上不需要额外的硬件成本，且在大功率牵引领域，一辆车包含多个动力车厢，一个动力车厢包含多个逆变器和电机，故方法中提供恒定速度的动力电机不需要额外提供，该方法可实施性高。

(3)本发明所提供的直线感应电机参数离线测量方法，不依赖与某些固定的电机参数，以及阐明参数变化规律的数学模型，可以作为其他模型的校核标准。

附图说明

图1为现有直线感应电机结构示意图；

图2为现有直线感应电机的边端效应示意图；

图3为本发明提供的直线感应电机的T型等效电路示意图；

图4为本发明提供的直线感应电机空载实验平台结构示意图；

图5为本发明提供的直线感应电机堵转实验的等效电路图；

图6为本发明提供的直线感应电机空载实验的等效电路图；

图7为本发明提供的直线感应电机参数离线测量方法流程图。

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5，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图3为本发明提供的直线感应电机的T型等效电路示意图，如图3所示，

和

分别为相电压和相电流矢量，

表示次级电流矢量，

表示励磁电流矢量，R_s、R_r、L_sσ、L_rσ分别为初级电阻、次级电阻、初级漏感、次级漏感，R′_r(v)和L′_m(v)分别为考虑了端部效应的励磁电阻和励磁电感，其大小和速度v有关，

为反映电磁输出功率的等效电阻，s表示滑差率，其为(电频率-初级运动频率)/电频率。

在一个具体的实施例中，本发明采用动力电机与被测直线感应电机机械连接，测试电机的空载特征曲线。其中动力电机用于提供恒定速度，被测直线感应电机通入正弦电压，图4是本发明的测试平台结构示意图，和传统旋转感应电机不同的是其励磁支路上的电阻和电感值和电机运行速度，以及电机结构参数有关，故需要在不同的速度下做空载和短路实验，分别求取励磁支路上的电阻和电感值。其中，V表示动力电机将整个***拖动到的线速度，V_F为空载实验时，被测电机通入的正弦电压产生的行波磁场行进速度，大小和V相同，方向和V相反。

基于图4所示的测试平台，本发明提供的参数离线测量方法包括如下步骤：

(1)对被测直线感应电机进行堵转。

具体地，利用机械装置将被测直线感应电机初级卡住，防止在推力作用下滑动，保证初次级的气隙间距与额定运行时相同，被测电机初级通入频率为额定频率，幅值逐渐增大的正弦波，直至电流接近额定值。由于堵转，初级与次级均静止，滑差s接近1，此时励磁支路的阻抗远大于转子侧的阻抗，故励磁支路可以忽略，如图5所示，图5为直线感应电机堵转实验的等效电路图，堵转试验时，s＝1，励磁支路阻抗远大于转子支路阻抗，由图4等效电路可推得。

(2)被测电机初级通入额定频率，不同幅值的正弦电压，幅值逐渐增大，至电流接近额定值，记录初级绕组端电压U_k，初级电流I_k，初级输入功率P_k，绘制短路曲线，下标k表示短路。

其中短路曲线包括：I_k＝f₁(U_k)，P_k＝f₂(U_k)。f₁表示短路条件下初级绕组端电压U_k和初级电流I_k的函数关系，f₂表示短路条件下初级绕组端电压U_k和初级输入功率P_k的函数关系。

(3)通过动力电机将被测电机拖入某一恒定速度V，并保持恒定。往被测电机初级通入频率

幅值逐渐增大的正弦波，其产生的磁动势行进方向与V相反。其中V为被测电机实际运行速度，τ为直线感应电机的初级绕组极距。由于初级相对于次级运动速度为V，且磁动势相对于初级的运动速度为-V，故磁动势相对于次级的运动速度为0，对次级无磁场切割，且空间存在磁场，初级的入端和出端有涡流产生，有边端效应，故创造了一种有边端效应的空载实验条件。图6为直线感应电机空载实验的等效电路图，空载试验时，s＝0，转子支路阻抗远大于励磁支路阻抗，同样由图4等效电路可推得。

(4)被测电机初级通入反向行进的，频率和初级运动速度相对应的正弦电压，幅值逐渐增大至接近额定值，记录初级绕组的端电压U₀，初级电流I₀，初级输入功率P₀，绘制空载曲线；下标0表示空载。

其中空载曲线包括：I_o＝f₃(U_o)，P_o＝f₄(U_o)。f₃表示空载条件下初级绕组端电压U₀和初级电流I₀的函数关系，f₄表示空载条件下初级绕组端电压U₀和初级输入功率P₀的函数关系。

(5)结合图5和图6给出的短路、空载的等效电路，利用(2)、(4)获得的曲线，求解该速度下的励磁电阻和励磁电感；其求解原理和普通旋转电机的空载短路试验求解T型等效电路参数一致，故不再赘述。

(6)改变动力电机的拖动速度，重复步骤(4)-(5)。判断是否所有运行速度上的参数都已测完，若没有，改变步骤(3)的动力电机的拖动速度值，同样保持速度恒定，重复步骤(4)-(5)，直至所有速度下的励磁电阻和励磁电感参数均测完。最终得到每个速度下的励磁电阻和励磁电感，得到R′_r(v)和L′_m(v)。

本发明公开了一种直线感应电机参数的离线测量方法，，感应电机的参数离线测量通常采用T型等效电路。通过空载实验和短路实验，联立求解等效电路中各参数的值。由于直线感应电机的结构原因，其存在的边端效应导致等效电路中的电磁参数随运行速度以及电机结构参数变化显著，在高速时边端效应更加明显。此外，空载堵转实验在常规的旋转感应电机上易于进行。

但在常规的短初级直线感应电机上，励磁绕组所在的初级即为电机的负载，因此对已装车的直线感应电机，空载实验难以进行。测量方法的要求：采用两台电机，一台提供恒定速度，称为动力电机，另一台用于参数测量，称为被测电机。

本发明提供的方法包括：首先，对被测电机进行堵转(直线机即禁止移动)，从初级施加额定频率的电压，幅值从0开始上升，至电流接近额定值。记录输入功率和电流对施加电压有效值的曲线。其次，通过动力电机将被测电机拖到恒定速度下，对初级绕组通以反向行进的电压，频率和初级速度相对应，电压幅值从0开始逐渐上升，记录电流和输入功率的变化曲线，即为空载曲线。在同一速度下，联立该速度下通过空载实验和短路实验获得的方程即可解出该速度下的励磁电感，励磁电阻等参数。

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 (5)

1.一种直线感应电机参数的离线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将被测直线感应电机堵转使其初级位置固定，使得被测直线感应电机短路，保证初级和次级之间的气隙大小不变；

(2)向短路的被测直线感应电机的初级通入频率额定，幅值不同的第一正弦电压，将幅值逐渐增大，至初级电流达到额定值，记录不同幅值电压下初级绕组的端电压、初级电流及初级输入功率，以确定被测直线感应电机的短路特性曲线；

(3)将被测直线感应电机的初级拖到一个预定速度，所述预定速度取值在直线感应电机初级工作时的行进速度范围内；

(4)在初级被拖到预定速度后，将被测直线感应电机的初级通入反向行进的且频率由所述预定速度确定的第二正弦电压使得被测直线感应电机空载，逐渐增大第二正弦电压的幅值，至初级绕组的端电压达到额定值，记录不同幅值电压下初级绕组的端电压、初级电流及初级输入功率，以确定被测直线感应电机的空载特性曲线；

(5)根据被测直线感应电机的短路特性曲线和空载特性曲线，求解该预设速度下被测直线感应电机的励磁电阻和励磁电感；

(6)将被测直线感应电机的初级拖到另一预定速度，重复步骤(4)，(5)，获取不同预设速度下被测直线感应电机的励磁电阻和励磁电感。

2.根据权利要求1所述的直线感应电机参数的离线测量方法，其特征在于，通过动力电机将被测直线感应电机的初级拖到预定速度。

3.根据权利要求1所述的直线感应电机参数的离线测量方法，其特征在于，所述第二正弦电压的频率由所述预定速度确定，使得所述第二正弦电压产生的磁动势相对于初级的运动速度为所述预定速度的相反数，故磁动势相对于次级的运动速度为0，故对次级无磁场切割，所述直线感应电机为空载状态。

4.根据权利要求3所述的直线感应电机参数的离线测量方法，其特征在于，设所述预定速度为V，所述第二正弦电压的频率为：

τ为直线感应电机的初级绕组极距。

5.根据权利要求1至4任一项所述的直线感应电机参数的离线测量方法，其特征在于，所述短路特性曲线或空载特性曲线包括：对应的初级绕组的端电压与初级电流的关系曲线，初级绕组的端电压与初级输入功率的关系曲线。

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