TWI760946B - 一種馬達量測系統及其方法 - Google Patents

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林瑞裕
姚昱成
宋蕙菱
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Abstract

一種馬達量測系統及其方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，利用本發明之馬達量測系統及馬達量測方法，透過為馬達測試平台系統之馬達量測系統，而量測同步磁阻馬達輸入與輸出之電氣與機械特性，將其代入馬達演算法，而分別得到實際電機運轉時之
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軸電感值，且本發明之馬達量測系統及其方法可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
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Description

一種馬達量測系統及其方法
本發明係有關於馬達量測系統及其方法，更詳而言之，係有關於一種應用在同步磁阻馬達之電感量測之環境中的馬達量測系統及其方法，量測同步磁阻馬達輸入與輸出之電氣與機械特性並代入馬達演算法，而分別得到實際馬達運轉時之
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值。
全球為了統一馬達能效等級，以促進競爭性的馬達市場轉型，各國實施最低能源效率標準(Minimum Energy Performance Standard， MEPS )，主要參考國際電工委員會(The International Electrotechnical Commission， IEC）馬達能效分級標準。其中變頻馬達效率規範為IEC60034-30-2，其範圍包含0.12-1,000kW，額定轉速在1-6,000RPM。馬達效率標準分為5個等級，分別為標準效率(Standard Efficiency， IE1)、優級效率(High Efficiency， IE2)、超高效率(Premium Efficiency， IE3) 、超優級效率(Super Premium Efficiency， IE4)與特超優級效率(Gold Standard Efficiency， IE5)，IE5能效標準已成為未來馬達目標。
IEC60034-30-2馬達分級標準依照IEC61800-9-2變頻馬達系統能效規範進行測試，在IEC61800-9-2中，效率規範的範疇分別為完整驅動模組(Complete Drive Modules， CDM)及電力驅動系統(Power Drive System， PDS)，前者指單一變頻器，後者為變頻器及馬達。將功率範圍為0.12 kW至1,000 kW，進行效率等級的定義，並依照馬達轉矩與轉速不同，定義八個操作點，分別對各操作點計算損失評估能效。馬達電感值會隨操作點不同而有所差異，因此在做電機的參數鑑別時，不能只針對額定點進行量測。
一般在選購市售馬達時，無法得知其相關的電機參數，若操作者需要此資訊，必須藉由相關規範及精確的量測設備來得知。目前，針對感應馬達的參數鑑別已有許多廣泛的研究，但針對同步馬達參數鑑別的技術及相關文獻較少。
電感是影響馬達功率因數與轉矩，極為重要的參數之一，且馬達電感並非為一常數值，主要與電流大小、電機的動態響應與穩態特性息息相關，換言之，電感之大小會隨著電流大小而不同，再者，先前技術需額外之設備，且易受設備的限制(尤其當馬達輸出功率增加時，電源供應器體積不但大，且成本非常高)，無法以馬達真實運轉下之操作點進行測試，因此，如何能在馬達真實運轉下，進行
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軸電感值量測並取得
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軸電感值的精確性至關重要。
於目前的習知技術，以LCR meter量測方法而言，在馬達上選擇任兩相的定子繞組，利用LCR meter量測馬達的
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端、
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端以及
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端。每個端點在測試過程依照轉子角度的不同，可量測到定子線電感最大值與最小值 。將線電感最大值除以二可以得到
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軸電感 ，將線電感最小值除以二可以得到
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軸電感 。此LCR meter量測方法為多數人採用，然其缺點為，只能量到電流10~100mA以下之電感值，並不符合馬達正常操作之條件，無法獲得完整的電流對電感的曲線。
以定電壓量測方法而言，其係利用交流電壓供應器，採定電壓方式量測
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軸電感。測試過程中馬達以轉速1RPM之速度緩慢轉動，將馬達順時鐘運轉360度，即可繪製出角度對電感的曲線圖。此定電壓量測方法可得知轉子角度對應之電感，然其缺點為，需要一部大容量之可變電壓的電源供應器(如欲測量較大電流下之電感值)，無法同時得到該電流下之
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軸電感，亦無法獲得完整的電流對電感的曲線。
以有限元素分析方法而言，其係將電機之幾何形狀、材料特性及繞線參數匯入有限元素分析軟體，利用電腦進行計算，可得到
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軸之電感值。此有限元素分析方法可計算出各操作點下之電感，然其缺點為，需事先知道馬達的幾何結構尺寸，及其材料特性，且計算量大會消耗大量時間。
台灣公開/公告號I533591「一種適用於內嵌式永磁同步馬達及同步磁阻馬達以延伸型反電動勢估測為基礎的預測電流控制方法」係提出一種以延伸型反電動勢估測為基礎的預測電流控制方法，可適用於內嵌式永磁同步馬達及同步磁阻馬達。首先，馬達的三相延伸型反電動勢可經由量測的電流和電壓，並利用q軸電感參數及定子電阻參數估算求得。接著，使用馬達的離散時間模型以計算在下一次取樣時間的定子電流值。然後，定義成本函數以計算變頻器在下一次取樣時間，所有可能的開關切換狀態下，對應的成本函數值。藉由選擇有最小成本函數值的電壓向量，決定下一次取樣時間的開關切換狀態，以直接控制變頻器的閘級訊號。相較於傳統的電流磁滯控制，所提的預測電流控制可有效地提升馬達驅動系統的電流追蹤能力。
台灣公開/公告號I473413「電流向量控制的同步磁阻馬達驅動方法」係揭露一種電流向量控制的同步磁阻馬達及其驅動方法，該馬達之定子單元於各定子齒部上以相同方向繞設有線圈，該些線圈構成一U相繞組、一V相繞組與一W相繞組，該些線圈分別接收平衡三相弦波電流而產生磁力線，使得同相繞組線圈所圍繞的定子齒部產生相同的磁極性，並令相鄰的定子齒部和轉子之間形成短磁路；馬達製造成本低廉，該驅動方法是同時在三相繞組施加平衡三相電流，使馬達達到高運轉效率，適用於廣泛節能的家電及自動化產業等相關應用產品上。
台灣公開/公告號I543521「以電流變化偵測技術的預測電流控制法應用於內嵌式永磁同步電動機及同步磁阻電動機驅動系統」係提出以電流變化偵測技術的預測電流控制方法，該方法可應用於內嵌式永磁同步電動機及同步磁阻電動機驅動系統。為了實現所提出的預測電流控制方法，首先，分別在每次取樣間隔內的開關切換的前後，進行電流取樣。接著，使用簡單的減法運算，計算電動機在開關切換間隔內所對應的定子電流變化。然後，透過簡單的加法運算，可預測電動機在下一次所有可能的開關切換模式下所對應的定子電流。接下來，設計一成本函數以量化電流預測值和參考值之間的電流誤差。藉由選擇具有最小成本函數的開關切換模式，在下一次取樣間隔內輸出對應的閘級訊號至變頻器。另外，在實施例中，內嵌式永磁同步電動機是連接一個四開關三相變頻器，該變頻器能產生四種不同的開關切換模式。相較於傳統的電流磁滯控制，所提出的預測電流控制可有效地改善電動機驅動系統的電流諧波。
台灣公開/公告號 I360287「一種使用延伸型磁通估測技術用於內嵌式永磁同步電動機之轉子角度／速度估測方法」係提出一種使用延伸型磁通估測技術以適用於內嵌式永磁同步電動機之數位化轉子角/速度估測方法。藉由量測馬達的電流和電壓訊號經由數位信號處理器進行計算，以估測出延伸型磁通，將三相延伸型磁通利用座標轉換得到兩相延伸型磁通，接著計算其反正切，以獲得角度資訊。特點為不須要複雜的數學運算，並可估測出相當精確的轉子角度。轉子角度經差分運算即得轉子速度。可適用於電動機中、高速運轉時之轉子角度估測。
台灣公開/公告號I315602「三相交流永磁同步馬達及同步磁阻馬達電流控制型變頻器切換方法」係揭露一種三相交流永磁同步馬達及同步磁阻馬達電流控制型變頻器切換方法，此方法係根據變頻器在不同的切換模式下所構成的數學模型，並經由量測電動機的電流斜率變化，事先預估變頻器每一個切換狀態的電流變化率，因此變頻器可藉由電動機電流命令與實際電流的誤差，以及電動機轉軸位置，決定最佳的變頻器切換模式，免除複雜的電流控制迴路與額外的硬體電路。由於變頻器具有最佳的切換模式，因此不但可減少電動機電流的諧波成分而且可降低變頻器的切換頻率，進一步減少電力開關的切換損失。
台灣公開/公告號I469501「同步磁阻電動機的控制方法」係揭露一種同步磁阻電動機的控制方法，該同步磁阻電動機包括一定子、一轉軸、一直軸及一交軸，轉軸具有一位置及一速度，該同步磁阻電動機的控制方法包括：提供一位置控制程式、一速度控制程式及一電流控制程式；選擇執行位置控制程式或執行速度控制程式以產生一交軸電流；執行電流控制程式；偵測同步磁阻電動機，以得到第一相電流、第二相電流及第三相電流，並將三相電流轉換為一數位訊號；利用三相電流及交軸電流計算出一直軸電流；將交軸電流及直軸電流轉換為直軸電壓命令及交軸電壓命令；將直軸電壓命令及交軸電壓命令執行脈波寬度調變，得到一觸發訊號來控制同步磁阻電動機。此控制方法係利用適應性估測方法及非線性規劃最佳化技術來控制同步磁阻電動機的電流、位置及速度，以有效提升同步磁阻電動機的性能。
所以，如何能解決，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
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軸電感值，獲得完整的負載電流對電感的曲線;可配合IEC60034-30-2法規，獲得適用額定電流6.25%~300%的範圍與量測範圍廣且非單點提供之完整的負載電流對電感的曲線;可在進行馬達能效測試認證(馬達販售必要階段)中一同得到結果;另，可針對不同負載條件下的同步磁阻馬達電感進行量測，均是待解決的議題;在此，以上種種所述，均是待解決的問題。
本發明之主要目的便是在於提供一種馬達量測系統及其方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，利用本發明之馬達量測系統及馬達量測方法，透過為馬達測試平台系統之馬達量測系統，而量測同步磁阻馬達輸入與輸出之電氣與機械特性，將其代入馬達演算法，而分別得到實際電機運轉時
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軸電感值，且本發明之馬達量測系統及其方法可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
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軸電感值。
本發明之再一目的便是在於提供一種馬達量測系統及其方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，利用本發明之馬達量測系統以進行馬達量測方法時，首先，進行參數取得動作，在此，參數將包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得;接著，進行迭代演算動作，利用所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代;進而，得出得到
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軸電感值，在此，分別得到實際電機運轉時之
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到馬達的
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軸電感值。
本發明之又一目的便是在於提供一種馬達量測系統及其方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，能在馬達真實運轉下，進行
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軸電感值量測、並取得
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軸電感值的精確性;可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
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軸電感值，獲得完整的負載電流對電感的曲線;可配合IEC60034-30-2法規，獲得適用額定電流6.25%~300%的範圍與量測範圍廣且非單點提供之完整的負載電流對電感的曲線;可在進行馬達能效測試認證(馬達販售必要階段)中一同得到結果;另，可針對不同負載條件下的同步磁阻馬達電感進行量測。
根據以上所述之目的，本發明提供一種馬達量測系統，該馬達量測系統包含量測模組、馬達演算法模組以及資料庫。
馬達測試平台整機系統包含供電系統、功率計、電阻計、轉速感測器、轉矩感測器及測試載台等。測試過程利用馬達對心儀，將待測馬達與負載(伺服)馬達以聯軸器進行水平接合。透過輸入側功率計及輸出側功率計量測待測馬達之電壓、電流、功率因數及透過電阻計量測電阻。經由系統控制負載馬達施加負載，並利用轉速感測器、轉矩感測器偵測待測馬達之轉速與轉矩。最後透過中央控制系統自動化程式與工業通訊系統，將各類訊號資料集中與運算成馬達效率、功率等輸出特性等。
量測模組，該量測模組將量測並取得待測馬達之參數，該待測馬達之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得;該量測模組將該待測馬達之該些參數傳送至馬達演算法模組，以進行迭代演算動作。
馬達演算法模組，該馬達演算法模組利用該量測模組所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代，以得出得到
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軸電感值，在此，分別得到實際電機運轉時之
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到馬達的
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軸電感值。
資料庫，該資料庫除可儲存馬達演算法模組之馬達演算法所需之待測馬達之包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數的參數之外，尚可儲存經馬達演算法模組之馬達演算法所得之待測馬達的
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軸電感值。
利用本發明之馬達量測系統以進行馬達量測方法時，首先，進行參數取得動作;量測模組將量測並取得待測馬達之參數，該待測馬達之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得;另，該量測模組將該待測馬達之該些參數傳送至馬達演算法模組。
接著，進行迭代演算動作;馬達演算法模組利用量測模組所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代。
進而，得出得到
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軸電感值;在此，分別得到實際電機運轉時之
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到馬達的
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軸電感值。
爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如後:
第1圖為一系統示意圖，用以顯示說明本發明之馬達量測系統之系統架構、以及運作情形。如第1圖中所示之，馬達量測系統1包含量測模組2、馬達演算法模組3以及資料庫4。
馬達測試平台整機系統包含供電系統、 功率計、電阻計、轉速感測器、轉矩感測器及測試載台等。測試過程利用馬達對心儀，將待測馬達與負載(伺服)馬達以聯軸器進行水平接合。透過輸入側功率計及輸出側功率計量測待測馬達之電壓、電流、功率因數及透過電阻計量測電阻。經由系統控制負載馬達施加負載，並利用轉速感測器、轉矩感測器偵測待測馬達之轉速與轉矩。最後透過中央控制系統自動化程式與工業通訊系統，將各類訊號資料集中與運算成馬達效率、功率等輸出特性等。
量測模組2，該量測模組2將量測並取得待測馬達之參數，該待測馬達之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得;該量測模組2將該待測馬達之該些參數傳送至馬達演算法模組3，以進行迭代演算動作。
馬達演算法模組3，該馬達演算法模組3利用該量測模組2所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代，以得出
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-
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軸電感值，在此，分別得到實際待測馬達之電機運轉時之
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-
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算待測馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到待測馬達的
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軸電感值。
資料庫4，該資料庫4除可儲存馬達演算法模組3之馬達演算法所需之待測馬達之包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數的參數之外，尚可儲存經馬達演算法模組3之馬達演算法所得之待測馬達的
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軸電感值。
在此，本發明之馬達量測系統係可為一電機自動測試系統( Automatic motor test system)或是位於一電機自動測試系統中，而量測模組及/或馬達演算法模組係為硬體、韌體、及軟體的至少其中之一，配合電機自動測試系統的處理器(未圖示之)而進行動作;馬達量測系統之資料庫可配合電機自動測試系統的處理器(未圖示之)、以及顯示螢幕(未圖示之)，而將所得之待測馬達的
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-
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軸電感值展現於顯示螢幕上，端視實際施行情況而定。
第2圖為一流程圖，用以顯示說明利用如第1圖中之本發明之馬達量測系統以進行馬達量測方法的流程步驟。如第2圖中所示之，首先，於步驟101，首先，進行參數取得動作;量測模組2將量測並取得待測馬達之參數，該待測馬達之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得;該量測模組2將該待測馬達之該些參數傳送至馬達演算法模組3，並進到步驟102。
於步驟102，進行迭代演算動作;馬達演算法模組3利用量測模組2所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代，並進到步驟103。
在此，利用馬達演算法進行迭代時;利用量測之功率因數(
Figure 02_image020
計算出凸極比
Figure 02_image022
，再透過
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-
Figure 02_image007
軸電感估測方法，假設一電流相位角(
Figure 02_image024
)與量測之電流(
Figure 02_image026
)、轉矩(
Figure 02_image028
)、凸極比
Figure 02_image022
及馬達極數(
Figure 02_image031
)共5個參數，一同代入
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-
Figure 02_image007
軸電感計算式，可得該電流相位角下的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值(
Figure 02_image033
)。由於無法得知量測時馬達實際的電壓、電流相位角，因此，將所得之電感值及電阻(
Figure 02_image035
)、電流、轉速(
Figure 02_image037
)、電流相位角，共5個參數，代入方程式，得到一電壓計算值(
Figure 02_image039
)。若計算出的電壓與量測所得之電壓(
Figure 02_image041
)匹配，此時電壓、電流相位角與電感值即為量測時之實際值。如兩者電壓不相符，需重新假設電流相位角並以迴圈的方式檢驗，直至電壓相符合。
於步驟103，得出
Figure 02_image005
-
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軸電感值;在此，分別得到實際待測馬達之電機運轉時之
Figure 02_image005
-
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軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算待測馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到待測馬達的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。
第3圖為一流程圖，用以顯示說明於第2圖中之馬達量測方法的迭代演算動作之過程的詳細步驟。如第3圖中所示之，首先，於步驟1021，得出凸極比
Figure 02_image022
;利用量測之功率因數(
Figure 02_image020
計算出凸極比
Figure 02_image022
，並進到步驟1022。
於步驟1022，得出初估電感值;透過量測之電流(
Figure 02_image026
)、轉矩(
Figure 02_image028
)及由步驟1021得到之凸極比
Figure 02_image022
與已知的馬達極數(
Figure 02_image031
)，並假設一電流相位角
Figure 02_image024
，共5個參數，一同代入
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感計算式，得到一
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值(
Figure 02_image033
)，並進到步驟1023。
於步驟1023，得出電壓計算值;將步驟1022所得之電感值及電阻(
Figure 02_image035
)、電流、轉速(
Figure 02_image037
)、電流相位角，共5個參數，代入方程式得到一電壓計算值(
Figure 02_image039
)，並進到步驟1024。
於步驟1024，檢驗計算電壓值(
Figure 02_image039
)是否等於量測電壓值(
Figure 02_image041
);若計算電壓值(
Figure 02_image039
)不等於量測電壓值(
Figure 02_image041
)，需重新假設一電流相位角，例如，將假設之電流相位角
Figure 02_image024
減0.5，在此，此數值視實際施行情況而可自行變更，並回到步驟1022，開始重複步驟1022、1023、1024，直至計算電壓值(
Figure 02_image039
)與量測電壓值(
Figure 02_image041
)相符合;若計算電壓值(
Figure 02_image039
)等於量測電壓值(
Figure 02_image041
)，即可確定其電壓、電流相位角與電感值，並進到步驟103。
第4圖為一示意圖，用以顯示說明利用本發明之馬達量測系統的一實施例的系統架構、以及運作情形。如第4圖中所示之，馬達量測系統1包含量測模組2、馬達演算法模組3以及資料庫4，其中，馬達量測系統1係為一電機自動測試系統(Automatic motor test system)，而量測模組2及/或馬達演算法模組3係為硬體、韌體、及軟體的至少其中之一，配合電機自動測試系統的處理器(未圖示之)而進行動作;馬達量測系統1之資料庫4可配合電機自動測試系統的處理器(未圖示之)、以及顯示螢幕(未圖示之)，而將所得之待測馬達15的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值展現於顯示螢幕上。
馬達測試平台整機系統包含供電系統110、功率計(輸出側功率計16、輸入側功率計19)、動力計控制器11、電阻計18、轉速感測器13、轉矩感測器14及測試載台等。測試過程利用馬達對心儀，將待測馬達15與負載(伺服)馬達12以聯軸器進行水平接合。透過輸入側功率計19及輸出側功率計16量測待測馬達15之電壓、電流、功率因數及透過電阻計18量測電阻。經由系統控制負載馬達12施加負載，並利用轉速感測器13、轉矩感測器14偵測待測馬達15之轉速與轉矩。最後透過中央控制系統自動化程式與工業通訊系統，將各類訊號資料集中與運算成馬達效率、功率等輸出特性等。
量測模組2，該量測模組2將量測並取得待測馬達15之參數，該待測馬達15之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，馬達極數不需透過量測取得，其餘皆由量測結果取得，在此，例如， 電壓為馬達測試電壓有效值(
Figure 02_image041
)、電流為馬達測試電流有效值(
Figure 02_image026
)、電阻為定子線電阻(
Figure 02_image035
)、功率因數 (
Figure 02_image020
、轉矩為(
Figure 02_image028
)、轉速為轉子電氣轉速(
Figure 02_image037
)與馬達極數為(
Figure 02_image031
);該量測模組2將該待測馬達15之該些參數傳送至馬達演算法模組3，以進行迭代演算動作。
在此，為同步磁阻馬達之待測馬達15的規格為:極數(
Figure 02_image031
)為4、額定功率為20 HP、額定電壓為380 V、額定轉速2000 RPM、額定電流36 A、轉矩為71 Nm。
馬達演算法模組3，該馬達演算法模組3利用該量測模組2所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代，以得出
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，在此，分別得到實際待測馬達15之電機運轉時之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算待測馬達15在任一操作點之電感值，可精準及快速得到待測馬達15的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。在此，馬達演算法模組3中的馬達演算法如下:
功率因數方程式: 最大功率因數
Figure 02_image056
與激磁條件之關係式
Figure 02_image058
 (1)
其中功率因數與凸極比
Figure 02_image060
關係可表示為
Figure 02_image062
 (2)
Figure 02_image064
 (3)
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感計算式: 同步磁阻馬達數學方程式建立於電流大小不變轉換，可知
Figure 02_image066
 (4)
由第5圖可以得知電流與其分量關係，且已知
Figure 02_image068
 (5)
若電流相位角為
Figure 02_image070
(即
Figure 02_image072
)，其
Figure 02_image074
與
Figure 02_image076
的乘積將最大，所得之轉矩亦最大，由上述可將(5)式整理可得(6)式。
Figure 02_image078
 (6)
已知
Figure 02_image080
 (7)
Figure 02_image082
將(7)式代入同步磁阻馬達轉矩方程式(8)式，可得(9)
Figure 02_image084
 (8)
Figure 02_image086
 (9)
透過(6)式可將(9)式簡化成
Figure 02_image088
 (10)
將凸極比
Figure 02_image060
代入(9)式，可得轉矩與凸極比之關係式為
Figure 02_image090
 (11)
Figure 02_image092
 (12)
透過(11)式~(12)式，
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感可表示為
Figure 02_image094
 (13)
Figure 02_image096
 (14)
當馬達到達穩態時，電壓方程式為(15)式~(16)式，透過所量測之線電阻、線電流、轉速等參數代入(15)式~(16)式，可得(17)式~(18)式。
Figure 02_image098
 (15)
Figure 02_image100
 (16)
Figure 02_image102
 (17)
Figure 02_image104
 (18)
將各電流相位角下的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值代入(17)式~(18)式，即可得知測試時之電壓與電流相位角及其相對應之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。 利用(17)式~(18)式，可得到線電壓之有效值，如(19)式
Figure 02_image106
 (19)
在此，必須強調的是，以上之轉矩最大化為技術建立基礎且(10)式為馬達演算法的技術特徵之一;而計算式(13)式~(14)式、(17)式~(19)式為馬達演算法的必要計算式;而計算式(17)~(19)式為進行迭代運算所需之計算式。
於馬達演算法中，各符號的意義為:
Figure 02_image108
Figure 02_image005
軸電壓
Figure 02_image110
Figure 02_image007
軸電壓
Figure 02_image041
 馬達測試電壓有效值
Figure 02_image112
Figure 02_image114
相定子電流
Figure 02_image116
 定子電流
Figure 02_image074
Figure 02_image005
軸電流
Figure 02_image076
Figure 02_image007
軸電流
Figure 02_image026
 馬達測試電流有效值
Figure 02_image118
 定子相電阻
Figure 02_image035
 定子線電阻
Figure 02_image120
Figure 02_image005
軸電感
Figure 02_image122
Figure 02_image007
軸電感
Figure 02_image056
 功率因數
Figure 02_image024
 電流激磁角
Figure 02_image060
 凸極比
Figure 02_image028
 轉矩
Figure 02_image031
 馬達極數
Figure 02_image037
 轉子電氣轉速
Figure 02_image128
 定子相電壓
Figure 02_image116
 定子相電流
Φ 電壓向量與電流向量夾角
於馬達演算法中，利用量測之功率因數(
Figure 02_image020
代入(3)式計算出凸極比
Figure 02_image022
，再透過
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感估測方法，假設一電流相位角(
Figure 02_image024
)與量測之電流(
Figure 02_image026
)、轉矩(
Figure 02_image028
)、凸極比
Figure 02_image022
及馬達極數(
Figure 02_image031
)共5個參數，一同代入
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感計算式(13)式~(14)式，可得該電流相位角下的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值(
Figure 02_image033
)。由於無法得知量測時馬達實際的電壓、電流相位角，因此，將所得之電感值及電阻(
Figure 02_image035
)、電流、轉速(
Figure 02_image037
)、電流相位角，共5個參數，代入電壓方程式(17)式~(18)式，再將其值代入(19)式，得到一電壓計算值(
Figure 02_image039
)。若計算出的電壓與量測所得之電壓(
Figure 02_image041
)匹配，此時電壓、電流相位角與電感值即為量測時之實際值。如兩者電壓不相符，亦即，若計算出電壓與實際量測電壓不匹配，需重新假設電流相位角並以迴圈的方式檢驗，例如，以斜率-0.5調整相位角，直至計算電壓與量測電壓相符合。
經由馬達演算法，可以將能效測試所得到的實驗數據，不用增加額外設備與儀器下，獲得完整的負載電流對電感的曲線。從電流對
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感與電感差值的影響，可分別看出
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感與電流大小之關係，藉此可觀察電感飽和狀態與
Figure 02_image005
軸電感會明顯受到電流大小變化而影響，如第6圖中所示。
資料庫4，該資料庫4除可儲存馬達演算法模組3之馬達演算法所需之待測馬達15之包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數的參數之外，尚可儲存經馬達演算法模組3之馬達演算法所得之待測馬達15的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。
在此，於本實施例中，雖馬達量測系統1係為一電機自動測試系統(Automatic motor test system)，惟，對於馬達量測系統1係位於一電機自動測試系統中而言，其理相同、類似於本實施例，是故，在此不再贅述。
第5圖為一示意圖，用以顯示說明於第4圖中的實施例的馬達演算法中的為同步磁阻馬達之待測馬達15的電壓與電流向量的關係。如第5圖中所示，當同步磁阻馬達數學方程式建立於電流大小不變轉換，可知計算式(4)，而由第5圖可以得知電流與其分量關係，且於計算式(5)，若電流相位角為
Figure 02_image070
(即
Figure 02_image072
)，其
Figure 02_image074
與
Figure 02_image076
的乘積將最大，所得之轉矩亦最大，由上述可將計算式(5)整理而得出計算式(6)。
第6圖為一示意圖，用以顯示說明於第4圖中之實施例為同步磁阻馬達之待測馬達15利用馬達演算法所得出的電感對電流的曲線。如第6圖中所示之，為於第4圖中之為同步磁阻馬達的待測馬達15之馬達規格利用馬達演算法，所得到之電感對電流曲線。
第7圖為一流程圖，用以顯示說明利用如第4圖中之本發明之馬達量測系統的一實施例以進行馬達量測方法的一流程步驟。如第7圖中所示之，首先，於步驟201，首先，進行參數取得動作;量測模組2將量測並取得待測馬達15之參數，該待測馬達15之該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數，其中，電壓為馬達測試電壓有效值(
Figure 02_image041
)、電流為馬達測試電流有效值(
Figure 02_image026
)、電阻為定子線電阻(
Figure 02_image035
)、功率因數 (
Figure 02_image020
、轉矩為(
Figure 02_image028
)、轉速為轉子電氣轉速(
Figure 02_image037
)與馬達極數為(
Figure 02_image031
)，為同步磁阻馬達之待測馬達15的規格為:極數(P)為4、額定功率為20 HP、額定電壓為380 V、額定轉速2000 RPM、額定電流36 A、轉矩為71 Nm;該量測模組2將該待測馬達15之該些參數傳送至馬達演算法模組3，並進到步驟202。
於步驟202，進行迭代演算動作;馬達演算法模組3利用量測模組2所取得的該些參數，利用馬達演算法進行迭代，並進到步驟203。
在此，利用馬達演算法進行迭代時;利用量測之功率因數(
Figure 02_image020
代入計算式(3)計算出凸極比
Figure 02_image022
，再透過
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感估測方法，假設一電流相位角(
Figure 02_image024
)與量測之電流(
Figure 02_image026
)、轉矩(
Figure 02_image028
)、凸極比
Figure 02_image022
及馬達極數(
Figure 02_image031
)共5個參數，一同代入
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感計算式(13)式~(14)式，可得該電流相位角下的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值(
Figure 02_image033
)。由於無法得知量測時馬達實際的電壓、電流相位角，因此，將所得之電感值及電阻(
Figure 02_image035
)、電流、轉速(
Figure 02_image037
)、電流相位角，共5個參數，代入電壓方程式(17)式~(18)式，再將其值代入計算式(19)式，得到一電壓計算值(
Figure 02_image039
)。若計算出的電壓與量測所得之電壓(
Figure 02_image041
)匹配，此時電壓、電流相位角與電感值即為量測時之實際值。如兩者電壓不相符，需重新假設電流相位角並以迴圈的方式檢驗，直至電壓相符合。
於步驟203，得出
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值;在此，分別得到實際待測馬達15之電機運轉時之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算待測馬達15在任一操作點之電感值，可精準及快速得到待測馬達15的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。
第8圖為一流程圖，用以顯示說明於第7圖中之馬達量測方法的迭代演算動作之過程的詳細步驟。如第8圖中所示之，首先，於步驟2021，得出凸極比
Figure 02_image022
;利用量測之功率因數(
Figure 02_image020
代入計算式(3)以計算出凸極比
Figure 02_image022
，並進到步驟2022。
於步驟2022，得出初估電感值;透過量測之電流(
Figure 02_image026
)、轉矩(
Figure 02_image028
)及由步驟2021得到之凸極比
Figure 02_image022
與已知的馬達極數(
Figure 02_image031
)，並假設一電流相位角
Figure 02_image024
，共5個參數，一同代入
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感計算式(13)式~(14)式，得到一
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值(
Figure 02_image033
)，並進到步驟2023。
於步驟2023，得出電壓計算值;將步驟2022所得之電感值及電阻(
Figure 02_image035
)、電流、轉速(
Figure 02_image037
)、電流相位角，共5個參數，代入電壓方程式(17)式~(18)式，再將其值代入(19)式，得到一電壓計算值(
Figure 02_image039
)，並進到步驟2024。
於步驟2024，檢驗計算電壓值(
Figure 02_image039
)是否等於量測電壓值(
Figure 02_image041
);若計算電壓值(
Figure 02_image039
)不等於量測電壓值(
Figure 02_image041
)，需重新假設一電流相位角，例如，將假設之電流相位角
Figure 02_image024
減0.5，在此，此數值視實際施行情況而可自行變更，並回到步驟2022，開始重複步驟2022、2023、2024，直至計算電壓值(
Figure 02_image039
)與量測電壓值(
Figure 02_image041
)相符合;若計算電壓值(
Figure 02_image039
)是否等於量測電壓值(
Figure 02_image041
)，即可確定其電壓、電流相位角與電感值，並進到步驟203。
綜合以上之該些實施例，我們可以得到本發明之一種馬達量測系統及其方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，利用本發明之馬達量測系統及馬達量測方法，透過為馬達測試平台系統之馬達量測系統，而量測同步磁阻馬達輸入與輸出之電氣與機械特性，將其代入馬達演算法，而分別得到實際電機運轉時之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，且本發明之馬達量測系統及其方法可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。
本發明之馬達量測系統及其方法的優點如下: 1.    透過為馬達測試平台系統之馬達量測系統，而量測同步磁阻馬達輸入與輸出之電氣與機械特性，將其代入馬達演算法，而分別得到實際電機運轉時之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，且本發明之馬達量測系統及其方法可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。 2.    分別得到實際電機運轉時之
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，可精準及快速得到馬達的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值。 3.    能在馬達真實運轉下，進行
Figure 02_image135
-
Figure 02_image007
軸電感值量測、並取得行
Figure 02_image135
-
Figure 02_image007
軸電感值的精確性;可不侷限於估算單一操作點，而是可精準及快速估算馬達在任一操作點之電感值，且可在電機能效標準認證中一同進行，無須額外之量測設備，即可精準及快速得到馬達的
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
軸電感值，獲得完整的負載電流對電感的曲線;可配合IEC60034-30-2法規，獲得適用額定電流6.25%~300%的範圍與量測範圍廣且非單點提供之完整的負載電流對電感的曲線;可在進行馬達能效測試認證(馬達販售必要階段)中一同得到結果;另，可針對不同負載條件下的同步磁阻馬達電感進行量測。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之範圍;凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。
1:馬達量測系統 2:量測模組 3:馬達演算法模組 4:資料庫 11:動力計控制器 12:負載馬達 13:轉速感測器 14:轉矩感測器 15:待測馬達 16:輸出側功率計 17:控制器 18:電阻計 19:輸入側功率計 101  102  103:步驟 201  202  203:步驟 1021  1022  1023  1024:步驟 2021  2022  2023  2024:步驟
第1圖為一系統示意圖，用以顯示說明本發明之馬達量測系統之系統架構、以及運作情形; 第2圖為一流程圖，用以顯示說明利用如第1圖中之本發明之馬達量測系統以進行馬達量測方法的流程步驟; 第3圖為一流程圖，用以顯示說明於第2圖中之馬達量測方法的迭代演算動作之過程的詳細步驟; 第4圖為一示意圖，用以顯示說明利用本發明之馬達量測系統的一實施例的系統架構、以及運作情形; 第5圖為一示意圖，用以顯示說明於第4圖中的實施例的馬達演算法中的為同步磁阻馬達之待測馬達的電壓與電流向量的關係; 第6圖為一示意圖，用以顯示說明於第4圖中之實施例為同步磁阻馬達之待測馬達15利用馬達演算法所得出的電感對電流的曲線; 第7圖為一流程圖，用以顯示說明利用如第4圖中之本發明之馬達量測系統的一實施例以進行馬達量測方法的一流程步驟;以及 第8圖為一流程圖，用以顯示說明於第7圖中之馬達量測方法的迭代演算動作之過程的詳細步驟。
101,102,103:步驟

Claims (6)

  1. 一種馬達量測方法，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，包含以下程序：進行參數取得動作；將量測並取得待測馬達之參數，另，將該待測馬達之該些參數予以傳送；進行迭代演算動作；利用待測馬達之該些參數，以馬達演算法進行迭代；以及得出d-q軸電感值；其中，該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達量測方法，其中，得出該d-q軸電感值為該待測馬達實際電機運轉時之d-q軸電感值，為估算該待測馬達在任一操作點之電感值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達量測方法，其中，該迭代演算動作係包含以下程序：得出凸極比(δ)；得出初估電感值；得出電壓計算值；以及檢驗計算電壓值(
    Figure 109141898-A0305-02-0020-1
    )是否等於量測電壓值(V RMS )。
  4. 一種馬達量測系統，係應用在同步磁阻馬達之電感量測的環境中，包含：量測模組；馬達演算法模組；以及資料庫； 其中，該量測模組將量測並取得待測馬達之參數，另，該量測模組將該待測馬達之該些參數傳送至該馬達演算法模組；該馬達演算法模組利用該量測模組所取得的該些參數，以馬達演算法進行迭代演算；該馬達演算法模組利用該馬達演算法、以及該量測模組所取得的該些參數得出d-q軸電感值；以及，該資料庫除可儲存該馬達演算法模組之該馬達演算法所需之該待測馬達之該些參數之外，尚可儲存經該馬達演算法模組之該馬達演算法所得之該待測馬達的該d-q軸電感值；其中，該些參數包含電壓、電流、電阻、功率因數、轉矩、轉速與馬達極數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達量測系統，其中，得出該d-q軸電感值為該待測馬達實際電機運轉時之d-q軸電感值，為估算該待測馬達在任一操作點之電感值。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之馬達量測系統，其中，該馬達演算法模組利用該量測模組所取得的該些參數，以該馬達演算法進行該迭代演算，將得出凸極比(δ)、得出初估電感值、得出電壓計算值、以及檢驗計算電壓值(
    Figure 109141898-A0305-02-0021-2
    )是否等於量測電壓值(V RMS )，以便得出該d-q軸電感值。
TW109141898A 2020-11-27 2020-11-27 一種馬達量測系統及其方法 TWI760946B (zh)

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