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扭矩傳感器-感應(yīng)電機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)電特性測(cè)定測(cè)試臺(tái)

感應(yīng)電機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)電特性測(cè)定測(cè)試臺(tái)

作者：

Eric Armando, Aldo Boglietti, IEEE院士

Radu Bojoi, IEEE **會(huì)員

Andrea Cavagnino,IEEE **會(huì)員

Alberto Tenconi,IEEE **會(huì)員，都靈理工大學(xué)

注: IEEE - 國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)，是目前*大的非營(yíng)利性專業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)

廣義上來講*常見的機(jī)電特性為“扭矩VS速度”或是“扭矩VS電流”，能立即給出電機(jī)性能的直觀感受。感應(yīng)電機(jī)機(jī)電特性能夠通過等效電路計(jì)算得出，也可在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)定（按照IEEE Std. 112-2004及IEEE Std 114-201.0國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）。

試驗(yàn)臺(tái)介紹

如圖1所示，采用對(duì)拖形式臺(tái)架，測(cè)試電機(jī)（MUT）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（DM）之間的軸通過扭矩傳感器來耦合。扭矩傳感器輸出兩路信號(hào)：一路作為被測(cè)量，另一路作為反饋信號(hào)輸出到dSPACE控制單元上。

圖1試驗(yàn)臺(tái)示意圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為同步磁阻電機(jī)，通過帶有制動(dòng)能力的脈寬調(diào)制逆變器供電，其速度控制由dSPACE DS1104 控制單元完成。測(cè)試電機(jī)由正弦交流電源供電，在測(cè)試過程中可調(diào)節(jié)供電電壓。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)（左）及GEN3i數(shù)據(jù)記錄儀（右）

試驗(yàn)臺(tái)的核心為 HBM 提供的 GEN3i 數(shù)據(jù)記錄儀（圖2），其可以2 MS/s采樣速率同步記錄12個(gè)隔離通道，精度高，可高采樣率進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)記錄，且不會(huì)丟失任何瞬態(tài)的信息。

GEN3i 數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)量量為：

• 測(cè)試電機(jī)相電流 iUVW 和相電壓uUVW;

• 扭矩，轉(zhuǎn)速和同步信號(hào)sin（*后兩個(gè)信號(hào)由 dSpace 系統(tǒng)提供）

圖3 測(cè)試原始數(shù)據(jù)波形圖 *上方：瞬時(shí)相電流及相電流有效值 中間：瞬時(shí)相電壓及有效值 *下方：濾波后扭矩及轉(zhuǎn)速

圖4 計(jì)算值波形圖Pmec：機(jī)械功率，eta_filt：濾波后的效率，PF: 功率因數(shù)，Pelt：輸入電功率

三相異步電機(jī)測(cè)試

A準(zhǔn)靜態(tài)扭矩特性測(cè)量

扭矩特性通過施加到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制方案中特殊的參考速度斜坡來進(jìn)行測(cè)定。低值速度斜坡為測(cè)試電機(jī)施加準(zhǔn)靜態(tài)操作提供了理想條件。但是斜坡時(shí)間將變大。因此，斜坡時(shí)間應(yīng)被限制，以免測(cè)試中導(dǎo)致測(cè)試電機(jī)溫度升高。

圖5 三種供電電壓下扭矩-轉(zhuǎn)速特性圖（左）

圖6 三種供電電壓下扭矩-電流特性圖（右）

B.堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)

堵轉(zhuǎn)測(cè)試是異步電機(jī)等效電路參數(shù)測(cè)定必須的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)測(cè)試可以施加轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因?yàn)楸粶y(cè)電機(jī)連接到扭矩傳感器，啟動(dòng)扭矩壓降也可以測(cè)量。

C. 同步轉(zhuǎn)速下的空載測(cè)試

這個(gè)測(cè)試在磁化電流和鐵損中具有的精度。因?yàn)闄C(jī)械和風(fēng)阻損失可以通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)補(bǔ)償。通過施加給驅(qū)動(dòng)電機(jī)一個(gè)等于被測(cè)電機(jī)同步速度的機(jī)械速度即可。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電頻率必須和被測(cè)電機(jī)相同。

D.效率測(cè)試

在測(cè)試中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于制動(dòng)，施加額定扭矩到被測(cè)電機(jī)。由于測(cè)試臺(tái)采用的再生驅(qū)動(dòng)器，軸功率可以回收，**需要提供的是系統(tǒng)總損失。熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可以被編程以執(zhí)行可變負(fù)載測(cè)試，但必須估算雜散載荷損失。

在額定負(fù)載溫度測(cè)試完成后，為了評(píng)估溫度對(duì)機(jī)電特性的影響，加速測(cè)試可以快速重復(fù)。關(guān)于三相感應(yīng)電機(jī)扭矩隨溫度的變化見圖9。

圖7 不同環(huán)境溫度下扭矩-轉(zhuǎn)速特性圖及扭矩-電流特性圖（Cold：定子繞組溫度為25 °C， hot：105 °C）

E.電機(jī)時(shí)間常數(shù)評(píng)估測(cè)試

電機(jī)時(shí)間常數(shù)是高性能電機(jī)矢量控制轉(zhuǎn)子磁通評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)。此項(xiàng)測(cè)試可以采用空載測(cè)試的工作條件。驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)被測(cè)電機(jī)的終端電壓。電壓等于主開關(guān)為“ON”狀態(tài)的供電電壓，而這將是等于當(dāng)主開關(guān)為“OFF”狀態(tài)，由轉(zhuǎn)子磁通產(chǎn)生的定子電動(dòng)勢(shì)（EMF）。EMF 幅度衰減由轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)確定。定子電動(dòng)勢(shì)波形的包絡(luò)線在評(píng)估轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)具有優(yōu)異的精度。實(shí)際上，采用這種理論計(jì)算的時(shí)間常數(shù)不受轉(zhuǎn)子電流趨膚效應(yīng)影響。

為了獲得轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估，作者采用了定子電壓矢量振幅的衰減作為靜態(tài)幀的平方根。在圖10中，當(dāng)主開關(guān)關(guān)閉后，EMF 振幅出現(xiàn)衰減，估算的時(shí)間常數(shù)為114 ms。

圖8 轉(zhuǎn)子時(shí)間常量評(píng)價(jià)測(cè)試

F.標(biāo)準(zhǔn)空載測(cè)試

經(jīng)典空載試驗(yàn)也是用于測(cè)量感應(yīng)電機(jī)等效電路參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試之一。對(duì)于本試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺(tái)是沒有必要的，因?yàn)殡姍C(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)期間，測(cè)試電機(jī)必須是自由無機(jī)械負(fù)載連接。

對(duì)于這個(gè)測(cè)試，測(cè)試電機(jī)必須和扭矩計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸斷開，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍然用于與施加到MUT供電電壓測(cè)量的時(shí)間間隔的同步。

圖9 電機(jī)啟動(dòng)測(cè)試 *上方：電壓和電流，中間：扭矩和轉(zhuǎn)速，底部：機(jī)械功率及電功率

結(jié)論

本文提出了一種正弦電壓供電異步電機(jī)的準(zhǔn)靜態(tài)特性機(jī)電測(cè)定的試驗(yàn)臺(tái)。相對(duì)于在文獻(xiàn)中提出的其它解決方案，所提出的試驗(yàn)臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)

• 在零速度并且被測(cè)電機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)，可以測(cè)定真實(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通過帶速度控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以很好地實(shí)現(xiàn)。

• 采用了HBM GEN3i數(shù)據(jù)記錄儀可以獲得完整的數(shù)據(jù)流，并且不會(huì)出現(xiàn)功率分析儀常有的同步問題。 此外，使用數(shù)據(jù)記錄器可以捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象，而這對(duì)于功率分析儀來說是非常困難的，甚至是不可能的。并且通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，隨后采用特殊的過濾和計(jì)算功能，以獲得其他測(cè)量量（效率，功率因數(shù)，功率，損耗等）。

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