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多单元永磁同步电机无机械负荷间接测试方法研究

曾德鹏  
【摘要】:目前,对于大功率永磁同步电机的测试,传统的测试方法是将电机与机械负载相连接,使电机处于负载状态下再进行相关测试。因而传统的测试方法存在着测试困难、测试系统复杂、测试成本过高等问题,严重地制约了大功率永磁同步电机的研究和产品水平的提高。将电机设计成多单元永磁同步电机的结构形式能使电机更适用于大功率的应用场合。因此,研究多单元永磁同步电机的无机械负荷测试方法有十分重要的意义。本文以多单元永磁同步电机为对象,利用多单元电机系统的特点,对多单元永磁同步电机的绕组电感、电机损耗及温升、机械特性、转矩波动等参数和特性的无机械负荷测试方法进行了研究。研究了多单元永磁同步电机的电感特点,利用多单元电机结构特点结合电感的静态测试方法,提出了一种多单元永磁同步电机电感参数的测试方法。该方法的优点是不需要外加机械装置,且可以考虑磁路饱和对电感参数的影响。在测试电机的交直轴电感以及绕组自感和绕组间互感的过程中,被测试单元电机中通入带有直流偏置的交流电流,其中的直流偏置电流用于体现磁路的饱和程度,交流电流用于电感测试;非测试单元则通入直流电流,其作用是用来调节和固定电机转子的位置。研究了多单元永磁同步电机不同运行状态下电机损耗的特点。根据正常负载运行状态下与无机械负载运行状态下电机各部分损耗之间的关系,提出了多单元永磁同步电机损耗的无机械负荷间接测试方法。通过调整电机在空载时的转速与磁链,在无机械负荷运行状态时测试得到电机与转速相关的损耗;再通过测试电机的绕组电流和电阻,得到电机的铜损,就可以在无机械负荷状态下间接测试得到电机的损耗。根据电机内热交换原理,结合电机损耗的间接测试方法,提出了多单元永磁同步电机温升的无机械负荷间接测试方法。通过对电机热网络模型的分析,验证了电机的温升满足叠加原理的条件。分别测试电机铜损引起的温升和铁损引起的温升,叠加即可得到电机的温升。推导了多单元永磁同步电机电磁转矩的表达式,根据能量守恒原理,电机的输出功率可以由输入的电功率和损耗表示出来,则可以在无机械负荷状态下测试电压、电流、损耗、转速等相关参数间接的得到电机的转矩,进而提出了多单元永磁同步电机机械特性和效率特性的无机械负荷间接测试方法。根据多单元永磁同步电机输出转矩与电动运行单元数的关系,研究了如何在一个单元电机电动运行,一个单元电机发电运行的无机械负荷状态下将多单元整机的输出转矩表示出来。对比了样机机械特性和效率特性的直接测试结果与间接测试结果,验证了测试方法的有效性。分析了电机转矩波动产生的原因;根据能量守恒原理,采用虚位移法推导了多单元永磁同步电机转矩曲线的表达式。研究了电机在一部分单元电机电动运行,一部分发电运行的无机械负荷运行状态下的转矩波动特点,当无机械负荷状态下电机的磁路饱和程度与全单元运行状态下相同时,可以认为这个无机械负荷运行状态下由磁路饱和引起的转矩波动幅值与全单元电动运行时相同,进而提出了多单元永磁同步电机转矩波动的无机械负荷间接测试方法。测试了电机无机械负荷运行状态下等效转矩波动,研究了如何通过测试相关参数,得到无机械负荷运行状态下由互感不对称引起的附加转矩波动。分析了无机械负荷状态下所测试的转矩波动对应的电机平均输出转矩。通过间接测试得到的无机械负荷状态下转矩波动、无机械负荷状态下的附加转矩波动以及对应的平均输出转矩,间接得到了电机正常运行状态时的转矩波动。


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