一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1. 測量永磁同步電機(jī)定子電阻、交軸電感、直軸電感、轉(zhuǎn)子磁鏈以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 掌握永磁同步電機(jī)dq坐標(biāo)系下的電氣數(shù)學(xué)模型以及機(jī)械模型。

2. 了解三相永磁同步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3. 確定永磁同步電機(jī)定子電阻、交軸電感、直軸電感、反電勢系數(shù)以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

三、擬需實(shí)驗(yàn)器件

1. 待測永磁同步電機(jī)1臺(tái)；

2. 示波器1臺(tái)；

3. 西門子變頻器一臺(tái)；

4. 測功機(jī)一臺(tái)及導(dǎo)線若干；

5.  電壓表、電流表各一件；

四、實(shí)驗(yàn)原理

1.  定子電阻的測量

采用直流實(shí)驗(yàn)的方法檢測定子電阻。通過逆變器向電機(jī)通入一個(gè)任意的空間電壓矢量Ui(例如U1)和零矢量U0,同時(shí)記錄電機(jī)的定子相電流,緩慢增加電壓矢量Ui的幅值,直到定子電流達(dá)到額定值。如圖1所示為實(shí)驗(yàn)的等效圖,A、B、C為三相定子繞組,Ud為經(jīng)過斬波后的等效低壓直流電壓。Id為母線電流采樣結(jié)果。當(dāng)通入直流時(shí)，電機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定以后，電機(jī)轉(zhuǎn)子定位，記錄此時(shí)的穩(wěn)態(tài)相電流。因此，定子電阻值的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

圖1 電路等效模型

2． 直軸電感的測量

在做直流實(shí)驗(yàn)測量定子電阻時(shí),定子相電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,永磁轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)到和定子電壓矢量重合的位置,也即此時(shí)的d軸位置。測定定子電阻后,關(guān)斷功率開關(guān)管,永磁同步電機(jī)處于自由狀態(tài)。向永磁同步電機(jī)施加一個(gè)恒定幅值,矢量角度與直流實(shí)驗(yàn)相同的脈沖電壓矢量(例如U1),此時(shí)電機(jī)軸不會(huì)旋轉(zhuǎn)(ω=0),d軸定子電流將建立起來，則d軸電壓方程可以簡化為：

(3)

對(duì)于d軸電壓輸入時(shí)的電流響應(yīng)為：

(4)

利用式(4)以及測量得到的定子電阻值和觀測的電流響應(yīng)曲線可以計(jì)算得到直軸電感值。

其中U/R為穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流反應(yīng)，R為測得的電機(jī)定子電阻。由上式可知電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.632倍時(shí)，，電感與電阻的關(guān)系式可以寫成：

(5)

其中t0.632為電流上升至穩(wěn)態(tài)值0.632倍時(shí)所需的時(shí)間.

3． 交軸電感的測量

測出Ld之后,在q軸方向(d軸加90°)施加一脈沖電壓矢量。電壓矢量的作用時(shí)間一般選取的很短,小于電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù),保證電機(jī)軸在電壓矢量作用期間不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。則q軸電壓方程可以簡化為：

(6)

q軸電流將按如下的指數(shù)形式建立:

(7)

利用測量直軸電感的方法同樣可以測量交軸電感。

此外，由于沒有正好超前d軸90°的電壓矢量，需要施加一個(gè)60°和120°合成矢量來完成等效q軸電壓矢量的施加過程。并且在進(jìn)行脈沖電壓實(shí)驗(yàn)的過程中,電壓幅值和作用時(shí)間

應(yīng)選擇適當(dāng)。電壓幅值選擇太小,影響檢測精度,過大可能使電流超過系統(tǒng)限幅值影響系統(tǒng)安全。作用時(shí)間過短,采樣點(diǎn)少,獲取的電流信息少,也會(huì)影響檢測精度,作用時(shí)間過長,電流同樣可能過大影響系統(tǒng)安全，并且電機(jī)容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

4． 反電勢系數(shù)的測量

采用空載實(shí)驗(yàn)法，即用測功機(jī)帶動(dòng)被測永磁同步電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持被測電機(jī)負(fù)載開路，測試此時(shí)的電機(jī)空載相電壓，即為反電勢電壓。結(jié)合轉(zhuǎn)速、反電勢可以計(jì)算得出相應(yīng)的反電勢系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：E為反電勢，n為轉(zhuǎn)速。電機(jī)的反電勢系數(shù)，其定義為每1000PRM時(shí)電機(jī)每相繞組上的反電勢電壓的有效值（請(qǐng)注意不是線線電壓，是線到中性線的電壓，單位為：V/KRPM/相）

這種方法需要將被測電機(jī)運(yùn)行至發(fā)電狀態(tài)，并且需要負(fù)載開路手動(dòng)測試反電勢。

5． 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量

根據(jù)簡化的電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：

(9)

在電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行過程中，測量時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，即可計(jì)算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

保持永磁電機(jī)定子端開路，首先用測功機(jī)以恒定轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)行，分別記錄t1與t2時(shí)刻轉(zhuǎn)速ω1與ω2；然后讓電機(jī)自由停機(jī)，并分別記錄t3與t4時(shí)刻的轉(zhuǎn)速ω3與ω4。列寫方程組：

(10)

式中Tm為測功機(jī)施加給永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，可由測功機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速求得，即Tm=P/（npω），T0為空載轉(zhuǎn)矩。解方程組即可得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1. 給電機(jī)施加直流電壓，緩慢增加電壓矢量，使得定子電流達(dá)到額定值，記錄直流側(cè)等效電壓。利用公式(2)計(jì)算出定子電阻。IN為電機(jī)的額定電流

表一：

2. 待測試完定子電阻電機(jī)靜止后，繼續(xù)按順序施加步驟1中的電壓矢量，其幅值為步驟1中的額定電流下的電壓幅值，此時(shí)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，利用示波器記錄直流母線電流波形，并讀取電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.632倍時(shí)所需的時(shí)間,利用公式(5)計(jì)算出直軸電感值。

表二：

注：U1為母線電流為電機(jī)額定電流的20%時(shí)所需的等效直流電壓，其他依次內(nèi)推。

3.  利用變頻器施加一個(gè)60°和120°合成矢量產(chǎn)生所需的超前d軸90°的q軸電壓矢量，并且合成矢量的作用時(shí)間必須盡可能小，避免電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，利用示波器記錄直流母線電流波形，并分別讀取電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.2、0.4、0.632、0.8倍時(shí)所需的時(shí)間。利用公式(7)計(jì)算交軸電感值。

表三：

4.  利用測功機(jī)帶動(dòng)待測電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的相電壓幅值，利用公式(8)計(jì)算得到反電勢系數(shù)。ω為其額定轉(zhuǎn)速

表四：

5.  保持永磁電機(jī)定子端開路，首先用測功機(jī)以恒定轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)行，分別記錄t1與t2時(shí)刻轉(zhuǎn)速ω1與ω2；然后讓電機(jī)自由停機(jī)，并分別記錄t3與t4時(shí)刻的轉(zhuǎn)速ω3與ω4。

表四：