扭矩傳感器-感應電機準靜態機電特性測定測試臺

感應電機準靜態機電特性測定測試臺

作者：

Eric Armando, Aldo Boglietti, IEEE院士

Radu Bojoi, IEEE **會員

Andrea Cavagnino,IEEE **會員

Alberto Tenconi,IEEE **會員，都靈理工大學

注: IEEE - 國際電氣和電子工程師協會，是目前*大的非營利性專業技術學會

廣義上來講*常見的機電特性為“扭矩VS速度”或是“扭矩VS電流”，能立即給出電機性能的直觀感受。感應電機機電特性能夠通過等效電路計算得出，也可在實驗室中進行測定（按照IEEE Std. 112-2004及IEEE Std 114-201.0國際標準）。

試驗臺介紹

如圖1所示，采用對拖形式臺架，測試電機（MUT）和驅動電機（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：一路作為被測量，另一路作為反饋信號輸出到dSPACE控制單元上。

圖1試驗臺示意圖

驅動電機為同步磁阻電機，通過帶有制動能力的脈寬調制逆變器供電，其速度控制由dSPACE DS1104 控制單元完成。測試電機由正弦交流電源供電，在測試過程中可調節供電電壓。

圖2 試驗臺（左）及GEN3i數據記錄儀（右）

試驗臺的核心為 HBM 提供的 GEN3i 數據記錄儀（圖2），其可以2 MS/s采樣速率同步記錄12個隔離通道，精度高，可高采樣率進行長期數據記錄，且不會丟失任何瞬態的信息。

GEN3i 數據記錄儀測量量為：

• 測試電機相電流 iUVW 和相電壓uUVW;

• 扭矩，轉速和同步信號sin（*后兩個信號由 dSpace 系統提供）

圖3 測試原始數據波形圖 *上方：瞬時相電流及相電流有效值 中間：瞬時相電壓及有效值 *下方：濾波后扭矩及轉速

圖4 計算值波形圖Pmec：機械功率，eta_filt：濾波后的效率，PF: 功率因數，Pelt：輸入電功率

三相異步電機測試

A準靜態扭矩特性測量

扭矩特性通過施加到驅動電機的速度控制方案中特殊的參考速度斜坡來進行測定。低值速度斜坡為測試電機施加準靜態操作提供了理想條件。但是斜坡時間將變大。因此，斜坡時間應被限制，以免測試中導致測試電機溫度升高。

圖5 三種供電電壓下扭矩-轉速特性圖（左）

圖6 三種供電電壓下扭矩-電流特性圖（右）

B.堵轉試驗

堵轉測試是異步電機等效電路參數測定必須的標準實驗。這個測試可以施加轉速為零的控制信號到驅動電機。因為被測電機連接到扭矩傳感器，啟動扭矩壓降也可以測量。

C. 同步轉速下的空載測試

這個測試在磁化電流和鐵損中具有的精度。因為機械和風阻損失可以通過驅動電機補償。通過施加給驅動電機一個等于被測電機同步速度的機械速度即可。驅動電機的供電頻率必須和被測電機相同。

D.效率測試

在測試中，驅動電機用于制動，施加額定扭矩到被測電機。由于測試臺采用的再生驅動器，軸功率可以回收，**需要提供的是系統總損失。熱試驗結束時，驅動器可以被編程以執行可變負載測試，但必須估算雜散載荷損失。

在額定負載溫度測試完成后，為了評估溫度對機電特性的影響，加速測試可以快速重復。關于三相感應電機扭矩隨溫度的變化見圖9。

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

E.電機時間常數評估測試

電機時間常數是高性能電機矢量控制轉子磁通評估的關鍵參數。此項測試可以采用空載測試的工作條件。驅動電機數據采集系統能夠存儲被測電機的終端電壓。電壓等于主開關為“ON”狀態的供電電壓，而這將是等于當主開關為“OFF”狀態，由轉子磁通產生的定子電動勢（EMF）。EMF 幅度衰減由轉子時間常數確定。定子電動勢波形的包絡線在評估轉子時間常數具有優異的精度。實際上，采用這種理論計算的時間常數不受轉子電流趨膚效應影響。

為了獲得轉子時間常數的準確評估，作者采用了定子電壓矢量振幅的衰減作為靜態幀的平方根。在圖10中，當主開關關閉后，EMF 振幅出現衰減，估算的時間常數為114 ms。

圖8 轉子時間常量評價測試

F.標準空載測試

經典空載試驗也是用于測量感應電機等效電路參數的標準測試之一。對于本試驗中，試驗臺是沒有必要的，因為電機軸轉動期間，測試電機必須是自由無機械負載連接。

對于這個測試，測試電機必須和扭矩計和驅動電機軸斷開，數據采集系統仍然用于與施加到MUT供電電壓測量的時間間隔的同步。

圖9 電機啟動測試 *上方：電壓和電流，中間：扭矩和轉速，底部：機械功率及電功率

結論

本文提出了一種正弦電壓供電異步電機的準靜態特性機電測定的試驗臺。相對于在文獻中提出的其它解決方案，所提出的試驗臺具有以下優點

• 在零速度并且被測電機保持靜止狀態，可以測定真實的起動轉矩。通過帶速度控制的驅動電機可以很好地實現。

• 采用了HBM GEN3i數據記錄儀可以獲得完整的數據流，并且不會出現功率分析儀常有的同步問題。 此外，使用數據記錄器可以捕獲瞬態現象，而這對于功率分析儀來說是非常困難的，甚至是不可能的。并且通過數據存儲，隨后采用特殊的過濾和計算功能，以獲得其他測量量（效率，功率因數，功率，損耗等）。

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