專利名稱：一種基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電機電抗參數(shù)測試裝置，特別涉及一種基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
常規(guī)直流衰減法，是利用電樞繞組中達到穩(wěn)定直流電流因失去激勵電壓而經(jīng)電阻衰減到零的過渡過程來確定永磁電機電抗參數(shù)；在過渡過程中，電機的飽和程度是不斷變化的，這樣通過處理直流衰減曲線是得不到正確的飽和參數(shù)值。同時，由于永磁電機出現(xiàn)交叉飽和現(xiàn)象，而常規(guī)的直流衰減法沒有考慮到這一點，與電機的實際運行狀態(tài)沒有很好的聯(lián)系起來。并且，利用該種方法測量永磁電機電抗參數(shù)也通常局限于利用實驗室有限的元器件搭建的基礎(chǔ)上，并沒有考慮重復性和精度，專門應用于實際工程上的測試儀器未見報道。
實用新型內(nèi)容為了克服常規(guī)直流衰減法沒有很好考慮飽和和交叉飽和因素的不足，本實用新型提供一種小直流電流激勵的雙回路法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出專門用于實際工程應用的永磁電機電抗參數(shù)測試儀器——基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置。
應用小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的實現(xiàn)原理如下(一)參數(shù)辨識目標方程的建立稀土永磁同步電機d、q軸的統(tǒng)一方程如下(定子繞組突然短路時U＝0)0＝Rai+p(Xa+Xs)i+pXaik(1)0＝Rkik+pXkik+pXai (2)其中Xs為定子漏抗，Ra為定子相電阻；.當測量直軸電抗參數(shù)時，Xa為直軸電樞反應電抗，Xk為等效直軸阻尼回路電抗，Rk為等效直軸阻尼回路主電阻，i是定子繞組的直軸電流，ik是轉(zhuǎn)子阻尼繞組的直軸電流；當測量交軸電抗參數(shù)時，Xa為交軸電樞反應電抗，Xk為等效交軸阻尼回路電抗，Rk為等效交軸阻尼回路主電阻，i是定子繞組的交軸電流，ik是轉(zhuǎn)子阻尼繞組的交軸電流；p是微分算子d/(dt)。
將式(1)、(2)兩邊作電機工程中常用的一種變換，即卡松變換，I0為衰減電流初值，得
XPI0＝Rai(P)+XPi(P)+XaPik(P)XaPI0＝Rkik(P)+XkPik(P)+XaPi(P) (3)由方程(3)可得i(p)=I0-(RaRk+RaXkP)I0RaRk+(XkRa+XRk)P+(XXk-Xa2)P2---(4)]]>將式(4)進行卡松反變換，得到i=Ik1e-Pk1t+Ik2e-Pk2t---(5)]]>其中pk1=A+A2-4RaRkB2B---(6)]]>pk2=A-A2-4RaRkB2B---(7)]]>Ik1=C-D-Ra2Xk2-RaXkA2-4RaRkBA2-4RaRkB+AA2-4RaRkB---(8)]]>Ik2=C-D-Ra2Xk2+RaXkA2-4RaRkBA2-4RaRkB-AA2-4RaRkB---(9)]]>A＝RaXk+RkX (10)B=XXk-Xa2---(11)]]>C＝RaXkXXk(12)D=2RaRkXa2---(13)]]>Pk1Ik1+Pk2Ik2=RaXkXXk-Xa2---(14)]]>Ik1Pk1+Ik2Pk2=XR]]>Ik1Pk2+Ik2Pk1=XkRk---(15)]]>穩(wěn)態(tài)同步電抗X=Ra(Ik1Pk1+Ik2Pk2)---(16)]]>式(5)為參數(shù)辨識的目標方程，其中Pk1、Pk2、Ik1、Ik2可用下面的參數(shù)辨識方法求得。
(二)電抗參數(shù)的辨識方法稀土永磁同步電機的一般數(shù)學模型可表示為如下的狀態(tài)方程形式
X·=AX+BUY=CX+DU+EX(t0)=X0---(17)]]>這里，X為系統(tǒng)的狀態(tài)變量向量，Y為輸出向量，t0為起始時刻，A、B、C、D分別為狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣，U為輸入向量，E為由初始條件決定的輸出方程附加向量。X、Y、A、B、C、D、E都是待辨識系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)。
應用最小二乘法辨識參數(shù)向量的值，從而使目標函數(shù)達到最小。設(shè)目標函數(shù)J的形式如下表示J=∫t0tf(Yr-Y)TR(Yr-Y)dt---(18)]]>其中t為時間變量，t0為觀測起始時間，tf為觀測終A時間，Yr為真實系統(tǒng)的輸出，R為經(jīng)過適當選取的對稱正定加權(quán)矩陣。設(shè)系統(tǒng)待辨識參數(shù)向量為α，將輸出Y在某一給定的參數(shù)向量值α0附近展開成泰勒級數(shù)Y=Y|α0+∂Y∂α|α0(α-α0)+......---(19)]]>得到J的如下形式J(α0)=∫t0tr[Yr-Y|α0-∂Y∂α|α0(α-α0)]TR[Yr-Y|α0-∂Y∂α|α0(α-α0)]dt---(20)]]>對α值的辨識應使J＝min，即∂J∂α=0---(21)]]>由上即可得Δα=α-α0=[∫t0tf(∂Y∂α|α0)TR∂Y∂α|α0]-1dt]-1(∫t0tf(∂Y∂α|α0)TR(Yr-Y|α0)dt)---(22)]]>α＝α0+Δα (23)在第k次疊代時αk+1＝αk+Δαk+1(24)這里選用經(jīng)適當選取的對角陣G對上式進行修正，即αk+1＝αk+GΔαk(25)G為正定對角矩陣，其對角元素gii滿足0≤gii≤1 (26)選取適當?shù)膮?shù)向量初值α0，用式(22)求出對它的修正值Δα，經(jīng)(25)式修正后進行迭代計算，直至J＝min的條件滿足，這樣使參數(shù)向量逐漸地收斂到真實值。
本實用新型裝置包括直流電源、變壓器、整流模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理及保護模塊、信號放大模塊、計算機、繼電器、無感電阻?？刂菩盘柗糯竽K包括兩個三極管，將計算機發(fā)出的控制信號經(jīng)由兩個三極管組成的放大電路進行放大，來控制繼電器開斷以實現(xiàn)直流衰減功能，其電源是由一個變壓器經(jīng)過整流模塊獲得。信號處理及保護模塊包括運算放大電路、控制開關(guān)、穩(wěn)壓管，當輸入信號經(jīng)過一個運算放大電路后獲得放大的電壓信號，將此電壓信號減去由兩個控制開關(guān)獲得的差模信號后，再通過一個運算放大器進行放大，實現(xiàn)對衰減信號的放大；然后將放大的衰減信號送到數(shù)據(jù)采集卡，同時，在已被放大的衰減信號的輸出端并聯(lián)一個穩(wěn)壓管來保護數(shù)據(jù)采集卡。采集卡將采集到的電壓信號傳送給計算機，然后在計算機中對電抗參數(shù)進行計算。
應用本測試裝置測試永磁電機電抗參數(shù)時，首先判斷轉(zhuǎn)子直軸或交軸與電樞合成磁動勢軸線方向是否重合。在確定好轉(zhuǎn)子軸位置之后，將線路連接好。然后計算機對電機電抗參數(shù)測試的步驟如下開機后進入控制界面，對信號采集數(shù)目和采集速度進行設(shè)置；點擊控制界面上的“開始轉(zhuǎn)換”按鈕，計算機輸出電壓信號給控制衰減電流開關(guān)S的繼電器觸發(fā)電壓U使其斷開；通過數(shù)據(jù)采集卡對衰減信號進行采樣，送入計算機，得到直流衰減曲線P1；對直流衰減曲線P1進行坐標設(shè)置，以獲得從衰減第一點開始的直流衰減曲線P2，將該曲線對應的數(shù)據(jù)保存到文本文件中；利用軟件對數(shù)據(jù)進行最小二乘法參數(shù)辨識以獲得相應的參數(shù)；根據(jù)辨識得到的參數(shù)計算電機的交、直軸電抗參數(shù)值。
與常規(guī)直流衰減法相比，本實用新型更好地與電機實際運行狀態(tài)結(jié)合起來。常規(guī)的直流衰減法，利用電樞繞組中達到穩(wěn)定的直流電流因失去激勵電壓而經(jīng)電阻衰減到零的過渡過程來確定永磁電機電抗參數(shù)；在過渡過程中，電機的飽和程度是不斷變化的，這樣通過處理直流衰減曲線得不到正確的飽和參數(shù)值。本實用新型為了考慮磁路飽和程度對電抗參數(shù)的影響，將直流衰減法進行了改進，發(fā)展成小直流衰減法。其主要是使電樞繞組中決定飽和程度的大直流電流保持不變，而在該電流的d或q軸分量中疊加一個幅值較小的直流衰減電流，通過對該小直流衰減電流的辨識來確定飽和參數(shù)。同時，為了計及交、直軸交叉飽和的影響，提出基于同時考慮飽和和交叉飽和作用的小直流電流激勵的雙回路法。既有一決定直軸(測直軸參數(shù)時)或交軸(測交軸參數(shù)時)飽和的恒定直流電流I1，又有一考慮交叉飽和的交軸(測直軸參數(shù)時)或直軸(測交軸參數(shù)時)恒定直流電流I2，因而，它既能很好考慮飽和對參數(shù)的影響，又能很好考慮交叉飽和對參數(shù)的影響。這些直流電流都可以隨意調(diào)節(jié)，因此，它能測得電機在任意工作狀況(任意交、直軸電流)下參數(shù)變化的規(guī)律。同時，為了消除回路中其他元件的電感對電抗參數(shù)的影響，將測量回路中的普通電阻用無感電阻來代替。


圖1是本實用新型測試裝置的原理圖；圖2是本實用新型測試裝置外觀的主視圖；圖3是本實用新型測試裝置外觀的左視圖；圖4、圖5、圖6分別是本實用新型測試裝置內(nèi)部三層結(jié)構(gòu)的第一層、第二層、第三層結(jié)構(gòu)圖；圖7是計算機信號放大模塊的電路圖；圖8是信號處理及保護電路圖；圖9是處理衰減數(shù)據(jù)的軟件流程圖；圖10是測量交軸電抗參數(shù)時判斷電樞合成磁動勢軸線方向與轉(zhuǎn)子直軸重合的電樞連接圖；圖11是測量直軸電抗參數(shù)時判斷電樞合成磁動勢軸線方向與轉(zhuǎn)子直軸重合的電樞連接圖；圖12是測量直軸電抗參數(shù)時的線路接線圖；圖13是測量交軸電抗參數(shù)時的線路接線圖；圖14是應用本實用新型裝置測試電抗參數(shù)流程圖；圖中1為按鈕，2為顯示器，3為開關(guān)按鈕，4為風扇，5為透氣口，6為正極，7為負極，8為各檔回路取樣電阻，9為各檔回路主電阻，10為無感電阻，11為第一檔回路電阻，12為第二檔回路電阻，13為布線槽，14為第三檔，15為各檔回路短路電阻，16為第四檔，17為第五檔，18為第六檔，19為第七檔，20為第八檔，21為第九檔，22為第七、第八、第九檔的公用電阻，R1′-R9′為取樣電阻，R1″-R9″為短路電阻，R1-Rg為回路主電阻。
具體實施方式
下面結(jié)合圖1至圖14具體說明本實用新型的實施方式。實現(xiàn)該測試裝置包括直流電源、變壓器、整流模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理及保護模塊、計算機控制信號放大模塊、計算機、繼電器、無感電阻。
要滿足各種稀土永磁同步電機的測試要求，儀器的測試范圍要寬?；谑袌錾纤嬖诘母鞣N型號的稀土永磁同步電機，0.05A～40A的測試范圍基本已經(jīng)滿足測試各種信號稀土永磁同步電機在其繞組中決定磁路飽和狀態(tài)下直軸和交軸的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電抗值電流要求。為了保證在測試過程中，稀土永磁同步電機的電樞繞組的電流衰減前后的磁路飽和程度基本保持不變，對于額定電流相對較大的電機則取它的電流衰減幅度為飽和電流幅值的十分之一左右，對于額定電流現(xiàn)對較大的電機則取它的電流衰減幅度不超過1A。因此一起就把0.05A～40A分為九檔，這樣測試不同電機根據(jù)不同要求采用不同的檔。每一個檔都由三個電阻組成短路電阻、回路主電阻和取樣電阻。短路電阻是當由電機繞組、回路主電阻和取樣電阻組成的回路電流達到穩(wěn)定時，用于串入此回路，使回路電流衰減；回路主電阻決定整個測量回路的阻值，使電機的。繞組電阻阻值不影響整個回路的阻值；取樣電阻是用來采集信號的。
本實用新型裝置采用箱式結(jié)構(gòu)，外觀的主視圖、左視圖分別如圖2、圖3所示。其內(nèi)部主要分三層，內(nèi)部三層的俯視圖分別如圖4、圖5、圖6所示，即第一層和第二層是主回路主電阻，通過不同無感電阻的搭配，實現(xiàn)多檔測量；第三層包括計算機控制信號放大模塊、信號處理和保護模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及實現(xiàn)這些控制的電源。第三層中的計算機控制信號放大模塊包括兩個三極管，其電路圖如圖7所示，將計算機發(fā)出的控制信號經(jīng)由兩個三極管組成的放大電路進行放大，來控制繼電器開斷以實現(xiàn)直流衰減功能，其電源是由一個變壓器經(jīng)過整流模塊獲得。信號處理及保護模塊包括運算放大電路、控制開關(guān)、穩(wěn)壓管，其電路圖如圖8所示，當輸入信號經(jīng)過一個運算放大電路后獲得放大的電壓信號，將此電壓信號減去由兩個控制開關(guān)k1、k2，即第三層中按鍵1、按鍵2獲得的差模信號后，再通過一個運算放大器進行放大，實現(xiàn)對衰減信號的放大；然后將放大的衰減信號送到數(shù)據(jù)采集卡，在已被放大的衰減信號的輸出端并聯(lián)一個穩(wěn)壓管來保護數(shù)據(jù)采集卡。采集卡將采集到的信號傳送給計算機，在計算機中實現(xiàn)對電抗參數(shù)的測試。
本實用新型裝置測試電抗參數(shù)流程圖如圖14所示。
在測試永磁電機電抗參數(shù)時，首先進行轉(zhuǎn)子直軸或交軸與電樞合成磁動勢軸線方向重合的判斷01。具體實現(xiàn)步驟如下測試交軸電抗時，將被測永磁電機的B、C兩相電樞繞組串聯(lián)，同A相繞組分別接到檢流計的兩端，慢慢轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子，直到檢流計指針在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子瞬間幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)為止，這時可認為接入的電樞繞組合成磁動勢方向與轉(zhuǎn)子直軸重合，如圖10所示；測試直軸電抗時，將被測永磁電機的B，C兩相電樞繞組分別接到檢流計的兩端，將A相繞組懸空。慢慢轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子，直到檢流計指針在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子瞬間幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)為止，這時可認為接入的電樞繞組合成磁動勢方向與轉(zhuǎn)子直軸重合，如圖11所示。
在確定好轉(zhuǎn)子軸位置之后，將線路連接好02，當測量直軸電抗參數(shù)時，其電路連接如圖12所示，當測量交軸電抗參數(shù)時，其電路連接如圖13所示，開關(guān)S動作之前處于閉合狀態(tài)；線路連接好后，開機03；進入控制界面，對采集數(shù)目和采集速度進行設(shè)置04；待通入電流穩(wěn)定后，點擊控制界面上的“開始轉(zhuǎn)換”按鈕，計算機輸出電壓信號給控制衰減電流開關(guān)S的接觸器觸發(fā)電壓U使其斷開05；通過數(shù)據(jù)采集卡對衰減電流進行采樣，送入計算機，得到直流衰減曲線P106；對直流衰減曲線P1進行坐標設(shè)置，以獲得從衰減第一點開始的直流衰減曲線P2，將該曲線對應的數(shù)據(jù)保存到文本文件中07；利用軟件對數(shù)據(jù)進行最小二乘法參數(shù)辨識以獲得相應的參數(shù)08；根據(jù)辨識得到的參數(shù)計算電機的交、直軸電抗參數(shù)值09；結(jié)束10。
通過數(shù)據(jù)采集卡將衰減信號采集到計算機后進行軟件處理。首先將采集到的電壓信號除以取樣電阻的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺灰允?5)為辨識目標函數(shù)，通過最小二乘法進行參數(shù)辨識獲得Ik1、Ik2、Pk1、Pk2的初值，進而獲得衰減曲線的時間τ；截取5τ時間段的衰減數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再進行最小二乘法參數(shù)辨識，當擬合誤差最小時，輸出Ik1、Ik2、Pk1、Pk2的值，利用式(16)計算電抗值。
權(quán)利要求1.一種基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置，其特征在于本實用新型裝置包括直流電源、變壓器、整流模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理及保護模塊、信號放大模塊、計算機、繼電器、無感電阻；控制信號放大模塊包括兩個三極管，將計算機發(fā)出的控制信號經(jīng)由兩個三極管組成的放大電路進行放大，來控制繼電器開斷以實現(xiàn)直流衰減功能，其電源是由一個變壓器經(jīng)過整流模塊獲得；信號處理及保護模塊包括運算放大電路、控制開關(guān)、穩(wěn)壓管，當輸入信號經(jīng)過一個運算放大電路后獲得放大的電壓信號，將此電壓信號減去由兩個控制開關(guān)獲得的差模信號后，再通過一個運算放大器進行放大，實現(xiàn)對衰減信號的放大，然后將放大的衰減信號送到數(shù)據(jù)采集卡；采集卡將采集到的電壓信號傳送給計算機，然后在計算機中對電抗參數(shù)進行計算。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置，其特征在于在所述已被放大的衰減信號的輸出端并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，用來保護數(shù)據(jù)采集卡。
專利摘要一種基于小直流衰減法測試永磁電機電抗參數(shù)的裝置，包括直流電源、變壓器、整流模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理及保護模塊、信號放大模塊、計算機、繼電器、無感電阻；控制信號放大模塊包括兩個三極管，將計算機發(fā)出的控制信號經(jīng)由兩個三極管組成的放大電路進行放大，來控制繼電器開斷以實現(xiàn)直流衰減功能，其電源由變壓器經(jīng)過整流模塊獲得；信號處理及保護模塊包括運算放大電路、控制開關(guān)、穩(wěn)壓管，當輸入信號經(jīng)過運算放大電路后獲得放大的電壓信號，將此電壓信號減去由兩個控制開關(guān)獲得的差模信號后，再通過運算放大器進行放大，將放大的衰減信號送到數(shù)據(jù)采集卡；采集卡將采集到的電壓信號傳送給計算機，然后在計算機中對電抗參數(shù)進行計算。
文檔編號G01R31/06GK2849731SQ200520091049
公開日2006年12月20日 申請日期2005年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月30日
發(fā)明者唐任遠, 安忠良, 王世偉, 王惠軍 申請人:沈陽工業(yè)大學