扭矩传感器-感应电机准静态机电特性测定测试台

感应电机准静态机电特性测定测试台

作者：

Eric Armando, Aldo Boglietti, IEEE院士

Radu Bojoi, IEEE **会员

Andrea Cavagnino,IEEE **会员

Alberto Tenconi,IEEE **会员，都灵理工大学

注: IEEE - 国际电气和电子工程师协会，是目前*大的非营利性专业技术学会

广义上来讲*常见的机电特性为“扭矩VS速度”或是“扭矩VS电流”，能立即给出电机性能的直观感受。感应电机机电特性能够通过等效电路计算得出，也可在实验室中进行测定（按照IEEE Std. 112-2004及IEEE Std 114-201.0国际标准）。

试验台介绍

如图1所示，采用对拖形式台架，测试电机（MUT）和驱动电机（DM）之间的轴通过扭矩传感器来耦合。扭矩传感器输出两路信号：一路作为被测量，另一路作为反馈信号输出到dSPACE控制单元上。

图1试验台示意图

驱动电机为同步磁阻电机，通过带有制动能力的脉宽调制逆变器供电，其速度控制由dSPACE DS1104 控制单元完成。测试电机由正弦交流电源供电，在测试过程中可调节供电电压。

图2 试验台（左）及GEN3i数据记录仪（右）

试验台的核心为 HBM 提供的 GEN3i 数据记录仪（图2），其可以2 MS/s采样速率同步记录12个隔离通道，精度高，可高采样率进行长期数据记录，且不会丢失任何瞬态的信息。

GEN3i 数据记录仪测量量为：

• 测试电机相电流 iUVW 和相电压uUVW;

• 扭矩，转速和同步信号sin（*后两个信号由 dSpace 系统提供）

图3 测试原始数据波形图 *上方：瞬时相电流及相电流有效值 中间：瞬时相电压及有效值 *下方：滤波后扭矩及转速

图4 计算值波形图Pmec：机械功率，eta_filt：滤波后的效率，PF: 功率因数，Pelt：输入电功率

三相异步电机测试

A准静态扭矩特性测量

扭矩特性通过施加到驱动电机的速度控制方案中特殊的参考速度斜坡来进行测定。低值速度斜坡为测试电机施加准静态操作提供了理想条件。但是斜坡时间将变大。因此，斜坡时间应被限制，以免测试中导致测试电机温度升高。

图5 三种供电电压下扭矩-转速特性图（左）

图6 三种供电电压下扭矩-电流特性图（右）

B.堵转试验

堵转测试是异步电机等效电路参数测定必须的标准实验。这个测试可以施加转速为零的控制信号到驱动电机。因为被测电机连接到扭矩传感器，启动扭矩压降也可以测量。

C. 同步转速下的空载测试

这个测试在磁化电流和铁损中具有的精度。因为机械和风阻损失可以通过驱动电机补偿。通过施加给驱动电机一个等于被测电机同步速度的机械速度即可。驱动电机的供电频率必须和被测电机相同。

D.效率测试

在测试中，驱动电机用于制动，施加额定扭矩到被测电机。由于测试台采用的再生驱动器，轴功率可以回收，**需要提供的是系统总损失。热试验结束时，驱动器可以被编程以执行可变负载测试，但必须估算杂散载荷损失。

在额定负载温度测试完成后，为了评估温度对机电特性的影响，加速测试可以快速重复。关于三相感应电机扭矩随温度的变化见图9。

图7 不同环境温度下扭矩-转速特性图及扭矩-电流特性图（Cold：定子绕组温度为25 °C， hot：105 °C）

E.电机时间常数评估测试

电机时间常数是高性能电机矢量控制转子磁通评估的关键参数。此项测试可以采用空载测试的工作条件。驱动电机数据采集系统能够存储被测电机的终端电压。电压等于主开关为“ON”状态的供电电压，而这将是等于当主开关为“OFF”状态，由转子磁通产生的定子电动势（EMF）。EMF 幅度衰减由转子时间常数确定。定子电动势波形的包络线在评估转子时间常数具有优异的精度。实际上，采用这种理论计算的时间常数不受转子电流趋肤效应影响。

为了获得转子时间常数的准确评估，作者采用了定子电压矢量振幅的衰减作为静态帧的平方根。在图10中，当主开关关闭后，EMF 振幅出现衰减，估算的时间常数为114 ms。

图8 转子时间常量评价测试

F.标准空载测试

经典空载试验也是用于测量感应电机等效电路参数的标准测试之一。对于本试验中，试验台是没有必要的，因为电机轴转动期间，测试电机必须是自由无机械负载连接。

对于这个测试，测试电机必须和扭矩计和驱动电机轴断开，数据采集系统仍然用于与施加到MUT供电电压测量的时间间隔的同步。

图9 电机启动测试 *上方：电压和电流，中间：扭矩和转速，底部：机械功率及电功率

结论

本文提出了一种正弦电压供电异步电机的准静态特性机电测定的试验台。相对于在文献中提出的其它解决方案，所提出的试验台具有以下优点

• 在零速度并且被测电机保持静止状态，可以测定真实的起动转矩。通过带速度控制的驱动电机可以很好地实现。

• 采用了HBM GEN3i数据记录仪可以获得完整的数据流，并且不会出现功率分析仪常有的同步问题。 此外，使用数据记录器可以捕获瞬态现象，而这对于功率分析仪来说是非常困难的，甚至是不可能的。并且通过数据存储，随后采用特殊的过滤和计算功能，以获得其他测量量（效率，功率因数，功率，损耗等）。