交流电机的效率和损耗图

请读者注意: 此文是 HBM 与都灵大学研究合作项目的一部分。将不会和作者撰写的 IEEE 文章相冲突。

节能的重点已从工业领域转移到高效电机的应用中。由于和传统电机相比,具有更高的扭矩以及更高的效率,无刷永磁(PM)同步电机在工业,运输,电力生产和家电领域的可调速驱动器(ASD)中的应用越来越广。永磁电机在市场上有多种设计形式,包括表面贴装(SM)马达,内插式永磁电机,内部永磁(IPM)电机,PM-辅助同步磁阻(SynchRel)电机等。

尽管和永磁电机相比效率低,但在高温环境和需要高可靠的应用中,仍然需要采用低磁交流电机。例如,飞机发动机采用的就是三段无刷场同步发电机。

无论设备的型号如何,其控制必须具有最佳的性能。因此需要对其正确地分析以便判断是否能满足应用要求。

本文采用的是 HBM Gen3i 数据记录仪来对交流电机的效率和损失图进行描述。


测试台

用于效率和损失map图的测试台如图1 所示,测试台包括以下主要部件。

  • 被测电机 (MUT) 是一台内部永磁电机 (IPM)
  • 电机控制器 是一个带有专用 模拟/数字 接口的 dSpace 板
  • 驱动电机(DM) 是一个由双向转换器进行速度控制的永磁电机。双向转换器的速度参考由 dSpace 板模拟 DAC (数模转换器) 输出提供。另外一个方案是采用 CAN 或 RS422 接口。
  • 扭矩传感器采用的是 HBM T40 扭矩传感器 (图 2),其可以进行扭矩和转速测量。扭矩传感器通过联轴器和被测电机和驱动电机相连。
  • 相电流通过高精度, 外部 LEM 传感器 (图 3) 测量,其信号通过 HBM 数据记录仪以 2M/s 的采样率采集。LEM分流的压降通过BNC电缆发送到Gen3i。 
  • 被测电机 线-线电压 通过 Gen3i 记录仪 以2M/s 采样率直接测量。所获得的电压是施加到机器的实际的PWM脉冲。
  • 除了由 T40 扭矩传感器提供转子位置外,还使用电机控制器增量编码器提供的转子位置信号。外部分离卡 接收编码器脉冲并发送到电机控制器和 Gen3i。
  • 电机温度通过三个 热电偶 进行测量。热电偶被可编程隔离放大器 (图 4)读取,并输出到 Gen3i 低速采集板卡。

被测电机和驱动电机如图 5 所示, 图 6 包括测试台完整视图。


Efficiency and Loss Mapping Identification Procedure

我们的想法是闯将如图7所示的 扭矩-转速 网格图。

速度范围 (ωmax-ωmin) 被分成多个等间距 Δω,合理的数量为 10 到 20。每个速度,扭矩变化也同样按合理的点10到20,分成步进 ΔT 。结果就获得了 扭矩-转速 网格图,包含 N = n x m 个点。

驱动电机通过速度控制提供每个操作点的速度,同时被测电机通过扭矩控制的。每个操作速度,扭矩的变化( Tmin 和 Tmax)步进如图 8 所示。

如图 8 所示,一个操作点持续了3秒。电机控制器产生了一个 TTL 信号给 HBM 数据记录仪,当上升沿触发被检测到,数据记录仪存储了一秒的数据。按照所选操作点的数量,完整的过程持续了10到20分钟。


测试后计算

一旦测试完成后, Gen3i 存储的大数据文件可被分成 N 个数据文件,一个文件对应一个触发,也就是 扭矩-速度 网格图上的一个操作点。对于每个操作点,Gen3i 执行以下计算:

输入电功率

(1)      

 

其中 vαβ 和 iαβ 是在静止参考系上的电压和电流(α,β) , T 是从电角度得到的电周期(周期)。

这里必须提到,所获取的电压和电流没有采用滤波。

铜损(焦耳)

(2)      

平均定子电阻 Rs,avg 平均计算公式为

(3)      

其中 Rs,base (Ω) 是基准温度的定子电阻  (as example, θbase=20 °C)
    是平均定子温度可以计算作为 k  测量定子温度的平均值。

平均电阻可以考虑趋肤效应进行修正

机械轴功率

(4)      

这里 Tm 是测量的扭矩, ωm 是测定的速度。

铁损和机械损失

(5)      

铁损

(6)      

其中 PMec 是机械损失,其是和速度相关的,必须提前知道。

为了避免由被测电机和驱动电机产生的转矩脉动影响 (速度产生的结果), 所有的功率值被存储为一个间隔周期(包含多个机械转)计算出的平均值。

对应于铁损和总损失(铁+机械)的扭矩

(7)       

         

采用 (7)计算出的扭矩应该是估算的扭矩 (从电机控制器获得) 和真实轴扭矩之间的差别。采用 (7)计算出的扭矩由 Gen3i提供,其是一个间隔周期的平均值。

被测电机效率和逆变器效率。

(8)      

只有直流母线电压和电流可以测定,逆变器效率才可以获得。在这个案例中,逆变器效率为

(9)      

这里  是输入的逆变器功率,其必须被平均以消除直流母线电压和电流波动。

除了效率和损失 map 图,Gen3i 计算和存储的以下物理量对于被测电机的分析是非常有用的:

(A) (d,q) 转子帧磁链

磁链首先在静态 (a,b) 帧按照反电动势电压时间积分来计算:

(10)      

对于每个电周期(循环),为避免计算的磁链分量漂移,偏移校正是必要的。一旦 (a,b) 分量被计算,采用旋转变换可以非常简单地获得(d,q) 分量,磁链也可以被计算。

(11)      

  是通过测得的机械位置计算出的电气位置,极对数和偏移量必须已知.

由于定子磁链分量采用真实的电机电压和定子电阻计算。假设计算的精度非常高。在这个案例中,定子磁链矢量轨迹在(d,q) 面的精度就会非常高,并且可以和磁学模型的结果进行比较。

(B) (d,q) 定子电流和电压

(d,q) 定子帧电压和电流分量可以从 (α,β) 分量,采用旋转变换 (8) 计算出。因为 (d,q) 电压分量会受到 PWM 波影响,他们的平均值从每个电周期中提取。

在 (d,q) 面的定子磁链矢量轨迹对与基速下检查 MTPA 矢量是非常有用的。

(C) 估算气隙转矩

气隙扭矩可以通过 Gen3i 采用

(12)      

气隙扭矩可以采用磁通分量计算,磁通分量已经通过真实电机的 PWM 电压和定子电阻计算出,并考虑了测得的定子温度平均值。可以看出,这种方法估算出的气隙扭矩是非常优异的。


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