交流電機(jī)的效率和損耗 Map 圖
節(jié)能的重點(diǎn)已從工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到 高效電機(jī) 的應(yīng)用中。由于和傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有更高的扭矩以及更高的效率，無刷永磁（PM）同步電機(jī)在工業(yè)，運(yùn)輸，電力生產(chǎn)和家電領(lǐng)域的可調(diào)速驅(qū)動器（ASD）中的應(yīng)用越來越廣。永磁電機(jī)在市場上有多種設(shè)計(jì)形式，包括表面貼裝（SM）馬達(dá)，內(nèi)插式永磁電機(jī)，內(nèi)部永磁（IPM）電機(jī)，PM-輔助同步磁阻（SynchRel）電機(jī)等。
盡管和永磁電機(jī)相比效率低，但在高溫環(huán)境和需要高可靠的應(yīng)用中，仍然需要采用低磁交流電機(jī)。例如，飛機(jī)發(fā)動機(jī)采用的就是三段無刷場同步發(fā)電機(jī)。mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
無論設(shè)備的型號如何，其控制必須具有最佳的性能。因此需要對其正確地分析以便判斷是否能滿足應(yīng)用要求。mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
本文采用的是 HBM Gen3i 數(shù)據(jù)記錄儀來對交流電機(jī)的效率和損失 Map 圖進(jìn)行描述。
測試臺mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
用于效率和損失 Map 圖的測試臺如下圖所示，測試臺包括以下主要部件。
被測電機(jī) (MUT)： 是一臺內(nèi)部永磁電機(jī) (IPM)
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電機(jī)控制器： 是一個(gè)帶有專用 模擬/數(shù)字 接口的 dSpace 板
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驅(qū)動電機(jī)(DM) ：是一個(gè)由雙向轉(zhuǎn)換器進(jìn)行速度控制的永磁電機(jī)。雙向轉(zhuǎn)換器的度參考由 dSpace 板模擬 DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器) 輸出提供。另外一個(gè)方案是采用 CAN 或 RS422 接口。
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扭矩傳感器采用的是 HBM
T40 扭矩傳感器，其可以進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)速測量。扭矩傳感器通過聯(lián)軸器和被測電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)相連。
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相電流通過高精度,
外部 LEM 傳感器測量，其信號通過 HBM 數(shù)據(jù)記錄儀以
2M/s 的采樣率采集。LEM分流的壓降通過BNC電纜發(fā)送到Gen3i。
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被測電機(jī)
線-線電壓 通過 Gen3i 記錄儀 以2M/s 采樣率直接測量。所獲得的電壓是施加到機(jī)器的實(shí)際的PWM脈沖。
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除了由 T40 扭矩傳感器提供轉(zhuǎn)子位置外，還使用電機(jī)控制器增量編碼器提供的轉(zhuǎn)子位置信號。
外部分離卡 接收編碼器脈沖并發(fā)送到電機(jī)控制器和 Gen3i。
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電機(jī)溫度通過三個(gè)
熱電偶 進(jìn)行測量。熱電偶被可編程隔離放大器讀取，并輸出到 Gen3i 低速采集板卡。
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效率和損耗 Map 圖 認(rèn)證過程mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
我們的想法是創(chuàng)建如下所示的 扭矩-轉(zhuǎn)速 網(wǎng)格圖。
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速度范圍 (ωmax-ωmin) 被分成多個(gè)等間距 Δω，合理的數(shù)量為 10 到 20。每個(gè)速度，扭矩變化也同樣按合理的點(diǎn)10到20，分成步進(jìn) ΔT 。結(jié)果就獲得了 扭矩-轉(zhuǎn)速 網(wǎng)格圖，包含 N = n x m 個(gè)點(diǎn)。
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驅(qū)動電機(jī)通過速度控制提供每個(gè)操作點(diǎn)的速度，同時(shí)被測電機(jī)通過扭矩控制的。每個(gè)操作速度，扭矩的變化（ Tmin 和 Tmax）步進(jìn)如下圖所示。
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如圖所示，一個(gè)操作點(diǎn)持續(xù)了3秒。電機(jī)控制器產(chǎn)生了一個(gè) TTL 信號給 HBM 數(shù)據(jù)記錄儀，當(dāng)上升沿觸發(fā)被檢測到，數(shù)據(jù)記錄儀存儲了一秒的數(shù)據(jù)。按照所選操作點(diǎn)的數(shù)量，完整的過程持續(xù)了10到20分鐘。
測試后計(jì)算mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
一旦測試完成后, Gen3i 存儲的大數(shù)據(jù)文件可被分成 N 個(gè)數(shù)據(jù)文件，一個(gè)文件對應(yīng)一個(gè)觸發(fā)，也就是 扭矩-速度 網(wǎng)格圖上的一個(gè)操作點(diǎn)。對于每個(gè)操作點(diǎn)，Gen3i 執(zhí)行以下計(jì)算:
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輸入電功率
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其中 vαβ 和 iαβ 是在靜止參考系上的電壓和電流(α,β) , T 是從電角度得到的電周期（周期）。
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這里必須提到，所獲取的電壓和電流沒有采用濾波。
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銅損（焦耳）
平均定子電阻 Rs,avg 平均計(jì)算公式為
其中 Rs,base (Ω) 是基準(zhǔn)溫度的定子電阻 (as example, θbase=20 °C)
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是平均定子溫度可以計(jì)算作為 k 測量定子溫度的平均值。
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平均電阻可以考慮趨膚效應(yīng)進(jìn)行修正
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機(jī)械軸功率mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
這里 Tm 是測量的扭矩， ωm 是測定的速度。
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鐵損和機(jī)械損失
其中 PMec 是機(jī)械損失，其是和速度相關(guān)的，必須提前知道。
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為了避免由被測電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動影響 (速度產(chǎn)生的結(jié)果), 所有的功率值被存儲為一個(gè)間隔周期（包含多個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)）計(jì)算出的平均值。
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對應(yīng)于鐵損和總損失（鐵+機(jī)械）的扭矩
采用 (7)計(jì)算出的扭矩應(yīng)該是估算的扭矩 (從電機(jī)控制器獲得) 和真實(shí)軸扭矩之間的差別。采用 (7)計(jì)算出的扭矩由 Gen3i提供，其是一個(gè)間隔周期的平均值。
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被測電機(jī)效率和逆變器效率
這里 是輸入的逆變器功率，其必須被平均以消除直流母線電壓和電流波動。
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除了效率和損失 map 圖，Gen3i 計(jì)算和存儲的以下物理量對于被測電機(jī)的分析是非常有用的:
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(A) (d,q) 轉(zhuǎn)子幀磁鏈mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
磁鏈?zhǔn)紫仍陟o態(tài) (a,b) 幀按照反電動勢電壓時(shí)間積分來計(jì)算:
對于每個(gè)電周期（循環(huán)），為避免計(jì)算的磁鏈分量漂移，偏移校正是必要的。一旦 (a,b) 分量被計(jì)算，采用旋轉(zhuǎn)變換可以非常簡單地獲得(d,q) 分量，磁鏈也可以被計(jì)算。
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是通過測得的機(jī)械位置計(jì)算出的電氣位置，極對數(shù)和偏移量必須已知.
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由于定子磁鏈分量采用真實(shí)的電機(jī)電壓和定子電阻計(jì)算。假設(shè)計(jì)算的精度非常高。在這個(gè)案例中，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在(d,q) 面的精度就會非常高，并且可以和磁學(xué)模型的結(jié)果進(jìn)行比較。
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(B) (d,q) 定子電流和電壓mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
(d,q) 定子幀電壓和電流分量可以從 (α,β) 分量，采用旋轉(zhuǎn)變換 (8) 計(jì)算出。因?yàn)?(d,q) 電壓分量會受到 PWM 波影響，他們的平均值從每個(gè)電周期中提取。
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在 (d,q) 面的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E對與基速下檢查 MTPA 矢量是非常有用的。
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(C) 估算氣隙轉(zhuǎn)矩mCc廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
氣隙扭矩可以通過 Gen3i 采用
氣隙扭矩可以采用磁通分量計(jì)算，磁通分量已經(jīng)通過真實(shí)電機(jī)的 PWM 電壓和定子電阻計(jì)算出，并考慮了測得的定子溫度平均值?？梢钥闯觯@種方法估算出的氣隙扭矩是非常優(yōu)異的。
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