一、實驗目的

1. 測量永磁同步電機定子電阻、交軸電感、直軸電感、轉子磁鏈以及轉動慣量。

二、實驗內容

1. 掌握永磁同步電機dq坐標系下的電氣數(shù)學模型以及機械模型。

2. 了解三相永磁同步電機內部結構。

3. 確定永磁同步電機定子電阻、交軸電感、直軸電感、反電勢系數(shù)以及轉動慣量。

三、擬需實驗器件

1. 待測永磁同步電機1臺；

2. 示波器1臺；

3. 西門子變頻器一臺；

4. 測功機一臺及導線若干；

5.  電壓表、電流表各一件；

四、實驗原理

1.  定子電阻的測量

采用直流實驗的方法檢測定子電阻。通過逆變器向電機通入一個任意的空間電壓矢量Ui(例如U1)和零矢量U0,同時記錄電機的定子相電流,緩慢增加電壓矢量Ui的幅值,直到定子電流達到額定值。如圖1所示為實驗的等效圖,A、B、C為三相定子繞組,Ud為經(jīng)過斬波后的等效低壓直流電壓。Id為母線電流采樣結果。當通入直流時，電機狀態(tài)穩(wěn)定以后，電機轉子定位，記錄此時的穩(wěn)態(tài)相電流。因此，定子電阻值的計算公式為：

(1)

(2)

圖1 電路等效模型

2． 直軸電感的測量

在做直流實驗測量定子電阻時,定子相電流達到穩(wěn)態(tài)后,永磁轉子將旋轉到和定子電壓矢量重合的位置,也即此時的d軸位置。測定定子電阻后,關斷功率開關管,永磁同步電機處于自由狀態(tài)。向永磁同步電機施加一個恒定幅值,矢量角度與直流實驗相同的脈沖電壓矢量(例如U1),此時電機軸不會旋轉(ω=0),d軸定子電流將建立起來，則d軸電壓方程可以簡化為：

(3)

對于d軸電壓輸入時的電流響應為：

(4)

利用式(4)以及測量得到的定子電阻值和觀測的電流響應曲線可以計算得到直軸電感值。

其中U/R為穩(wěn)態(tài)時的電流反應，R為測得的電機定子電阻。由上式可知電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.632倍時，，電感與電阻的關系式可以寫成：

(5)

其中t0.632為電流上升至穩(wěn)態(tài)值0.632倍時所需的時間.

3． 交軸電感的測量

測出Ld之后,在q軸方向(d軸加90°)施加一脈沖電壓矢量。電壓矢量的作用時間一般選取的很短,小于電機的機械時間常數(shù),保證電機軸在電壓矢量作用期間不會轉動。則q軸電壓方程可以簡化為：

(6)

q軸電流將按如下的指數(shù)形式建立:

(7)

利用測量直軸電感的方法同樣可以測量交軸電感。

此外，由于沒有正好超前d軸90°的電壓矢量，需要施加一個60°和120°合成矢量來完成等效q軸電壓矢量的施加過程。并且在進行脈沖電壓實驗的過程中,電壓幅值和作用時間

應選擇適當。電壓幅值選擇太小,影響檢測精度,過大可能使電流超過系統(tǒng)限幅值影響系統(tǒng)安全。作用時間過短,采樣點少,獲取的電流信息少,也會影響檢測精度,作用時間過長,電流同樣可能過大影響系統(tǒng)安全，并且電機容易發(fā)生轉動。

4． 反電勢系數(shù)的測量

采用空載實驗法，即用測功機帶動被測永磁同步電機以一定的轉速旋轉，同時保持被測電機負載開路，測試此時的電機空載相電壓，即為反電勢電壓。結合轉速、反電勢可以計算得出相應的反電勢系數(shù)，計算公式如下：

(8)

式中：E為反電勢，n為轉速。電機的反電勢系數(shù)，其定義為每1000PRM時電機每相繞組上的反電勢電壓的有效值（請注意不是線線電壓，是線到中性線的電壓，單位為：V/KRPM/相）

這種方法需要將被測電機運行至發(fā)電狀態(tài)，并且需要負載開路手動測試反電勢。

5． 轉動慣量的測量

根據(jù)簡化的電機運動方程：

(9)

在電機恒轉矩運行過程中，測量時間內電機轉速的變化，即可計算得轉動慣量。

保持永磁電機定子端開路，首先用測功機以恒定轉矩拖動電機加速運行，分別記錄t1與t2時刻轉速ω1與ω2；然后讓電機自由停機，并分別記錄t3與t4時刻的轉速ω3與ω4。列寫方程組：

(10)

式中Tm為測功機施加給永磁電機轉子的轉矩，可由測功機的功率與轉速求得，即Tm=P/（npω），T0為空載轉矩。解方程組即可得轉動慣量J。

五、實驗步驟

1. 給電機施加直流電壓，緩慢增加電壓矢量，使得定子電流達到額定值，記錄直流側等效電壓。利用公式(2)計算出定子電阻。IN為電機的額定電流

表一：

2. 待測試完定子電阻電機靜止后，繼續(xù)按順序施加步驟1中的電壓矢量，其幅值為步驟1中的額定電流下的電壓幅值，此時電機處于靜止狀態(tài)，利用示波器記錄直流母線電流波形，并讀取電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.632倍時所需的時間,利用公式(5)計算出直軸電感值。

表二：

注：U1為母線電流為電機額定電流的20%時所需的等效直流電壓，其他依次內推。

3.  利用變頻器施加一個60°和120°合成矢量產(chǎn)生所需的超前d軸90°的q軸電壓矢量，并且合成矢量的作用時間必須盡可能小，避免電機發(fā)生轉動，利用示波器記錄直流母線電流波形，并分別讀取電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0.2、0.4、0.632、0.8倍時所需的時間。利用公式(7)計算交軸電感值。

表三：

4.  利用測功機帶動待測電機轉動，記錄不同轉速下電機的相電壓幅值，利用公式(8)計算得到反電勢系數(shù)。ω為其額定轉速

表四：

5.  保持永磁電機定子端開路，首先用測功機以恒定轉矩拖動電機加速運行，分別記錄t1與t2時刻轉速ω1與ω2；然后讓電機自由停機，并分別記錄t3與t4時刻的轉速ω3與ω4。

表四：