（电机与电器专业论文）新型直驱电机检测控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t f 0 rt h ed i 行- e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fn e wm o t o r s ，i n t e l l i g e n t 强da u t o m a t e dd e m a n d so fa t e s t i n gs y s t e m ，t l l em a i nr e s e a r c ho b j e c ti st e s t i n ga n dc o n 臼0 ls y s t e m sf 1 0 rn e wm o t o 璐v i n u a l i n g 虮n e m ( ) i s 姐o u t c o m ew i 也t h ed e v e l 叩m 钮to fc o m p u t e rt e c l l n i q u e ，m o d e mm e a s l l r i n g 船dt e s t i n gt e c h n i q u e ，觚de l e c 仃o n i ci n s 仃u m tt e c h n i q u e w i 也t l l el a b 、，i e w 硒s o 倚1 ) i ，a r ep l a 怕衄 a n dm eh a r d w a r es u p p o n e d ，t l l es y s t e mc 嘶e do u tp r o c e s sc o n t r o lo fm o t o rt e s t i n gn o w ，s u c ha s d a t aa c q u i s i t i o n ，加a l y s i s ，d i s p l a y 锄ds t o m g e t h e 缸1 嘶o n s 锄dc h a r a c t e r i s t i c s w e r ei l l u s t r a t e db y s 0 腿e x p e r i m e n tt e s tp r o c e s s 龃dd a t a 锄a l y s i s ns h o w e dt h a tm i st e s t i n gs y s t e mc a nm e e t 也e d e m 锄d so ft h e 印p l i c a t i o 璐v e d rw e l l t h em a i nc 伽t e n to fn l i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l 】o 、弼 t h en e wt h r e e d i m e n s i o n a lp e r m 姐e mm a g n e tm o t o rc o m b i n e dt 1 1 ee x t e m a l - r o t o rp 锄m a n e n t m a 弘e tm o t o rw i t ht h ed i s k - 勺伊ep e r m 阻e n tn l a 铲e tm o t o r f o rt 1 1 el o w s p e e dl a 略et o r q u e ，v 、飞下 c h a r a c t e r i s t i c s ，an e w 也r e e - d i m e n s i o n a lp e n l m e n tm a 印e tm o t o rt e s t i n gs y s t e mw 嬲d e v e l o p e d b yu s i n gp ca l sm ec p u ，b a l s e do np c i - 6 2 2 1b o a r da n dh a uc l o s e d - 1 0 0 p c u 玎e n t 、v o l t a g e s e n s o r s ，l a b v i e wa sm es o 脚a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r np r e c i s ed a t as 锄p l i n g s0 fv o l t a 喀e s ，c 1 盯即t a n dt e m p e r a t u r e sw e r er e a l i z e d t h et e s t i n gs y s t 锄o f3 - p h a s el i n e a ri i l d u c t i o nm o t o r ( l i m ) i sq u i t ed i f f e r e n t 、) l ，i t l l 也e n l e 髂谢n go ft 1 1 r u s t 龃dn o 加】a lf o r c e t e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yl l s i n gp ca st h ec p u ，b a s e d 0 np c i 6 2 2 9b o a 咄l a b e w 弱t h es o 帅a r ed e v e l o p i n gp l a t f o m a 仃a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mw b i c h 列l o p t e ds 印a r a t e l ye x c i t e dd cg e n e r a t o rs e t sw 髂d e s i g n e d t h ei i e s i r e do u 中u t v o l t a g ew a sk 印tc o n s t a i l tb yr e g u l a t i n gt l l er o t a 巧s p e e do fi n d u c t i o nm o t o ra n df i e l dc u r r e n t an e wp u s h 卯ec o n v e y 盯s y s t e mi s 血v e nb yl i n e 盯m o t o r 弛dc o n 仃o l l e db yl o 百c a l p r o 莎a 蚰a b l ec o n 仃o l i e r ( p l c ) 柏dt h er i l i c r o p r o c e s s o r ( p i c ) ni sam o r es u p e 一0 r 、a yt h 锄m e 仃a d i t i o n a lo n e a cc h o p p i n gv 0 1 t a g er e g u l a t o ri sc h a r a c t e z e do fh i 曲p e r f o r m 髓c e t h et e s t i n g m e t h o do fi t ss p e e da n dl o c a t i o ni si n 仃o d u c e d k e yw o r d s ：t e s t i n g 锄dc o n 仃o ls y s t e 雎 n e wt h r e e d i i i l e n s i o n a lp e m 锄e n t 眦铲e tm o t o rl i n e 盯 i n d u c 石o nn l o t o l rl a b v i e w 2 浙江大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 我国电机系统运行效率比国外先进水平低l o 2 0 ，有的甚至低于4 0 一 6 0 。我国电机安装总功率约5 亿k w ，若电机系统运行效率提高2 0 ，则可减 少电力装机1 亿k w 左右，超过5 个三峡工程的装机容量。鉴于此，为了将国外工 业界称之为现代驱动技术中的一种先进方法和技术直驱技术【l 】能在我国得 以快速有效的发展，我们尝试着从耗能较大、有一定代表性的石油设备、交通 设备和物流设备着手，进行直驱技术的应用研究与开发。 油田中所使用的抽油机绝大部分是传统的游梁式抽油机。由于传统的游梁 式抽油机机械结构复杂，电机驱动需经多级减速箱和连杆机构输出，一般系统效 率只有3 0 一4 0 左右。仅大庆油田，传统抽油机年耗电费用就几百亿k w h 。因此 研发高效节能的新型抽油机对于节能降耗具有非常重要的意义。一般抽油机驱动 力矩大，普通电机无法直接驱动。而复合式永磁电机完全改变了现有传统电机的 结构，充分利用了电机的三维空间，具有高功率密度的输出特性，从而使直驱技 术得以应用。但对于该电机的检测则是空白，必须自行开发对该电机的测试系统 来满足直驱电机的需要。 现有传统的城市轨道交通中，列车牵引是以旋转电机为动力的轮轨粘着驱动 方式，对曲线半径线路纵断面坡度和隧道断面的限制要求高。随着城市规模的不 断扩大，城市多层立体轨道交通网络使城市地下隧道的埋深逐渐加深，线路坡度越 来越大，曲线半径越来越小，传统的轮轨粘着驱动技术已不能完全满足国内城市轨 道交通建设的需要。直线电机交通系统在运营、设备及经济方面具有极高的先进 性，与传统的旋转电机驱动相比具有结构简单、造价低、爬坡能力强、曲线半径 小、安全、可靠、低噪环保等优点。我国浙江大学与南洋电机公司正在进行直 线电机地铁交通系统方面的研究，而自主开发直驱直线电机及其检测控制系统是 必需的。 现有的邮件推挂系统采用旋转电机加链轮的驱动方式，这种驱动方式使整 个系统结构显得很复杂，且不管输送系统规模与负载多少，均由一个电机驱动 浙江大学硕士学位论文第章 整个推挂线，显然不满足高效、灵活的现代输送要求。而采用直驱直线电机则 可以很好的解决上述问题，实现高效节能的目的，广州邮件处理中心已引进瑞 士g i l g e n 公司的产品，系统关键部件是直驱直线电机，为了实现系统国产化， 必须自主开发直驱直线电机及其检测控制系统。 目前旋转电机的检测设备和方法比较成熟，也已经标准化。直线感应电机测 试方法以及实验方法目前尚无明确规定。由于直线感应电机的特殊性，在采用手 动操作的传统电机型式试验和出厂试验中，存在着测量时间不同步，人为因素影 响大，工作效率低等缺点。对于直线电机，检测的特性有推力、速度、电流、位 移、定位精度、温升、加速度、动态推力及动态响应速度等。因此集成各种传感 器，并能提供各种不同电源与负载的检测设备的开发和设计将会推动直线电机的 发展。 虚拟技术是计算机与测试技术相结合的产物【2 】。利用虚拟仪器开发软件将能 提高测试系统的整体水平和集成程度，缩短测试系统软件的开发周期，通过在检测 系统中采用虚拟技术，不仅降低了制造成本，而且可实现对多种参数的自动测 量、实时监测和试验数据的校正，还可对所有测量数据及中间数据进行分析处理， 自动打印试验报告及各种试验曲线。软件是虚拟仪器系统的关键，基于l a b v i e w 的虚拟仪器与传统仪器相比有很多优势，具体见表1 1 。 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商决定 与仪器设备的连结十分有限 仪器操作复杂，不方便 系统封闭功能固定扩展性差 数据无法编辑 硬件是关键部分 开发和维护费用高 功能由用户自己定义，体现了“软件即仪器”的思想 面向应用的系统结构，可方便地与i n t e r n e t 网络连结 图形化界面，“所见即所得”，用户使用与学习方便 基于计算机技术开放的功能模块，可构成多种仪器 数据可编辑，储存，打印 软件是关键部分 基于软件系统的结构，大大节省开发维护费用 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 与传统电机检测系统相比，虚拟仪器系统开放灵活，技术更新快，开发和维 护费用低。随着虚拟仪器技术的推广，基于总线型连接、模块化设计、可以自由 组合的电机测试系统正是电机生产厂家所乐于采用的，也是未来测试系统的发展 趋势。 1 2 直驱技术概述 2 浙江大学硕上学位论文第一章 所谓直驱【3 】就是将新型旋转电机或直线电机直接耦合或连接从动负载实现 驱动。它取消了系统的许多中间环节，使系统结构简化，具有高效低耗等优点。 作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱旋转电机( d d r ) 和直驱直线电机 ( d d l ) ，直驱电机要在直驱系统中得到很好的应用则必须根据不同的系统和工 况进行创新设计。 本项目检测内容之一是在提出了一种复式三维直驱电动机( d d r ) ，该机由2 个左右对称的新盘面电机和1 个外转子电机创新组合而成，该机的三维空间磁场 的机电能量变换更佳，有更高的功率密度输出和运行效率。由该电机的输出端与 油田抽油杆直接连接抽油，它不需要传统抽油机中庞大的游梁、驴头、连杆、齿 轮减速箱及皮带轮等，新抽油机系统的有功节电5 0 以上，无功节电7 0 9 0 ， 综合节电达6 0 以上。重量和占地面积也减少5 0 。 本项目检测内容之二是提出了特深槽结构( 即槽深槽宽 8 ) 直驱直线电机 ( d d l l ) ，该电机的启动力矩大，启动稳定，运行高效。用该电机后的邮政推 挂设备取消了链轮链条传动方式，使原需8 0 k w 以上电机驱动变成仅需l 一3 l 州 即可。 1 3 新型复合式三维永磁电机概述 随着上世纪八十年代初开发出稀土永磁材料n d f e b ，永磁同步电机在工业 和民用中的应用得到了迅速的发展。永磁电机具有结构简单、体积小、效率高、 功率因数好等多项优点【4 】。永磁同步旋转电机根据电枢绕组的位置不同，可分为 内转子式( 常规式) 和外转子式。外转子式旋转永磁同步电机较内转子式更容易 实现低速大转矩，适用于直接驱动的场合，可以代替高转速电机通过机械减速装 置驱动的结构。盘式永磁同步电机的气隙是平面型的，气隙磁场为轴向的，故又 称为轴向磁场电机。这种电机轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑。由于定 转子对等排列，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。这种电 机由于极对数可以做得较多，故亦适用于低速运行的直接驱动场合。 将外转子式永磁同步电机与盘式永磁同步电机两种结构型式的电机结合起 来，就得到了复合永磁同步电机。它充分利用了外转子式旋转永磁同步电机定子 两端面的空间，将两个盘式永磁同步电机的定子与外转子电机的定子固联在一 浙江大学硕士学位论文第一章 起，转子亦联接为一体。因此，在同样的空间体积下，这种电机较单一的外转子 式旋转永磁同步电机或盘式永磁同步电机能产生出更大的电磁转矩。这种电机特 别适合低速大转矩驱动的场合，如油田抽油机的驱动、电梯驱动和各种提升设备 等。由于采用了直接驱动结构方式，不仅可省去庞大的游梁、驴头和复杂齿轮减 速箱，结构大为简化，体积大大减小，提高了系统的整体运行效率，达到了节电 的目的。 目前，功能单一、自动化程度低、研制周期长、仪器功能难以共享以及升级 困难的传统测试仪器已经不能满足永磁同步电机的测试要求。针对新型三维永磁 电机低速大力矩，变频调速等特性，和检测系统智能化，自动化等要求，以p c 机为主控单元，采用了n i 公司的数据采集卡和闭环霍尔电流、电压传感器，以 l a b v i e w 为软件开发平台，设计和实现了新型三维永磁电机检测系统。并提出了 基于虚拟仪器的小波分析策略，实现了对电压，电流，拉力的实时精确检测和故 障分析。该系统能对新型三维永磁电机进行准确的实时检测。 1 4 直线电机轨道交通概述 轨道交通用直线电机一般分为直线同步电机和直线感应电机两种类型，城市 轨道交通中一般使用长定子扁平型直线感应电机( l i m ) ，简称直线电机【3 】。所谓 扁平型直线电机，即是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双边型。 直线感应电机的工作原理类似于传统的旋转感应电机。即将旋转感应电机静 止的定子( 铁芯和绕组) 安装在车辆的转向架上，将旋转的转子( 感应板) 平铺设置 在线路轨道的中间。当直线电机的定子绕组通过交流电流时，两部分产生的磁场 相互作用，直接推动车辆前进；反之产生斥力，可使车辆制动。改变交流电的电 压及频率，就可控制磁场的变化，从而完成列车的起、制动。 直线电机交通系统在运营、设备及经济方面具有极高的先进性【5 】，与传统的 旋转电机驱动具有以下优点： ( 1 ) 结构简单，可靠性好，降低造价。( 2 ) 爬坡能 力强，适应恶劣天气。( 3 ) 可采用径向转向架。4 ) 安全，舒适，低噪音，环保。 1 5 直线电机物流传输系统 直线电动机已越来越广泛的作为驱动源，应用于直线交流伺服系统中【6 1 。直 4 浙江大学硕士学位论文第一章 线交流伺服系统与传统的“旋转电动机+ 滚珠丝杠”传动方式相比，消除了机械 传动所带来的一些不良影响，极大地提高了系统的快速反应能力和运动精度。由 于系统的参数变动、负载扰动等不确定因素的影响，将直接影响直线电动机的运 动控制，增加了控制上的难度。在传动链上机械的简化将导致电气控制上的难度 增加，对传感器分辨率和反应能力的有了更高的要求。在高精度微给进的直线交 流伺服驱动系统中，对控制的要求则更高。 采用直线电机驱动和，实现智能控制是物流传输系统发展的必然趋势。如图 1 1 所示，上位机通过工业控制总线通讯接口与下位机如数字信号处理器通讯。 上位机负责系统的运行报表生成、提供系统维护信息、工作任务的规划、远程控 制等。这些都通过微机的人机界面来操作，还可以通过动画图形的形式显示系统 的运行过程和状态，以方便系统的监测。 下位机负责诸如物流传输系统的电机控制运算处理，各种系统状态的实时检 测( 包括位置信号、速度信号、电压电流信号等) ，运行动作控制等。这样现场 处理器可以执行各种高级的控制算法，实现智能化控制，并定时与上位机通讯， 以执行实时命令、刷新系统的状态信息。 工业控制总线 图1 1 物流线控制框图 本文研究内容涉及一种新型的悬式推挂物流传输系统，它采用直线电机直接 驱动。并且具有上位机管理、良好的现场操作界面，符合物流系统的发展方向。 1 6 本文主要内容 本文研究新型直驱电机的检测与控制系统，包括新型复合式三维永磁电机， 直线电机轨道交通试验线和直线电机物流线等新型电机的检测与控制系统，利用 虚拟仪器技术，通过l a b v i e w 软件平台，结合各种传感设备和检测方法，对电机 浙江大学硕士学位论文第一章 进行实时检测和控制。全文分为六章。 第一章绪论。论述了课题的研究背景和意义，介绍直驱技术，对新型复合 式三维永磁电机，直线电机轨道交通试验线和直线电机物流线做了概述。 第二章介绍了电机的检测和控制技术，包括电机电量和非电量的检测，矢 量控制、直接转矩控制等电机控制技术，虚拟仪器及l a b v i e w 在电机检测中的应 用。 第三章新型复合式三维永磁电机的设计与分析，检测系统的硬件和软件设 计以及功能介绍。 第四章直线电机轨道交通试验线的原理和结构介绍，分析检测系统的功能， 、，、厂、，f 控制方法。设计试验线供电系统，对电机采用直接转矩和无速度传感控制， 保持发电机输出电压稳定。 第五章直线电机物流线原理和结构介绍，实现位置和速度检测和斩波调速。 第六章总结和展望。对全文内容进行总结，对l a b v i e w 在新型电机检测系 统中应用进行展望。 6 浙江大学硕士学位论文第二章 第二章电机检测与控制技术 2 1 电量的检测技术 电机中电量有电压、电流、功率、频率、相位、电路参数( 电阻、电感、电 容) 和绝缘电阻等【7 母】。通常测量这些物理量都是采用电工仪器仪表。电机中电 量的测量比较简单，主要应正确选择和使用适当的仪器仪表。在电气测量中使用 最普遍的是指示仪表，指示仪表按工作原理有磁电系、电磁系、电动系、感应系 和电子系等。 2 1 1 电压和电流的测量 合理地选用仪表是实现准确测量的基础，选择什么类型的电压表和电流表， 要根据被测电压和电流的性质。 ( 1 ) 直流或交流。直流可选用磁电系仪表，交流课选用电动系或电磁系仪表。 ( 2 ) 低频交流或高频交流。对于工频，电磁系和电动系仪表均可使用；中频 可选用电动系和整流系仪表；高频一般选用电子测量仪器。 ( 3 ) 波形正弦或非正弦。常用的交流一边都是用正弦波的交流进行刻度的， 都属于有效值表，用来测量正弦波的有效值。如果测量正弦波的平均值、峰值， 则可按数值关系进行换算。如果是非正弦波电压或电流，则应区分是测量有效值、 平均值还是最大值。电动系和电磁系仪表的转动力矩由有效值决定，所以不论被 测电压或电流波形是否为正弦，都可以直接读出有效值。整流系仪表的转动力矩 是有平均值决定的，它可以测试非正弦电压或电流的平均值。用示波器可以从图 形上分析瞬时值和最大值。 随着电气测量范围的扩大，电工仪表已经不能满足测量要求，电子测量仪器 已在电气测量领域得到广泛应用。电子测量仪器具有精度高、量程广、频带宽、 易于实现自动测量等优点。 数字测量仪表时把电子技术和计算机技术结合起来的一种新型仪表，它能自 动把测量直接用数量显示或记录。 2 1 2 功率的测量 直流功率的测量分为间接法和直接法。因为直流功率等于电压和电流乘积， 所以通过测量电压和电流可以间接求得功率。或用电动系功率表可以直接测量直 7 浙江大学硕士学位论文 第二章 流功率。 交流功率不仅与电压和电流有关，还与功率因素有关。因此，测量交流功率 一般采用电动系功率表直接测量。电动系功率表的两组线圈不但能反映电压和电 流的乘积，而且能反映电压和电流间的关系。它是一种测量功率的理想仪表。电 动系仪表分为普通功率因数功率表和低功率因数功率表。 数字功率表是通过a ，d 转换电路，分别把电流和电压信号的模拟量转变为 数字量，由乘法电路变成一个与功率成正比的脉冲信号，再由频率计获计数器计 量，最后由显示器显示功率的数字。数字功率表准确度较高。国产数字功率表为 p s 系列，分单相和三相，其数字量输出还可与计算机、打印机相连。 2 1 3 频率和相位的测量 在电机试验中，用频率表和相位表来测量电路的频率和相位。频率表是直接 用来测量电路频率的仪表。相位表是用来测量电路中两个交变量之间相位的仪 表。如果将相位表的标度尺用相位角的余弦刻度表示，就叫功率因数表。 也可用电子示波器测量频率和相位。示波器测量通常采用扫描法，把被测频 率的信号电压输入示波器，显示出完整波形，读出频率。 数字频率表是数字仪表中最简单的一种，它不但能测量频率，而且还能测量 周期、时间等。如果加上不同类型的d 转换器后，还可以测量其他电量、电 参量以及非电量等。数字频率表实质上就是电子计数器。 2 2 非电量的检测技术 电机中有许多非电量要进行测试，如转速、转矩、温度、温升等【2 1 。 2 2 1 电机转速的测量 电机的转速时电机试验中几乎必须测量的重要物理量之一，可分为平均转速 和瞬时转速。一般可由转速表来测量。一块转速表基本由三部分组成：转换器， 如实地反映转速变化；传动机构，起桥梁作用；测量机构，起指示或记录转速值 的作用。 光电数字测速。光电数字测速是通过转速传感器将光电信号转变为与转速有 关的信号，从而测量电机的转速。光电数字式转速表是由光电转速传感器和装束 数字显示仪两部分组成。光电转速传感器分为投射式和反射式两种。它是把转速 8 浙江大学硕士学位论文第二章 转换为电脉冲信号输出，供转速数字显示仪计数。转速传感器输出的电脉冲数可 按n = z n t 6 0 公式求得。其中n 为输出电脉冲数，n 为转速，z 传感器倍增数，t 为测量时间。 频闪测量转速是基于频闪原理，它的特点是利用频闪像直接测量转速，既不 需要与被测物接触，也不需要转速传感器，具有使用方便，量程宽，精度高等特 点。 激光测量转速也是一种非接触式转速测量。当被测物体除旋转外，还在振动 或回转迸动时，只有激光测速才能测量这些处于特殊状态物体的转速。而且操作 简单，读数可靠，抗干扰能力强。 2 2 2 温度、温升的测量 电机各部分的温度是电机设计和运行的重要性能指标之一。为了检查电机的 性能是否合格，保证电机正常运行，必须准确测量电机额定运行时各部分的温度。 首先，需要准确测量电机绕组温度；其次，对电机铁芯、轴承、换向器等个部分 温度也需要检测。在电机设计中，电机的温升是否合格是重要指标之一。 基本测温方法有温度计法、电阻法和体温计法等三种。 ( 1 ) 温度计法是一种直接测量温度的方法。所测点的温度为表面温度，电机 试验中常用的温度计有：膨胀式温度计、半导体温度计和非埋置的热电偶或电阻 温度计等。 ( 2 ) 金属导线的电阻随着温度的升高也相依增加，在一定温度范围内，气电 阻值与温度之间存在一定的函数关系。应用这一原理，可以通过测量绕组的电阻 值来测定其温度，陈伟电阻法测温。此法所测量的结果是整个绕组的平均温度。 ( 3 ) 埋置体温计法师将感温元件预先埋置在电机制造完成后所不能达到的部 位，如定子绕组槽部，经连接导线引到电机机壳外，由二次仪表测量温度信号， 从而测定温度值。此法所测量的是热点的局部温度，凡是一般温度计不能达到的 部位均可使用。电机温度测量中常用的测温元件有热电阻和热电偶两种。 此外还有红外测温。一切热源都能向空间发出红外辐射，物体温度越高，红 外辐射能量越多。红外测温就是利用这种特性对物体进行温度测量。其特点是无 需与被测物体接触，而且测量范围很宽。根据红外线测温原理可分为四种：全辐 射测温，部分辐射测温，亮度测量和比色测温。 9 浙江大学硕士学位论文第二章 随着光纤技术的发展，光纤测温使近代发展起来的高灵敏度测温技术。它有 很多特点，如光纤体积细小，不受电磁波干涉，无接触测温，可远距传输信号等， 特别适用于高电压、大电流的电力设备测温以及电机和电压器内测温。光纤测温 中，根据辐射测温原理，光纤可只作为传送辐射的“连接件 ，也可直接作为温 度传感器。 2 3 电机控制技术 电机控制技术主要服务于电机的运行、特性控制，最主要是电机的速度控制 和发电机的励磁调节。随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术在电机控 制中的应用，电机控制是以电子控制为主要形式，已逐渐成为了一门以电机为机 械本体，集信息技术、微电子技术与工作机械于一体的机电一体化技术，更是更 新技术改造传统机电技术的重要手段 13 1 。 2 3 1 交流电机调速方法 交流电机在工农业生产中得到了极为广泛的应用，交流电机调速方法众多， 技术手段各异，但可从电机运行原理的角度予以合理分类。对于异步电机而言， 根据电机原理，从定子通过气隙传入转子的电磁功率p m 可以分为两部分：一部 分是轴上的机械功率p 2 = ( 1 一s ) p m ，这是拖动负载做功的有效功率；另一部分是转 子绕组内的滑差功率p s = s p m ，p s 与转差s 的大小成正比。我们可以按照调速过 程滑差功率是否增大、真实消耗还是得以回收来划分调速类型。 ( 1 ) 滑差功率消耗性。调速过程中滑差功率均转换成热能形式被消耗掉，而 且消耗越多调速范围越广，当然运行效率越低。常见的调压调速、绕线式异步电 机转子串电阻调速、电磁滑差离合器就属于这种调速类型。 ( 2 ) 滑差功率回馈型。调速时滑差功率的一部分消耗掉，大部分通过变流装 置返回电网或转为机械功被利用，以此维持较高的运行效率。绕线式异步电机串 级调速就属于此类调速方式。 ( 3 ) 滑差功率不变型。这种方法主要是通过改变同步速实现调速，滑差功率 消耗水平保持不变，因而是一种高效的调速方式，变频调速、变极调速就是具体 的方法。变频调速是交流电机的主要调速方式，以此为基础可以构成许多高性能 的交流调速系统。 l o 浙江大学硕士学位论文 第二章 对于同步电机而言，由于转子速度与旋转磁场速度严格同步不存在转差，故 只能是滑差功率不变型，加上同步电机转子极对数固定无法采用变极调速，因而， 变频调速是唯一可行的调速方式。按照变频器指令来源，同步电机调速系统可分 为他控式和自控式两种，其中自控式同步电机调速系统又称无换向器电机，与他 控式相比最大优点是，转子本身控制了变频器的供电频率，使转子与旋转磁场永 远保持同步旋转关系，没有失步问题。 由于交流电机定、转子各绕组之间耦合紧密，行成一个复杂的非线性系统， 使其转矩与电流不成正比，瞬时转矩控制很困难，因此导致交流电机调速性能不 如直流电机调速系统优良。为了有效控制交流电机转矩，改善交流电机调速性能， 1 9 7 3 年德国f b 1 a s c h k e 提出了矢量变换控制方法。它以坐标变换理论为基础， 参照直流电机中的磁场与产生电磁转矩的电枢电流在空间互相垂直、没有耦合、 可分别控制等特点，把交流电机的三相定子电流景坐标旋转变换，也分解成磁化 电流分量和与之垂直的转矩电流分量，通过控制定子电流矢量在旋转坐标系中的 位置和大小，即可分别对两个分量进行控制，也就实现了对磁场和转矩的解耦， 就能和直流电机一样有效地控制电机所产生的瞬时转矩，使之具有良好的动态特 性。 1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出了直接转矩控制，它将电机与逆变器作为 一个整体来考虑，采用电压空间矢量方法在定子坐标系内进行磁通、转矩的计算， 通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开关切换直接控制磁链和转矩，无须进行电子电 流解耦所需的复杂坐标变换，系统控制更为简单直接，动态性能更优越。 各类电机闭环控制中常需检测转子速度或磁极位置，因而带来了传感器安 装、维护、环境适应性及运行可靠性等诸多问题。为了降低造价并提高可靠型， 国外从2 0 世纪7 0 年代开始进行无速度传感器控制技术研究。最初是利用检测定 子电压、电流等易测量和电机模型进行速度估算，后来采用了模型参考自适应 ( m r a s ) 进行速度辨识，近年已将卡尔曼滤波器理论运用于电机的参数辨识， 目前无速度传感器技术已成功运用于商品化变频器中。 2 3 2 发电机励磁调节 电机控制中另个重要领域是励磁调节。现代工业生产和人民生活对发电机 的供电质量要求更高，发电机励磁系统的好坏直接影响发电系统的发电质量和运 浙江大学硕上学位论文第二章 行的稳定性、可靠性。现代同步发电机对励磁系统供电要求是多方面的，不但要 能及时得根据发电机负载变化情况调节励磁电流，维持机端电压在一定水平，并 使各并联运行机组的无功功率得到合理分配，而且要求反映迅速，以利于提高电 力系统的静态稳定性。在电力系统的电机内部发生故障时，要求励磁系统快速响 应，以提高发电机的动态稳定性和可靠性。这包括在电力系统发生短路或其他原 因使机端电压严重下降时要进行强行励磁，提高电力系统动态稳定性；在电力系 统突甩负荷时能实现强行减磁，以防止发电机端电压的过分升高；在发电机定子 绕组出现匝间短路故障时，能快速灭磁以避免事故的扩大。 交流励磁发电是2 0 世纪9 0 年代以来新开发的新型励磁方式，它在异步电机 的转子绕组中采用变频器提供滑差频率的三相交流电以实现励磁，可使发电机在 变速的情况下发出恒定电网频率的交流电能；同时采用矢量变换控制技术，实现 发电机的有功功率、无功功率的独立调节。交流励磁实现的变速恒频发电技术可 用于水头或落差有变化，或为避免泥沙水流对水轮机叶轮冲击损伤的变速运行水 力发电系统，以及风速随机变化的风力发电系统。 2 4 虚拟仪器在测试中的应用 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测试 领域的应用，现代测试仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟 仪器，同时也由单台仪器逐步发展到一机多功能的虚拟仪器系统。目前，功能单 一、自动化程度低、研制周期长、仪器功能难以共享以及升级困难的传统测试仪 器已跟不上信息时代的步伐，需要采取有效的手段对其进行更新换代。虚拟仪器 这种新的仪器设计思想为提高测试效率、降低测试成本提供了一个有效的途径和 方法。 1 9 8 6 年美国国家仪器有限公司( n i ) 率先提出了虚拟仪器的概念 2 】。所谓虚 拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试 功能，其实质就是充分利用现有计算机硬件提供的共有功能部件，将传统仪器硬 件与最新计算机软件技术结合起来，以实现并扩展传统测试仪器的功能。这在由 供应商定义、功能固定、独立的传统测试仪器上是做不到的。其本身体现的就是 仪器的软件化，即软件就是仪器的概念。“软件就是仪器”的含义是：软件就是 1 2 浙江大学硕上学位论文 第二章 仪器的一部分，而且是越来越重要的一部分，但软件不等于仪器。虚拟仪器之所 以称为仪器，就在于它是面对信号的，而不是面对数据的。所以，虚拟仪器同 m a t l a b 等软件程序包有着本质的不同，它具有输入输出功能，不可能只由软 件组成，而是通常由计算机、仪器模块硬件( 或称i o 接口设备) 和应用软件三 个部分组成。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下， 用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析和显示功能。它不强调仪器物理上的 实现形式，打破了生产厂家定义仪器机箱的约束，用显示在c l u 上的软面板代 替原来的仪器面板，用键盘，鼠标对测量的参数及进程进行控制。虚拟仪器给用 户一个充分发挥自己才能的空间，根据自己的测试需求，设计自己的测试仪器， 满足不同的测试需求。用户只是在一些必要的硬件上加上通用计算机，利用丰富 的软件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、传递、存储等方面的限制， 达到传统仪器无法比拟的效果。 虚拟仪器自8 0 年代兴起以来，其显著的优势得到了广泛的应用，在电子测 量，电力工程，航空航天等成功应用，今年来发展到了运动控制、图像处理、f p g a 和射频信号处理等领域。目前虚拟仪器产品，包括各种软件产品，数据采集产品， 信号调理产品，为构造自己专用仪器系统提供了完善的解决方案。虚拟仪器的应 用多是将它们搭成虚拟仪器系统，在信号调理卡、数据采集卡、接口仪器等硬件 支持下，用虚拟仪器软件工作平台将这些硬件和相应的软件组织起来形成一个系 统。 2 5l a b v i e w 在电机检测中的应用 构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不 同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，所以，提高软件编程效率也就成了一个 非常现实的问题。根据微软及计算机软件专家的观点，提高软件编程效率的关键 是采用面向对象的编程技术。因此，需要一种简单而有效的编程语言，适合科学 家和工程师使用，这种编程语言称为“组态软件 。 美国n i 公司的l a b v i e w 软件功能最为完善，最能体现虚拟仪器的风格，并 且已在欧美国家广泛应用，在中国高校也在迅速普及。主要应用于仪器控制、数 浙江大学硕士学位论文第二章 据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用w i n d o w s ，u n i x 等多种不同的操 作系统平台。l a b v i e w 是一种面向工程师的编程语言，它提供了简单直观的图形 编程方式，把复杂繁琐的文本语言编程简化成工程师最熟悉的功能结构图的编程 方式，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特 点。同时这种软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工 具，并且嵌入了非常丰富的工程应用函数。针对测试技术和仪器应用，l a b v i e w 提供了多种仿真信号的产生，测试信号分析与处理，数据采集函数。再加上虚拟 仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工 作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种仪器驱动软 件的模块化、标准化和互换性的要求将使得虚拟仪器软件的开发更加方便。 电机从研制、投产，到运行和维修，其间的各个阶段都要进行一系列试验， 以获取电机的各种物理参数和性能指标。近年来，一些新型电机( 如复合式永磁 电机等) 的应用日益广泛。这些电机的试验特点是测试项目多、各个项目测试的 参量多，而且往往要求对多个参数同时测量，测试要求精度高。使用传统的测试 仪表进行测试，由于自动化程度低，操作十分复杂，工作量大，而且精度也难以 达到要求。因此，建立一种高精度的自动化程度高的测试手段变得十分重要。 虚拟仪器的软件开发平台l a b v i e w 中，“所见即所得”的可视化技术是多媒 体技术应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在测试过程的感觉，用仿 真面板给人真实仪器的感觉，用丰富的曲线图像向测试人员传递信息。能同时实 现谐波分析仪、示波器、电压表、电流表、转速表等多种仪器的功能。可用于长 时间高速连续采集，不会出现数据丢失和串道的问题。所有的数据处理都在计算 机内部完成，速度快、精度高谐波分析方法能准确分析出信号的基波频率和各次 谐波的幅值、相位，而且系统的精度易于校正。基于l a b v i e w 的电机检测系统自 动化程度高，操作简单，检测精度高，实时检测比传统仪器性能更佳。 1 4 浙江大学硕上学位论文第三章 第三章新型复合式三维永磁电机检测控制 系统 3 1 新型复合式三维永磁电机结构原理 复合永磁同步电机由定子( 一个外转子电机定子和两个盘式电机定子) 、转 子( 由外转子电机转子和盘式电机转盘组成的转子筒) 、n d f e b 材料的磁钢、 主轴、轴承和基座等主要部件组成。定子固定在主轴上，主轴为不旋转的心轴， 与基座相固联。磁钢粘贴于转子内表面与定子铁心正对的位置上，磁钢之间用不 导磁的材料隔开。转子通过两端的轴承跨置于主轴上。外转子电机的定子铁心为 双面绝缘的硅钢冲片叠装而成，盘式电机的定子铁心由双面绝缘的冷轧硅钢片带 料冲制卷绕而成，盘式电机定子绕组为梨形，在空间呈径向排列 1 4 】。 由于复合永磁同步电机由三个分电机组成，为了使三者能协调运转，首先在 电机设计上，三者应有相同的永磁极数和定子槽数；其次在结构上，三者的定子 槽中心线应对齐，处于定子的同一径向截面内，相应地，转子上磁钢的中心线也 应对齐，即处于转子筒的同一径向截面内；第三，在绕组接线时，将三个电机的 对应槽绕组串联相接【1 5 】。以上几点措施，就保证了整个电机能够在同一输入电 源下协调一致地工作。复合式永磁同步电机的结构图如图3 1 所示，实物图如图 3 2 所示。 特子定千1 磁钢1 外转于 图3 1 复合永磁同步电机结构示意图 1 9 新江太学硕士学位论文 ! 童 幽k 试验样机外形 3 2 检测系统的硬件系统 3 2 1 检测系统功能要求 新型复合式三维永磁电机系列是原始创新项目国内外无对比样机是对现 有技术的系统集成和提升的原始创新。独创的新型双盘面电机与外转子电机复合 的三维永磁电机，可以在低速情况下直接驱动负载，与现在的低速大力矩盘式永 磁电机相比，在同一容量下，体积与重量可显著降低，在同样体面积下，力矩得 到很大提高。目前，功能单一、自动化程度低、研制周期长、仪器功能难以其享 以及升级困难的传统测试仪器已经不能满足永磁同步电机的测试要求。因此研究 了基于l a b “g w 的新型三维永磁电机测试系统满足永磁同步电机低速大力矩， 变频调速等特性，也能很好满足智能化，自动化等检测系统的要求旧。 电机试验是研究新型复合式三维永磁电机的一个重要的方法。通过试验不仅 可以检验产品是否符合设计要求，还可以发现问题，促使我们进一步研究和掌握其 内在规律，提高理论研究和工程技术水平。检测系统的高精度和实时性也变得越 来越重要，本文研究了新型复合式三维永磁电机测量，试验与分析系统。 虚拟技术是计算机与测试技术相结合的产物。利用虚拟仪器开发软件将能提 高测试系统的整体水平和集成程度，缩短测试系统软件的开发周期通过在检测 系统中采用虚拟技术，不仅降低了制造成本，而且可实现对多种参数的自动测 浙江大学硕士学位论文第三章 量、实时监测和试验数据的校正，还可对所有测量数据及中间数据进行分析处理， 自动打印试验报告及各种试验曲线。 3 2 2 检测系统硬件平台组成 整个测试系统硬件平台可以分为四部分，即三维永磁电机测试平台，测试功 能模块，数据采集和接口模块以及计算机平台，见图3 3 。 新犁= 维永磁电机检测平台 1 测试主回路i ， i上一 - j l 主一 j 0， 绝 耐 直 电 频 缘 电 流 机 及相率率 电 电 压 电 温 功电 冈 机 阻 测 阻 升 率压 素转 拉 测 试 测 测 测测速 力 试电 试及 测 试试 试 试 流功 测试功能模块 z 莹 气 数数 字字 加 输输 d a 入出 转换 接接 模块 口口 g 8 数据采集卡 数据采集和接口模块 8 阳 计算机 图3 3 新型三维永磁电机检测系统硬件结构框图 ( 1 ) 三维永磁电机测试平台。整个测试平台如图3 4 所示： 浙扛大学碰学位论文 第三章 图3 4 测试平台实物圈 新型三维永磁电机和负载结构如图3 5 所示 l 电机 2 卡带小轮 3 鹿带 q 配重 5 正向苷止开关 6 反转限位开关 7 转限位开关 8 反向停止开关 图3 5 抽油机负载系统图 ( 2 ) 测试功能模块由电流和电压传感器、由压力传感器、多路温度测量仪 浙江大学硕士学位论文第三章 耐电压测试仪，绝缘电阻测试表等各种测量元器件组成。 电量检测模块 电流检测主要有电阻法、电流互感法、霍尔效应电流传感器法等。电阻法的 测量精度受温度的影响较大，且需要另外采用线性光耦实现隔离，而电流互感器 在测量动态或低频电流信号时精度不高，所以定子电流检测常采用霍尔电流传感 器。霍尔电流传感器是应用霍尔效应和磁平衡原理开发的新一代电流传感器，具 有无惯性、精度高等优点，同时具有良好的隔离作用。 系统三相电流的测量采用闭环霍尔电流传感器，宇波模块c h b 一5 0 p 。该闭 环霍尔电流传感器把传感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有 测量、反馈、保护3 重功能。它的工作原理是：当外电路供给其电流时，将产生 磁感应强度为b 的磁场，垂直穿过霍尔元件，同时在信号电压输出端有霍尔效 应电压u 二线性输出。闭环霍尔电流传感器使用方便，电流过载能力强，且整 个传感器已模块化，套在被测母线上即可工作。其响速度可以达到3 u s 以内，响 应速度快，是理想的电流检测方法。 电压的检测方式通常有以下3 种：分压电阻采样；采用电压互感器；采用磁 场平衡式霍尔电压传感器。分压电阻采样的测量精度受温度的影响较大，且需要 另外采用线性光耦实现隔离，而电压互感器在测量动态或低频电压信号时精度不 高，所以定子电压检测常采用霍尔电压传感器。系统三相电压的测量采用闭环霍 尔电流传感器，宇波模块c h v 5 0 p 6 0 0 。 耐电压测试仪，是测量电机耐压强度的仪器，它能够准确，快速，可靠地测 试电机的击穿电压及漏电流等电气安全性能指标。绝缘电阻测试表，则能测量电 机的绝缘电阻，保证电机的绝缘可靠。 电流电压传感器对电力线路中的电流、电压进行高速、高精度的隔