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毕业设计开题报告永磁同步电机参数检测及性能分析华中科技大学机械学院0203班 陈锋课题来源本课题来源于省杰出人才创新基金项目“油田直线抽油机智能控制系统研究”（项目编号：0621000300）课题研究的目的和意义稀土永磁同步电机的交、直轴电抗参数与其稳态和动态运行性能关系极大，是稀土永磁同步电机设计成败和研究其运行性能的关键。然而，稀土永磁同步电机的转子结构多种多样，与普通同步电机的转子结构很不相同，电机参数（主要是交、直轴同步电抗参数的稳态值和瞬态值）用原有的测试方法很难测出，难以验证计算结果。由于参数计算和测试不准，不仅延长了研制过程，加大研制费用，而且使设计优化和性能仿真都缺乏科学依据。与传统电励磁同步电机相比，稀土永磁同步电机不仅励磁结构、磁路结构上有很大差别，其交、直轴电抗参数，特别是瞬态参数的物理意义及其测试方法也有差别。电励磁同步电机的交、直轴参数可用转差法来确定，但对永磁同步电机由于其永磁磁动势的存在，无法使电机运行于所需的低转差而不能应用。三相突然短路实验，由于永磁同步电机的暂态过程几乎没有瞬态分量，瞬态时间常数又相当小，突然短路后的瞬态电流分量在一两个周期后即衰减完毕，难以据此求出超瞬态电抗及时间常数。而且在一定转速下，永磁同步电机的励磁电动势是一定值，突然短路时电流很大，属于破坏性实验，应尽量避免进行。稀土永磁同步电机运行时，由于直轴电枢反应使永磁体的工作点改变，这种改变直接影响到参数的意义和参数测试结果的准确性。这些使得稀土永磁同步电机参数测试时需考虑的因素较电励磁同步电机更为复杂。因此，关于稀土永磁同步电机电抗参数测试技术及参数本身变化规律的研究也是目前研究稀土永磁同步电机领域中重要的课题之一。另外，由于永磁电机转子结构的多样性和复杂性，电抗参数的测量一直是永磁同步电机参数测试中的重点和难点，其测试设备和测试手段一直处于手工操作的水平。本研究课题的研究目的就是在理论分析同步电枢反应电抗参数的测试方法的基础上，设计出能够自动进行同步电枢反应电抗参数测试的系统，总结出永磁同步电机的电枢反应电抗参数的变化规律，并结合实验验证系统的可靠性。研究现状1. 永磁同步电机简介随着现代工业自动化的高度发展，电机产品越来越多地应用于各个工业领域，并且小型化、轻型化的产品愈来愈受到人们的亲睐。众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换得电磁装置。为了在电机内建立进行电能量转换所需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，即电励磁电机。这种电励磁电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体产生磁场，即永磁电机。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这样既可简化电机结构，又可以节约能量。所以永磁电机正是适用于目前的市场需求迅速的发展起来，并逐步替代电励磁电机。稀土永磁同步电机与前者相比，去掉了电励磁损耗，简化了结构，大大提高了生产的工艺性；可避免从电网中吸取无功电流，提高了电机力能指标，减轻配电环节的负担，提高电网的利用率。由于转子结构的不同，无论径向或横向的永磁转子，都使永磁电机在三个方面不同于常规同步电机：（1）Xd明显小于Xq。（2）励磁在一定情况下是恒定的。（3）磁路的饱和效应比较强烈。2稀土永磁同步电机电抗参数测试的现状人们对普通电励磁同步电机电抗参数的研究进行的比较早，到目前，测试方法和测量仪器的发展比较完善，也比较成功。近几年，随着稀土永磁电机的广泛研究，人们虽然对其测试方法的研究一直没有间断过，但是一直没有形成一套完整的测试方法和测试仪器供人们来研究和使用。在国内，80年代初，沈阳工业大学（原沈阳机电学院）的王成元等人在普通同步电机参数测试方法基础上，率先开展了对稀土永磁同步电机参数测试方法的研究，他们用发电机直接负载法、直流衰减法、转差法、突然短路法对永磁同步电机参数进行了测试，总结了参数测试经验，认为用直接负载法、直流衰减法测试稀土永磁同步电机参数原理上是可行的，但必须对实验方法进行改进才能适用。80年代后期，华北电力学院的叶东对永磁同步电机稳态同步电抗和漏抗的各种测试方法作了新的探索总结，其中包括直流负载法、转差法、纯电感负载法测Xd，不用测功角的在线测定Xq值等方法。清华大学的郑逢时等人开始尝试用计算机采样稀土永磁同步电机直流电流衰减曲线，再用系统辨识的方法辨识出电机交、直轴多个参数，其中包括稳态参数和瞬态参数。华中科技大学电力系的陈齐一在直流衰减法原理基础上，用双回路法，能模拟不同运行状态下磁路的不同饱和情况，测量得到不同磁路饱和情况下的Xd和Xq值。合肥工业大学的马雷等人在直流衰减法原理基础上，考虑交、直轴的耦合作用，用积分和辨识直流衰减电流的方法侧得永磁同步电机的交、直轴电抗参数。华中科技大学的尹华杰提出了基于电机瞬变电压方程和纹波激励原理的双回路法来解决这个问题，这种方法使电枢绕组中决定磁路饱和的电流保持不变，但在该电流的交、直轴分量中各自叠加一个振幅较小的高频纹波电流，利用稳态下基频纹波电压、电流的幅值及相位来确定电机的饱和参数。 在国外，七、八十年代时，人们就开始对永磁电机的测试方法进行研究。早在1967年由英国的C.V.Jones就提出了积分法，该方法应用于普通电励磁同步电机参数测试，其基本原理与直流衰减法相同，它对直流衰减电流积分得到磁链，由磁链除以初始电流值得到电感值。在1981年T.J.Miller指出：利用C.V.Jones的积分法理论来测永磁电机稳态参数能够简化测试过程。英国利物浦大学的P.H.Mellor和F.B.Chaaban利用该方法测试稀土永磁同步电机Xd、Xq参数，并初步总结电抗参数Xd、Xq随电流的一些变化规律。实验方法及原理本课题将通过较为深入地研究永磁同步电机电抗参数直流衰减法，电压积分法的测试原理，结合实验过程中遇到的问题，研究电抗参数受永磁体增、去磁效应影响以及受交叉饱和效应影响时的测量电路、试验条件，并应用虚拟仪器原理开发相应测试系统。课题研究的主要实验方法及原理如下：1 直流衰减法首先，简单介绍一下直流衰减法的基本原理。直流衰减法的基本原理是利用电枢绕组中达到稳定的直流电流因失去激励电压而经电阻衰减到零的过渡过程来确定电机的参数。图1所示的单回路法是直流衰减法是使用较早、较多的实验接线方式。为了确定d轴及q轴参数，应将转子转到直轴或交轴位子，然后打开开关S，采取直流电流衰减曲线，如图2所示。它可以用指数函数来表示，指数项的数目取决于耦合回路的多少。异步起动永磁同步电动机转子上没有励磁绕组，转子起动（阻尼）绕组可近似用直轴和交轴的等效阻尼绕组来代替，因此直流衰减电流可以表示成双指数曲线形式，即 其中 图1图2 针对实验中的电流衰减曲线，过去大多数采用光线示波器拍摄电流波形，数据采样由人工完成，这样带来较大的误差。现在可利用微型计算机和高速A/D转换器结合采样直流电流衰减曲线，并应用最小二乘法系统辨识理论，既提高数据处理精度，又避免人工采样和手工作图引起的误差。求得Ik1、Ik2、k1和k2后可用以下公式计算d轴及q轴同步电抗参数。直轴稳态同步电抗 交轴稳态同步电抗 2 电压积分法接下来，再介绍一下电压积分法的原理。对永磁同步电机电抗参数的测量，也就是对电感的测量，众所周知，当电感中流过的电流为I，电感中总磁链为时，则电感 为了测出电感中的磁链，可将电感通过电阻R短路，并对电阻两端电压积分，则电感中的磁链 所以， 这里I0为电流初始值，u为回路中电阻上的电压值。这样电感的测量就转化为对电压的积分。电压积分法测试电感的电路原理如图3 所示。 图3测量前，将开关S合上，调节R2、R3和R4使电桥平衡，积分器读数为零，这时满足 R为电感自身电阻。然后将开关打开，电桥构成一个直流衰减回路，用电压积分器积分两端的直流衰减电压，得到读数 而衰减回路中电阻上的电压为，由前面推导的式子可知 所以 3 虚拟仪器利用上述两种方法都可以测得电机电抗参数，但是，这只是在理论上可以求出来，在实际应用时还需要有一个良好的测试系统。测试系统的发展可分为模拟式、数字式和自动测试系统三个阶段。其中第一、二阶段均为人工测试。第三阶段为自动测试系统，这种系统由于采用了计算机而使它在人工最少参与下能自动进行测试、数据处理、显示输出等功能。本文将采用虚拟仪器的设计思想，开发出一种永磁同步电机电抗参数自动测试系统，这将改变以往以手工测试为主的测试手段，为电抗参数的测试提供全新的手段和方法。下面将介绍一下虚拟仪器。虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。因此，虚拟仪器发展很快。虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机，电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。测试软件是虚拟仪器的“主心骨”，面向科学家和工程技术人员（而不是计算机的编程人员）的Lab VIEW和Lab Windows/CVI虚拟仪器开发平台软件以简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持功能，使使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。这些软件提供简单、直观、易于操作的图形编程方式，把复杂的语言编程方式简化为菜单提示方式，使科学家和工程技术人员可以得心应手地编制测试软件，规范一套由通用电子计算机和必需的电子测量硬件模块组成的硬件测试平台来实现新的测试任务和要求。测试软件的主要任务是：（1）规范组成虚拟仪器的硬件平台的哪些部分被调用，并且规范这些部分的技术特性；（2）规范虚拟仪器的调控机构，设置调控范围，其中不少功能和性能直接由软件实现；（3）规范测试程序；（4）调用数据处理和高级分析库，处理和变换测试结果；（5）在电子计算机的显示屏上显示测试结果的数据、曲线族、模型甚至多维模型；（6）规范测试结果的信息存储、传送或记录。虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。课题研究内容本研究课题的主要任务和内容有：1. 对测试稀土永磁同步电机电抗参数的两种方法（直流衰减法和电压积分法）的测量理论进行系统的分析、研究；2. 运用现代测试理论和测试技术，按照虚拟仪器的设计思想，开发出基于直流衰减法和电压积分法的稀土永磁同步电机电抗参数自动测试系统。其中，硬件部分采用多功能采集卡来实现数据的高速采集和大量的数据传输；软件部分采用LabVIEW，设计出良好的数据采集和处理环境；3. 利用设计的自动测试系统进行实验。设计实验方案，采集实验测量数据，计算电抗参数，对实验结果进行分析，对设计方案的实用性和可行性进行科学的评价。工作进度的安排2005年12月-2006年3月 查阅资料，翻译参考文献，文献综述，开题报告2006年3月-2006年4月 检测方法的分析，设计，硬件系统的设计，搭建2006年4月-2006年5月 软件系统的设计，开发2006年5月-2006年6月 检测及检测结果分析，绘图撰写毕业论文2006年6月 毕业设计答辩准备参考文献1、刘洋. 电机测试系统设计和稀土永磁电机参数测试技术研究.沈阳，沈阳工业大学学报，20022、魏红军. 稀土永磁同步电机电抗参数测试与研究. 沈阳，沈阳工业大学学报，20033、唐任远编著.现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社，19974、刘军锋，尹泉，万淑芸.永磁同步电动机参数辨识.武汉：华中科技大学，20045、莫会成.永磁交流伺服电动机的参数分析.西安：西安微机电研究所，20056、孙丽玲，许伯强，李和明.基于参数辨识技术的永磁同步电动机参数测定.河北：华北电力大学学报，20027、徐春华.永磁同步电动机参数Xd，Xq的测定.科技情报，19948、Naomitsu URASAKI，Tomonobu SENJYU& Katsumi UEZATO.“Automatic Parameter Measurement for Permanent Magnet Synchronous Motors Compensating Dead-Time Effect”IEEE Trans，Ind，Electron.20029、Hans-Peter Nee，Louis Lefevre, Peter Thelin,& Juliette Soulard.“Determination of q. and d. Reactances of Permanent-Magnet Synchronous Motors Without Measurements of the Rotor Position” IEEE Trans，Ind，Electron.200010、李钟明，刘卫国.稀土永磁电机.北京：国防工业出版社，1997