測定直流電機轉子回路或平波電抗器電感的方法

專利名稱：測定直流電機轉子回路或平波電抗器電感的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量直流電機轉子回路電感的方法，特別涉及一種利用脈動電流實測波形來測定直流電機轉子回路或平波電抗器電感的方法。
當直流電動機由直流發電機提供的直流電流供電時，在穩態下，其電流通常為恒值。近代由于出現了整流電源(或穩壓電源)，且整流電源使用方便，因而大多數直流電動機由整流電源供電。但是，由于整流電源是一種脈動電源，其電流大小也有周期變化，有時還會出現變化不連續的現象。為使電流連續，電機還需串聯一平波電抗器。由于存在電流的變化(di/dt)，精確測定直流電機轉子回路或平波電抗器的電感量越來越重要。
對于小阻抗的電感量，當流過的電流較小時，可以用電橋測定。對于工作在大電流負載的情況下的電感測量，通常用以下幾種方法1)直流法。該方法是在電機轉子或平波電抗器的兩端突加一直流低電壓，并測量其直流電流的上升率，測量時，電機須激(勵磁)，因而電機轉子必須牢固地掣動。于是，所求電感的大小由外加電壓除以電流的上升率得到。但是，該方法不僅需要外特性較硬的電源即在實驗過程中外加電壓不能有變化而且試驗過程復雜。
2)磁通量測量法。該方法是將一輔助線圈與被測電機的轉子(樞子)連接起來，組成一電橋，同時也組成了一磁通鏈，輸入電流從I1變化到I2，再用一磁通計測量上述磁通鏈中的磁通量的變化△Φ于是上述轉子回路的電感L＝ (△Φ)/(△I) (其中，△I＝I1-I2)。該方法由于測量過程復雜，因而使用不太方便。
3)交流法。該方法通常被大多數電機制造廠家采用。它是在轉子或平波電抗器的兩端加上一工頻交流電壓
，將電機磁場激(勵)，測出其電流
，于是所求電感L=(V/I)2-R2ω]]>，其中ω為交流電壓
的頻率，R為轉子回路的電阻值。但是該方法仍有兩個缺點(1)當外電壓的頻率不同時，由于渦流的影響，測量的電感量會有誤差;(2)由于該方法比較適合于測量交流電壓下的電感，因而對測量直流脈動負載(電流)下的電感，理論上有一定的缺陷。這樣勢必增大了測量的誤差。
4)修正后的交流法。1988年IEC又推薦了一種修正后的交流法。該方法是將被測電機作為發電機，其規定電流為ID，并將該電流作為直流分量，另用一交流發電機提供一交流分量，其值為額定電流的百分之二十，若提供交流分量的電壓為
，電流為
，
與
之間的相角為θ，則所求電感
。該方法由于提供了一直流分量，且預先確定了被測電感的磁飽和度，從而進一步彌補了交流法理論上的缺陷。但是;使用該方法必須配備一套較復雜的試驗設備，且直流分量ID須預先設定，而試驗所規定的磁飽和度是有一定限量的，因而不能隨意變化，但是，電機負載的實際直流分量(即直流電機的平均電流值)是隨機變化的，即磁飽和度是隨機的，故該方法并不能完全模擬實際工況。另外，使用的交流電壓的頻率為工頻(50Hz或60Hz)，但是所供直流脈動電流的頻率并不限于工頻，例如三相全控SCR的頻率為300Hz，頻率不同，產生的渦流也就不同，勢必影響測量的精度。
本發明旨在克服上述諸方法的缺點，提供一種可以在任意負載電流下測定直流電機轉子回路及平波電抗器電感的方法。
當直流電動機由整流電路提供電源(穩壓電源)時，通常電機制造廠家在出廠試驗時要測出以下幾種參數a)整流電路的交流輸出電壓
;b)整流電路輸出的直流電壓，也就是說直流電機的輸入電壓VD;c)電機負載時的平均電流ID(直流值);d)電機轉子回路的電阻R。當然以上參數即使電機廠家不提供，用戶也可很方便地測出。若供電電源為可控硅整流電路電源時，其控制角A可查閱有關可控硅手冊求得。例如三相全控橋式整流電源的控制角A＝Cos-1
。控制角A直接影響了脈動電流的是否連續。由等效電路可求得脈動電流i(t)，其中，2]]>
(t)=Vm(t)=E+L (di)/(dt) +i·R，則此微分方程之解i(t)的函數關系式為i(t)＝f〔R，E，A，i(0)，
m，B，L，F(ωt)〕……(A)上式(A)中，R、A、E(E＝VD-ID·R)上面已描述過。B為常數，它取決于使用何種整流電源。例如，對三相全控整流橋式整流電源B＝ (π)/3 ，t為時間自變量，而L＝ (R)/(ω) tgF，若求出脈動電流的初始電流i(o)，F、L都可求出。事實上由上式(A)求電感L很復雜，有時很難求出，于是我們可提供電源的電流的連續性來求出電感L。
當整流脈動電流連續時，由于脈動電流的周期為τ，則有i(o)＝i(τ)某真實值，于是i(τ)＝i(o)＝f〔R，E，A，i(o)，Vm，B，L，F(ωτ)〕……(B)由于上式(B)是一隱函數，因而不能用解析法求L。但是，可以采用圖解法來求L。如果使用計算機也可求出L。
當整流脈動電流不連續時，初始電流i(o)＝0，此時每一電流脈動工作時間小于周期τ，設上述脈動時間為T，則0＝i(T)＝f〔R，E，A，i(0)，Vm，B，L，F(ωT)〕……(c)
事實上，目前直流電機使用的電源通常有(1)三相全控整流電源;(2)三相半控橋式整流電源;(3)單相全控橋式整流電源;(4)單相半控橋式整流電源;(5)三相零式整流電源;(6)方被(斬波)電源;(7)二極管橋式整流電源(主要測平波電抗器的電感)。本發明針對上述七種整流電源，在(A)、(B)兩式的基礎上歸納了求直流電機轉子回路或平波電抗器的電感的通式〔i(o)R+VD-IDR〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝VmCosPF{DSin(W+A-PF)-Sin(B+A-PF)e- (C)/(tgF) +KSinF.e (-M)/(tgF) +S·e- (G)/(tgF) }……(D)其中E為回路的反電動勢且E＝VD-IDR，于是，本發明提供的測量直流電機轉子回路或平波電抗器電感的方法包括以下步驟(1)將直流電機與整流電源相連;
(2)測量直流電機轉子回路或平波電抗器回路的電阻R;
(3)測量整流電路(電源)輸入的交流電壓
，并由公式Vm=2]]>
求出電壓的最大值Vm;
(4)測量流經電機轉子脈沖電流的平均值ID;
(5)確定脈動電流的初始電流i(o);
(6)計算可控硅整流電路的控制角A;
(7)根據可控硅整流電源的控制角A、電流的連續性、選擇常數C、P、D、W、B、K、M、S、G的值;以及(8)由公式〔i(o)R+VD-IDR〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝VmCosPF{DSin(W+A-PF)-Sin(B+A-PF)e- (C)/(tgF) +KSinF.e (-M)/(tgF) +S·e- (G)/(tgF) }求得F，于是所求電感L＝ (R)/(ω) tgF。
上述參數C、P、D、W、B、K、M、S、G、E、A取決于整流電路(電源)的特性，這些特性包括脈動電流的連續性、控制角A的大小及直流的特性，這些特性包括脈動電流的連續性、控制角A的大小及直流電機所使用的整流電源的類型。
特別指出的是，將求的電感L的值代入列(A)式中求出其函數i(t)中一定數量的點的電流值i(t1)、i(t2)……i(tn)，然后根據上述點是否與脈形動電流實際脈形吻合，可驗證或判斷所求電感值的準確性。
本發明提供的方法具有以下優點(1)該方法可在任意負載電流下進行測量;所求電感傳值精度較高，且可以驗證其準確性;
(2)測量方便，不需要專門的測量及其設備，并可在電機運行時測量。


圖1是本發明提供的方法使用的不包括平波電抗器的測量裝置的示意圖;
圖2是本發明提供的方法使用的包括平波電抗器的測量裝置的示意圖;
圖3是方波整流電源的波形示意圖;
圖4是本發明的第一實施例通過示波器顯示的脈動電流的波形圖;以及圖5是本發明的第二實施例通過示波器顯示的脈動電流的波形圖。
下面接合附圖對本發明的方法作進一步說明。
圖1是本發明提供的方法使用的不包括平波電抗器的測量裝置的示意圖。當直流電機功率較小，不需要平波電抗器時，可使用如圖1所示的裝置。圖1中，整流電源1的端點a與直流電機2的轉子(或樞子)一個接線端相連，其端點b與分流器3的接線端e相連，直流電機轉子的另一接線端與分流器3的接線端f相連。直流電機2帶有負載(圖中未示出)，分流器3用來與光電示波器或經A/D轉換器圖2是本發明提供的方法使用的包括平波電抗器的測量裝置示意圖。與圖1不同的是，在直流電機2與整流電源的端點a之間接有一平波電抗器4，以使脈動電流i(t)保持連續，從而使直流電機能正常工作。
必須指出的是，應用圖1所示的裝置，使用本發明提供的方法可求出直流電機2轉子的電感，而應用圖2所示的裝置，則求出直流轉子2和平波電抗器4的串聯回路的電感。實際上，如果在圖1的裝置中，直流機2由平波電抗器4代替，并令公式(D)中的反電動勢E＝0，即VD-IDR＝0，則可求出平波電抗器的電感。
圖3是方波(斬波)整流電源的電壓波形圖。實際上通過計算或由波形圖直流測量可得出它的三個時間常數T1、T2和周期L的值。
下面是七種常用的可控硅整流電源中參數C、P、D、W、B、K、M、S、G的值的表1-1。由可控硅整流電源的控制角A、脈動電流的連續性、以及整流電源的類型可從表1-1中查出上述參數的值，參見下表表1-1
以下結合圖3和圖4分別說明本發明的兩個實施例。
本發明的第一實施例測量的直流電機是Z2型，其主要性能參數為功率P＝2.75/3.4/4.7KW，轉整n＝1220/1450/2500轉/分，電壓V＝175/220/320V，使用的可控硅整流電源為三相全控橋式整流電源。按圖1所示的裝置圖，首先測出電機轉子回路的電阻R＝0.995Ω;輸入電壓
＝212V，則最大值Vm＝2]]>
＝299.8V;脈動電流的平均值ID＝14.8A;a.b間的直流輸出電壓VD＝220V;由上述數據我們可以求出該整流電路的控制角A，由可控硅手冊提供的公式
得A＝39.76°，由與分流器相連接的光電示波器得到如圖4所示的脈動電流的波形。從波形圖中求得初始電流i(o)＝8.8.2A由表1-1可知L＝ (π)/3 、P＝1，D＝1，W＝ (2π)/3 、B＝ (π)/3 ，K＝0，S＝0，于是由公式(D)求得F＝68.89019°或1.202361rad，則所求電感L＝8.203mH。
為了判斷所述電感值L的準確性，可將所求電感值L＝8.203mH代入到(A)式中，可求得脈動電流i(t)的一些值例如八個，如i(t0)＝i(.0000000)＝8.2Ai(t1)＝I(0.0004167)＝15.13959Ai(t2)＝i(.0008333)＝15.13959Ai(t3)＝i(.0012500)＝17.26004Ai(t4)＝i(.001667)＝18.23914Ai(t5)＝i(.0020833)＝17.92703Ai(t6)＝i(.0025000)＝16.20567Ai(t7)＝i(.0029167)＝12.98256Ai(t8)＝i(.0033339)＝8.199985A將上述值在圖4的坐標上點出，如圖4的⊙所示，可以看出其值表示的點與曲線i(t)基本上吻合，考慮計算機誤差，可以確信，所求電感L很精確。
本發明的第二實施例測量的直流電機是Z2型，其主要性能參數為功率P＝0.8KW，轉整n＝1500轉/分，電壓V＝220V。使用的整流電源為單相半控橋式整流電源。將上述直流電機和整流電源按圖1連接，然后測量得到回路電阻R＝5119Ω，電壓V＝220V，則最大值VM＝2]]>
＝311.127V，脈動電流的平均值ID＝4.2A，整流電路的輸出電壓VD＝71V;于是查閱可控硅手冊求得控制角A＝Cos-1( 71/(0.45×220) -1)＝106.4°;由與分流器3相連的示波器顯示到的如圖5所示的脈動電流的波形可知電流連續且初始電流i(o)＝0，由表1-1，可查得下列參數的值，即C＝2，P＝1，D＝0，B＝0，K＝1，M＝A，S＝0，于是求得電感L＝55.0756mH。
由圖(5)所示的脈動電流的波形可知該脈動電流i(t)可為兩個部分即i1(t)和i2(t)，且i2(o)＝i1( (π-A)/(ω) )，于是將所求L＝55.07056mH代入(A)式求得i1(t0)＝i(.0000000)＝0i1(t1)＝i(0.00010222)＝4.067167i1(t2)＝i(0.0030667)＝7.792159i1(t3)＝i(.0040889)＝7.068013＝i2(to)i2(t1)＝i(0.0011822)＝5.323028i2(t2)＝i(0.0023644)＝3.76216i2(t3)＝i(.0035467)＝2.365978i2(t4.＝i(.0047289)＝1.117108i2(t5)＝i(.0059111)＝5.722046E-66將上述值表示的點點到圖5的坐標圖上，如圖“⊙”所示，可知這些點與i(t)曲線很吻合，說明所求電感值很精確。
通過上面的描述，我們可以知道本發明所述方法的頻順序可作些變化，如步驟(2)到(6)可任意變化，同樣達到本發明的目的。
權利要求
1.一種利用脈動電流的實測波形來測定直流電機轉子回路電感的方法，其特征在于它包括以下步驟(1)將直流電機與整流電源相連接；(2)測量整流電源的輸入交流電壓
，由此求得該交流電壓的最大值Vm=2]]>
；(3)測量轉子回路的電阻R；(4)測量整流電源輸出的直流電壓VD；(5)測量整流電源輸出的電流的平均值ID；(6)確定脈動電流的初始電流i(o)；(7)確定整流電源控制角A；(8)根據電源特性確定參數C、P、D、W、B、K、M、S、G的值；以及(9)由公式[i(o)R+VD-IDR][1-e- (C)/(tgF) ]=VmCosDF·{DSin(W+A-PF)-Sin(B+A-F)e- (C)/(tgF) +K SinFe- (M)/(tgF) +Se- (G)/(tgF) } ……(D)以及L= (R)/(ω) tgF……(H)求得直流電機轉子回路的電感L。
2.一種利用脈動電流的實測波形來測定平波電抗器的回路電感的方法，其特征在于它包括以下步驟(1)將平波電抗器與整流電源相連;(2)測量直流電源的輸入交流電壓
，由此求出該交流電壓的最大值Vm=2]]>
;(3)測量回路的電阻R;(4)測量整流電源輸出的直流電壓VD;(5)測量整流電源輸出的電流的平均值ID;(6)測量脈動電流的初始電流i(o);(7)確定整流電源控制角A;(8)根據整流電源的特性和確定定參C、P、D、W、B、K、M、S、G的值;以及(9)由公式〔i(o)R〕〔1-e- (C)/(tgF) 〕＝VmCosDF·{DSin(W+A-PF)-Sin(B+A-F)e- (C)/(tgF) +KSinFe- (M)/(tgF) +Se- (G)/(tgF) }……(D)以及L＝ (R)/(ω) tgF……(H)求得平波電抗器回路的電感L。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于上述整流電源為三相零式整流電源，方波電源、單相全控整流電源、單相半控整流電源、二極管單相橋式整流電源、單相全控橋式整流電源以及三相半控橋式整流電源中任一電源。
4.如權利要求1或2所述的方法，當整流電源為三相全控整流電源且電流連續時，上述參數中C＝ (π)/3 ，P＝1，D＝1，W＝ 2/3 π，B＝ (π)/3 ，K＝0，S＝0。
5.如權利要求1或2所述的方法，當整流電源為單相半控橋式整流電源且電源連續時，上述參數中C＝2，P＝1，D＝0，B＝0，K＝1，M＝A，S＝0。
全文摘要
一種利用脈動電流的實測波形來測定直流電機轉子回路或平波電抗器的方法，它包括步驟1)測量轉子回路的電阻R；2)測量整流電路的輸入電壓V；3)測量脈動電流的平均值I
文檔編號G01R31/06GK1071258SQ9110936
公開日1993年4月21日 申請日期1991年9月24日 優先權日1991年9月24日
發明者蘇祖訓, 周守國, 黃小銑, 洪君強, 嚴云臺, 單功茂 申請人:上海市電機技術研究所