专利名称：一种实现异步电机真正空载的实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可以实现异步电机真正空载，从而准确测量异步电机各种参数的实验装置。
背景技术：
目前，各大、中、小型工矿企业还主要依靠交流异步电动机进行传动。随着生产的发展，人们对异步电动机调速的精度要求越来越高。相应地，对作为当前主流调速系统中的异步电动机的控制精度要求也越来越高。为此，设计人员发明出许多控制异步电动机转动，以实现对异步电动机速度精确控制的各种复杂的控制算法，如有速度矢量控制、无速度矢量控制等。这些算法都是建立在电机模型基础上的，都是在已经准确地知道了被控电机定子电阻R1、定子电感X1、转子电阻R2’、转子电感X2’、励磁电阻Rm、定转子互感Xm参数情况下，将这些参数输入到电机模型中而得到的。要验证建立的各种异步电动机电机模型的正确性，要使异步电动机模型更精确地控制被控异步电动机，就必须准确地测量出被控异步电动机的各种参数。
传统的异步电动机参数的测量主要是在假设为理想的情况下，通过空载实验、堵转实验简化异步电动机等效电路图来计算电机参数的。
异步电动机空载实验是指在异步电机不拖动任何负载的情况下，异步电机的电源输入端通过调压器直接与额定频率的三相交流电源相连，实验电路如图1所示。调节调压器使异步电机定子端电压从额定电压逐步下降，测试7～9点，每次记录三相电压U0、电流I0和空载有功功率P0。电动机空载吸收的有功功率P0用于供给定子绕组R1的电阻损耗P1，铁心中的磁损耗PFe和机械损耗Pmec，即P0＝P1+PFe+Pmec(1)电阻损耗P1＝3I02R1(R1定子电阻，可以通过万用表直接测量得到)；磁损耗PFe的大小与外加电压U0的平方成正比；而机械损耗Pmec决定于转速，与电压无关，在空载时约为定值。因此P0-P1＝PFe+Pmec与电压U2的关系将是一条直线，如图2所示。将直线延长与纵轴相交，则交点以下的恒定部分表示与电压无关的机械损耗Pmec，而交点以上的部分是与电压平方成正比的磁损耗PFe。通过实际测量可知道空载有功功率P0、通过计算可以得出电阻损耗P1、通过图2可以查出机械损耗Pmec，由公式(1)可以求出铁芯中的磁损耗PFe。
由公式PFe=3I02Rm]]>可求得励磁电阻为Rm=PFe3I02]]>由于异步电机空载运行时，s→01-ssR2′→∞,]]>则可以认为转子处于开路状态，异步电动机的单相等效电路(如图3所示)就可简化成如图4所示。因为(X1+Xm)＞＞(R1+Rm)，由电机空载等效电路图4可知|U03I0|=(R1+Rm)2+(X1+Xm)2≈X1+Xm]]>Xm=|U03I0|-X1----(2)]]>异步电动机的堵转实验是指在异步电机转子上施加制动力使其堵住不转，定子绕组通过调压器接通额定频率的三相交流电的情况下进行，实验线路如图1。调节调压器给定子绕组施加较低电压，使定子电流在(1～3)倍的额定电流范围内进行堵转实验，测试几点数据，记录三相电压U1、电流I1和堵转有功功率P1。
通过堵转实验可以求得短路参数R2’，X1’，X2’，再结合空载实验可以计算出定转子互感Xm，从而得知被控异步电动机的全部参数定子电阻R1、定子电感X1、转子电阻R2’、转子电感X2’、励磁电阻Rm、定转子互感Xm。
异步电动机堵转时，s＝1，1-ssR2′=0.]]>为了不使电流过大，堵转实验的电压一般为额定电压的(15～25)％，气隙磁场仅为正常的10％左右，故铁芯中的磁损耗可以忽略不计。此时从电源吸收的功率等于定子电阻R1、转子电阻R2’损耗之和，即P1=3I12R1+3I12R2′=3I12(R1+R2′)]]>则R1+R2′=P13I12]]>由于定子电阻R1可以通过万用表测量出来，所以，通过上式可计算出转子电阻R2’。
电机堵转时，s＝1，1-ssR2′=0,]]>对大、中型异步电动机，励磁支路阻抗远大于转子阻抗折合值，可以认为励磁支路是断开的，由异步电机堵转时等效电路图5，当定子绕组星形连接时，可知|U13I1|=(R1+R2′)2+(X1+X2′)2.]]>通常认为X1＝X2’，则可由上式计算得出定子电感X1和转子电感X2’，再由公式(2)计算出定转子互感Xm。
至此，通过异步电机空载和堵转实验，计算得出了建立异步电机控制模型所需的定子电阻R1、定子电感X1、转子电阻R2’、转子电感X2’、励磁电阻Rm、定转子互感Xm参数。
上述计算异步电机参数的方法的缺点是误差大，使基于这些参数的用于控制异步电机的控制模型不准确。原因是传统的空载实验采用测试点连线并延长后与纵轴相交来计算机械损耗Pmec，这本身就带来了不小误差，这就对机械能损耗的估计带来了误差，引起电机参数计算误差；而且电机在空载时，转差率s虽然很小，但是也在1％～5％之间，使 并不能真正趋于无穷大，从而给等效电路的简化带来了误差。
发明内容
为了解决现有测量异步电动机参数的方法测量误差大的问题，本实用新型的目的是提供一种可实现异步电动机真正空载的、可准确地测量/计算出异步电动机参数的实验装置。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种实现异步电动机真正空载的实验装置，它包括与被测异步电机转动轴相连的调速电机、调节调速电机转速的控制电路和安装在被测异步电机上的用于测量异步电机输入电压、输入电流、转速、有功功率的测量仪器。
在本实用新型的具体实施例中，所述调速电机为直流电机；所述调节调速电机转速的控制电路包括空气开关、调压器、整流电路和可调电阻；调压器的输入端通过空气开关与三相交流电源相连，其输出端与整流电路的交流输入端相连；整流电路的直流输出端通过可调电阻与直流电机的电源端相连。
所述测量仪器包括适合测量异步电动机输入电压和电流的交流电压表、电流表，测量异步电动机输入有功功率的功率表、扭矩仪，测量电机转速的编码器、扭矩仪等。
由于本实用新型采用以上技术方案，即在被测异步电机输出轴上不增加任何机械负载的情况下，使本实用新型中的调速电机与被测异步电机同方向转动，并通过调速电机将被测异步电机拖动到其同步转速上，实现其真正的空载转动，以实现对异步电机空载下机械能损耗的补偿，真正简化异步电机的等效电路，使电机参数的计算更加简洁、精确。
本实用新型能更准确地测量异步电动机定转子参数，提高异步电动机电机参数测量精度，为实现异步电动机的复杂控制算法提供依据，适用于对异步电动机定转子参数要求较高的场合。
图1为传统异步电动机空载实验的接线图图2为传统异步电机空载实验中计算机械能损耗示意图图3为异步电机单相等效电路图图4为异步电机空载实验单相等效电路图图5为异步电机堵转实验单相等效电路图图6为本实用新型实验装置的具体原理、结构示意图具体实施方式
如图6所示，本实用新型公开的一种实现异步电动机真正空载的实验装置包括与被测异步电机1转动轴相连的调速电机2、调节调速电机2转速的控制电路3和安装在被测异步电机上的用于测量异步电机输入电压、输入电流、转速、有功功率的各种测量仪器4。
所述调速电机2可以为直流电机，也可以为交流电机。在本实用新型的具体实施例中，调速电机2为直流电机。调节调速电机2转速的控制电路3包括空气开关31、调压器32、整流电路33和可调电阻34；调压器32的输入端通过空气开关31与三相交流电源相连，其输出端与整流电路33的交流输入端相连；整流电路33的直流输出端通过可调电阻34、电阻35与调速电机2的电源端相连。
所述测量仪器4包括适合测量异步电动机输入电压和电流的交流电压表、电流表，测量异步电动机输入有功功率的功率表、扭矩仪，测量电机转速的编码器、扭矩仪等。
本实用新型可以准确地测量异步电动机参数的原理是当被测异步电动机空载运行时，从电源吸收的有功功率P1用于供给定子绕组R1的电阻损耗P1，铁芯中磁损耗PFe和机械损耗Pmec，其中机械损耗Pmec决定于转速。用本实用新型的调速电机将被控异步电动机拖动到异步电动机同步速度n1(n1=60fp]]>f电机额定频率，p电机极对数)时，异步电机转差率s真正为0(s=n1-nn1]]>n1同步转速，n实际转速)，被控异步电机不输出机械损耗Pmec，只输出铁磁损耗PFe和定子电阻损耗P1。
从以上叙述可以看出，本装置使用的空载测试方法，只测试一点的数据进行计算，不需要再测试几点的数据来估计机械能损耗，从而减少了延长线与纵轴相交带来的误差；而且异步电动机被拖到同步速度后，s确实为0而不是估计为0，使传统的异步电动机空载实验的等效电路简化带来的误差进一步减小。
这正是本实用新型与传统实验的不同之处，本发明正是依据以上原理测量/计算被控异步电动机参数的。
异步电动机参数测量要进行空载试验和堵转试验。空载试验是异步电动机轴上不加机械负载，定子绕组上施加不同额定频率的三相交流电。实验时，先启动本实用新型的调速电机，使其与被控异步电动机同方向转动；然后，改变调速电机的电压，使调速电机的速度与被控异步电动机的速度相同，并都达到被控异步电机的同步转速，即n1(n1=60fp]]>f电机额定频率，p电机极对数)，可以通过安装在异步电机转动轴上的编码器进行有效的监控；速度稳定后，通过测量设备测量被测异步电机的输入电压值U0、电流值I0、有功功率P0。用测量数值依据电机单相等效电路进行计算。
P0＝P1+PFe电机定子电阻R1可以通过用万用表直接测试电机绕组得到，可以计算出P1，P1＝3I02R1。
引起定子铁磁损耗的励磁电阻Rm=PFe3I02]]>其中PFe＝P0-P1，P1=3I02R1.]]>计算定子电感与定转子互感之和X1+Xm|U03I0|=(R1+Rm)2+(X1+Xm)2]]>堵转实验时，给定子绕组时施加较低电压，使定子电流在1～3倍额定电流范围内进行堵转试验，测试几点，每次测试输入电压U1、电流I1、有功功率P1，依据堵转电机等效电路进行计算。
异步电动机堵转时，从电源吸收的功率等于定、转子电阻损耗之和。
P1=3I12R1+3I12R2′=3I12(R1+R2′)]]>则短路电阻R1+R2′=P13I12]]>
R2′=P13I12-R1]]>根据图5，当定子绕组星形连接时，由等效电路可知|U13I1|=(R1+R2′)2+(X1+X2′)2]]>通常认为X1＝X2’，则可由上式计算得出X1和X2’利用上式计算出的X1结合空载实验计算出的X1+Xm得到定子电感Xm。
至此，异步电机参数定子电阻R1，定子电感X1，定转子互感Xm，励磁电阻Rm，转子电阻R2’，转子电感X2’。
本实用新型能更准确地测量异步电动机定转子参数，提高异步电动机电机参数测量精度，为实现异步电动机的复杂控制算法提供依据，适用于对异步电动机定转子参数要求较高的场合。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此。任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。
权利要求1.一种实现异步电机真正空载的实验装置，其特征在于它包括与被测异步电机转动轴相连的调速电机、调节调速电机转速的控制电路和安装在被测异步电机上的用于测量异步电机输入电压、输入电流、转速、有功功率的测量仪器。
2.根据权利要求1所述的一种实现异步电机真正空载的实验装置，其特征在于所述调速电机为直流电机；所述调节调速电机转速的控制电路包括空气开关、调压器、整流电路和可调电阻；调压器的输入端通过空气开关与三相交流电源相连，其输出端与整流电路的交流输入端相连；整流电路的直流输出端通过可调电阻与直流电机的电源端相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现异步电机真正空载的实验装置，其特征在于所述测量仪器包括适合测量异步电动机输入电压和电流的交流电压表、电流表，测量异步电动机输入有功功率的功率表、扭矩仪，测量电机转速的编码器、扭矩仪。
专利摘要本实用新型公开了一种能够实现异步电机真正空载以改善异步电机参数测定精度的实验装置。它包括与被测异步电机转动轴相连的调速电机、调节调速电机转速的控制电路和安装在被测异步电机上的用于测量异步电机输入电压、输入电流、转速、有功功率的测量仪器。本装置通过调速电机拖动被测异步电机到同步速度后，简化了异步电动机等效电路，使电机定转子参数计算更加简洁、准确。本实用新型可准确地测量异步电机的各种参数，提高异步电动机电机参数测量精度，为更好的实现电机复杂控制算法提供条件。
文档编号G01R31/34GK2684208SQ20032012997
公开日2005年3月9日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者秦亚龙 申请人:北京利德华福电气技术有限公司