一种直线电机测试方法及测试装置与流程

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种直线电机测试方法及测试装置。

背景技术：

新的家用电器能效标准的进一步提高，使得具有显著节能优势的直线压缩机成为冰箱、冰柜、超市陈列柜、空调及电子散热领域等家用或商用小型制冷装置压缩机的重要发展方向。直线压缩机通过将直线电机与压缩机活塞一体化设计，由直线电机直接驱动活塞往复运动，从而压缩制冷剂蒸气。这种驱动方式和结构使得直线压缩机相比使用旋转电机的传统活塞式压缩机，省去了旋转运动转换为直线运动的环节，减少了摩擦损失的功耗，提高了机械传动效率，易于实现少油润滑或不需润滑油，实现压缩机的高可靠性长寿命。

直线压缩机采用直线同步振荡电机作为驱动器，推动与电机动子连接的活塞在气缸内往复运动。工作过程中工质被吸入到活塞和气缸之间的压缩空间升高压力后从该压缩空间排出，作为用来压缩空气、制冷剂、氮气、氦气等各种气体工质以提升其压力的机电一体化设备装置。因其工作过程中压缩气体状态参数的变化及间歇性的吸排气作用，使得作为直线振荡电机负载的压缩气体对压缩机频率特性影响较大从而影响压缩机性能。当所述压缩机在没有气体荷载时，直线压缩机具有由谐振弹簧刚度(常数)及所述压缩机运动部件质量限定的机械固有频率。压缩机运行开始排气后，直线压缩机的谐振频率受到压缩腔内被压缩工质所产生的气体弹簧及谐振弹簧的共同影响。

理论分析表明，所述压缩机在谐振状态工作时，其运行效率最高，此时直线压缩机的运动质量部件及谐振弹簧部件之间的能量蓄积和释放之间存在着平衡，因而电源所需提供的能量约为压缩气体所消耗的能量与克服压缩机运动部件摩擦所消耗的功之和。通过检测到系统的压缩机的等效阻尼及压缩机的行程的改变，能够将其用于线性压缩机运行状态的在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

由于现有文献中通常将直线电机参数(等效电阻及等效电感)按常数处理，但在实际运行过程中，由于电机导磁材料硅钢片的非线性特性，使得电机参数通常会随频率变化，而采用常量形式的直线电机参数来计算电机消耗或存储能量存在较大误差，进一步放大压缩机等效阻尼及行程等控制特征参数的计算误差，造成压缩机控制不准确，容易发生撞缸而损坏压缩机现象。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种直线电机测试方法，通过测量直线电机输入端的电参数，计算出直线电机的预设频率和全频率下的等效电阻和等效电抗，以实现对直线压缩机设备的等效刚度、等效阻尼、固有频率及行程等动力学参数实现更准确和实时的检测，用于压缩机在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种直线电机测试方法，包括：

s100，在直线电机输入端施加预设频率的输入电压；

s200，获取所述直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率；

s300，将所述输入电压值提高第一预设比例值；

s400，检测步骤s300中所述输入电压提高次数是否达到第一预设次数，如“是”则执行步骤s500，如“否”则执行步骤s200；

s500，基于步骤s200中获取的多组有功功率和无功功率，获取所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗；

s600，将所述预设频率提高第二预设比例值；

s700，检测步骤s600中所述预设频率提高次数是否达到第二预设次数，如“是”则执行步骤s800，如“否”则执行步骤s400；

s800，将步骤s500中得到的多组所述等效电阻和等效电抗分别拟合为所述预设频率的线性等式，得到所述直线电机的全频率等效电阻和全频率等效电抗。

进一步地，所述获取所述直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，可通过电参数仪测量。

进一步地，所述获取所述直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，包括：可通过电压传感器和电流传感器获取预设时间周期内的电压离散数据和电流的离散数据，得到所述电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率。

进一步地，所述通过电压传感器和电流传感器获取预设时间周期内的电压离散数据和电流离散数据得到所述电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，包括：基于所述电压离散数据和电流离散数据，得到所述直线电机输入端电压的电压幅值和电压相位；得到所述直线电机输入端电流的电流幅值和电流相位；通过所述电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位得到所述电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率。

进一步地，所述基于步骤s200中获取的多组有功功率和无功功率获取所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗，包括：将多组所述有功功率和无功功率分别拟合为所述电流有效值平方的线性等式，得到所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗；或者，

将多组所述有功功率与对应时刻电流有效值平方商取平均值得到所述直线电机的预设频率等效电阻，将多组无功功率与对应时刻电流有效值平方商取平均值得到所述直线电机的预设频率等效电抗。

进一步地，所述第一预设次数的范围为大于或等于3次；和/或，所述第二预设次数为大于或等于3次。

进一步地，所述第一预设比例值的范围为10％-150％；和/或，所述第二预设比例值的范围为50％-150％。

本发明实施例的第二方面提供了一种直线电机测试装置，包括：

测量单元，所述测量单元与直线电机输入端电连接，用于获取直线电机动子处于固定状态时预设频率下的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率；

计算单元，所述计算单元分别与所述测量单元电连接，基于所述测量单元得到的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，得到所述直线电机的等效电阻和等效电抗；

控制单元，所述控制单元分别与所述测量单元和所述计算单元电连接，控制所述测量单元获取所述直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，且控制所述计算单元对所述测量单元获取所述直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率进行计算，以得到所述直线电机的等效电阻和等效电抗。

进一步地，所述直线电机的等效电阻和等效电抗，包括：所述直线电机预设频率下的等效电阻和等效电抗；或，所述直线电机全频率下的等效电阻和等效电抗。

进一步地，所述直线电机测试装置还包括：显示单元，所述显示单元与所述计算单元电连接，用于显示所述直线电机输入端的输入电压、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、等效电阻和/或等效电抗。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过测量直线电机输入端的电参数，计算出直线电机的预设频率和全频率下的等效电阻和等效电抗，以实现对直线压缩机设备的等效刚度、等效阻尼、固有频率及行程等动力学参数实现更准确和实时的检测，用于压缩机在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

附图说明

图1是本发明实施例提供的直线压缩机的电路模型图；

图2是本发明实施例提供的直线电机测试方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的直线电机测试装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例提供的直线压缩机的电路模型图。

请参照图1，直线压缩机的有功功率和无功功率构成的能量平衡方程为：

其中，p为电源输入有功功率，q为电源输入无功功率，u为电压有效值，i为电流有效值，φui为电压和电流之间相位差，re为电机等效电阻；le为电机等效电感；k0为电机电磁力系数；csg为压缩机等效阻尼系数，ksg为直线电机等效弹簧刚度，m为电机动子质量，ω为直线电机运行角频率，c为电路中电容，v为速度有效值(为位移幅值的倍)。直线电机导磁材料硅钢片具有非线性特性，导致直线电机的等效电阻和等效电抗受频率变化而变化。得到直线电机等效电阻和等效电抗随频率的变化规律，可更加准确地得到压缩机等效阻尼及行程等控制参数。

图2是本发明实施例提供的直线电机测试方法的流程图。

请参照图2，本发明实施例的第一方面提供了一种直线电机测试方法，包括：

s100，在直线电机输入端施加预设频率的输入电压。

s200，获取直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率。

在本发明实施例的一个实施方式中，获取直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，可在直线电机输入端通过电参数仪直接进行测量。

在本发明实施例的另一个实施方式中，除了直接使用电参数仪测量外，获取直线电机的电学参数还可以通过电压传感器和电流传感器获取直线电机运行时预设时间周期内的直线电机输入端的电压和电流的离散数据点。

可选的，分别利用电压传感器和电流传感器采集得到直线电机运行时一个周期(t)内电压和电流的离散数据点，分别记为uk＝[u1,u2,……,un]及ik＝[i1,i2,……,in]。

可选的，分别利用电压传感器和电流传感器采集得到直线电机运行时多个周期(mt)内电压和电流的离散数据点，数据采样时间间隔为δt，分别记为uk＝[u1,u2,……,um]及ik＝[i1,i2,……,im]，但对于采集多个周期内电压和电流的离散数据点而言，在进行后续计算时，需要从多个周期内电压和电流的离散数据点中提取一个周期内的电压和电流的离散数据点。

将直线电机输入端电压的离散数据点作为电压曲线，将直线电机输入端电流的离散数据点作为电流曲线，可得到电压有效值u、电流有效值i、有功功率p和无功功率q。

其中，u(t)为以时间t为变量的电压连续信息；i(t)为以时间t为变量的电流连续信息,u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；t为信号时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数,δt为传感器的采样时间间隔。

通过电压传感器和电流传感器获取预设时间周期内的电压离散数据和电流离散数据得到电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，包括：基于电压离散数据和电流离散数据，得到直线电机输入端电压的电压幅值和电压相位；得到直线电机输入端电流的电流幅值和电流相位；通过电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位得到电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率。

通过电压离散数值和电流离散数值，利用傅里叶分解算法得到电压幅值um、电压相位φu、电流幅值im和电流相位φi，进而得到电压有效值u、电流有效值i、有功功率p和无功功率q，

p＝uicos(φu-φi)，

q＝uisin(φu-φi)。

其中，电压相位φu和电流相位φi的相位差可以基于电压离散数据和电流离散数据通过过零法、三角函数法、最小二乘法或采用相位测量芯片等硬件测量电路计算得到。

s300，将输入电压值提高第一预设比例值。

s400，检测步骤s300中输入电压提高次数是否达到第一预设次数，如“是”则执行步骤s500，如“否”则执行步骤s200。

s500，基于步骤s200中获取的多组有功功率和无功功率，获取所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗。

在本发明实施例的一个实施方式中，基于步骤s200中获取的多组有功功率和无功功率，获取所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗，具体为：将多组所述有功功率和无功功率分别拟合为所述电流有效值平方的线性等式，得到所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗。

可选的，多组有功功率和无功功率分别拟合为电流有效值平方的线性等式，线性等式的截距分别为零。

由有功功率p和电流有效值i可得到直线电机的等效电阻re，即

p＝rei²。

由无功功率q和电流有效值i可得到直线电机的等效电抗xe，即

q＝xei²。

在本发明实施例的另一个实施方式中，基于步骤s200中获取的多组有功功率和无功功率，获取所述直线电机的预设频率等效电阻和预设频率等效电抗，包括：将多组所述有功功率与对应时刻电流有效值平方商取平均值得到所述直线电机的预设频率等效电阻，将多组无功功率与对应时刻电流有效值平方商取平均值得到所述直线电机的预设频率等效电抗。

s600，将预设频率提高第二预设比例值。

s700，检测步骤s600中预设频率提高次数是否达到第二预设次数，如“是”则执行步骤s800，如“否”则执行步骤s400。

s800，将步骤s500中得到的多组等效电阻re和等效电抗xe分别拟合为预设频率的线性等式，得到直线电机的全频率等效电阻re-all和全频率等效电抗xe-all。

由直线电机的多组等效电阻re及各自对应的预设频率f，可得直线电机的全频率等效电阻re-all，即

re-all＝k1×f+rek，

其中，k1表示一次项系数，为常数；rek表示拟合截距，为常数。

由直线电机的多组等效电抗xe及各自对应的预设频率f，可得直线电机的全频率等效电阻xe-all，即

xe-all＝k2×f+xek，

其中，k2表示一次项系数，为常数；xek表示拟合截距，为常数。

可选的，第一预设次数的范围为大于或等于3次，使得最后一次施加在直线电机上的电压为该直线电机额定工作电压的1.5倍。

相似的，第二预设次数为大于或等于3次，使得最后一次施加在直线电机上的频率为该直线电机额定工作频率的1.5倍。

可选的，第一预设比例值的范围为10％-150％；和/或，第二预设比例值的范围为50％-150％。

图3是本发明实施例提供的直线电机测试装置的结构示意图。

请参照图3，本发明实施例的第二方面提供了一种直线电机测试装置，包括：测量单元、计算单元和控制单元。测量单元与直线电机输入端电连接，用于获取直线电机动子处于固定状态时预设频率下的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率。计算单元分别与测量单元电连接，基于测量单元得到的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，得到直线电机的等效电阻和等效电抗。控制单元分别与测量单元和计算单元电连接，控制测量单元获取直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，且控制计算单元对测量单元获取直线电机输入端的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率进行计算，以得到直线电机的等效电阻和等效电抗。

可选的，直线电机的等效电阻和等效电抗，包括：直线电机预设频率下的等效电阻和等效电抗；或，直线电机全频率下的等效电阻和等效电抗。

在本发明实施例的一个实施方式中，直线电机测试装置还包括：显示单元，显示单元与计算单元电连接，用于显示直线电机输入端的输入电压、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、等效电阻和/或等效电抗。

本发明实施例旨在保护一种直线电机测试方法及测试装置，具备如下效果：

通过测量直线电机输入端的电参数，计算出直线电机的预设频率和全频率下的等效电阻和等效电抗，以实现对直线压缩机设备的等效刚度、等效阻尼、固有频率及行程等动力学参数实现更准确和实时的检测，用于压缩机在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。