力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分析及其另一种测量方法——“三表法”

力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分析及其另一种测量方法——“三表法” 力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分 析及其另一种测量方法——“三表法” 第28卷第1期 2005年3月 长春理工大学 JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology VO1.28No.1 Mar.2005 力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分析 及其另一种测量方法——"三表法" 康连福王燕飞 (长春理工大学, 胡贞田成军 长春130022) 摘要:力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗实验测试是继"示波器法"后的另一种方法,即"三表法", 与参考文献中采用的"示波器法"进行了比铰,并与设计值进行了对比,证实本文给出的方法可行,通过研 究力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗参数的实验测试,相信对力矩式自整角机的研制,阻尼绕组的设计及 使用都是有益的. 关键词:力矩式自整角机;整步绕组;交轴短路阻抗;实验测试;三表法 中图分类号:TM383.1文献标识码:A文章编号:1672—9870(2005)O1—0004—04 TheAnalysisAboutMomentSelf?--AdjustingAngleMachine LockoutWindingQuadrature?--axisShortImpedanceandAnother ExperimentalTest一"Three—metermethod'' KANGLianfuWANGranfeiHUZhenTIANChengjun (ChangchunUniversityofScienceandTechnolugy,Changchun130022) Abstract:Inthepaper.weintroducesanothermethodofexperimentaltestaboutmomentself —adjus— tinganglemachinelockoutwindingquadrature—axisshortimpedance.namely"three—metermethod", formermethodis"oscillographmethod''introducedinreference1iterature„.Inaddition.wecompares twomethodsabove—mentionedandcontrastscaculatingresult.Thismethodprovetobefeasible. Throughstudyingtheexperimentaltestofmomentself—— adjustinganglemachinelockoutwindingquadra?- ture—axisshortimpedance,webelieveitwillbebeneficialtothestudyonmomentself—adjustingangle machineandthelayoutanduageofdampwinding. Keywords:momentself—adjustinganglemachine;Lockoutwinding;Quadrature—axisshortimped— ance;experimentaltest;Three—metermethod 自整角机和旋转变压器同属于脉振磁场作用下 的微特电机,是控制微电机中的两个大的基本系 列,占有重要的地位,针对品种繁多,发展异常迅 速的各类微特电机的特殊性和不同特点,其试验}贝4 试方法也各不相同.不断地研究新的试验方法,对 力矩式自整角机的研制,设计和使用都是有益的. 在力矩式自整角机比整步力矩公式中,涉及力 矩式自整角机的交轴短路阻抗,也就关系到力矩式 自整角机的两个重要特性,即比整步力矩和阻尼时 间两项重要性能指标,也就关系到同步控制转角随 动系统的精度,必然使得研制,设计和使用都予以 足够的关注. 收稿日期:2004一叭一lO 基金项目:兵器部重点科研项目 作者简介:康连福,男(1943一),教授.主要从事电机及拖动的技术和科研工作. 第1期康连福等:矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分析及其另一种测量方法 ——"三法表 1整步绕组交轴磁场分析 当发送角机与接收角机按规定方式联线,在转 子励磁绕组都加上额定的400Hz,115V电压励磁,实 验用系中频角机,在有失调角0存在时,自整角机气 隙的一个极下的磁场,以凸极转子为例,应是凸极转 子励磁绕组产生的主磁场与定子三相整步绕组合成 的脉振磁动势F审枢所产生的电枢反应磁场的合成. 该合成磁动势F与交轴成0/2角,当失调角0较小 时,即近于交轴方向.弄清交轴磁场,有利于分析其 交轴短路阻抗,在失调角0较小的情况下,一般仅为 几度,且由于力矩式自整角机快速追随转角变化时, 抑制机械振荡和提高转角随动同步控制系统精度, 即尽可能增大比整步力矩的特殊需要,均在转子装 设短路的交轴阻尼绕组,故交轴短路阻抗的分析和 实验测试,有深人研究的必要,也有一定的难度. 由以下分析,有理由认为直轴磁场》交轴 磁场. (1)不论转子是凸极还是隐极,由于转子的励 磁绕组是单相绕组,则凸极转子为单相集中绕组,隐 极转子则为正弦分布的激磁绕组,均有充足的空间 安置激磁绕组,该空间的大小决定励磁磁动势的大 小. (2)直轴磁场的磁路,凸极转子时,磁导大,磁 阻小,即A大,因此,可以较小的磁动势即可产生足 以满足设计需求的磁场,配合凸极极弧面形状的设 计,使其在一个极下近似呈正弦分布的磁密,且最大 磁密在磁极轴线处可达近饱和. (3)交轴磁场系由存在失调角时,各对应相回 路的感应电动势差AE.作用产生的感应电流所产 生,而气隙磁场在先作假定忽略了整步绕组三相合 成脉振磁动势产生的交轴磁场,即电枢反应后,并假 定D相绕组轴线与凸极转子激磁绕组轴线重合时, 作为转角的初始位置,则 ID I—ZoF等效+Z)J等效 :二 zDF鲁+zDl等 2E.0F+01. 0 m丁m ,D,:一120.)导.:m丁一m :+120.).导D3m_厂+)m 且0=0F一0J (1) (2) E为定子整步绕组一相感应电动势的有效值的 最大值 试验用一台90ZLfD1带一台7OZLJO1,故发送 角机与接收角机的各自一相绕组的等效阻抗,即交 轴短路阻抗不等,原设计为一台发送角机带两台接 收角机,即zDF等效?z等效. 由于定子三相整步绕组下线在定于铁心槽中, 每相占有?的槽数,即每相占有槽面积是有限的, 且三相合成脉振磁动势用F整步脉振表示 F整步脉振=?整步?sn导(3) F整步=—._,/2,.N?K(4) F整步一相绕组可以产生的脉振磁动势的幅值, ,一整步相绕组可以产生的最大电流有效值,此时 需使0=180.方可,而力矩式自整角机是不允许运 行在这样大的失调角,设计只允许运行在几度的范 围. 由力矩式自整角机的磁势分析,F整步脉振与交轴 方向夹角为,当0为几度时近似为交轴方向. 与三相感应电动机比较,当定子三相绕组通人 三相对称电流时,则三个脉振磁动势合成为旋转磁 动势,这里仅做比较,实际三相异步电动机的机壳最 小设计也比自整角机最大机壳要大,该旋转磁动势 用F异步旋转表示. F异步旋转=?F异步(5) F步=,?,v?(6) F异步为一相绕组产生的单相脉振基波磁动势 幅值 当铁心槽数面积相同,即每相占有的槽面积相 同时,不论设计导线截面的不同,受电流密度的限 制,由于力矩式自整角机是运行在为几度范围,故设 计时:,整步》,异步 F整步》F异步(7) 3 则:.in0?1(8) ,异步旋转z 2异步 受槽面积空间限制F整步脉振<F转子励磁,即交轴磁 场的磁动势小于转子励磁磁动势. (4)凸极转子时,交轴方向磁导小,即磁阻大, 气隙的连续性不存在,故A.《A,交轴磁场受凸极 铁心形状的影响,凸极的两个磁极和其中间铁心交 轴磁场的分布也变得复杂,且.远不能饱和,即 6长春理工大学2005芷 很小,.《d. (5)由于凸极转子装设交轴阻尼绕组,即短路 环后,由导条和端板构成,在交轴磁场作用下,在短 路环内感应电动势,尽管很小,但阻尼绕组的 阻抗极小,会在短路环内产生较大的电流,而产 生的会对.起削弱作用,上述分析证明,假定 《是正确的.由于交轴阻尼绕组短路阻抗折 算值,相当于并联在整步绕组的励磁电抗上,使得整 步绕组交轴的等效阻抗变得很小,由变压器运行原 理,较小的失调角也完全可以在整步绕组中流过较 大的电流,在很小的AE时能产生较大的整步绕组 电流,才能与气隙磁场作用产生需要的整步力矩, 力矩式自整角机没有力矩放大功能,这就是交轴阻 尼绕组的重要作用所在. 2"三表法"测试力矩式自整角机整 步绕组交轴短路阻抗 按规定方式接线,所用力矩式自整角机为: 发送角机90ZLFO1,其交轴短路阻抗设计值 rq,=0.555/'2q,=1.436/'2 接收角机7OZLJO1,其交轴短路阻抗设计值 rr q3=0.818~2xqi:1.719/'2 则整步绕组一相回路的总的交轴短路阻抗 zq,+Zq』=?(rq,+rq』)+(q,+) (9) 将设计值带人式(9)算得z,+Z』=3.44 先不接人电流表,将400Hz,l15激磁电压加 上,转动发送角机转子测得E,=0时,此时激磁 绕组轴线,即凸极铁心轴线与D相绕组轴线重合, 将处于协调位置的接收角机转子卡住不动,去掉激 磁电压后,分别在三相整步绕组接人电流表,重新施 加激磁电压,然后转动发送角机转子5.,l0.分别测 得整步绕组三相的电流,,,,并与设计值经式 (1)计算值比较,见表1 表1 将接收角机转子的卡子打开,再转动发送角机 转子,接收角机转子随动,分别随意取四个协调位 置,每个协调位置时,都将接收角机转子卡住不动, 分别转动发送角机转子旋转5.,l0.,整步绕组电流 情况见表2. 表2 从表1可以看出,在特定位置有失调角5.,l0. 时,实测的三相整步绕组电流值均与计算值吻合较 好,即整步绕组交轴短路阻抗值,实测值也与设计值 吻合较好. 由表2四个不同随意位置整步绕组电流的测 试,可以看出,在任一位置的三相整步绕组电流的代 数和:,D.+,D1+,D10?(10) 任意的一组数据,其中一个大值的正负号应与 其余两个较小数值的正负号刚好相反,则满足式 (10). 通过对力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗 的"示波器法"与"三表法"两种方法的实验测试研 究,可以看出:"示波器法"测试是单独对发射角机 或接收角机进行其测试,其原理和数据处理稍繁,但 r,均可求."三表法"测试的原理和数据处理较 简单,且需成对的,即一个发送角机带动一个接收角 机进行测试,当发送角机的z,与接收角机的z, 相等时,z,与z』可求,但不能测得r,,此两值 与z的关系为 Zq=rq+jx(11) 若如本试验z,?Z则"三表法"实测的是 z,+z这也是实际使用中所需要的,若同步控 制系统是一个发送角机带一个接收角机,同直径的 机壳,同样的结构,设计上可以是Z=Z,若为 一 台发送角机带几台接收角机,则z.,?. 试验时需注意,失调角应满足0?10..不可使0 角过大,以防止损坏电流表或使电机过热.由于实验 中电机有温升,会使角机整步绕组相电阻r有所变 化,r.也有变化,将对r,z产生影响. 第1期康连福等:矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗分析及其另一种测量方法 ——"三法表"7 3阻尼绕组及其思考 通过交轴阻抗参数的试验测试研究使人思考, 力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗与凸极转子 铁心加设的短路的阻尼绕组紧密相关,即为铜导条 和端板构成.且分为单阻尼和双阻尼两种,即每极在 磁极中心线有一根铜导条或在磁极中心线两侧对称 有两根铜导条,并通过铁心两端的端板形成闭合的 短路环,类似于鼠笼电动机的转子导条和瑞环. 由自整角机比整步力矩公式,当发送角机与接 收角机为一带一方式运行,且整步绕组交轴短路阻 抗参数相同时: ,'1,'^,, m.=?E?l—g厂cm/度(12) J,口.卜g 若无交轴阻尼绕组,则整步绕组的交轴阻抗应 为: g =r+gl(13) g : 钾 + 盯 J 即交轴等效电路阻尼绕组并联支路开路的状 态. 式中,r:整步绕组相绕组电阻 :整步绕组相绕组全电抗 :整步绕组相绕组自电抗 x整步绕组相绕组漏电抗 此时交轴电抗值.值较大,由交轴磁路的路径 磁导有关.》r,明显限制了整步绕组的电流,比整 步转矩大为减小. 当交轴方向凸极铁心装设阻尼绕组后,其交轴 等效电路如图,即相当于将短路的阻尼绕组的漏阻 抗的折合值r.,z.并联在整步绕组的自电抗. 黧2)一+.再l„,,3:DI一..J D=n+ 盯D(15) 式中: r.:阻尼绕组电阻 .:阻尼绕组全电抗 :阻尼绕组自电抗 z.:阻尼绕组漏电抗 整步绕组与阻尼绕组互感电抗 由图和式(14)明显看出,阻尼绕组的如下几点 作用.对力矩式自整角机至关重要 (1)起到追随转角变化即转角随动时的防止机 械振荡的作用. (2)使交轴短路阻抗值明显减小,使得整步绕 组在较小的电势差AE作用下得以产生较大的整步 绕组电流,相应比整步力矩明显提高,由实验证明在 失调角0=5.,0=10.时,整步绕组的电流可达约 1A和近2A. (3)使r,,有较好的配合,使r接近,无 阻尼绕组时》r,有阻尼绕组时r>r,<, 《Z即有利于提高比整步力矩,又利于阻尼效 果良好,两者兼得. 值得进一步思考的问题有: (1)阻尼绕组的设计如何获得最佳选择,如导 条的截面大小和端板的厚度; (2)阻尼绕组尽管在.很小的情况下,其短路 环内感应电动势很小,但由于短路环的阻抗更小, 仍可产生较大的电流,如何用实验方法来测量,同样 值得关注与研究. 4结论 "三表法"测试力矩式自整角机整步绕组交轴 短路阻抗可行;通过实验测试深刻理解阻尼绕组的 明显作用;提出了对阻尼绕组仍需继续深入研究的 几个问题. 参考文献 [1]康连福等.力矩式自整角机整步绕组交轴短路阻抗及其 "示波器法"实验测试的研究[J].长春理工大学, 2003(1):57—0. [2]康连福.新型超长距离同步传动控制系统中力矩式自整 角机的研究剖析[J].长春理工大学,2002(3):I— S