永磁同步电机稳态短路电流的形成及试验方法

况金园 殷 强

（南车株洲电机有限公司，株洲 412001）



永磁同步电机稳态短路电流的形成及试验方法

况金园 殷 强

（南车株洲电机有限公司，株洲 412001）

摘 要：本文对永磁同步电机稳态短路的试验方法和稳态短路电流的形成进行了分析，并通过试验验证，证明了永磁同步电机三相稳态短路电流幅值不受电机转速的影响。

关键词：永磁同步电机 三相稳态短路电流 三相稳态短路试验

引言

永磁同步电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、形状和尺寸可以灵活多样等一系列的特点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域[1]。稳态短路试验作为永磁同步电机试验项目中一个重要的试验项目，主要考核永磁同步电机在承受稳态短路电流的失磁影响以及测量其稳态短路电流的大小[2]。

现有的国际标准和国家标准中，永磁同步电机试验验证方法已经较为完善，针对各个试验项点都有较为详细的描述。但是，对于稳态短路试验，未能在现有的国际和国家标准中找到非常适合的方法。或者说，相关标准中的试验方法在实际试验验证中不能很好的应用。本文从理论上分析了永磁电机三相稳态短路的短路电流来源及其影响因素，然后经过试验验证，证明了该结论的正确性。

1 永磁电机稳态短路的试验方法

现行国家标准及国际标准中提及永磁电机稳态短路试验的只有GBT25389.2-2010《风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：试验方法》，其他诸如GBT22669-2008《三相永磁同步电动机试验方法》、IEC60349-4-2012，MOD 《Electric tracion –Rotating electrical machines for rail and road vehicles –Part 4:Permanent magnet synchronous electrical machines connected to an electronic converter》中，均未对稳态短路试验有所描述。而GBT1029-2005《三相同步电机试验方法》中关于稳态短路试验部分的内容中说明要求对转子进行他励，这一点并不适用于永磁电机。

国标GBT25389.2-2010《风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：试验方法》中，对稳态短路试验方法描述如下[3]：

将被试发电机定子绕组输入端接入电流传感器，通过开关将绕组短路，用分析过的拖动机拖动发电机短路运行。从零速开始调节拖动机的转速，使发电机的稳态短路电流增至1.2倍额定值，同时测量并记录短路线电流IK，绘制发电机短路电流对应转速的特性曲线，线路如图1所示。

图1 发电机稳态短路实验线路图

2 永磁电机稳态短路电流的理论分析

从GBT25389.2-2010中关于稳态短路试验方法的内容可以看出，稳态短路电流应该是与电机拖动转速（即被试电机定子频率）有关。随着频率的变化，稳态短路电流值应该会跟随其变动的。为此，我们从理论上分析稳态短路电流的形成，以此来判断稳态短路电流值是否真的会随频率变动。

2.1 从稳态短路时的电机相量图推导分析

首先，从永磁同步发电机额定运行时的相量图入手。如图2所示[1]，电机额定工况运行时，有一个额定电压UN，电流IN，UN与IN之间的夹角即为功率角ϕ；永磁电机因为转子为永磁体，所以存在一个由永磁体决定的直轴内电动势Ed，Ed与电流IN的夹角为内功率因数角øN，R1为绕组电阻值，X1为漏电抗，Xaq为交轴电枢反应电抗，Eaq为交轴电枢反应电动势。

图2 永磁同步电机额定运行时相量图

在永磁电机稳态短路时，U=0，如图3所示[1]。Ik为稳态短路电流，X1为漏电抗，øk为稳态短路时内功率因数角，Ed为直轴内电动势，R1为交轴电枢反应电抗，R1为绕组电阻值。Xaq与Xad分别为交直轴电枢反应电抗，二者在相量上为垂直关系。

图3 永磁同步发电机稳态短路时的相量图

依据相量图可得：

其中，jIkXadsinψk是直轴电枢反应电动势在Ed方向上的分量。

在量值上，则有：

又

将（3）（4）式代入（2）式，可以得到：因为绕组电阻值sin Rψ1要远小于Xq，所以ø c

ko = sψ tan是趋近于90°的。也就是说，k趋近于1。同理，k将趋近于0。于是，有。从而得到：

直轴电枢反应电抗可以通过公式（8）求取[2]：

式中，m为相数，f为频率，w1为电枢绕组每相串联匝数，kw1为基波绕组系数，kd为直轴电枢磁动势的波形系数，kq为交轴电枢磁动势的波形系数，为直轴电枢反应的合群磁导，为交轴电枢反应合群磁导。每相绕组漏电抗X1可根据下式计算：

式中，f为频率，N为电枢绕组每相串联匝数，L1为定子铁心长度，p为极对数，q为每极每相槽数，为总磁导系数。

将式（8）、式（9）代入式（7），推导得到稳态短路电流计算公式：

式中，N为每相串联匝数；Kdp为绕组因数；Φ为每极气隙磁通；KΦ为气隙磁通的波形系数；m为相数；L1为定子铁心长度；p为极对数；q为每极每相槽数；为总磁导系数，w1为电枢绕组每相串联匝数；k1为基波绕组系数；kd为直轴电枢磁动势的波形系数；为直轴电枢反应的合群磁导。

由三相稳态短路电流计算公式（10）可以看出，稳态短路电流值Ik与频率f无关。也就是说，在永磁电机进行稳态短路试验时，稳态短路电流值是不会随转速的变化而变化的。

2.2 从稳态短路时直轴电动势的角度分析

三相稳态短路时，折算到转子的直轴电枢磁动势（A）为[1]：

式中，m为电机相数；p为极对数；Fmk为电机短路时每对极的永磁体磁动势。。其中，hmk是电机短路时永磁体工作点退磁磁场强度标么值；Hc是永磁体磁感应强度矫顽力，单位A/m（安/米）；hMp为每对极磁路中永磁体磁化方向长度，单位cm；N为每相串联匝数；Kdp为绕组因数；

依据公式（12）分析可知，电机三相稳态短路时，其稳态短路电流Ik与电机转速无关，也就是与频率f无关。

3 试验验证

用陪试电机拖动一台6极永磁同步电机。将此永磁同步电机定子三相短接，同时采用电流传感器接入短路绕组中，用录波仪进行稳态短路波形记录。

试验步骤如下：开启录波仪→启动拖动机→提升拖动转速→稳定运行5s。

以多个转速点进行试验验证，稳态短路试验数据统计表见表1所示。

（1）拖动永磁同步电机转速到150r/m。从图4可以看出，从短路开始，到转速稳定在150r/m，只有前期4.896s的时间内，电流在波动，后续时间波形稳定。依据最开始的测量布置，可以推导出稳态短路电流值为198A。

图4 从0～150r/m稳态短路电流初始波形

图5 从0～150r/m稳态短路电流稳定后的波形

（2）拖动永磁同步电机转速到210r/m。从短路开始，到转速稳定在210r/m，只有前期4.876s的时间内，电流在波动，后续时间波形稳定。依据最开始的测量布置，可以推导出稳态短路电流值为199A。

（3）拖动永磁同步电机转速到300r/m。从短路开始，到转速稳定在300r/m，只有前期4.876s的时间内，电流在波动，后续时间波形稳定。依据最开始的测量布置，可以推导出稳态短路电流值为200A。

（4）拖动永磁同步电机转速到900r/m。从短路开始，到转速稳定在900r/m，同样只有前期4.832s的时间内，电流在波动，后续时间波形稳定。依据最开始的测量布置，可以推导出稳态短路电流值为200A。

表1 稳态短路试验数据统计表

4 结论

通过理论计算和从表1的统计结果可以得出结论：永磁电机稳态短路试验时，稳态短路电流的数值基本不会随电机转速，也就是电机频率f变化而变化。同理，在进行永磁同步电机稳态短路试验时，永磁同步电机稳态短路电流值可在相当宽的转速范围内的任意一点获取，不需要绘制稳态短路电流对应转速的特性曲线。

参考文献

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：1-290.

[2]蒋文选.永磁同步电机的电枢反应电抗和同步电抗[J].贵州科学，1998，（1）：52-58.

[3]GB/T 25389.2-2010，风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：试验方法[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4]辜乘林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2010：287-370.

[5]杨松，石婷婷.永磁电机短路计算研究[J].船电技术，2011，（11）：19-21.

The Formation of Permanent Magnet Synchronous Motor Steady Short Circuit Current and the Test Method is Analysed

KUANG Jinyuan, YIN Qiang
(CSR zhuzhou electric co., LTD., Zhuzhou 412001)

Abstract:In this paper, the perm anent magnet synchronous motor steady-state short-circuit test method and steadystate short-c ircuit current formation are analyzed, and through experiment verification, proved that the three-phase permanent magnet synchronou s motor steady short circuit current amplitude is not influenced by the motor speed.

Key words:permanent magnet synchronous motor, threephase steady short circuit current, three-phase steady short circuit test