基于PWM整流器的電機控制器老化測試系統(tǒng)

潘再平， 蘆思晨， 劉峙飛

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

基于PWM整流器的電機控制器老化測試系統(tǒng)

潘再平1， 蘆思晨1， 劉峙飛2

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

針對傳統(tǒng)電機控制器老化測試系統(tǒng)能耗高，使用不便的問題，提出一種新型電機控制器老化測試系統(tǒng)解決方案。結(jié)合電機控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與PWM整流器控制算法，利用三相PWM整流器作為電機控制器的電子負載，代替真實電機。建立了系統(tǒng)數(shù)學模型，并進行了仿真和實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果表明，新系統(tǒng)能夠滿足電機控制器老化測試的要求，工作正常。與傳統(tǒng)老化測試系統(tǒng)相比，無電機運行損耗，節(jié)能30%左右。

PWM整流器;電機控制器;老化測試;空間矢量脈寬調(diào)制;諧波

0 引言

電機控制器在出廠之前需要經(jīng)過老化測試，以檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，推斷產(chǎn)品壽命。傳統(tǒng)電機控制器老化測試系統(tǒng)是采用兩臺電機對拖的方式完成的。該系統(tǒng)將兩個電機控制器的直流母線并聯(lián)，其中一臺電機為電動機運行，另一臺為發(fā)電機運行，發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)整流后重新回饋給直流母線，從而達到節(jié)約能量的目的。這種方法的系統(tǒng)損耗包括電機運行損耗，器件開關(guān)損耗及電路損耗，運行損耗較大。

對此，文獻［1］介紹了一種利用能量回饋型電子負載代替電機進行老化測試，同時將電能回饋給電網(wǎng)的方法。這種方法雖然能夠做到電能的回饋，但其采用兩個三相PWM整流器背靠背連接的方式，電路復(fù)雜，控制繁瑣，開關(guān)損耗較大，而且沒有闡明無中性點電路采用SVPWM調(diào)制方式所遇到的問題及其解決辦法。

為了解決以上問題，本文提出了一種基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)。這種新型系統(tǒng)利用三相PWM整流器去模擬一個真實的電機，作為電機控制器的電子負載，從電機控制器吸收交流電能，并將其整流成直流后回饋到直流母線上，從節(jié)約大量電能。本文利用SIMULINK對其進行仿真，并搭建了實驗平臺進行能耗對比實驗，同時還闡述了無中性點電路采用SVPWM調(diào)制方式所遇到的問題及其解決辦法。

1 工作原理分析

基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)主電路如圖1所示，整個老化測試系統(tǒng)可以分為電源部分，電機控制器部分和PWM整流器部分。其中電機控制器部分采用SVPWM調(diào)制方式，輸出電機額定電壓并保持不變;PWM整流器部分采用電流閉環(huán)控制，通過動態(tài)調(diào)節(jié)PWM整流器的輸出電壓，控制電流穩(wěn)定在給定值，從而滿足老化測試對電流的要求;電源部分用于補充系統(tǒng)損耗，維持直流母線電壓保持不變。

圖1 基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)Fig.1 The new burn-in test system based on the PWM rectifier

系統(tǒng)采用SVPWM調(diào)制方式，這種調(diào)制方式的本質(zhì)是在正弦調(diào)制波中疊加三次諧波等零序分量，降低調(diào)制波幅值，提升直流電壓利用率［2－3］。對于有中性點的電路，零序分量無法流通，因此采用SVPWM方式提升電壓利用率的同時不會使電流畸變;但對于沒有中性點的電路，零序分量可以流通，若采用SVPWM則會造成電流中含有零序分量，發(fā)生畸變。因此，需要利用三相Y/Y聯(lián)結(jié)組隔離變壓器來制造中性點，濾除零序電流分量。

2 數(shù)學模型

由于電源部分能夠?qū)崟r補充系統(tǒng)損耗，可將直流母線電壓視為常數(shù)。定義開關(guān)函數(shù)［4］為

其中k為變量。Sa1，Sb1，Sc1是電機控制器三相橋臂開關(guān)函數(shù)，Sa2，Sb2，Sc2是PWM整流器信號三相橋臂開關(guān)函數(shù)。變壓器變比為1，設(shè)其原、副邊相電壓為ua、ub、uc，原邊流入電流為 ia、ib、ic，方向如圖 1。變壓器原邊中性點為N1，副邊中性點為N2，電壓參考點O位置如圖1。變壓器原、副中性點與電壓參考點O的電壓為UN1O、UN2O，直流母線電壓為Udc，對于原邊，得到

式中，L、R為線路電感、電阻。

對于副邊，可得

將式(4)代入式(2)、式(3)，可得到老化測試系統(tǒng)數(shù)學模型為

由式(5)可知，三相電流存在耦合，每相電流變化都與六個開關(guān)信號有關(guān)，難以對電流進行有效控制。因此，必須對數(shù)學模型進行簡化。分析變壓器原邊電壓可知，電機控制器輸出電壓為電機額定電壓并保持不變，變壓器原、副邊電壓ua、ub、uc雖然為方波，但其等效正弦電壓幅值保持不變。系統(tǒng)主要通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出電壓來控制電流，因此，可以將電機控制器及變壓器視為一個整體，作為三相PWM整流器的電源。將變壓器副邊輸出電壓ua、ub、uc看作是三相PWM整流器的輸入電源，則整個系統(tǒng)數(shù)學模型與三相PWM整流器數(shù)學模型相同［5］，即

采用恒功率變換，得到dq坐標數(shù)學模型為

其中:ud、uq為變壓器副邊輸出d、q軸電壓;UdcSd、UdcSq為輸入整流器d、q軸電壓;ω為電角速度。

3 控制方案設(shè)計

系統(tǒng)簡化數(shù)學模型與三相PWM整流器數(shù)學模型相同，其控制策略也可以相互借鑒，PWM整流器控制策略有電網(wǎng)電壓定向矢量控制［6］，虛擬磁鏈定向矢量控制［7］，功率控制［8－9］，電流預(yù)測控制［10］等。但仔細分析可知，二者有以下幾點不同:

1)三相PWM整流器的電源電壓是正弦波，而老化測試系統(tǒng)中變壓器副邊輸出的電壓近似為等效方波，難以進行鎖相，因此無法通過鎖相得到電壓相角，進行坐標變換。但電機控制器輸出電壓矢量的相角是由控制器內(nèi)部產(chǎn)生，其相角與變壓器副邊輸出電壓矢量相角相同，因此，可以將電機控制器內(nèi)部相角輸出給PWM整流器控制系統(tǒng)，用于坐標變換。

2)PWM整流器直流側(cè)有負載及濾波電容，直流電壓需閉環(huán)控制;在老化測試系統(tǒng)中，直流電壓可視為恒定值。因此在控制系統(tǒng)中可以取消電壓環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。

分析式(7)可知，系統(tǒng)dq軸電流存在耦合。為了提升電流控制性能，對電流進行解耦控制［11］。d、q軸電流PI調(diào)節(jié)器輸出為

將式(9)代入式(7)并忽略電阻R得到

輸入整流器電壓d、q軸分量可由下式得到，即

即實現(xiàn)了解耦控制。

綜上所述，老化測試系統(tǒng)基本控制思路是:電機控制器采用SVPWM調(diào)制方式輸出電機額定電壓并保持不變;對系統(tǒng)電流進行采樣，并變換到dq坐標，通過對dq軸電流進行PI調(diào)節(jié)及解耦控制，得到電壓矢量dq軸分量ud、uq，再采用SVPWM方式輸出。其控制框圖如圖2所示。

圖2 基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)控制框圖Fig.2 The control block diagram of the new system

4 仿真分析

為了驗證老化測試系統(tǒng)主電路及控制方案的可行性。利用Matlab進行軟件仿真，仿真參數(shù)如下:直流母線電壓 310 V，線路電阻 0.1 Ω，線路電感0.07 H，開關(guān)頻率 10 kHz，死區(qū)時間 3 μs，給定電流id=0，iq=3 A，電機控制器給定電壓:ud=0，uq=100 V。

圖3與圖4分別為有無變壓器時的三相電流波形。

圖3 三相電流波形(有變壓器)Fig.3 Three-phase current with a transformer

圖4 三相電流波形(無變壓器)Fig.4 Three-phase current without a transformer

由圖可見，無變壓器時電流波形發(fā)生畸變;而有變壓器時電流波形正弦度很好。有無變壓器時A相電流各次諧波對比分析如表1。有變壓器時電路存在中性點，零序分量得到抑制，電流諧波含量僅為0.67%，無變壓器時電路中零序分量可以流通，電流三次諧波分量達到了17.5%。這充分說明了在無中性點電路中采用SVPWM調(diào)制方式會產(chǎn)生零序分量的事實，同時也證明了采用Y/Y聯(lián)接組隔離變壓器抑制電流零序分量的方法是可行的。

表1 電流各次諧波對比分析Table 1 FFT analysis of the current

由以上仿真結(jié)果可以得到結(jié)論:本文所述新型電機控制器老化測試系統(tǒng)及其控制方案式可行的。

5 實驗驗證

搭建硬件實驗平臺并進行實驗研究。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)完全相同。圖5、圖6為不同電流給定值時電機控制器輸出交流電流波形。由實驗波形可知，系統(tǒng)電流能夠比較好的跟蹤給定值，正弦度較好，幅值、周期準確，基本滿足電機控制器老化測試的要求。

圖5 iq=1A電流波形Fig.5 current waveform iq=1A

圖6 iq=2A電流波形Fig.6 current waveform iq=2A

圖7、圖8為老化電流幅值均為2 A時，電機對拖方式老化測試系統(tǒng)由電網(wǎng)輸入充電電流及新型老化測試系統(tǒng)由電網(wǎng)輸入充電電流。兩系統(tǒng)直流母線電壓相同，因此其充電電流的大小即代表了系統(tǒng)損耗的大小。比較圖7與圖8可知，電機對拖方式系統(tǒng)輸入電流正向峰值2.8 A，反向峰值1.8 A左右;而新型老化測試系統(tǒng)輸入電流正向、反向均為1.5 A左右，明顯小于電機對拖系統(tǒng)。這說明新型老化測試系統(tǒng)功率更小，能耗更低。為了更準確的比較兩系統(tǒng)能耗情況，可以根據(jù)充電電流波形，計算其積分值，得到單位時間內(nèi)輸入電荷量，再乘以直流電壓，得到估算功率。

圖7 傳統(tǒng)電機對拖方式系統(tǒng)輸入電流波形Fig.7 supply current of the conventional system

圖8 新型老化測試系統(tǒng)輸入電流波形Fig.8 supply current of the new system

將圖7、圖8所示充電電流視為三角脈沖，持續(xù)時間由波形讀出，約為2 ms。脈沖周期20 ms，直流母線電壓310 V，由此可計算得到兩系統(tǒng)的消耗功率分別為:電機對拖系統(tǒng)71.3 W，基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)46.5 W，節(jié)能34.8%。

由實驗結(jié)果可知，本文所述老化測試系統(tǒng)及其控制方案能夠有效的控制電流，滿足電機控制器老化測試的需求，同時實現(xiàn)電能的回饋利用，與傳統(tǒng)電機對拖方式相比，節(jié)能效果更好，更加方便，有比較高的實際應(yīng)用價值。

6 結(jié)語

針對采用電機對拖方式的傳統(tǒng)電機控制器老化測試系統(tǒng)電機起動不便，運行損耗大等缺點，提出了一種基于PWM整流器的新型電機控制器老化測試系統(tǒng)，并闡述了無中性點電路采用SVPWM調(diào)制時遇到的問題及其解決辦法。系統(tǒng)采用PWM整流器代替電機，作為電機控制器的電子負載，能有效控制電流，同時大幅降低系統(tǒng)能耗，提升效率。仿真及實驗結(jié)果表明，本文所述系統(tǒng)能夠滿足電機控制器老化測試的需求，與傳統(tǒng)老化測試方式相比，更加方便，節(jié)能約30%，驗證了其實用性和經(jīng)濟性。

［1］ 單任仲，肖湘寧，尹忠東，等.能量回饋型電力電子負載的控制方法［J］.中國電機工程學報，2010，30(18):62－66.

SHAN Renzhong，XIAO Xiangning，YIN Zhongdong，et al.Control method of energy feedback power electronic load［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30(18):62－66.

［2］ 張興.PWM整流器及其控制策略的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2003:127－131.

［3］ 周衛(wèi)平，吳正國，唐勁松，等.SVPWM的等效算法及 SVPWM與SPWM的本質(zhì)聯(lián)系［J］.中國電機工程學報，2006，26(2):133－137.

ZHOU Weiping，WU Zhengguo，TANG Jinsong，et al.A novel algorithm of SVPWM and the study on the essential relationship between SVPWM and SPWM［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(2):133－137.

［4］ 劉新偉.饋能型三相PWM整流器的研究［D］.杭州:浙江大學電氣工程學院，2008:14－15.

［5］ 徐淑英，劉滿足.基于PWM整流技術(shù)的能量回饋裝置的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007.16:13－20.

XU Shuying，LIU Manzu.Study on energy feedback equipment based on pwm rectifier［J］. Modern Electronics Technique，2007.16:13－20.

［6］ 薛應(yīng)楓，何禮高.基于電壓定向矢量控制的三相 PWM整流器研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(4):74－76.

XUE Yingfeng，HE Ligao.Research of three-phase PWM rectifier based on voltage-oriented vector control［J］.Power Electronics，2010，44(4):74－76.

［7］ 吳鳳江，汪之文，孫力.PWM整流器的改進虛擬磁鏈定向矢量控制［J］.電機與控制學報，2008，12(5):504－508.

WU Fengjiang，WANG Zhiwen，SUN Li.Improved virtual flux oriented vector control of PWM rectifier［J］.Electric Machines and Control，2008，12(5):504 －508.

［8］ 劉秀種，張化光，褚恩輝，等.三相電壓型PWM整流器功率控制方法［J］.電機與控制學報，2009，13(1):47－51.

LIU Xiuchong，ZHANG Huaguang，CHU Enhu，et al.Power control scheme for three-phase voltage-type PWM rectifiers［J］.Electric Machines and Control，2009，13(1):47 －51.

［9］ 張華強，孟凡華，梁志平.直接功率和轉(zhuǎn)矩一體化控制的能量回饋變頻器［J］.電機與控制學報，2013，17(8):1－7.

ZHANG Huaqiang，MENG Fanhua，LIANG Zhiping.direct power and torque integration control for energy feedback converter［J］.Electric Machines and Control，2013，17(8):1 －7.

［10］ 李昆鵬，萬健如，宮成，等.雙 PWM變換器一體化控制策略［J］.電機與控制學報，2013，17(4):72－78.

LI Kunpeng，WAN Jianru，GONG Cheng，et al.Integrated control strategy for dual－ PWM converter［J］.Electric Machines and Control，2013，17(4):72 －78.

［11］ 郎永強，徐殿國，HADIANAMREI S R，等.三相電壓型PWM整流器的一種改進前饋控制策略［J］.電機與控制學報，2006，10(2):160－163.

LANG Yongqiang，XU Dianguo，HADIANAMREISR，et al.Improved feedforward control of three-phase voltage source PWM rectifier［J］.Electric Machines and Control，2006，10(2):160－163.

(編輯:張詩閣)

Burn-in test system of motor controller based on PWM rectifier

PAN Zai-ping1， LU Si-chen1， LIU Zhi-fei2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Wolong Electric Group，Hangzhou Research Institute，Hangzhou 310051，China)

A conventional burn-in test system consumes much energy and it is inconvenient to conduct a burn-in test.In order to solve these problems，a new burn-in test system of motor controller based on the PWM rectifier was presented.Combining the structure of the motor controller and the control algorithm of the PWM rectifier，a three-phase PWM rectifier was used as the load of the motor controller instead of the electrical machine.Mathematical model was built.Simulation and experiment have been done.The results demonstrate that the new system works well and meets the requirements of the burn-in test.Compared with the conventional system，it contains no operating loss of motors and saves 30%energy.

pulse width modulation rectifier;motor controller;burn-in test;space vector pulse width modulation;harmonic

TM 461

A

1007－449X(2013)11－0008－05

2012－12－21

潘再平(1957—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電機及其控制，風力發(fā)電技術(shù);

蘆思晨(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為PWM整流器及其控制技術(shù);

劉峙飛(1976—)，男，博士，高級工程師，研究方向為電力電子和自動控制技術(shù)。

潘再平