基于交流同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的電動機加載方法研究

韓 冬，王連明

（東北師范大學(xué)應(yīng)用電子技術(shù)研究所，吉林 長春 130024）

0 引言

目前，電機的加載裝置從工作原理上主要分為機械加載器、磁粉加載器、電磁渦流加載器.但都相應(yīng)存在一些缺點.

（1）機械加載器 常有高溫現(xiàn)象，對電機損害較大，損耗較大.并且動態(tài)加載時，實時性較差［1－3］.

（2）磁粉加載器 適用于低轉(zhuǎn)速測試環(huán)境，在異步電動機不穩(wěn)定區(qū)段不能提供穩(wěn)定的測試，而且容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不均或卡死等問題［4－6］.

（3）電磁渦流加載器 存在調(diào)整比較困難，故障率較高，制動軸承經(jīng)常無規(guī)律損壞，散熱設(shè)備投資高等問題［7－8］.

由于電動機加載設(shè)備存在種類少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗大、可移植性較差和適用范圍窄等缺點.本文將介紹一種新的電動機加載方法，把交流同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)子同軸連接，通過控制交流同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩對其進行加載.

1 同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩原理

本文采用的是隱極性同步發(fā)電機，其對稱的三相定子繞組分別是：A—X，B—Y和C—Z.圖1即為單相同步發(fā)電機模型.

由于磁路中鐵芯部分的磁阻非常小，忽略鐵磁部分的磁阻Rm1，只考慮氣隙部分的磁阻Rm2，那么氣隙磁感應(yīng)強度的大小為［9－10］

設(shè)氣隙中任意一點P與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面跟參考平面MM′的夾角為α，轉(zhuǎn)子以角速度ω沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，這樣任意t時刻，氣隙磁感應(yīng)強度基波分量即主磁場表示式

式中B0m為基波分量的峰值，且

式中E0m為主磁感應(yīng)電動勢幅值，其表達式為

式中：L為轉(zhuǎn)子長度；v為定子線圈的相對線速度；NC為定子每相繞組的匝數(shù).

當(dāng)發(fā)電機的磁極數(shù)為p時，感應(yīng)電動勢的頻率f表達式變?yōu)?/p>

圖1 三相隱極交流同步發(fā)電機模型

且v＝ωr，r為轉(zhuǎn)子半徑，磁極所對應(yīng)的氣隙面積A＝πrL.由（3）式可以將主磁感應(yīng)電動勢的有效值表達式寫成

每相電樞電路的電壓平衡方程為

其中相電流為

式中θ為功率角.

由于同步電抗和電樞電阻較小，因此忽略同步電抗Xt與電樞電阻R，則相電壓U等于主磁感應(yīng)電動勢E0，即

交流同步發(fā)電機帶上負載，則三相輸出的總有功功率表達式

交流同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機在輸出有功功率時，電樞反施于轉(zhuǎn)子的阻轉(zhuǎn)矩，用TM表示.電磁轉(zhuǎn)矩TM等于電磁功率（即總有功功率P）與同步角速度ω之比［10］，即

由（6）式、（9—10）式及ω ＝2πf可得：

則電磁轉(zhuǎn)矩TM表達式

系數(shù)K1與勵磁繞組的結(jié)構(gòu)、匝數(shù)、氣隙面積、氣息長度、空氣磁導(dǎo)率及定子繞組匝數(shù)有關(guān)，即K1為與發(fā)電機構(gòu)造相關(guān)的常數(shù).系數(shù)K2與發(fā)電機運行狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機處于非過載運行狀態(tài)時K2為常數(shù).

綜合以上分析可知，通過控制同步發(fā)電機的勵磁電流，就可以改變同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩.要使發(fā)電機正常工作需要有足夠大的動力轉(zhuǎn)矩克服發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，本文設(shè)計將交流同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子1∶1同軸連接，同步發(fā)電機的動力轉(zhuǎn)矩便由電動機提供，實現(xiàn)對電動機加載的目的.

2 電動機的轉(zhuǎn)矩檢測

同步發(fā)電機的輸入功率P1由電動機提供，同步發(fā)電機輸入功率中減去空載損耗P0和電樞銅損耗pCu，便得到發(fā)電機輸出電功率P2，

式中P2，pCu可由以下公式得出：

本系統(tǒng)采用的是三相異步電動機，其負載轉(zhuǎn)矩為

式中：TLoad為電動機負載轉(zhuǎn)矩；PLoad為電動機輸出有功功率；nm為電動機的轉(zhuǎn)速.

由（14—16）式可知，通過測得電動機的輸出有功功率和電動機轉(zhuǎn)速就能算出電動機的負載轉(zhuǎn)矩TLoad.如果設(shè)定的同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩TM和得出的電動機的負載轉(zhuǎn)矩TLoad相等便能夠證明此加載方法有效.

3 加載系統(tǒng)設(shè)計

因三相交流同步發(fā)電機與單相交流同步發(fā)電機之間只存在相數(shù)的區(qū)別，所以選用單相交流同步發(fā)電機，并選用其負載為純阻性負載，能減少功率角對同步發(fā)電機輸出功率的影響.加載系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

電動機帶動交流同步發(fā)電機啟動后，上位機設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩值，經(jīng)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)給下位機，下位機控制可控直流電壓源的輸出電壓，改變同步發(fā)電機的勵磁電流，進而改變同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩.同時下位機將測得的電動機負載轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)經(jīng)串行口實時發(fā)送回上位機，并與設(shè)定的電動機負載轉(zhuǎn)矩進行顯示比對.系統(tǒng)各個模塊的功能如下：

（1）可控直流電壓源為交流同步發(fā)電機提供可控的勵磁電流，它由可控變壓器和交直流轉(zhuǎn)換電路組成.可控變壓器由自耦變壓器和與之同軸相連的直流電動機組成.通過輸入控制量控制直流電動機的轉(zhuǎn)動，就可以改變自耦變壓器次級線圈輸出點的位置，改變變壓器的輸出電壓.變壓器的輸出再經(jīng)過全波整流和濾波，最終實現(xiàn)可控直流電壓的輸出.

（2）功率檢測模塊檢測交流同步發(fā)電機的輸出有功功率.模塊由電能計量單元和電流電壓互感器組成.電流電壓互感器將大電流和大電壓分別轉(zhuǎn)換為弱電流和弱電壓，用于電能計量單元的信號采集，同時也可實現(xiàn)電氣的隔離，以提高系統(tǒng)的安全性［11－15］.電能計量單元主要用于完成有功功率的測量，本系統(tǒng)采用美國模擬器件AD公司所生產(chǎn)的電能專用測量芯片ADE7758.該芯片能有效完成三相電系統(tǒng)中各相電參數(shù)的實時測量，并通過SPI接口與MCU完成實時通信.

（3）轉(zhuǎn)速測量采用了基于紅外傳感器元件的脈沖發(fā)生器，其優(yōu)點是成本低、構(gòu)造簡單.測速算法為M／T法，由單片機編程實現(xiàn)，保證了高速和低速運行時的測速精度.系統(tǒng)下位機采用了ATmega128單片機，上位機主要通過C＋＋來實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)矩設(shè)定和負載轉(zhuǎn)矩檢測界面.系統(tǒng)上位機軟件主要完成上位機系統(tǒng)初始化功能、配置下位機參數(shù)功能、接收下位機數(shù)據(jù)功能、波形繪制功能以及數(shù)據(jù)存儲功能.功能實現(xiàn)流程如圖3所示.

系統(tǒng)下位機部分主要由定時器模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊、ADE7758有功功率測量模塊、串行口通信模塊和控制模塊構(gòu)成.下位機對電磁轉(zhuǎn)矩的控制原理如圖4所示.

下位機根據(jù)上位機指令產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩，然后，通過可控直流電壓源輸出電壓值改變同步發(fā)電機的勵磁電流If，進而改變電動機負載轉(zhuǎn)矩.同步發(fā)電機輸出功率通過ADE7758檢測，并由（14—16）式計算出實際負載轉(zhuǎn)矩值，并與設(shè)定轉(zhuǎn)矩進行比較，從而構(gòu)成一個轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PID控制算法，保證輸出轉(zhuǎn)矩快速、準確地跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)矩.

圖3 上位機功能實現(xiàn)流程

圖4 下位機的控制原理

4 加載實驗測試

系統(tǒng)所使用發(fā)電機額定功率為5kW的4極單相交流同步發(fā)電機，電動機額定功率為5.5kW，額定電流為11.6A，額定功率因數(shù)為0.84的4極三相交流異步電動機.搭建實際的基于交流同步發(fā)電機的電動機加載平臺，如圖5所示.

為驗證加載效果，擬用兩種方式對異步電動機進行加載：一種是對電動機進行恒定負載轉(zhuǎn)矩加載；另外一種是對電動機進行變負載轉(zhuǎn)矩加載.其中變轉(zhuǎn)矩加載分別按正弦變化和鋸齒波變化進行加載.

4.1 恒定負載轉(zhuǎn)矩加載實驗

保持同步發(fā)電機的純阻性負載不變，上位機設(shè)定恒定負載轉(zhuǎn)矩，經(jīng)圖4控制流程對電動機進行加載，同時把檢測到的電動機負載轉(zhuǎn)矩通過串口發(fā)給上位機，上位機描繪加載轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與電動機負載轉(zhuǎn)矩值的波形圖，如圖6所示.其中虛線是設(shè)定的加載轉(zhuǎn)矩，實線是測得的電動機輸出轉(zhuǎn)矩.

圖5 加載裝置實物圖

圖6 恒定負載轉(zhuǎn)矩實驗結(jié)果

通過FLUKE 43B型電能質(zhì)量分析儀測量電動機消耗的有功功率，并利用（16）式得到實際的電動機負載轉(zhuǎn)矩值（見表1）.

由表1可見：控制交流同步發(fā)電機的勵磁電流，可以保持電動機的負載轉(zhuǎn)矩不變；實際電動機負載轉(zhuǎn)矩值與設(shè)定的負載轉(zhuǎn)矩值基本相等，此情況下的加載精度為5.5%.

表1 恒定負載轉(zhuǎn)矩實驗結(jié)果 N·m

4.2 變負載轉(zhuǎn)矩加載實驗

4.2.1 負載正弦變化加載實驗

保持同步發(fā)電機的純阻性負載不變，上位機設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩按正弦規(guī)律變化，經(jīng)圖4控制流程對電動機進行加載，同時把檢測到的電動機負載轉(zhuǎn)矩通過串口發(fā)給上位機，上位機描繪加載轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與電動機負載轉(zhuǎn)矩值的波形見圖7，其中虛線是設(shè)定的加載轉(zhuǎn)矩，實線是測得的電動機輸出轉(zhuǎn)矩.實際得到的電動機負載轉(zhuǎn)矩值經(jīng)Matlab描繪結(jié)果，如圖8所示.

圖7 正弦加載實驗結(jié)果

圖8 正弦變化負載轉(zhuǎn)矩實驗FLUKE電能表輸出結(jié)果

4.2.2 負載鋸齒波變化加載實驗

如正弦加載操作一樣，設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩按照鋸齒波規(guī)律改變，其結(jié)果如圖9所示.實際得到的電動機負載轉(zhuǎn)矩值經(jīng)Matlab描繪結(jié)果如圖10所示.

圖9 鋸齒波加載實驗結(jié)果

圖10 鋸齒波變化負載轉(zhuǎn)矩實驗FLUKE電能表輸出結(jié)果

由圖10可見：控制交流同步發(fā)電機的勵磁電流，可以使電動機的負載轉(zhuǎn)矩變化；實際的負載轉(zhuǎn)矩變化趨勢和設(shè)定的負載轉(zhuǎn)矩變化趨勢相同，此情況下的加載精度為8%.

5 結(jié)論

綜上所述，通過控制交流同步發(fā)電機的勵磁電流可以改變交流同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩進而改變電動機的負載轉(zhuǎn)矩，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機加載的目的.此項加載設(shè)計可方便地用于模擬實際工況時的各種實際負載的變化規(guī)律，從而實現(xiàn)模擬加載.在本文設(shè)計中，通過改變連接器的機械結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)對多種電動機的加載測試.因此，本文加載方法是一種具有可移植性好、占用空間小、造低價、控制靈活、穩(wěn)固耐用等特點的新型加載方法.

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