能量回饋式異步電機(jī)測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

王秀蓮, 郭瑞光, 畢大強(qiáng)

(1. 沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168； 2. 清華大學(xué) 電機(jī)系,電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

能量回饋式異步電機(jī)測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

王秀蓮1, 郭瑞光1, 畢大強(qiáng)2

(1. 沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168； 2. 清華大學(xué) 電機(jī)系,電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

設(shè)計(jì)了一種功能全、上位機(jī)界面友好的具有能量回饋功能的異步電機(jī)測試平臺(tái),對(duì)測試平臺(tái)的整體硬件結(jié)構(gòu)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該測試平臺(tái)采用能量回饋技術(shù),將陪試電機(jī)在加載過程中產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng),增強(qiáng)對(duì)電能的利用率。減少了測試工具,改進(jìn)了堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方法,使實(shí)驗(yàn)更加便捷。設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)易于控制被試機(jī)與陪試機(jī)各項(xiàng)功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)測試結(jié)果的實(shí)時(shí)波形化監(jiān)測。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)簡單、控制精確,可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

異步電機(jī)； 測試平臺(tái)； 能量回饋； LabView

電機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用最廣泛的一種發(fā)電設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備和自動(dòng)控制元件[1]。隨著電力電子技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)的快速發(fā)展,異步電機(jī)成了主要的傳動(dòng)電機(jī)。驗(yàn)證異步電機(jī)工作特性是大學(xué)電機(jī)學(xué)課程中重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,其目的是驗(yàn)證電機(jī)正常帶載工作的情況。

該測試平臺(tái)主要由被試電機(jī)部分、加載部分組成。傳統(tǒng)加載部分是一個(gè)耗能制動(dòng)器,例如電渦流測功機(jī)、水力測功機(jī)、磁滯測功機(jī)、磁粉測功機(jī)等[2],加載時(shí)耗能制動(dòng)器散熱耗能,造成能量的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[3]提出了一種用直流電機(jī)作為測功機(jī),對(duì)其進(jìn)行控制用來模擬機(jī)械負(fù)載,但直流電機(jī)的電刷損耗大、維修難。浙江天煌公司的DDSZ-1 型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置由于采用發(fā)電機(jī)電阻箱負(fù)載,加載范圍較窄,負(fù)載調(diào)節(jié)不方便,動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)不能保持恒轉(zhuǎn)矩加載特性[4]。文獻(xiàn)[5]利用仿真驗(yàn)證了電力測功機(jī)的能量回饋式功能,但缺少實(shí)物驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]介紹了一種能量回饋型陪試機(jī)加載測試平臺(tái),利用上位機(jī)采集分析數(shù)據(jù),但沒有給出上位機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)功能。

本文設(shè)計(jì)了一種在被試機(jī)部分采用一臺(tái)變頻器控制被試電機(jī),加載部分采用可控整流模塊+變頻器控制陪試電機(jī)的電機(jī)測試平臺(tái)。并設(shè)計(jì)了基于LabView的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)節(jié)能環(huán)保理念,采用有源前端AFE(active front end)作為可控整流模塊,提高電能利用率。利用恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)的穩(wěn)定性。為改進(jìn)異步電機(jī)的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方法,利用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制方式使陪試機(jī)處于零速控制。根據(jù)負(fù)載實(shí)驗(yàn)分析電機(jī)的人為機(jī)械特性。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)減少了機(jī)械夾、電壓電流表和功率表等傳統(tǒng)工具,改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電機(jī)測試平臺(tái)的控制與檢測達(dá)到了良好的效果。

1 異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示,整體平臺(tái)由被試機(jī)部分、陪試機(jī)部分和上位機(jī)組成。被試機(jī)部分主要由變頻器1和被試電機(jī)組成；陪試機(jī)部分主要由陪試電機(jī)、變頻器2和有源前端整流單元(AFE)組成。工作狀態(tài)的監(jiān)控主要是有上位機(jī)來完成。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.2 主要部件及作用

1.2.1 變頻器

變頻器1與變頻器2的功能類似： (1)可以拖動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行,且穩(wěn)速精度好；(2)可以拖動(dòng)電機(jī)恒矩運(yùn)行,為負(fù)載實(shí)驗(yàn)提供恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,且恒矩精度良好；(3)擁有良好的追蹤啟動(dòng)能力,能方便地起動(dòng)旋轉(zhuǎn)中的變頻電機(jī)；(4)變頻器帶有MODBUS總線接口,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上位機(jī)技術(shù),通過RS-485串口通信與上位機(jī)連接，根據(jù)MODBUS協(xié)議對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

1.2.2 有源前端整流單元

AFE從結(jié)構(gòu)上看相當(dāng)于一個(gè)逆變器,不同的是其輸入為交流,輸出為直流。由于它位于電源進(jìn)線端,所以被稱為前端。AFE能消除高次諧波,提高系統(tǒng)功率因數(shù),具有卓越的動(dòng)態(tài)性能。另外還具有穩(wěn)壓功能,保證變頻器輸出直流母線電壓達(dá)到570 V。當(dāng)電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí),能量由電機(jī)側(cè)回饋到直流側(cè),導(dǎo)致直流母線電壓升高。當(dāng)直流母線電壓超過AFE預(yù)設(shè)工作電壓時(shí),AFE將能量從直流側(cè)回饋電網(wǎng)。

1.2.3 上位機(jī)

上位機(jī)可以看作一個(gè)控制與檢測電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作狀態(tài)的虛擬監(jiān)控界面。利用上位機(jī)監(jiān)控下位機(jī),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)地返回到上位機(jī),通過上位機(jī)實(shí)時(shí)檢測界面來檢測和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理

2.1 三相異步電機(jī)原理

異步電機(jī)是一種交流電機(jī),主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成[1]。在給定子繞組注入交流電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場,其磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：s=(ns-n)/ns,s為轉(zhuǎn)差率,ns為磁場的轉(zhuǎn)速,n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。根據(jù)轉(zhuǎn)差率的不同,異步電機(jī)可運(yùn)行在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電磁制動(dòng)3個(gè)狀態(tài)下，如圖2所示(圖中Te為轉(zhuǎn)矩)。

圖2 異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

2.2 被試機(jī)與陪試機(jī)的平衡關(guān)系

被試機(jī)和陪試機(jī)采用聯(lián)軸器剛性連接,所以被試機(jī)和陪試機(jī)的轉(zhuǎn)速相等。

被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(1)

式中，TM為被試機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,JM為被試機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,RM為被試機(jī)阻力系數(shù),ω為轉(zhuǎn)速。

陪試機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(2)

式中，TD為陪試機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,JD為陪試機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,RD為陪試機(jī)阻力系數(shù)。

陪試機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)號(hào)時(shí),表示陪試機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)被試機(jī)與陪試機(jī)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時(shí),由式(1)和式(2)兩式相加得:

TM=RMω+RDω-TD

(3)

因此改變陪試機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩,就能調(diào)節(jié)被試電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通過對(duì)陪試機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制,間接地調(diào)節(jié)了被試電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)被試電機(jī)的加載。

2.3 能量回饋的可控整流單元

2.3.1 AFE數(shù)學(xué)模型

AFE由 PWM 整流部分和 PWM逆變部分組成,可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)[7],AFE主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中的ea(t)、eb(t)、ec(t)為電網(wǎng)三相電動(dòng)勢，L為網(wǎng)側(cè)濾波電感，C為直流側(cè)濾波電容。

通過Clark與Park變換對(duì)交流電壓、電流進(jìn)行解耦,將三相對(duì)稱正弦量轉(zhuǎn)換為兩相靜止直流量,從而簡化控制設(shè)計(jì)。

AFE兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型：

圖3 AFE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(4)

式中:Udc為直流母線電壓；ud=ed-vd,uq=eq-vq,vd和vq分別為交流輸出側(cè)輸出電壓的d、q分量。

2.3.2 AFE的控制方法

根據(jù)AFE數(shù)學(xué)模型給出控制方法,整個(gè)AFE的控制系統(tǒng)分為電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制的兩環(huán)控制,如圖4所示。直流母線電壓環(huán)和d軸電流環(huán)負(fù)責(zé)將陪試機(jī)所發(fā)電的有功功率傳遞到電網(wǎng),q軸電流環(huán)根據(jù)電網(wǎng)的需求產(chǎn)生所需的無功功率。如果q軸電流應(yīng)為0時(shí)AFE運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

圖4 AFE控制方式

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與分析

3.1 異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和功能設(shè)計(jì)

(1) 被試機(jī)與陪試機(jī)都采用異步電機(jī),被試電機(jī)額定功率為1.5 kW,額定電壓為380 V,額定電流為3.7 A額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min；陪試電機(jī)額定功率為1.5 kW,額定電壓為380 V,額定電流為3.15 A,額定轉(zhuǎn)速為1 403 r/min。

(2) 變頻器1控制方法采用恒壓/恒頻控制和閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制；變頻器2控制方法采用轉(zhuǎn)矩控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過RS-485通信與變頻器1、變頻器2相連,利用上位機(jī)控制并檢測他們的工作狀態(tài)。

(3) AFE直流側(cè)預(yù)設(shè)電壓為570 V。并聯(lián)一個(gè)預(yù)充電模塊,當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到額定電壓的0.8倍時(shí)啟動(dòng)AFE單元。

(4) 能完全實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能。通過上位機(jī)控制和檢測測試平臺(tái)的具體實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)現(xiàn)。在陪試機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),AFE將能量回饋給電網(wǎng)。

3.2 異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)監(jiān)控

隨著虛擬儀器技術(shù)極大的發(fā)展,減少了傳統(tǒng)測量技術(shù)在硬件設(shè)備上的投資[8-12],本文基于LabView軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了測試平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能控制被試機(jī)和陪試機(jī)的啟停狀態(tài)、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和故障復(fù)位狀態(tài)，并且對(duì)被試機(jī)和陪試機(jī)的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電機(jī)測試上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面分為參數(shù)設(shè)置界面和實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。

圖5為回饋式異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上位機(jī)參數(shù)設(shè)置界面。該參數(shù)設(shè)置界面包括3個(gè)子界面:被試機(jī)參數(shù)設(shè)置界面、陪試機(jī)參數(shù)設(shè)置界面和AFE界面。參數(shù)設(shè)置界面功能主要是設(shè)置串口參數(shù)、電機(jī)基本參數(shù)、直流側(cè)電壓和電機(jī)控制方法。

圖6為上位機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面,控制并監(jiān)測電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖5 上位機(jī)基本參數(shù)設(shè)置界面

圖6 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

利用LabVIEW后面板的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)界面功能,后面板程序設(shè)計(jì)包括串口配置設(shè)計(jì)、根據(jù)MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制與參數(shù)調(diào)試程序設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì),分別見圖7中的(a)、(b)、(c)。

3.2.1 恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩加載實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控與分析

為了測試恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下電機(jī)的穩(wěn)定性,被試機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制,陪試機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。圖8為被試電機(jī)在恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,陪試電機(jī)給其提供不同負(fù)載時(shí)的上位機(jī)波形曲線。圖9為被試電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下,被試電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的上位機(jī)波形曲線。

(1) 由圖8異步電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的工作曲線可知,控制被試機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定,轉(zhuǎn)速為600 r/min；改變陪試機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,被試機(jī)分別依次加載被試機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10%、18%、25%、38%、44%、60%、20%、70%。可知不管被試機(jī)負(fù)載如何變化其轉(zhuǎn)速恒定不變,驗(yàn)證不同轉(zhuǎn)矩下電機(jī)的穩(wěn)定性。

(2) 由圖9可知,被試電機(jī)空載運(yùn)行在13 s時(shí),由陪試機(jī)給被試機(jī)加載恒定轉(zhuǎn)矩為陪試機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的30%;然后改變被試機(jī)轉(zhuǎn)速,給被試機(jī)轉(zhuǎn)速依次為600、800、1 000、500、300、700 r/min,在速度變化時(shí)被試機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本保持不變,驗(yàn)證不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的穩(wěn)定性。

圖7 界面功能程序設(shè)計(jì)

圖8 恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)波形曲線

圖9 恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)波形曲線

3.2.2 異步電機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控與分析

陪試機(jī)處于閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制,且參考轉(zhuǎn)速設(shè)為0,省去機(jī)械夾、電壓電流表等傳統(tǒng)工具。圖10為被試機(jī)處于堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的波形曲線。

圖10 堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)波形曲線

由圖10可知,被試機(jī)轉(zhuǎn)速為0,定子相電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨著線電壓的增大而增大。調(diào)節(jié)被試電機(jī)電流從0到額定電流值，記錄相關(guān)數(shù)據(jù),能夠快速方便地繪制堵轉(zhuǎn)特性曲線,如圖11所示。

圖11 堵轉(zhuǎn)特性曲線

3.2.3 異步電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)監(jiān)控與分析

被試機(jī)采用恒壓/恒頻控制,陪試機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。異步電機(jī)有固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性之分,通過負(fù)載實(shí)驗(yàn)分析改變電源頻率的人為機(jī)械特性。

由圖12可以直觀地看出,改變電源頻率,控制被試機(jī)起始速度為600 r/min,隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加,異步電機(jī)轉(zhuǎn)速下降、轉(zhuǎn)差率會(huì)增大。根據(jù)所占額定轉(zhuǎn)矩的百分比可以算出不同轉(zhuǎn)差率下的轉(zhuǎn)矩。由圖12可得到被測電機(jī)機(jī)械特性如表1所示。

圖12 負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形曲線

表1 被試電機(jī)改變電源頻率的人為機(jī)械特性

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)轉(zhuǎn)矩/(N·m)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)轉(zhuǎn)矩/(N·m)6000.715714.515921.665685.75793.56

3.2.4 可控整流單元AFE電網(wǎng)端波形的分析

圖13為AFE在不同狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電壓和電流的波形圖。圖13(a)是陪試機(jī)工作在電動(dòng)模式時(shí),AFE處于整流狀態(tài)。電網(wǎng)A相電壓波形與電流波形相位近似一致,實(shí)現(xiàn)了近似單位功率因數(shù)且波形較好。圖13(b)是陪試機(jī)給被試機(jī)加載負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),陪試機(jī)工作在發(fā)電模式、AFE處于逆變狀態(tài)。電壓與電流波形反相,實(shí)測功率因數(shù)絕對(duì)值≥0.95陪試機(jī)發(fā)出的電能回饋給電網(wǎng),且波形接近正弦,降低了對(duì)電網(wǎng)的污染程度。

圖13 AFE網(wǎng)側(cè)A相電壓與電流的波形

4 結(jié)束語

為了異步電機(jī)測試實(shí)驗(yàn)的研究,建立了回饋式異步電機(jī)測試平臺(tái),該平臺(tái)較理想地完成了設(shè)定的控制目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了利用上位機(jī)對(duì)測試過程的全自動(dòng)化監(jiān)控,同時(shí)還克服了傳統(tǒng)電機(jī)測試系統(tǒng)負(fù)載調(diào)節(jié)繁瑣、能量浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn),具有操作簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。去掉了機(jī)械夾、電壓電流表、功率表等工具和儀表。采用AFE整流單元進(jìn)行能量回饋設(shè)計(jì),提高了電能利用率,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)逆變,也減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)可靠。

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Design of energy feedback based test platform for induction motor

Wang Xiulian1, Guo Ruiguang1, Bi Daqiang2

(1. College of Automation and Electrical Engineering, Shengyang Ligong University, Shengyang 110168, China; 2. State Key Laboratory of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This paper designs an induction motor test platform with energy feedback function, which has full functions, and its human-computer interface is friendly. This paper describes in detail the structure of the overall hardware and the real-time monitoring interface of designed test platform. The experimental platform uses energy feedback technology and makes the power, which is generated by the motor during the loading process, back to the grid, and enhances the utilization of electrical energy. Improving the blocked-rotor test method to make the experiment more convenient, the LabVIEW based monitoring system can control various functions and show experimental results of the real-time waveform monitoring easily. The realization of platform is simple, and its control is accurate. The teaching experimental platform of three-phase induction motors can be completed conveniently.

induction motor； test platform； energy feedback； LabView

2015- 04- 27 修改日期：2015- 06- 19

王秀蓮(1965—)，女，遼寧沈陽，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)及新能源技術(shù).

E-mail：wxiulian_wang@163.com

TM343；G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0073- 06