基于交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)的分析研究

葉鋮彬

【摘 要】此次研究主要是探討分析基于交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)，按照系統(tǒng)運(yùn)行原理推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)參數(shù)變化對其穩(wěn)定性的影響，希望能夠?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考性價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)；分析研究

一、交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)工作原理分析

交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)涉及到電機(jī)學(xué)，機(jī)械傳動，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)等。該系統(tǒng)負(fù)載電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，能夠吸收來自變速箱輸出軸所傳遞的能量，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。利用測功電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)能夠使測試傳動機(jī)械的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，確保測功機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。與此同時，測量傳動機(jī)械工作點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，傳動效率和輸出功率。

常見的測功方法主要包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測定法和電功率測定法。其中電動率測定法主要是對電力測功機(jī)系統(tǒng)的電流電壓進(jìn)行檢測，這樣能夠?qū)敵鲭姽β蔬M(jìn)行檢測。然而因?yàn)殡姍C(jī)效率容易受到外界轉(zhuǎn)速，負(fù)荷以及溫度的影響，因此需要應(yīng)用曲線矯正方法對電機(jī)的輸入功率進(jìn)行測定，這樣會使該實(shí)驗(yàn)方法趨于復(fù)雜性，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)用局限性比較大。另一種方式就是對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量。其中轉(zhuǎn)速測量的難度比較小，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)，電磁傳感器以及光電編碼器等運(yùn)行速度進(jìn)行測量，這樣能夠確保精度提升。但是轉(zhuǎn)矩測量的難度就比較大，在測量轉(zhuǎn)矩時主要是應(yīng)用轉(zhuǎn)矩傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。但是轉(zhuǎn)矩傳感器的應(yīng)用成本比較高，對于安裝精度的要求也比較高，并且在結(jié)構(gòu)上也比較復(fù)雜，因此無法推廣應(yīng)用。另一種轉(zhuǎn)矩測量方法主要是按照電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平衡性原理，對電機(jī)定子外殼子實(shí)行平衡懸浮處理，在對其反響轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量就能夠獲取電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。

二、交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動方程數(shù)學(xué)模型建立

由于電力測功機(jī)系統(tǒng)是由電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所構(gòu)成，盡管兩個調(diào)速系統(tǒng)存在不同的控制目標(biāo)，然而本質(zhì)上都是利用輸入電機(jī)控制方式的電流解耦對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，原理無明顯差別，只是系統(tǒng)中所輸入信號和反饋信號是實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)給定轉(zhuǎn)速，還有就是實(shí)際輸出電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)給定電磁轉(zhuǎn)矩。

在實(shí)際使用期間兩和異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)連接于傳遞機(jī)構(gòu)的兩端，此時測功系統(tǒng)的任務(wù)在于對傳遞結(jié)構(gòu)的性能和效率進(jìn)行測量。在建立數(shù)學(xué)模型時，忽略被測傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械慣性影響系統(tǒng)運(yùn)行的部分，重點(diǎn)研究直接利用剛性軸所連接的電機(jī)簡化的被測機(jī)械的測功系統(tǒng)。在實(shí)行簡化處理之后，被測機(jī)構(gòu)就被當(dāng)作控制系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)，按照傳動機(jī)構(gòu)自身傳動比不同，則比例系數(shù)的取值也不同。因此在表示機(jī)械負(fù)載的數(shù)學(xué)模型時可以通過以下公式進(jìn)行：

在以上公式中， 、a、b、c都表示常數(shù)，J表示模擬負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，用戶只需要設(shè)定常數(shù)與J參數(shù)，測功機(jī)系統(tǒng)會對負(fù)載電機(jī)進(jìn)行控制，從而對所設(shè)定的 進(jìn)行跟蹤，這樣用戶就能夠?qū)ι鲜鰠?shù)進(jìn)行改變，并且對被測電機(jī)在不同負(fù)載下的工作性能進(jìn)行測試。

此次研究所仿真的電力測功系統(tǒng)的負(fù)載電機(jī)能夠給予恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此在上述公式中b和c的數(shù)值都為0，J參數(shù)的數(shù)值需要按照模擬負(fù)載的實(shí)際情況所確定，也可以將其設(shè)定為0，也可以作為旋轉(zhuǎn)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。

在通過上訴研究分析能夠看出，推導(dǎo)交流異步電力測功機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時發(fā)現(xiàn)交流異步電力測功機(jī)系統(tǒng)屬于全功能測功系統(tǒng)，該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)共有兩套，其中一套運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，另一套為電動狀態(tài)。其中電動狀態(tài)為電機(jī)恒轉(zhuǎn)速工作，發(fā)電狀態(tài)為電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工作。通過建立數(shù)學(xué)模型能夠?qū)ο到y(tǒng)工作原理進(jìn)行研究，以數(shù)學(xué)方式分析系統(tǒng)中的各組成單元。特別是對異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入詳細(xì)地分析。分析傳遞系統(tǒng)間的動能關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上尋找出系統(tǒng)運(yùn)動方程，通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型能夠?yàn)橄到y(tǒng)仿真和穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù)。

三、交流異步電力測功系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

在建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之后，在仿真研究之前需要對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，對于應(yīng)用控制系來講，系統(tǒng)穩(wěn)定性屬于先決條件。截至目前，大多數(shù)學(xué)者都沒有注重研究電力測功機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是從本質(zhì)上看，在不考慮外部影響因素情況下，測功系統(tǒng)的參數(shù)變化也會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此掌握穩(wěn)定運(yùn)行影響規(guī)律對后期設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要作用。但是交流變頻異步電力測功機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜性比較高，屬于強(qiáng)耦合且變量系統(tǒng)，無法直接建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然而針對多種輸入輸出系統(tǒng)來說則可以通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且利用小信號分析法求解現(xiàn)象方程，這樣能夠獲取系統(tǒng)特征值，之后按照相關(guān)判斷法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對于穩(wěn)定性判斷理論依據(jù)來說，在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)時首先需要確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此需要深入研究控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。對于單入單出線性系統(tǒng)來說存在較多穩(wěn)定盤踞，包括勞斯-古爾維判據(jù)等都具有重要應(yīng)用價(jià)值，以上判斷方法需要求解出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然而對于多輸入輸出線性系統(tǒng)來說，則不能夠直接應(yīng)用上述穩(wěn)定性判斷依據(jù)。在系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中最具有代表性的人物就是李雅普諾夫，其確立了系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般方法。由于此次研究所討論的交流異步電力測功系統(tǒng)屬于多輸入輸出的高階系統(tǒng)，因此其所求解獲得的傳遞函數(shù)比較多，屬于多維矩陣，若使用傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性將會增加復(fù)雜程度，此時應(yīng)用李雅普諾夫法對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析的難度比較小。

四、結(jié)束語

綜上所述，在關(guān)于交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)研究當(dāng)中，大多數(shù)學(xué)者都致力于研究以系統(tǒng)為基礎(chǔ)的運(yùn)動數(shù)學(xué)方程，簡化了系統(tǒng)眾多環(huán)節(jié)。重點(diǎn)研究控制測功電機(jī)轉(zhuǎn)矩上，并且對不同負(fù)載情況進(jìn)行模擬，未建立專業(yè)的通用型交流變頻異步電力測功機(jī)系統(tǒng)的研究模型。

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