基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)

熊 鋼，王啟元，王征宇，蔣 棟，孔武斌

(1.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，株洲 412007)

0 引 言

電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中的使用相當(dāng)廣泛，為了確保電機(jī)的性能與可靠性，其性能測(cè)試是電機(jī)出廠前一項(xiàng)必不可少的步驟。到目前為止，電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)五花八門，但是絕大多數(shù)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即使用能耗制動(dòng)來提供阻力，例如使用磁粉制動(dòng)器或串電阻的電機(jī)充當(dāng)負(fù)載，如圖1所示[1-2]，運(yùn)用這種加載方式的測(cè)試平臺(tái)對(duì)電源有較高的要求，電源的輸出功率需要大于被測(cè)電機(jī)的功率，以滿足電機(jī)運(yùn)行在各種工況下，同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的損耗。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，大量的有功功率通過制動(dòng)器以熱的形式消耗掉，能量利用率較低。事實(shí)上，有功功率可以通過負(fù)載電機(jī)進(jìn)行回饋，而不必以熱的形式被消耗?；谶@樣的想法，便設(shè)計(jì)了可以將能量回饋到電網(wǎng)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示，提高了能量的利用率[3-6]。然而，即使將能量回饋給電網(wǎng)，對(duì)于系統(tǒng)輸入側(cè)的電源來說，電源的容量仍然不能減小，必須提供足夠大的功率輸入到整個(gè)系統(tǒng)中，同時(shí)，該方法還需要兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器分別控制被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)，增加了控制的復(fù)雜性。

圖1 能耗型測(cè)試平臺(tái)

圖2 能量回饋測(cè)試平臺(tái)

本文提出了一個(gè)同時(shí)連接被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，通過對(duì)變流器的控制，可以使有功功率在兩臺(tái)電機(jī)之間流動(dòng)，系統(tǒng)輸入側(cè)的電源只需補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗，這樣就降低了對(duì)電源容量的要求，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)也只需要一臺(tái)變流器，顯著地降低了硬件成本。

1 電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與控制方法

圖3為電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)電機(jī)A和B通過轉(zhuǎn)矩傳感器同軸連接，電機(jī)B充當(dāng)電機(jī)A的負(fù)載，轉(zhuǎn)矩傳感器用于實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。控制系統(tǒng)包括一個(gè)由直流電源供電的背靠背變流器和一個(gè)以TMS320F28335 DSP為核心的控制板，背靠背變流器由兩個(gè)三相半橋逆變電路組成，逆變電路的交流端連接電機(jī)A和B，直流端共用一個(gè)直流電源。電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)子位置分別通過霍爾電流傳感器和增量式光電編碼器傳給DSP，通過矢量控制算法產(chǎn)生12路PWM信號(hào)控制背靠背變流器工作。兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電機(jī)B運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，將電機(jī)A輸出的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率通過變流器回饋到直流母線上，從而又可以用來給電機(jī)A供電。能量通過背靠背變流器在兩臺(tái)電機(jī)之間流動(dòng)，直流電源的存在僅僅是為了補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗。

圖3 測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。兩臺(tái)電機(jī)均采用雙閉環(huán)的矢量控制方法，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)[7-8]，為簡(jiǎn)化控制方法，令d軸電流指令為0。為了使電機(jī)B產(chǎn)生可調(diào)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這里將電機(jī)B的速度參考設(shè)置為0，同時(shí)在速度PI調(diào)節(jié)器的后端增加一個(gè)幅值可調(diào)的限幅環(huán)節(jié)S，限幅環(huán)節(jié)幅值決定了電機(jī)B產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小。當(dāng)電機(jī)A帶動(dòng)電機(jī)B旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)B的速度PI調(diào)節(jié)器的輸出在限幅環(huán)節(jié)S的限制下很快達(dá)到限幅值，從而使電機(jī)B的電流保持不變，產(chǎn)生恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)需要改變負(fù)載大小時(shí)，只需要改變S的上下限即可。被測(cè)電機(jī)A在電機(jī)B施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下通過矢量控制算法跟蹤轉(zhuǎn)速指令，完成各種動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的測(cè)試。

2 Simulink仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該測(cè)試平臺(tái)的可行性，參照?qǐng)D4，通過Simulink建立了該系統(tǒng)的仿真模型，用于仿真的電機(jī)為表貼式永磁同步電機(jī)。由于電機(jī)A和B的控制算法具有相同的結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)便起見，電機(jī)A和B采用相同的參數(shù)，這樣電機(jī)A和B的PI控制器可以選擇相同的PI參數(shù)。在實(shí)際情況下并不需要電機(jī)A和B具有相同的參數(shù)，在這種情況下控制器的PI參數(shù)需要針對(duì)不同的電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)?？紤]到負(fù)載電機(jī)B會(huì)將被測(cè)電機(jī)A的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，因此，電機(jī)B的最大輸出功率需要大于或等于電機(jī)A的最大輸出功率，這樣被測(cè)電機(jī)A才能在設(shè)計(jì)的任意功率下運(yùn)行；如果電機(jī)B的最大輸出功率小于電機(jī)A，為了防止電機(jī)B超負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)A將不能滿功率運(yùn)行，電機(jī)A在最大功率輸出時(shí)的性能將無法得到檢驗(yàn)。用于仿真的電機(jī)來源于實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)用于電動(dòng)小車的電機(jī)，具體參數(shù)：每相繞組電阻0.367 Ω，d,q軸電感6.95 mH，轉(zhuǎn)子磁鏈0.152 Wb，額定轉(zhuǎn)矩7.4 N·m，額定電流10 A，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.000 3 kg·m2，極對(duì)數(shù)2，變流器直流母線電壓200 V，開關(guān)頻率10 kHz。

圖5～圖8為仿真結(jié)果。圖5和圖6為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到1 000 r/min時(shí)的速度與轉(zhuǎn)矩波形。電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間約為0.08 s，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速無誤差。從轉(zhuǎn)矩波形可以看出，負(fù)載電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩很快達(dá)到給定值，并且不隨轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生改變，可以很好地充當(dāng)負(fù)載。圖7和圖8分別展示了電機(jī)一相繞組的電流和直流電源電流平均值波形。由于仿真中沒有考慮電機(jī)鐵耗以及變流器損耗，整個(gè)系統(tǒng)的損耗只有電機(jī)的銅耗。由圖8可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電源的電流平均值約為0.3 A，計(jì)算得電源提供的功率約為60 W。從圖7可知，電機(jī)繞組電流峰值為7.4 A，計(jì)算得兩臺(tái)電機(jī)總銅耗為60.3 W，基本與電源功率一致，由此證明了直流電源提供的能量?jī)H僅是用于補(bǔ)償系統(tǒng)的損耗，而維持電機(jī)旋轉(zhuǎn)的能量則在兩臺(tái)電機(jī)之間循環(huán)。

圖5 被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖6 負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖7 電機(jī)相電流波形

圖8 電源電流平均值波形

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的可行性，搭建了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖9所示。上方為兩臺(tái)同軸連接的電機(jī)，電機(jī)下方是背靠背變流器，如圖10所示，變流器由兩個(gè)共直流母線的逆變器組成，通過控制板的PWM信號(hào)控制逆變器工作。

圖9 電機(jī)測(cè)試平臺(tái)

圖10 背靠背變流器

用于實(shí)驗(yàn)的兩臺(tái)電機(jī)均為表貼式永磁同步電機(jī)，額定功率分別為2 kW和2.4 kW，其中2 kW的電機(jī)充當(dāng)被測(cè)電機(jī)A，2.4 kW的電機(jī)充當(dāng)負(fù)載電機(jī)B。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于1 750 r/min、轉(zhuǎn)矩5 N·m的工況時(shí)，圖11和圖12分別為兩臺(tái)電機(jī)的電流波形。圖13為實(shí)測(cè)的直流電源的電壓和電流波形。電流的平均值為1.3 A，通過電壓的大小可以計(jì)算出電源功率為260 W。由于實(shí)際系統(tǒng)中的損耗很復(fù)雜，包括電機(jī)的銅耗、鐵耗，以及變流器開關(guān)管的開關(guān)損耗，計(jì)算總損耗與電源功率進(jìn)行比較過于麻煩，但是電機(jī)的機(jī)械功率可以很容易計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電機(jī)A的機(jī)械功率由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積得到，為916 W，機(jī)械功率為電源輸入功率的3.5倍，說明系統(tǒng)中存在能量回饋，且通過圖14可以看出，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電源的功率與電機(jī)機(jī)械功率的比值越來越小，能量回饋效果越來越明顯。

圖11 被測(cè)電機(jī)A電流波形

圖12 負(fù)載電機(jī)B電流波形

圖13 電源電流與電壓波形

圖14 功率隨轉(zhuǎn)速變化的波形

除了穩(wěn)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)過程也進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，圖15～圖17是負(fù)載轉(zhuǎn)矩從3 N·m突變?yōu)? N·m時(shí)系統(tǒng)各部分電流的波形。圖15是負(fù)載電機(jī)B的電流波形。從圖15中可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩指令發(fā)生改變時(shí)，電機(jī)B的電流瞬間上升，達(dá)到另一穩(wěn)定值，這說明了負(fù)載電機(jī)B可以很好地充當(dāng)負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化十分迅速。對(duì)于被測(cè)電機(jī)A，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，為了維持轉(zhuǎn)速不變，電流在1 ms的時(shí)間內(nèi)從初始穩(wěn)態(tài)值躍升到另一穩(wěn)態(tài)值。圖17展示了直流電源在動(dòng)態(tài)過程中的電壓與電流波形。從波形可以看出，電源電流首先減小，隨后增大到一更大的穩(wěn)態(tài)值。電流之所以會(huì)減小是因?yàn)樵谪?fù)載突然增大的一瞬間，電機(jī)B的電流瞬間增大，而電機(jī)A的電流基本還沒發(fā)生變化，此時(shí)電機(jī)B輸出的電功率大于電機(jī)A需要的機(jī)械功率，多出的功率可以用于補(bǔ)償系統(tǒng)損耗，降低了電源的輸出負(fù)擔(dān)，所以電源電流會(huì)減??；隨著電機(jī)A的電流逐漸增大，當(dāng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，電機(jī)A的機(jī)械功率增大，且系統(tǒng)的損耗也會(huì)增大，最終導(dǎo)致電源電流上升到一個(gè)更高的穩(wěn)態(tài)值。

圖15 負(fù)載電機(jī)B電流波形

圖16 被測(cè)電機(jī)A電流波形

圖17 電源電流與電壓波形

通過以上穩(wěn)態(tài)過程和動(dòng)態(tài)過程的測(cè)試，證明了這種基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)完全可以利用一個(gè)容量較小的電源對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行各種性能測(cè)試，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)來說，能量利用率得到很大的提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。在確保實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)試的基本功能這一前提下，通過背靠背變流器可以把被測(cè)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而重新給被測(cè)電機(jī)供電。通過實(shí)驗(yàn)證明，在降低供電電源容量的情況下，該測(cè)試平臺(tái)仍然可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)試的相關(guān)功能，并且被測(cè)電機(jī)的功率越大，電源提供的功率占電機(jī)輸出功率的比值就越小。實(shí)驗(yàn)表明，在一般情況下，采用這種基于背靠背變流器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)所需的電源容量只有傳統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)電源容量的一半，無論從用電量的使用，還是從電源的成本來考慮，都將極大地減少支出，對(duì)降低成本具有積極意義。