一種應(yīng)用于變頻器測試的電力電子負(fù)載

馬巍凌，　郝礦榮

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 201620)

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一種應(yīng)用于變頻器測試的電力電子負(fù)載

馬巍凌，郝礦榮

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 201620)

摘要提出一種應(yīng)用于變頻器測試的電力電子負(fù)載。測試平臺由待測變頻器和電動機(jī)模擬器構(gòu)成，可以替代傳統(tǒng)的交流傳動試驗(yàn)平臺進(jìn)行變頻器的性能測試和功率考核試驗(yàn)。電動機(jī)模擬器具有實(shí)際電動機(jī)端口的電氣特性，能夠靈活地模擬電動機(jī)在不同負(fù)載下的各種運(yùn)行工況；測試變頻器能夠適應(yīng)不同電動機(jī)參數(shù)、運(yùn)行工況的變化。與傳統(tǒng)的交流傳動實(shí)驗(yàn)平臺相比，該方案不含實(shí)際電動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，電動機(jī)與機(jī)械負(fù)載均采用數(shù)字模型，易于修改，能靈活測試電動機(jī)參數(shù)和負(fù)載變化、異常運(yùn)行時(shí)的變頻器性能。仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞電動機(jī)模擬器; 變頻器; 電力電子負(fù)載； 測試

Power Electronic Load for Inverter Testing

MAWeiling，HAOKuangrong

(College of Information Sciences and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

AbstractIn this article, a power electronic load for inverter testing is proposed. The test platform is composed of the tested inverter and a motor simulator. The system can replace traditional testing platforms for AC drive inverter performance test and power test. Port attributes of the motor simulator are similar to that of actual motors. It can simulate analog motors under different load operating conditions. The tested inverter can adjust the motor parameters based on different operating conditions. Compared to the conventional AC motor driving test platform, this system is simple as modification of electrical and mechanical load model parameters is easy. Furthermore, it can closely monitor the inverter performance with changes of motor parameters and the load, and even with abnormal operation of the inverter. Simulation results show effectiveness and feasibility of the motor simulator.

Keywordsmotor simulator; inverter; power electronic load; test

變頻技術(shù)的進(jìn)步帶來了交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展[1]。其中，變頻器作為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的“心臟”，不論是在電動機(jī)拖動系統(tǒng)中，還是在風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，都對整個(gè)系統(tǒng)起著決定性影響。為檢驗(yàn)變頻器在各種電動機(jī)運(yùn)行工況下的可靠性、安全性、靈活性、整機(jī)效率等技術(shù)指標(biāo)，在研制過程和出廠考核時(shí)一般需要對其進(jìn)行完整的性能測試實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的變頻器測試多在交流傳動平臺上進(jìn)行，通過控制同軸轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)輸出功率的大小來獲取所需電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性，測試變頻器在不同工況下的動、穩(wěn)態(tài)性能。但是，該方法存在著硬件成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多、可靠性差、電能效利用率低等缺點(diǎn)，且系統(tǒng)中其他機(jī)械構(gòu)件與電動機(jī)一旦定型，設(shè)備參數(shù)也就確定了，調(diào)節(jié)起來非常不便，不利于變頻器開展各種試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2-4]中分別設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電動機(jī)驅(qū)動器測試的直流電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)的傳動實(shí)驗(yàn)平臺；但這些測試平臺都是以機(jī)械負(fù)載模擬為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，調(diào)節(jié)不易。文獻(xiàn)[5]中研究一種基于電力電子負(fù)載的動、模實(shí)驗(yàn)方法，但該方法僅限于模擬電阻、電容、電感等常規(guī)線性負(fù)載，不適用電動機(jī)這種高階非線性、動態(tài)時(shí)變性負(fù)載。

為克服上述不足，本文將電力系統(tǒng)中常用的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)(Real-Time Digital Simulation, RTDS)引入到傳統(tǒng)的電力電子負(fù)載平臺中[6]，通過實(shí)時(shí)仿真電動機(jī)模型獲得電流指令，控制功率變換器的開關(guān)器件生成實(shí)際的端口電流，以替代電動機(jī)應(yīng)用于變頻器系統(tǒng)的性能測試及功率考核試驗(yàn)，故稱為電動機(jī)模擬器。利用功率變換器模擬電動機(jī)電氣特性的方法最初由Atkinson等[7]提出；此后，文獻(xiàn)[8-12]中對電動機(jī)模擬器進(jìn)行了拓展性研究，并分別在數(shù)值積分方法、鎖相環(huán)(Phase Locked Loop, PLL)技術(shù)、LCL濾波器和功率變換器控制等方面有所研究。本文還將研究應(yīng)用于變頻器測試的電動機(jī)模擬系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)中各子單元的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)。仿真分析表明了電動機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

1電動機(jī)模擬系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

電動機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在運(yùn)行過程中，既包含了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等機(jī)械量，也包含了電壓電流等電氣量；而變頻器在測試過程中并不以機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)，而是關(guān)注電動機(jī)在不同工況下端口電壓、電流的變化對變頻器供電網(wǎng)絡(luò)的影響。因此，電動機(jī)模擬系統(tǒng)的本質(zhì)是利用功率變換器的開關(guān)器件模擬出與電動機(jī)運(yùn)行時(shí)完全一致的端口電壓、電流特性。由于變頻器通常為電壓源，故電壓不能控制，只能模擬出電流。為此，系統(tǒng)應(yīng)由3個(gè)部分組成： ① 電壓采樣單元，實(shí)時(shí)檢測變頻器的輸出端口電壓，并從中提取出有效分量；② 電動機(jī)模型實(shí)時(shí)仿真單元，可以根據(jù)輸入電壓的信息準(zhǔn)確計(jì)算出要模擬的電流；③ 功率變換單元，由電流控制器根據(jù)給定的電流指令控制變換器的開關(guān)器件輸出電動機(jī)的端口電流。電動機(jī)模擬器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電動機(jī)模擬器的基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Basic structure of the motor simulator

應(yīng)用于變頻器測試的電力電子負(fù)載結(jié)構(gòu)如圖 2(a) 所示，由圖可見，系統(tǒng)由待測變頻器、電動機(jī)模擬器兩套變流裝置和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。其中，系統(tǒng)的主電路包含供電電源、變頻器、交直流母線、濾波電感、電容和雙三相脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWN)整流器；雙三相PWM整流器左側(cè)與變頻器輸出端口相連，負(fù)責(zé)模擬電動機(jī)定子電流(即實(shí)際電動機(jī)端口電流)，稱為模擬側(cè)變換器(Simulator Side Converter, SSC)；雙三相PWM整流器右側(cè)與市電網(wǎng)絡(luò)相連，負(fù)責(zé)將模擬變換器所吸收的有功電能回饋到電網(wǎng)，并維持直流母線電壓穩(wěn)定，稱為并網(wǎng)側(cè)變換器(Gird Side Converter, GSC)。

圖2　基于電動機(jī)模擬器和傳統(tǒng)交流傳動試驗(yàn)的變頻器測試平臺Fig.2　Inverter test platform based on the motor simulator and traditional AC drive test

此外，控制系統(tǒng)中還應(yīng)包含電壓采樣單元、實(shí)時(shí)電動機(jī)模型仿真器、模擬和并網(wǎng)側(cè)電流控制器、保護(hù)單元、隔離驅(qū)動器等。與傳統(tǒng)的基于交流傳動試驗(yàn)的變頻器測試平臺[13-14](見圖2(b))相比，系統(tǒng)少了2臺同軸相連的電動機(jī)，有效降低了系統(tǒng)成本，且電動機(jī)本體參數(shù)和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩均采用數(shù)字模型，易于自行設(shè)定和修改，方便測試變頻器在電動機(jī)參數(shù)變化、不同運(yùn)行工況時(shí)的適應(yīng)性。對電動機(jī)模擬系統(tǒng)而言，要想真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬出實(shí)際電動機(jī)端口的電氣特性，必須確保系統(tǒng)中各子單元的設(shè)計(jì)誤差都在容許范圍內(nèi)，故需解決3個(gè)問題： ① 輸入端口電壓的準(zhǔn)確無延時(shí)采樣；② 實(shí)時(shí)電動機(jī)模型的積累誤差抑制；③ 電流跟隨器單元快速響應(yīng)追蹤電流指令，生成實(shí)際電流。

2單周采樣單元

變頻器輸出電壓為高頻的PWM脈波，瞬時(shí)波形不連續(xù)，傳統(tǒng)的瞬時(shí)值采樣法無法直接從中提取變頻器輸出電壓中的有效信息；而低通濾波電路會帶來采樣延時(shí)，影響動態(tài)響應(yīng)速度或系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，需要一種無延時(shí)的采樣方式來實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地提取地PWM脈波中的有效分量。

單周采樣單元是一種基于時(shí)域均值的采樣方法。系統(tǒng)由帶復(fù)位的積分器、離散采樣器和復(fù)位信號觸發(fā)器3部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和采樣過程如圖3、4所示。當(dāng)單周采樣與PWM脈波的起止時(shí)刻相同時(shí)，很容易知道采樣電壓等于PWM脈波在上一個(gè)周期內(nèi)的調(diào)制量，此時(shí)，采樣過程可視為PWM脈波調(diào)制過程的逆變換。根據(jù)沖量等效原則，雖然采樣電壓與原電壓波形不同，但兩者分別作用于慣性系統(tǒng)的效果是等同的。

圖3　單周采樣單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4　單周采樣單元的過程及相關(guān)波形

根據(jù)上述原理，假定在第k個(gè)時(shí)刻對系統(tǒng)進(jìn)行采樣，可得采樣電壓值

(1)

式中，Tc為采樣周期；Us(t)為輸入電壓的瞬時(shí)值。

由于采樣與PWM周期間可能相互獨(dú)立，故式(1)中積分區(qū)間段存在著隨機(jī)分布，采樣電壓值也是波動的，不妨設(shè)Tc=m·nTs，其中m、n為系數(shù)；Ts為PWM周期。當(dāng)單周采樣過程的起始點(diǎn)位于PWM脈波的不同時(shí)刻時(shí)，通過時(shí)域分析可得采樣電壓的最大、最小值：

(2)

式中，Udc為PWM脈波電壓的峰值；D為占空比的開度。

根據(jù)式(2)可知，即使輸入為恒占空比的PWM脈波，采樣電壓也不一定等于調(diào)制量，而是在一定范圍內(nèi)波動，波動范圍與D相關(guān)，與Tc/Ts相關(guān)。當(dāng)0

利用上述方法對變頻器輸出端口電壓進(jìn)行檢測，選定變頻器的開關(guān)頻率fc=10KHz，采樣頻率fs分別為10、12kHz對其進(jìn)行采樣，可得采樣電壓波形如圖5所示。其中，圖5(a)為采樣與PWM調(diào)制同步時(shí)的波形，此時(shí)采樣系統(tǒng)能準(zhǔn)確提取到PWM脈波中的調(diào)制量，波形穩(wěn)定無偏差；圖5(b)為采樣與PWM調(diào)制不同步時(shí)的波形，此時(shí)采樣值與調(diào)制波波形間存在較大的波形差異。

圖5　不同采樣頻率對輸入SPWM脈波電壓的采樣波形Fig.5　　　Sampling waveforms of SPWM input voltage　　　with different sampling frequency

同步能保證采樣無誤差，但由于有積分環(huán)節(jié)存在，故單周采樣單元具有延時(shí)性。根據(jù)均值采樣系統(tǒng)定義，k時(shí)刻的采樣電壓值是前一周期內(nèi)的平均值而非采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電壓，即電壓值有半個(gè)周期滯后。在利用該采樣電壓求解電動機(jī)模型時(shí)，應(yīng)將其作為上一個(gè)而非下一個(gè)周期內(nèi)的平均段電壓，故相當(dāng)于把此采樣電壓前推一個(gè)周期，超前半拍與滯后半拍兩者相互抵消不產(chǎn)生任何延時(shí)，如圖6中實(shí)線。當(dāng)輸入電壓呈線形時(shí)，其等效于原輸入；當(dāng)輸入電壓在此時(shí)間內(nèi)呈非線性變化時(shí)，均值采樣系統(tǒng)必然無法及時(shí)響應(yīng)。因此，采樣周期與開關(guān)周期最好相同，此時(shí)采樣準(zhǔn)確無延時(shí)。

圖6　均值采樣的作用過程分析Fig.6　Analysis of the mean sampling process

單周采樣單元同步采樣時(shí)得到的電壓值是abc坐標(biāo)系下的瞬時(shí)值，是真實(shí)的物理量，在αβ和dq坐標(biāo)系下，應(yīng)用電動機(jī)的狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要將其矢量坐標(biāo)變換得到相應(yīng)的電壓分量。

3電動機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真

電動機(jī)模型實(shí)時(shí)仿真的主要作用是準(zhǔn)確計(jì)算待模擬電動機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)量(如電流、轉(zhuǎn)速)，并將計(jì)算得到的電流指令(瞬時(shí)值)傳送至功率變換單元。

3.1電動機(jī)模型

在交流傳動系統(tǒng)中，三相鼠籠型異步電動機(jī)應(yīng)用最為廣泛，本文將其作模擬對象。三相靜止abc坐標(biāo)系下的電動機(jī)模型是一個(gè)高階非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)分析較為困難，需對其進(jìn)行矢量坐標(biāo)變換使其簡化。在功率不變條件下，按照磁動勢相等的原則，三相靜止abc坐標(biāo)系到兩相靜止αβ坐標(biāo)系做如下轉(zhuǎn)換：

(3)

該變換也適用于電壓和磁勢的變換，它們的逆變換同樣存在。

兩相靜止αβ坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系做如下轉(zhuǎn)換：

(4)

其逆變換也存在。

用式(3)對三相定轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行矩陣變換，得到兩相正交坐標(biāo)系定子靜止、轉(zhuǎn)子以角速度ωr逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的模型，但此時(shí)定轉(zhuǎn)子繞組間仍存在相對運(yùn)動，需用如圖7所示的方法再次簡化，得到兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程為

(5)

磁鏈方程為

(6)

轉(zhuǎn)矩方程為

Te=npLm(isβirα-isαirβ)

(7)

式中，Ls、Lr為定、轉(zhuǎn)子電感；Lm為定、轉(zhuǎn)子互感；Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻；ψsα、ψsβ、ψrα、ψrβ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈；isα、isβ、irα、irβ為定、轉(zhuǎn)子電流；np為極對數(shù)。

圖7　定子、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換到靜止兩相正交坐標(biāo)系Fig.7　Transformation from the stator and rotor coordinate system to the two phase orthogonal stationary coordinate system

由式(5)～(7)可知，通過在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下對轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)變換能夠消除定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對磁鏈、轉(zhuǎn)矩的影響，將磁鏈方程矛盾轉(zhuǎn)移至電壓方程；簡化后的電動機(jī)模型中參數(shù)仍是交變的實(shí)時(shí)變化量。兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可通過式(5)～(7)變換等效，本文中不再詳述，其磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程與式(6)、(7)相同，僅下標(biāo)變化；但電壓方程較式(5)增加一個(gè)輸入量ω1(ω1為輸入定子電壓角速度)，以提高系統(tǒng)控制自由度，但需對輸入電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)鎖相。

(8)

由式(8)可見，在αβ坐標(biāo)系下，電動機(jī)的狀態(tài)方程是usα、usβ、TL3個(gè)瞬時(shí)量的函數(shù)，不需要對輸入電壓鎖相。系統(tǒng)只需對端口電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和數(shù)字給定電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，就能準(zhǔn)確計(jì)算得到待模擬電動機(jī)中各變量的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.2電動機(jī)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算

為實(shí)時(shí)模擬電動機(jī)的端口特性，需要進(jìn)行在線電動機(jī)仿真，利用數(shù)值積分方法求解電動機(jī)模型獲得實(shí)時(shí)電流和轉(zhuǎn)速值。這涉及數(shù)值計(jì)算方法和步長的選取，只有選擇合適的計(jì)算方法和仿真步長才能提高電動機(jī)模型的計(jì)算精度，并減小運(yùn)算量。常用的數(shù)值積分方法有Euler法、Adams法、梯形法等[15]。Adams法是一種多步長積分方法，相較于Euler法只需增加少量加法運(yùn)算，具有精度高、計(jì)算量小等特點(diǎn)，特別適用于計(jì)算能力有限的控制器模型求解。本文采用二步Adams對式(8)的電動機(jī)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)求解，計(jì)算表達(dá)式為

(9)

式中，h為仿真步長；Fk為k時(shí)刻的微分量；xk為k時(shí)刻的狀態(tài)量。

三相異步電動機(jī)的參數(shù)如表1所示。圖8所示為采用二步Adams和Euler法求解得到三相異步電動機(jī)空載啟動電流波形。由圖8(b)可見，在100μs步長下，采用Euler法計(jì)算電流值嚴(yán)重偏離實(shí)際值，即便將步長減小至10μs，也仍與實(shí)際電流值間存在明顯誤差，為保證計(jì)算精度，需進(jìn)一步減小計(jì)算步長，但這會給微處理器的實(shí)時(shí)計(jì)算帶來較大運(yùn)算壓力；而圖8(a)給出的二步Adams法求解電動機(jī)模型時(shí)的步長穩(wěn)定性則較好，其在10～100μs步長下都具有足夠高的計(jì)算精度，能準(zhǔn)確地求解電動機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)量，是適合于常規(guī)控制器實(shí)時(shí)求解電動機(jī)模型的高效數(shù)值積分方法。

表1　三相異步電動機(jī)的參數(shù)表

圖8　采用二步Adams法和Euler法仿真電機(jī)空載啟動的電流波形

4功率變換器的電流跟蹤控制

在實(shí)時(shí)求解電動機(jī)模型獲得端口電流指令后，功率變換器需快速準(zhǔn)確地跟蹤此電流指令，生成實(shí)際電動機(jī)的端口電流，選用能量可雙向流動、電流快速響應(yīng)可控的三相電壓型PWM整流器來構(gòu)造模擬側(cè)變換器(SSC)。在變頻器的動態(tài)過程測試中，端口輸出電壓往往伴隨頻率和相位信息的突變，造成dq坐標(biāo)系下的模型端口電壓實(shí)時(shí)鎖相困難，故本文選擇在αβ坐標(biāo)系下進(jìn)行電流控制，控制方法采用經(jīng)典的PI控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)參考文獻(xiàn)[16]中進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文不再贅述。

并網(wǎng)側(cè)變換器(GSC)的主要作用是將電動機(jī)所吸收的有功電能回饋到電網(wǎng)，并在SSC工作前幫助其建立正常工作時(shí)所需的直流電壓，維持該電壓在一適當(dāng)范圍；GSC的實(shí)質(zhì)是建立待模擬電動機(jī)與供電網(wǎng)絡(luò)間的緩沖，基本功能是維持電網(wǎng)電壓和控制電網(wǎng)電流波形?？紤]到GSC一端接入的是穩(wěn)定的工頻市電網(wǎng)絡(luò)，能夠被鎖相；另一端是電動機(jī)傳輸?shù)挠泄β?，?dāng)電動機(jī)動態(tài)變化時(shí)，有功電能也是動態(tài)波動的，故具有風(fēng)力并網(wǎng)、太陽能并網(wǎng)等逆變器的特點(diǎn)，其控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可參考該類并網(wǎng)逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，文中不再重復(fù)。

5電動機(jī)模擬系統(tǒng)的仿真及驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析，本文在Matlab/Simulink中分別構(gòu)建了變頻器與電動機(jī)模擬器、變頻器與三相異步電動機(jī)的仿真模型。表2給出了模擬電動機(jī)的參數(shù)。另模擬器中的控制系統(tǒng)程序采用 C_Function 編寫，以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)模型實(shí)時(shí)仿真和功率變換器單元的控制。為驗(yàn)證電動機(jī)模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用Simulink/PSB中自帶的三相異步電機(jī)模塊來構(gòu)造實(shí)際電動機(jī)的仿真模型，作為比較判斷的基準(zhǔn)。

表2　模擬電動機(jī)的參數(shù)表

在電動機(jī)端口輸入恒壓恒頻的PWM脈波電壓，對電動機(jī)的空載啟動、電壓突變和機(jī)械負(fù)載突加的過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)： 電動機(jī)空載啟動，200ms 時(shí)刻減小輸入電壓，300ms時(shí)刻突加機(jī)械負(fù)載?？紤]到電動機(jī)模擬的本質(zhì)是對實(shí)際電動機(jī)端口電氣特性的模擬，故將電流、轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)狀態(tài)量變換為真實(shí)物理量較為直觀；另外，PWM脈波電壓觀測微小的占空比變化不易，文中給出了PWM脈波電壓的調(diào)制波形，觀測電動機(jī)的線電壓uab、相電流ia和轉(zhuǎn)速nr，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　變頻器動穩(wěn)態(tài)性能測試時(shí)電動機(jī)模擬器的仿真波形Fig.9　Simulation waveforms of the motor simulator in testing the dynamic and steady-state performance of the inverter

由圖9可見，電動機(jī)空載啟動瞬間沖擊電流很大，之后維持一個(gè)較小的電流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；在200ms 時(shí)刻，輸入電壓幅值突然減小，電動機(jī)電流跟隨電壓的變化，也未立即回歸正常的正弦波形，而是經(jīng)過一段過渡時(shí)間，到達(dá)新的電流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)；在300ms時(shí)刻，突加機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩1N·m，電動機(jī)的電流平滑響應(yīng)增大，經(jīng)過一段過渡時(shí)間，到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)電流運(yùn)行點(diǎn)，并帶載穩(wěn)定運(yùn)行；電動機(jī)的轉(zhuǎn)速nr則隨電流的動態(tài)變化而變化。由圖可見，實(shí)際電動機(jī)與模擬電動機(jī)的仿真輸出波形在時(shí)間刻度軸和變化趨勢上幾乎完全一致。

由此可見，電動機(jī)模擬器能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際電動機(jī)的端口電壓電流特性，可以替代實(shí)際電動機(jī)用于變頻器的性能測試和功率考核試驗(yàn)。仿真驗(yàn)證了電機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

6結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于變頻器測試的電力電子負(fù)載，通過理論分析和仿真研究可得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)采用單周采樣單元對電動機(jī)模擬器輸入端口電壓進(jìn)行同步采樣時(shí)，采樣系統(tǒng)能準(zhǔn)確、無延時(shí)地提取PWM脈波電壓中的有效基波分量。

(2) 在αβ坐標(biāo)系下通過實(shí)時(shí)檢測端口電壓并數(shù)字設(shè)定轉(zhuǎn)矩，采用二步Adams法能準(zhǔn)確求解電動機(jī)模型的仿真實(shí)時(shí)狀態(tài)量，與實(shí)際電動機(jī)的電流指令相比無穩(wěn)態(tài)誤差。

(3) 功率變換單元的電流控制器通過PI控制參數(shù)設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤電流指令，可快速穩(wěn)定控制功率變換器生成實(shí)際電機(jī)所需的端口電流。

綜上所述，本文提出利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)和功率變換器來模擬電動機(jī)生成實(shí)際的端口電流進(jìn)行變頻器的性能測試方案是可行有效的。相較于傳統(tǒng)交流傳動平臺，少了2臺同軸相連的電動機(jī)，有效降低了系統(tǒng)成本，且電動機(jī)本體參數(shù)和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩均為純數(shù)字量，方便人為設(shè)定和修改，可用于變頻器的性能測試和功率考核試驗(yàn)，擁有較大的工程應(yīng)用價(jià)值和市場推廣空間。

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文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

中圖分類號TM 343;TN 773.07

文章編號2095 - 0020(2016)01 -0023 - 09

作者簡介：馬巍凌(1981-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q與控制技術(shù)，E-mail： mwot@163.com指導(dǎo)教師： 郝礦榮(1964-)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人視覺、機(jī)器人視覺伺服、模式識別及智能控制等，E-mail： krhao@dhu.edu.cn

收稿日期：2015 - 12 - 14