基于背靠背變流器的電機測試平臺

熊 鋼，王啟元，王征宇，蔣 棟，孔武斌

(1.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074；2.湖南中車時代電動汽車股份有限公司，株洲 412007)

0 引 言

電機在工業(yè)領域中的使用相當廣泛，為了確保電機的性能與可靠性，其性能測試是電機出廠前一項必不可少的步驟。到目前為止，電機的測試平臺五花八門，但是絕大多數(shù)都有一個共同的特點，即使用能耗制動來提供阻力，例如使用磁粉制動器或串電阻的電機充當負載，如圖1所示[1-2]，運用這種加載方式的測試平臺對電源有較高的要求，電源的輸出功率需要大于被測電機的功率，以滿足電機運行在各種工況下，同時補償系統(tǒng)的損耗。當系統(tǒng)運行時，大量的有功功率通過制動器以熱的形式消耗掉，能量利用率較低。事實上，有功功率可以通過負載電機進行回饋，而不必以熱的形式被消耗?；谶@樣的想法，便設計了可以將能量回饋到電網(wǎng)的電機測試平臺，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)，對于系統(tǒng)輸入側的電源來說，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系統(tǒng)中，同時，該方法還需要兩個獨立的驅動器分別控制被測電機和負載電機，增加了控制的復雜性。

圖1 能耗型測試平臺

圖2 能量回饋測試平臺

本文提出了一個同時連接被測電機和負載電機的基于背靠背變流器的電機測試平臺。在這個平臺上，通過對變流器的控制，可以使有功功率在兩臺電機之間流動，系統(tǒng)輸入側的電源只需補償系統(tǒng)的能量損耗，這樣就降低了對電源容量的要求，同時整個系統(tǒng)也只需要一臺變流器，顯著地降低了硬件成本。

1 電機測試平臺的結構與控制方法

圖3為電機測試平臺的結構。兩臺電機A和B通過轉矩傳感器同軸連接，電機B充當電機A的負載，轉矩傳感器用于實時顯示轉矩數(shù)值?？刂葡到y(tǒng)包括一個由直流電源供電的背靠背變流器和一個以TMS320F28335 DSP為核心的控制板，背靠背變流器由兩個三相半橋逆變電路組成，逆變電路的交流端連接電機A和B，直流端共用一個直流電源。電機的繞組電流和轉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信號控制背靠背變流器工作。兩臺電機運行時，負載電機B運行于發(fā)電狀態(tài)，將電機A輸出的機械功率轉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A供電。能量通過背靠背變流器在兩臺電機之間流動，直流電源的存在僅僅是為了補償整個系統(tǒng)的能量損耗。

圖3 測試平臺的結構

系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。兩臺電機均采用雙閉環(huán)的矢量控制方法，外環(huán)為速度環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)[7-8]，為簡化控制方法，令d軸電流指令為0。為了使電機B產(chǎn)生可調的負載轉矩，這里將電機B的速度參考設置為0，同時在速度PI調節(jié)器的后端增加一個幅值可調的限幅環(huán)節(jié)S，限幅環(huán)節(jié)幅值決定了電機B產(chǎn)生的負載轉矩大小。當電機A帶動電機B旋轉時，電機B的速度PI調節(jié)器的輸出在限幅環(huán)節(jié)S的限制下很快達到限幅值，從而使電機B的電流保持不變，產(chǎn)生恒定的負載轉矩。當需要改變負載大小時，只需要改變S的上下限即可。被測電機A在電機B施加的負載轉矩下通過矢量控制算法跟蹤轉速指令，完成各種動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的測試。

2 Simulink仿真與實驗

為了驗證該測試平臺的可行性，參照圖4，通過Simulink建立了該系統(tǒng)的仿真模型，用于仿真的電機為表貼式永磁同步電機。由于電機A和B的控制算法具有相同的結構，為了簡便起見，電機A和B采用相同的參數(shù)，這樣電機A和B的PI控制器可以選擇相同的PI參數(shù)。在實際情況下并不需要電機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)需要針對不同的電機進行單獨的設計?？紤]到負載電機B會將被測電機A的機械能轉換為電能，因此，電機B的最大輸出功率需要大于或等于電機A的最大輸出功率，這樣被測電機A才能在設計的任意功率下運行；如果電機B的最大輸出功率小于電機A，為了防止電機B超負荷運行，電機A將不能滿功率運行，電機A在最大功率輸出時的性能將無法得到檢驗。用于仿真的電機來源于實驗室的一臺用于電動小車的電機，具體參數(shù)：每相繞組電阻0.367 Ω，d,q軸電感6.95 mH，轉子磁鏈0.152 Wb，額定轉矩7.4 N·m，額定電流10 A，額定轉速2 000 r/min，轉子轉動慣量0.000 3 kg·m2，極對數(shù)2，變流器直流母線電壓200 V，開關頻率10 kHz。

圖5～圖8為仿真結果。圖5和圖6為負載轉矩為5 N·m時轉速從0上升到1 000 r/min時的速度與轉矩波形。電機轉速的上升時間約為0.08 s，動態(tài)響應較好，當達到穩(wěn)態(tài)時，轉速無誤差。從轉矩波形可以看出，負載電機B的轉矩很快達到給定值，并且不隨轉速的變化而發(fā)生改變，可以很好地充當負載。圖7和圖8分別展示了電機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鐵耗以及變流器損耗，整個系統(tǒng)的損耗只有電機的銅耗。由圖8可知，穩(wěn)態(tài)時直流電源的電流平均值約為0.3 A，計算得電源提供的功率約為60 W。從圖7可知，電機繞組電流峰值為7.4 A，計算得兩臺電機總銅耗為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僅僅是用于補償系統(tǒng)的損耗，而維持電機旋轉的能量則在兩臺電機之間循環(huán)。

圖5 被測電機轉速波形

圖6 負載電機轉矩波形

圖7 電機相電流波形

圖8 電源電流平均值波形

為了進一步驗證這種基于背靠背變流器的電機測試平臺的可行性，搭建了對應的實驗平臺，如圖9所示。上方為兩臺同軸連接的電機，電機下方是背靠背變流器，如圖10所示，變流器由兩個共直流母線的逆變器組成，通過控制板的PWM信號控制逆變器工作。

圖9 電機測試平臺

圖10 背靠背變流器

用于實驗的兩臺電機均為表貼式永磁同步電機，額定功率分別為2 kW和2.4 kW，其中2 kW的電機充當被測電機A，2.4 kW的電機充當負載電機B。當系統(tǒng)穩(wěn)定運行于1 750 r/min、轉矩5 N·m的工況時，圖11和圖12分別為兩臺電機的電流波形。圖13為實測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算出電源功率為260 W。由于實際系統(tǒng)中的損耗很復雜，包括電機的銅耗、鐵耗，以及變流器開關管的開關損耗，計算總損耗與電源功率進行比較過于麻煩，但是電機的機械功率可以很容易計算。在穩(wěn)態(tài)時，電機A的機械功率由轉速與轉矩的乘積得到，為916 W，機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，隨著電機轉速的提高，電源的功率與電機機械功率的比值越來越小，能量回饋效果越來越明顯。

圖11 被測電機A電流波形

圖12 負載電機B電流波形

圖13 電源電流與電壓波形

圖14 功率隨轉速變化的波形

除了穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)過程也進行了相應的測試，圖15～圖17是負載轉矩從3 N·m突變?yōu)? N·m時系統(tǒng)各部分電流的波形。圖15是負載電機B的電流波形。從圖15中可以看出，當負載轉矩指令發(fā)生改變時，電機B的電流瞬間上升，達到另一穩(wěn)定值，這說明了負載電機B可以很好地充當負載，負載轉矩的變化十分迅速。對于被測電機A，當負載轉矩增大時，為了維持轉速不變，電流在1 ms的時間內從初始穩(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。電流之所以會減小是因為在負載突然增大的一瞬間，電機B的電流瞬間增大，而電機A的電流基本還沒發(fā)生變化，此時電機B輸出的電功率大于電機A需要的機械功率，多出的功率可以用于補償系統(tǒng)損耗，降低了電源的輸出負擔，所以電源電流會減?。浑S著電機A的電流逐漸增大，當達到新的平衡狀態(tài)時，電機A的機械功率增大，且系統(tǒng)的損耗也會增大，最終導致電源電流上升到一個更高的穩(wěn)態(tài)值。

圖15 負載電機B電流波形

圖16 被測電機A電流波形

圖17 電源電流與電壓波形

通過以上穩(wěn)態(tài)過程和動態(tài)過程的測試，證明了這種基于背靠背變流器的電機測試平臺完全可以利用一個容量較小的電源對大功率電機進行各種性能測試，相對于傳統(tǒng)測試平臺來說，能量利用率得到很大的提高。

3 結 語

本文介紹了一種基于背靠背變流器的電機測試平臺。在確保實現(xiàn)電機測試的基本功能這一前提下，通過背靠背變流器可以把被測電機的機械能轉化為電能，進而重新給被測電機供電。通過實驗證明，在降低供電電源容量的情況下，該測試平臺仍然可以實現(xiàn)電機測試的相關功能，并且被測電機的功率越大，電源提供的功率占電機輸出功率的比值就越小。實驗表明，在一般情況下，采用這種基于背靠背變流器的電機測試平臺所需的電源容量只有傳統(tǒng)測試平臺電源容量的一半，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，對降低成本具有積極意義。