同軸對拖交流電機建模分析與測試平臺設計

國芳 夏帥 王瑞冬雪

（1.江蘇建筑職業(yè)技術學院 江蘇省徐州市 221116 2.中國礦業(yè)大學徐海學院 江蘇省徐州市 221008）

1 引言

電機生產制造、電力傳動系統(tǒng)研發(fā)測試等場合需要電機測試實驗臺測試電機參數、檢測電機驅動系統(tǒng)的性能。磁粉制動器、磁滯制動器、電渦流制動器等能量消耗型電機測試系統(tǒng)，其負載控制簡單，但受內部結構限制，能源浪費嚴重，且無法實現(xiàn)全速度段的電機測試[1]，僅適用于小型家電、電動工具等場合的測試需要。被測電機通過聯(lián)軸器和負載電機連接的同軸對拖方式，憑借動態(tài)響應速度快、可靠性高、能量可回饋等優(yōu)勢[2]，是高性能電機測試平臺常采用的形式。

為了有效節(jié)省能源，文獻[2]通過能量回饋單元將負載電機的能量回饋到電網，提高了測試平臺的效率。通過控制負載電機變換器，實現(xiàn)對拖電機實驗平臺的四象限運行，滿足各種運行工況的測試。此外，通過改變負載電機控制模型，模擬風力發(fā)電、新能源汽車等負載特性，實現(xiàn)對不同傳動系統(tǒng)的測試。文獻[3,4]提出一種能量互饋型對拖電機實驗平臺，將被測電機和負載電機的電力電子變換器直流側，連接到同一組直流濾波電容器上，通過直流濾波電容實現(xiàn)能量的循環(huán)利用，有效減小系統(tǒng)輸入功率，提高系統(tǒng)效率。共用直流濾波電容的互饋型實驗平臺需要采用更大容值的直流濾波電容，不便于利用現(xiàn)有的通用變頻器。

本文給出一種基于通用變頻器的同軸對拖電機測試平臺設計方案。通過分析同軸對拖電機轉速、轉矩之間的關系，提出一種同軸對拖交流電機數學模型建立的方法，有效保證動態(tài)過程轉速、轉矩的一致性。仿真分析和硬件實驗驗證了所提同軸對拖電機仿真模型建立、測試平臺設計的正確性和有效性。

2 同軸對拖電機數學模型

文獻[2]則把兩個電機仿真模型的輸出轉矩直接取反，作為另一個電機的負載轉矩。文獻[5]根據被測電機和負載電機之間的轉矩對應關系，單獨設定兩個電機的負載轉矩。上述兩種同軸對拖電機仿真模型建立方法，并沒有真正的把兩個電機連接在一起，沒有模擬出對拖電機實驗平臺同軸相連的特征，無法保證被測電機和負載電機轉速一致性，與實際系統(tǒng)存在差別。

文獻[4]通過建立聯(lián)軸器的仿真模型，實現(xiàn)被測電機和負載電機的同軸相連；文獻[6]則利用MATLAB/Simulink自帶的聯(lián)軸器(Mechanical Shaft)，通過調節(jié)輸出轉矩實現(xiàn)兩個電機轉速一致，轉矩大小相等、方向相反。這種通過聯(lián)軸器實現(xiàn)被測電機和負載電機同軸相連的對拖電機仿真模型，通過轉速閉環(huán)控制保證轉速的一致性，控制效果受調節(jié)器參數影響。在負載突變等動態(tài)過程中，兩個電機的轉速會出現(xiàn)一定的偏差。

為了解決基于聯(lián)軸器模型動態(tài)過程中的轉速偏差問題，本文基于異步電機動態(tài)數學模型建立了同軸對拖電機仿真模型。異步電動機的動態(tài)數學模型由電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成，兩相靜止坐標下的異步電機電壓和電流之間的關系如式（1）所示。

兩相靜止坐標系下的轉矩方程和簡化的運動方程如式（2）所示，MATLAB仿真模型如圖4所示。

圖4：恒轉矩變轉速仿真波形

式中，Te為電磁轉矩，TL為負載轉矩，np為電機極對數，J為系統(tǒng)轉動慣量。

根據式（3）所示同軸對拖電機轉矩、轉速關系式，得到同軸對拖交流電機的MATLAB仿真模型如圖1所示。

圖1：同軸對拖異步電機仿真模型

由于是將同軸對拖兩個電機的關系直接代入異步電機的動態(tài)數學模型，從而可以保證同軸對拖電機的轉速始終相等，有效解決基于聯(lián)軸器的對拖電機仿真模型動態(tài)過程中轉速不一致的問題。

3 同軸對拖電機測試平臺仿真分析

同軸對拖電機測試平臺中，為了測試被測電機或被測電機驅動器的運行狀態(tài)，被測電機常工作于轉速控制模式，而負載電機則工作于轉矩控制模式。同軸對拖電機測試平臺仿真模型如圖2所示，被測電機和負載電機均采用基于轉子磁鏈定向矢量控制理論。表1列出了異步電機的參數。

確診為CAP的患者入院后24 h內進行身體檢查，并評估CAP嚴重度。根據肺炎嚴重度指數（PSI）分為 PSI≥130 分組（91 例）及 PSI＜130 分組（25 例）；根據 CURB評分[9]分為CURB≥3分組（160例）和CURB＜3分組（156例）。

圖2：同軸對拖電機測試平臺仿真模型

表1：被測電機和負載電機參數

測試轉矩動態(tài)變化過程中的轉速變化情況，仿真波形如圖3所示。

圖3：恒轉速變轉矩仿真波形

仿真波形表明：

（1）負載電機在轉矩控制模式下，可按照設定的轉矩變化規(guī)律將負載轉矩施加到被測電機上；且動態(tài)過程中，兩個電機的轉速完全相同。

（2）被測電機在轉速控制模式下，可以有效抵抗負載轉矩的變化，轉速始終穩(wěn)定在設定轉速；

（3）當負載轉矩為負給定時，被測電機工作于發(fā)電狀態(tài)，同軸對拖電機實驗平臺可實現(xiàn)被測電機電動、發(fā)電工況下的測試。

測試轉速變化過程中轉矩變化和被測電機運行情況，仿真波形如圖4所示。

（1）整個過程中，兩個電機的轉速始終相同；

負載電機轉矩在轉速變化過程中始終可以維持在設定值；

（2）被測電機取得較好的轉矩控制特性，實現(xiàn)了準時間最優(yōu)控制。

圖5給出了采用本文所提同軸對拖電機模型、文獻[6]基于聯(lián)軸器對拖電機仿真模型轉矩變化過程中轉速變化曲線。

圖5：基于聯(lián)軸器的同軸對拖電機仿真模型轉速偏差波形

仿真結果表明：轉矩動態(tài)變化過程中，基于聯(lián)軸器的同軸對拖電機仿真模型，被測電機和負載電機的轉速波形存在差別。聯(lián)軸器的本質為轉速調節(jié)器，在轉速調節(jié)過程中，必然導致被測電機和負載電機轉速的不一致，這是聯(lián)軸器模型存在的固有問題。本文所提基于數學模型建立的同軸對拖電機仿真模型，在動態(tài)變化過程中，較好保證了被測電機和負載電機轉速的一致性。

4 同軸對拖電機測試平臺設計

同軸對拖電機實驗平臺系統(tǒng)整體結構由對拖電機組、功率變換單元、操作臺三部分組成。在負載電機類型的選擇上，直流電機雖然特性好、容易控制，但系統(tǒng)維護量大，且需要額外的勵磁電源，導致系統(tǒng)結構復雜、效率低。負載電機采用PMSG時，PMSG低速轉矩波動影響測試準確度[1]。此外，PMSG無法使用通用變頻器，控制較為復雜，且PMSG成本較高。本文負載電機選用三相鼠籠異步電動機，其結構簡單，通過扭矩傳感器將兩個電機同軸相連，配合通用變頻器即可實現(xiàn)轉速和轉矩控制。

在同軸對拖電機控制上，驅動電機的功率變換單元多采用DSP或ARM等數字處理器控制；在整個測試系統(tǒng)的控制上，文獻[3]采用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和控制，文獻[7]則通過LabVIEW軟件，實現(xiàn)數據顯示、曲線擬合等。以上通過上位機或PLC控制電機驅動功率變換單元的對拖電機測試平臺，存在控制延時、成本增加等問題。本文直接通過控制通用變頻器的控制面板、外接電位器實現(xiàn)負載電機控制的對拖電機控制方案，將負載電機變頻器設置于轉矩控制模式，通過控制轉矩給定電位器即可實現(xiàn)轉矩的控制，進而實現(xiàn)被測電機的控制。

電機實驗平臺需要有效監(jiān)測轉速、轉矩、電壓、電流等系統(tǒng)狀態(tài)，為了有效簡化系統(tǒng)結構和便于上位機軟件開發(fā)，采用具有通信功能的測量儀表，將所檢測的狀態(tài)量以RS485通信方式連接到上位機，通過上位機軟件檢測系統(tǒng)狀態(tài)、繪制波形與存儲分析。圖6為本文所設計同軸對拖電機測試平臺實物圖。

圖6：同軸對拖電機測試平臺實物圖

為了驗證本文所設計同軸對拖電機測試平臺的有效性，在1420rpm額定轉速對實驗平臺進行測試，通過上位機檢測系統(tǒng)的轉速和轉矩，實驗結果如圖7所示。

圖7：同軸對拖電機測試平臺實驗波形

實驗結果表明：所設計同軸對拖交流電機測試平臺，可通過負載電機實現(xiàn)被測電機轉矩的增加、減小，被測電機具有較好的轉速控制效果，所設計同軸對拖電機測試平臺達到了預期設計目標，可用于電機、電力電子變換器特性測試。

5 結論

針對電機測試及電力電子變換器測試需要，本文設計了采用兩個異步電機同軸對拖的電機測試平臺。負載電機變頻器設置于轉矩運行模式，通過控制面板和轉矩給定電位器即可實現(xiàn)被測電機負載控制，具有結構簡單、控制方便、低成本等優(yōu)勢。在電機動態(tài)數學模型基礎上，根據同軸對拖電機轉矩、轉速之間的對應關系，建立了同軸對拖電機MATLAB仿真模型。在此基礎上，對同軸對拖電機測試平臺各工況進行仿真分析，仿真結果驗證了模型建立的正確性和有效性，有效解決基于聯(lián)軸器的同軸對拖電機仿真模型負載動態(tài)變化過程中存在的轉速不一致問題。測試平臺實驗結果表明，所設計的同軸對拖電機實驗平臺可有效實現(xiàn)轉矩和轉速控制，達到預期設計目標，可滿足電力電子變換器等測試需要。