1、华中科技大学 硕士学位论文 基于能量回馈的电机多功能实验系统研究 姓名：周康 申请学位级别：硕士 专业：电力电子及电力传动 指导教师：韦忠朝 20080608I 摘 要 电机实验是电机教学过程中不可缺少的一个环节，对于培养学生的动手操作能 力起着非常大的作用。电机实验通常采用直流发电机作为电动机的负载，而发电机 发出的直流电则通过可调阻器发热消耗掉来调节负载的大小，这种方法不仅白白浪 费能量，而且负载调节极不方便。电回馈加载具有非常优良的加载特性，在额定转 速以下可以保持恒转矩加载特性，额定转速以上保持恒功率加载特性。电回馈加载 器可以四象限运转，除了恒转矩（加载）运行，还可以恒转速（倒拖）运
2、行，这就 非常适合做电机的四象限工作特性实验。电回馈加载将加载能量回馈电网或驱动端， 实现加载能量的循环利用，从而达到节能的目的。 本文简要介绍了国内电机及拖动实验装置的发展现状；分析了电回馈加载系统 的工作原理和控制策略，建立了相应的仿真模型并用 MATLAB/SIMULINK 进行了仿 真研究，在理论上论证了系统的可行性；然后详细地阐述了系统的硬件实现方案和 测试软件的开发流程；最后对直流电回馈加载系统的恒转矩和恒转速工作模式以及 能量回馈效果进行了实验研究,从而在实践中检验了理论分析的正确性。 在实验系统的调试过程中，还解决了一些实际的问题，如变频器的干扰问题， 采集数据的误差消除问题。
3、但系统的无功功率补偿、谐波污染等问题还需要进一步 的分析和研究。 关键字：电机实验；电回馈加载；恒转矩；恒转速II Abstract Motor experiment is necessary in the teaching of electric machinery, which plays an very important role in cultivating students practice ability. DC generator is generally used as the load of the motor in the electric machines experi
4、ment, but dc electric energy produced by the generator is consumed through variable resistor in heating to adjust the load, which not only wastes enerey, but also isnt convenient in the load adjustment because the variable resistor is stepped. Electricity feedback loading has excellent loading chara
5、cteristics, which realizes to load in constant torque under normal speed and in constant power above normal speed. Electricity feedback loader can run in four quadrant, besides run of constant torque(load),it realizes run of constant speed (Motor),which is very suitable for the four-quadrant charact
6、eristic experiment of motors. Loading-enerey feeds back to Power Grid or driving end in electricity feedback load,which realizes circular utilization of loading-energy, so it satisfies the purpose of power saving. This paper briefly introduces the development status of motor and drive experimental d
7、evice. Working principle and control strategy of electricity feedback loading system is analysised, the corresponding simulation model is created and simulation study is maded with MATLAB/SIMULINK, reliability of this system is proved in theory. Then the hardware implementation and software developm
8、ent of the system are described in detail. Finally constant torque mode, constant speed mode and enerey feedback effect of DC electricity feedback loading system are studied experimentally, so the correctness of theoretic analysis is examined in practical. Some practical problems are solved in exper
9、imental system debug stage, for example, VFD interference, the error eliminating in data acquisition. However, the deal to the problems of the reactive power compensation and harmonic pollution need further analysis and study. Keywords: Motor experiment, electricity feedback load, constant torque, c
10、onstant speed独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅，本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有
11、关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日1 1 绪论 1.1 本文研究的背景与意义 电机学及电机拖动实验是电机学 、 电机与拖动基础 、 电力拖动与控制系 统等课程重要的实践环节，侧重于正确地选择仪器、仪表，排除实验中故障，正 确地测取和处理数据，独立地编写实验报告，掌握实验的基本技能，分析实验结果， 目的在于验证理论、巩固理论、培养学生把理论用于实际，解决实际问题的能力以 及认真、求实的科学作风
12、。因此，电机及电机拖动实验装置是电机教学实验环节中 不可或缺的实验设备。目前全国各高校正迎着教育体制改革的春风大力投资实验室 基础设施建设，从而存在着广阔的市场空间。 本课题源于我校与长沙湖湘测控仪器有限公司合作开发的一个工程项目电回 馈加载电机及拖动综合实验装置的研制。该项目的主要目的在于根据教育部对各类 大、中专院校，职业院校电机学 、 电力拖动 、 电机控制等实验教学的要求， 开发出适应各类学校开设的“电机学”、“电机与拖动”、“电机控制”等课程的教学实验 平台。本文研究的实验装置与传统实验设备最大的区别就在于它独特的加载方式，在 电机实验中引入电回馈加载技术，具有非常优良的加载特性。电
13、回馈加载系统有两 种工作模式，既恒转矩（恒功率）和恒转速模式，其恒转矩工作模式可以提供连续 可调稳定的负载转矩，在电机实验中模拟恒转矩负载给被试电机加载。其恒转速工 作模式既可以提供随转速而变化的负载转矩，还可以为被试电机提供驱动力矩，从 而可以完成电机的四象限 M-S 曲线测试等难度较大的实验。由于系统采用了能量回 馈技术，在方便可靠加载的同时，又能实现加载能量的回馈，节约了大量的电能。 其采用模块化设计、分块式结构，设计新颖，使用安全方便，因此有着广泛的现实 意义和应用前景。2 1.2 国内外电机实验系统发展现状 1.2.1 电机测试试验系统 测功机是电机制造和产品研发过程中重要的性能测试
14、和检测设备之一，用于模 拟和控制被测电机的负载，以测量电机的转矩、转速、电流、电压、功率、效率等 参数，以及其它特殊的的动力试验测试项目，如安全性试验、动平衡试验、NVH 试 验(振动/噪音/寿命)等。国内外常用的测功机有水力测功机、电涡流测功机、磁粉测 功机、直流（电机）测功机和交流（电机）测功机。直流测功机和交流测功机在我 国又称之为电力测功机 1 。 水力测功机因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，长期以来成为大功率内燃 机试验优先采用的设备。目前主要有定充量水力测功机和变充量水力测功机。定充 量水力测功机的吸收腔内始终充满具有一定压力的水,通过调节测功机的闸套开合位 置(即调节测功机转子与
15、定子间的工作面积)来改变测功扭矩大小。这类测功机稳定性 好，但结构复杂。变充量水力测功机又称水涡流测功机，它是通过进、出水阀来调 节水力测功机吸功腔内水量的多少，以达到改变其制动扭矩大小的目的。变充量水 力测功机工作时水压高，噪声大，而且在转速高、制动扭矩小的区段几乎不能稳定 工作 2 。 电涡流测功机利用涡电流效应吸收发动机输出转矩和功率，具有低惯量、高精 度、高稳定性、结构简单等特点，适用于操作控制的自动化，并且功率范围也较宽， 转速较高，响应速度较快，测试工艺比较成熟，是目前各电机制造厂主要使用的测 功机之一 3 。 磁粉测功机是利用磁粉制动器做为加载器的一种测功机，是根据电磁原理和利
16、用磁粉传递力矩。其制动力矩与励磁电流基本成正比关系。调节励磁电流大小，可 达到无级控制。它由励磁线圈、磁粉和转轴组成，当线圈不通电时不产生磁通，磁 粉呈自由状态，当转轴旋转时，由离心力的作用，磁粉甩在转动件与机壳之间，此 时制动力矩近乎为零；当线圈通电后，在线圈周围产生磁场，磁粉连接成链状态， 转动件与机壳之间产生很大的摩擦力，从而引起对转动轴的制动作用。调节圈的电3 流，就能对制动转矩进行调节，而且有较好的重复性，但一般只适用于小功率的场 合 4 。 电力测功机就是利用直流电机或者交流电机作为转换元件，将电能转换成电机 转子的机械能，以转矩形式为承载电机加载；并通过对加载转矩的控制，实现对承
17、 载电机所带机械负载的模拟。电力测功机是对各种动力机械进行性能测试的综合试 验设备，主要用于风机、水泵、液力或齿轮变速器等输入功率的测试，亦可作为发 动机等输出功率的测试，是一种全功能(有电动工况又有发电工况)、高性能的重要 检测设备。在这些功能中，很大一部分是针对电机的 5 。 总之，水力和电涡流加载低速性能不好，低速时甚至无法加载。磁粉制动器无 法用于高速和大功率场合，稳定性欠佳。而且他们几乎无一不是利用水等介质冷却 带走加载能量导致能源的大量浪费。电力测功机不仅加载性能优异，而且可以实现 电能回馈。各种测功机性能对比如表 1-1所示。 表1-1 各种测功机性能对比 水力测功机 电涡流测功
18、机 直流测功机 交流测功机 电动能力 无 无 有 有 能量再生 无 无 有 有/70%左右 转动惯量 低 变化 低 很低 控制精度 低 好 很好 非常好 转速范围 高 高 适中 适中 功率范围 高 高 适中 适中 响应时间 慢 适中 快 很快 系统结构 复杂、笨重 复杂、笨重 模块化、体积小 模块化、体积小 冷却方式 水冷 水冷 风冷 风冷 技术程度 旧 旧 成熟 先进 电力测功机目前大都采用直流测功电机，这是因为直流电机的调速性能好，控 制简单，成本低廉。但直流电机由于换向器的影响，不能适用于高速运行，因此在 转速很高的情况下，往往采用机械减速装置，使系统复杂且噪声增大。交流测功机 是一种新
19、型的机电一体化测功机，适合各种不同类型的电机性能测试。交流电力测4 功机由于不存在换向器问题，因而结构简单、可靠性高，且近几年来随着电机控制 技术和电力电子技术的发展，交流传动系统在动、静态性能上得到了显著提高，因 此对于交流测功机的研究成为主流趋势。将现代交流测功机技术应用于电机性能测 试领域，可以充分发挥其优异的转速和转矩控制特性，以及动态响应快、结构灵活 多样、高效节能、可靠性高等特点；同时，可以设计出机械测功机无法实现的控制 方案，如能量回馈、电封闭测试和多路并行测试等，并可使用计算机和虚拟仪器技 术实现电动机测试系统的自动化和智能化。电力测功机系统典型结构如图 1-1所示 6 。 图
20、1-1 电力测功机系统典型结构框图 1.2.2 电机教学实验系统 本课题研究开发的电机及电机拖动综合实验装置主要立足于国内市场，面向国 内各高校开展的电机及拖动教学实验。教学仪器市场是一个大市场，电机及电机拖 动实验设备是其中的一个重要组成部分。目前占领市场份额较大的主要有浙江天煌、 浙大求是、北京中育、华大电力等企业。 浙江天煌公司是国内较大规模的教学仪器开发、生产企业，其产品比较成熟， 其 DDSZ-1 型电机及电气技术实验装置占有了较大的市场份额。但其实验装置中也 存在一些不足之处，主要有：(1)该实验装置采用的是 200-300W 的微小型电机，与 理论教学和工业生产中使用的电机有着较
21、大的区别，不可避免的存在着一定的脱节 现象，必然会影响到实验的效果，无法完全达到预期的实验目的。(2)由于采用发电 机电阻箱负载，加载范围较窄，负载调节不方便，动态实验时，不能保持恒转矩加 载特性，无法完成电机的四象限机械特性等重要实验 7 。5浙江大学求是科学技术开发公司是一家专业生产物理、电工、电机、控制系统等 教学仪器设备的企业，其MEL-I型电机系统教学实验台也占有一定的市场份额，它的 状况基本上和天煌的DDSZ-1型类似 8 。 武汉华大电力自动技术有限责任公司是华中科技大学的校办企业，其 HDDJ-II 型电机教学实验台率先采用了小型电机机组平台，摆脱采用微型电机进行实验的局 限性
22、。但也有一些弊端，因采用发电机电阻箱负载，负载调节不便，能量消耗在笨 重的电阻箱上，既消耗了大量的电能，又占用较大的实验室空间，且无法完成电机 的四象限机械特性等重要实验，未引入先进的计算机和自动控制技术等。 还有北京中育等公司也生产这类实验装置，这些公司的产品和天煌的大同小异。 1.3 本课题主要的研究内容本课题源于我校与长沙湖湘测控仪器有限公司合作开发的电回馈加载电机及拖 动综合实验装置项目，研究目标是开发适用于电机学及电机拖动实验等的新一代电 机及电机拖动实验教学平台，不仅可以完成各种电机的空载实验、短路实验、工作 特性等基本实验，而且可以实现对电机的四象限 M-S 曲线的测试实验，甚至
23、还可以 应用于发动机、变速箱、变矩器、耦合器等试验台的测试任务。 本论文研究的主要内容包括以下几个方面： （1）分析和论述了电回馈加载系统的工作原理及其控制策略，比较了直、交流 电回馈加载的优劣之处。 （2）根据直流电回馈加载系统的电气原理图，采用Matlab/Simulink建立了系统 的仿真模型，并进行了仿真研究，在理论上验证了系统的可行性。 （3）详细阐述了直流电回馈器的设计方法，系统检测显示环节的实现，上、下 位机的通讯与数据传输技术，系统实验平台的设计和电机DJ-900测试软件和DJ- 920M-S曲线测试软件的开发流程。 （4）对直流电回馈加载系统的恒转矩和恒转速工作模式以及能量回
24、馈效果进行 了实验研究,在实践工程中检验了理论分析的正确性。6 2 电回馈加载器的原理及其控制策略 电回馈加载在额定转速以下可以保持恒转矩加载特性，额定转速以上保持恒功 率加载特性。这一加载特性无疑是其他加载方式所无法做到的。电回馈加载将加载 能量回馈电网或驱动端，实现加载能量的循环利用，从而达到节能的目的。电回馈 加载有直流电回馈加载和交流变频电回馈加载两种，直流电回馈加载器由一台直流 发电机和一台直流电回馈控制器组成；交流变频电回馈加载器由一台交流异步电机 和一台交流电回馈控制器组成。 2.1 电回馈加载器稳定运行原理 对于系统电动机拖动机械负载组成的电力拖动机组，在运行时存在着运行能否
25、稳定的问题。所谓稳定运行是指机组在受到暂时外界扰动后，能自行恢复到原来的 稳定状态，反之则为不稳定运行 9 。 电回馈加载器和被测电机同轴相连则作为负载的加载器和电机本身就构成了一 个典型的电力拖动系统如图2-1所示。 整个系统要能稳定运行必须是电机的机械特性和负载的机械特性之间配合得 当。如图2-2，假设n= f 1 (M)是电机的机械特性曲线，n= f 2 (M z )是负载加载器的机械特 性曲线。M为电机的电磁转矩，M z 为加载器制动转矩。 被试电机 加载器 联轴器 M M Z 图2-1 电力拖动系统7 MM Z MM Z n=f 2 (M Z ) n=f 2 (M Z ) n=f 1
26、 (M) n=f 1 (M) n 0 - n A B 图2-2 稳定性分析 对A、B 两工作点进行稳定性分析得：A为稳定工作点，B为不稳定工作点，即 当外界干扰而致使系统转速偏离原工作点(A或B)，当外界干扰消失后，若原工作点 为A，则系统转速能恢复到原工作点(A)；若原工作点为B，则系统转速不能恢复到 原工作点(B)，进一步分析可以得到如下结论： 欲使系统能在某一点稳定运行即该点必须满足以下条件:dM / dn dM z / dn (2-1) 2.2 直流电回馈加载器的原理及其控制策略 2.2.1 直流电回馈加载器的工作原理 直流电回馈加载器是利用直流发电机作为负载并将发出的电能通过其加载及
27、回 馈控制器（逆变器）回馈给输入端的一种先进的加载设备，它和转矩转速传感器配 接，即组成优良的直流电力测功机。直流电回馈加载器应用于电机实验的原理框图 如图 2-3所示。8 图 2-3 直流电回馈加载器应用于电机实验原理框图 由直流电机理论可知，直流电机的电磁转矩：eTa TCI = (2-2) 即转矩与磁通和电枢电流成正比，磁通和电枢电流可单独控制，当保持其中一个量 不变时，转矩与另外一个量成正比例关系。为了得到连续均匀变化的负载转矩进行 加载，就需要分别控制励磁电流和电枢电流，故直流电回馈加载器采用他励直流电 机作为加载电机。对于他励直流电机来说，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流 成正比
28、，只要调节电枢电流，就可以得到相应的电磁转矩，直流电回馈加载器就是 利用这一原理来稳定调节转矩的。 由直流电机的可逆性可知，直流电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行。 在发电机情况下，电磁转矩是一个制动转矩。若 T 1 为原动机的驱动转矩，T 0 为电机 本身的机械阻力转矩，则发电机的转矩方程为 T 1 =T 0 +T e 。电动机的电磁转矩是一个 驱动转矩，所以电动机的转矩方程为 T e =T 0 +T 2 式中，T 2 为电动机轴上的负载转矩。 通过直流电回馈加载控制器可以方便地控制加载直流电机的工作状态，使加载直流 电机可以四象限运转，即既可以作发电机运转，也可以作电动机运转；既可以正
29、向 加载，也可以反向加载。它既可以从电网吸收电能给直流电动机，也可以将直流发 电机发出的电能回馈给电网。直流电回馈加载器的主电路工作原理图如图 2-4 所示 10 。 直流电机 被试电机 转矩转速 传感器 变流单元 直流电回馈 加载控制器 AC380V9 M E M I d M E M M EM M E M _ + _ _ _ + + + + + + + _ _ _ _ I d I d I d 正转逆变 正转整流 反转逆变 反转整流 电动运行 电动运行 发电运行 发电运行 正组 正组 反组 反组 电网 电网 电网 电网 电网 U d U d U d Ud 电能 电能 电能 电能 0 图 2-4
30、 直流电回馈加载器的主电路原理图 由上图分析可知，电机正向运行时都是由正组变流器供电；反向运行时，则由 反组变流器供电。任何时刻都不能让两组变流器同时工作，若正组工作，则反组封 锁；若反组工作，则正组封锁，以此使产生环流的必要条件不再存在。当只有一组 变流器投入工作时，则根据电机所需的运转状态来决定哪组变流器工作及其相应的 工作状态：整流或逆变。 第 1 象限，正转，电机电动运行，正组桥工作在整流状态， P /2 ， Md EU (下标中有 表示逆变，N 表示反组， N 表示反组逆变时的逆变角)。直流 电机吸收机械能，向电网回馈电能。第 3 象限，反转，电机电动运行，反组桥工作在整流状态， N
31、 /2 ，10 Md EU 。直流电机吸收机械能，向电网回馈电能。 综上所述，直流电回馈加载器可以四象限运转，当被试电机需要正向的驱动力 矩起动运行时，直流电回馈加载器从电网吸收电能倒拖被试电机正转，加载器工作 在第一象限；当被试电机需要正向的负载力矩加载时，直流电回馈加载器将被试电 机的机械能转变为电能并逆变回馈到电网处，其工作在第二象限；当被试电机需要 反向的驱动力矩运行时，直流电回馈加载器从电网吸收电能倒拖被试电机反转，加 载器工作在第三象限；当被试电机需要反向的负载力矩加载时，直流电回馈加载器 将被试电机的机械能转变为电能并逆变回馈到电网处，其工作在第四象限。 2.2.2 直流电回馈加
32、载器的控制策略直流电回馈加载器由一台他励直流电机和一台直流电回馈控制器组成，它有两 种工作模式， 即恒转矩 （恒功率） 和恒转速工作模式， 其原理结构图如图 2-5所示 1112 。 图 2-5 直流电回馈加载器原理结构图 在图2-5中，当K 1 拨在恒M端，K 2 断开时，就构成了一个电流闭环系统，直流电 回馈加载器工作在恒转矩模式下。根据式2-2可知，转矩与磁通和电枢电流成正比， 对于他励直流电机来说，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流成正比。于是在转 速变化的情况下，维持直流电机的输出电枢电流不变，即可获得恒定的转矩。当K 1 拨在恒N端，K 2 闭合时，就构成了一个转速电流双闭环系统，
33、直流电回馈加载器工作 在恒转速模式下。主电路由反并联的两组可控整流电路组成。根据系统采用无环流11 控制的要求，主电路中没有设置均衡电抗器，只设置了平波电抗器。其恒转矩运行 模式采用电流闭环控制，控制回路由电流调节环电路组成。其恒转速运行模式则采 用转速电流双闭环控制，控制回路由电流调节环和转速调节环电路组成。系统设置 了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接，即以转速调节器的 输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。电 流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，是外环。为了获得良好的静、动态 性能，转速、电流双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI
34、调节器。无环流逻辑 控制的任务是：在主电路工作时，正组晶闸管VF工作，封锁反组脉冲；反组晶闸管 VR工作时，封锁正组脉冲。通常采用数字逻辑电路，其输出信号U blf 和U blr 以0和1的 数字形式来执行两种封锁和开放的作用，1表示封锁，0表示开放，二者不能同时为0， 以确保两组不会同时开放。通过控制给定信号的大小和极性，达到可逆运行的目的。 运用逻辑无环流控制电路，实现系统的无环流控制 1314 。 晶匝管逆变电路是通过控制逆变角 的大小来控制输出电压的大小的。设逆变 器为三相全控桥式工作方式，则逆变器的理想输出电压为 2 2.34 cos UU = (2 -3 ) 式中，U 2 为三相交
35、流侧相电压； 为逆变角。 设发电机的感应电动势为E，则发电机的负载电流为 2 d 2.34 cos EU EU I RR = (2 -4 ) 式中，R 为直流回路总电阻，包括发电机的电枢电阻 R a 、平波电抗器 R L 和逆变器内 阻 R rec 。从式 2-4 可知，当发电机的感应电动势 E 一定时，改变逆变角 ，就可以改变 发电机的负载电流，同时将发电机发出的直流电回馈到交流电网，达到节省能量的 目的。逆变角 可以从 0 min 90 连续调节，则发电机的负载电流 I d 可以从 0I dmax 连 续变化。从而实现平滑调节。最小逆变角 min 的设置是为了防止逆变失败，通常取 0 mi
36、n 30 =12 2.3 交流变频电回馈加载器的原理及其控制策略 2.3.1 交流变频电回馈加载器的工作原理 交流变频电回馈加载器是利用交流异步电机作为负载电机，通过一台四象限矢 量工程变频装置调节负载并进行能量回馈。它和转矩传感器配接，即组成性能优良 的交流电力测功机。交流变频电回馈加载器应用于电机实验的原理框图如图 2-6 所 示。 图 2-6 交流变频电回馈加载器应用于电机实验原理框图 由电机学可知，根据转差率 s 的符号和大小，异步电机可以分为电动机、发电 机和电磁制动三种运行状态如图 2-7所示 15 。 D N S D N S + . D N S + . T e T e T e T
37、 e T e T e n s n s n s + . n n 电动机 发电机 电磁制动 s1 0n s a) b) c) 图 2-7 异步电机的三种运行状态 异步电机的运行状态还可以用坐标平面中的象限描述如图 2-8 所示。从图 2-7 与 图 2-8 可以看出，异步电机的电磁制动工作方式，实际上是异步电机的第四象限工作 异步电机 被试电机 转矩转速 传感器 变流单元 交流电回馈 加载控制器 AC380V 编码器13 方式，即反转发电机工作方式 16 。 顺时针 电动 顺时针 发电 逆时针 电动 逆时针 发电 T M T M 图 2-8 （、T）平面中运行象限以被试电机也是交流异步电机为例，分
38、析交流电回馈加载系统中的电机运行状 态，如图 2-9所示。 图 2-9 电机运行状态分析 驱动电机定子通入三相交流电，定子磁场产生转速为 n 11 的旋转磁场，电机转子 在电磁转矩 T 的作用下，以转速 n 作逆时针方向旋转。从而拖动扭矩传感器与负载 电机转子轴以转速 n 旋转，方向为逆时针。此时，若调节负载电机旋转磁场同步转 速 n n 。设 f 1 、 f 2 分别为驱动电机与负14 载电机的供电频率，有 n p f n / 60 1 11 = 、 n p f n / 60 2 12 = ，其中 p n 为电机的极对数 1718 。 通过交流电回馈加载控制器可以方便地控制异步电机的工作状态
39、，使异步电机 可以四象限运转。它既可以从电网吸收电能给异步电动机，也可以将交流发电机发 出的电能回馈给电网。交流电回馈加载器的主电路工作原理图如图 2-10 所示。当电 机工作在电动状态的时候，整流控制单元的 DSP 产生 6 路高频的 PWM 脉冲控制整 流侧的 6个 IGBT 的开通和关断， 此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机， 加载器工作在第一、第三象限。当电机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通 过逆变侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回 馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到 电网，达到节能的效果，此时能量由
40、电机通过逆变侧、整流侧流向电网，加载器工 作在二、四象限 19 。 图 2-10 交流电回馈加载器的主电路原理图 综上所述，交流电回馈加载器也可以四象限运转，当被试电机需要正向的驱动 力矩起动运行时，交流电回馈加载器从电网吸收电能倒拖被试电机正转，加载器工 作在第一象限；当被试电机需要正向的负载力矩加载时，交流电回馈加载器将被试 电机的机械能转变为电能并逆变回馈到电网处，其工作在第二象限；当被试电机需 要反向的驱动力矩运行时，交流电回馈加载器从电网吸收电能倒拖被试电机反转， 加载器工作在第三象限；当被试电机需要反向的负载力矩加载时，交流电回馈加载 器将被试电机的机械能转变为电能并逆变回馈到电网
41、处，其工作在第四象限 20 。 2.3.2 交流变频电回馈加载器的控制策略15 异步电机电磁转矩的表达式 2122 ：M2 2 cos TCI = (2 -5 ) 式中气隙磁通 、转子电流 I 2 ，转子功率因数 2 cos 都是转差率 s 的函数，而且都 难以直接控制，异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 所以难以控制。如果能从异步电机的理论出发，找到异步电机和直流电机电磁转矩 之间的共同基础和内在联系，就可以模拟直流电机来控制异步电机了。实际上，交流变频回馈加载控制器是将交流信号通过矢量分析将其分解成类似 直流电机的磁通分量与电流分量进行转矩控制的。矢量控制的做法是
42、将异步电机在 三相坐标系下的定子电流 I a 、I b 、I c ，通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系 下的交流电流 I a1 、I b1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下 的直流电流 I m1 、I t1 （I m1 相当于直流电机的励磁电流；I t1 相当于与转矩成正比的电枢 电流） ，然后模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相应的坐标反 变换，实现对异步电机的控制。其实质是将异步电机等效为直流电机，分别对速度， 磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和 磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制矢量控制的结构原理框
43、图如图 2-11 所示 2324 。 M 三相 逆变器 SVPWM Parke 逆变 器 Parke 变换 Clarke 逆变 器 电流 采样 速度 采样 转子磁链 观测器 PI PI PI 弱磁 A B i A1 i B1 n n ref i 1 i 1 i q1 i d1 v q1ref v d1ref i d1ref i q1ref v 1ref v 1ref v DC PWM7-12 图 2-11 矢量控制的结构原理框图 在上图中，采用的是带速度传感器的基于转子磁场定向的矢量控制理论，控制16 结构上采用速度和电流双闭环控制系统。控制系统根据转子磁链观测器进行转子磁 链的观测，通过检测
44、定子电流，并经过三相坐标系到转子磁场定向的两相同步旋转 坐标系的变换，得到在坐标系上电机定子电流的转矩分量和励磁分量，定子电流的 转矩分量和励磁分量通过各自的控制器输出，并通过两相同步旋转坐标系变换到两 相静止坐标系，再利用电压空间矢量法来控制脉宽并驱动逆变器进行工作。通过矢 量控制，就可以模拟直流电机来控制异步电机了。同理，交流电回馈加载器也有恒 转矩（恒功率）和恒转速工作模式。 2.4 直、交流电回馈加载器的比较 直流电回馈加载器可以非常理想地替代和升级原来的直流负载机组；而交流变 频电回馈加载器可以非常理想的替代和升级原来的交流变频负载机组。电回馈加载 器与机组负载相比，有着以下无可比拟
45、的优点 25 ： （1）电回馈加载无需众多的电机和励磁装置（只要一台电机） ，本身成本大大 降低，而且需要空间很小，从而大大节省了厂房投资。 （2）结构简单，稳定性、可靠性好，使用方便，没有机组那样繁杂的操作程序， 只需一个电位器就解决了加载操作，使用极其方便。它可以在全程转速（甚至在零 转速下）和转矩范围内保持极高的稳定性（0.10.3%） 。 （3）可以零转矩（零转速）软启动，完全避免了机组启动那样对电网的冲击。 （4）可以四象限运转，即既可以作发电机运转，也可以作电动机运转；既可以 正向加载，也可以反向加载。非常适合做电机的四象限机械特性实验。 （5）由于采用发电回馈加载技术，节能效果非
46、常明显。 直流电回馈加载和交流变频电回馈加载之间的比较 2627 ： （1）直流电回馈加载和交流变频电回馈加载都具有很好的加载特性：额定转速 以下恒扭矩，额定转速以上恒功率。尤其重要的是：直流和交流加载，都能够保证 低转速乃至零转速下的稳定恒转矩加载。 （2）直流电回馈加载器由于直流电机结构上存在机械换向器和电刷的问题，使17 用转速较低（一般在 3000rpm/1500rpm 以下） ；而交流变频加载器可以高转速使用 （10000rpm/6000rpm） 。 （3）直流电回馈加载响应较慢（转速 200ms 左右，扭矩 20ms 左右） ；而交流变 频加载响应较快（转速响应 20ms 左右，扭
47、矩 5ms 左右） 。 （4）交流变频电回馈加载比直流电回馈加载能量回馈的比例更高。 （5）交流变频电回馈加载技术要求更高，成本高于直流电回馈加载。 综上所述，根据实验的要求及考虑到价格成本等原因，本课题采用直流电回馈 加载方案，本文也主要研究直流电回馈加载系统。18 3 直流电回馈加载系统的仿真研究 3.1 仿真工具的介绍 进入 20 世纪 80 年代以来，几乎所有电气传动控制系统的高品质控制均离不开 系统仿真研究。通过仿真研究可以对照比较各种策略，优化并确定相关参数，特别 是对于新控制决策与算法的研究，进行系统的仿真更是不可缺少的。一般而言，对 控制系统进行计算机仿真首先建立系统模型，然后
48、根据模型编制仿真程序，充分利 用计算机作为工具对其进行数值求解并将结果加以显示。近年来国外在控制领域中 推出了一些功能强大的仿真软件，如 Matlab 中的 Simulink 仿真工具箱等。这些软件 的出现为系统仿真提供了强有力的支持，极大的推动了仿真工作的发展 28 。 MATLAB 软件是一种用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境，经过 20 年的发展，已经成为了科学计算领域的一种标准；1990 年，Mathworks 公司引入 Simulink，这是建立在 MATLAB 核心数字、图像、编程功能基础之上的仿真和原型 设计工具，用于真实世界动态系统的建模、仿真和分析。两者结合，构成了一种
49、“基 于模型设计（Model-Based Design） ”的系统开发平台。它的意义在于，用虚拟模型 描述系统中相对应的每一部分的物理原型，并在一个软件环境中对于整个系统进行 仿真，以便及时做出设计改进。 Simulink 是系统模型图形输入与仿真工具，它有两个明显的功能：仿真与连接。 即用户只要根据所建立的数学模型和一些具体的模拟要求，从模块库中拖放合适的 模块组合在一起，只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块 内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所 需要的系统模型，进行仿真与分析。 仿真分析是解决电机拖动控制系统复杂性问题的有力手段，为此，本文根据系 统的构成框图，建立了面向电气原理结构图的直流电回馈加载系统的仿真模型，应 用 MATLAB的 Simulink语言进行仿真研究 29 。
