韓 冬，王連明

（東北師范大學(xué)應(yīng)用電子技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130024）

0 引言

目前，電機(jī)的加載裝置從工作原理上主要分為機(jī)械加載器、磁粉加載器、電磁渦流加載器.但都相應(yīng)存在一些缺點(diǎn).

（1）機(jī)械加載器 常有高溫現(xiàn)象，對(duì)電機(jī)損害較大，損耗較大.并且動(dòng)態(tài)加載時(shí)，實(shí)時(shí)性較差［1－3］.

（2）磁粉加載器 適用于低轉(zhuǎn)速測(cè)試環(huán)境，在異步電動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)段不能提供穩(wěn)定的測(cè)試，而且容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不均或卡死等問(wèn)題［4－6］.

（3）電磁渦流加載器 存在調(diào)整比較困難，故障率較高，制動(dòng)軸承經(jīng)常無(wú)規(guī)律損壞，散熱設(shè)備投資高等問(wèn)題［7－8］.

由于電動(dòng)機(jī)加載設(shè)備存在種類(lèi)少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗大、可移植性較差和適用范圍窄等缺點(diǎn).本文將介紹一種新的電動(dòng)機(jī)加載方法，把交流同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接，通過(guò)控制交流同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)其進(jìn)行加載.

1 同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩原理

本文采用的是隱極性同步發(fā)電機(jī)，其對(duì)稱的三相定子繞組分別是：A—X，B—Y和C—Z.圖1即為單相同步發(fā)電機(jī)模型.

由于磁路中鐵芯部分的磁阻非常小，忽略鐵磁部分的磁阻Rm1，只考慮氣隙部分的磁阻Rm2，那么氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為［9－10］

設(shè)氣隙中任意一點(diǎn)P與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面跟參考平面MM′的夾角為α，轉(zhuǎn)子以角速度ω沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，這樣任意t時(shí)刻，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度基波分量即主磁場(chǎng)表示式

式中B0m為基波分量的峰值，且

式中E0m為主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，其表達(dá)式為

式中：L為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度；v為定子線圈的相對(duì)線速度；NC為定子每相繞組的匝數(shù).

當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極數(shù)為p時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f表達(dá)式變?yōu)?/p>

圖1 三相隱極交流同步發(fā)電機(jī)模型

且v＝ωr，r為轉(zhuǎn)子半徑，磁極所對(duì)應(yīng)的氣隙面積A＝πrL.由（3）式可以將主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值表達(dá)式寫(xiě)成

每相電樞電路的電壓平衡方程為

其中相電流為

式中θ為功率角.

由于同步電抗和電樞電阻較小，因此忽略同步電抗Xt與電樞電阻R，則相電壓U等于主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0，即

交流同步發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載，則三相輸出的總有功功率表達(dá)式

交流同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機(jī)在輸出有功功率時(shí)，電樞反施于轉(zhuǎn)子的阻轉(zhuǎn)矩，用TM表示.電磁轉(zhuǎn)矩TM等于電磁功率（即總有功功率P）與同步角速度ω之比［10］，即

由（6）式、（9—10）式及ω ＝2πf可得：

則電磁轉(zhuǎn)矩TM表達(dá)式

系數(shù)K1與勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)、匝數(shù)、氣隙面積、氣息長(zhǎng)度、空氣磁導(dǎo)率及定子繞組匝數(shù)有關(guān)，即K1為與發(fā)電機(jī)構(gòu)造相關(guān)的常數(shù).系數(shù)K2與發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于非過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)K2為常數(shù).

綜合以上分析可知，通過(guò)控制同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，就可以改變同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩.要使發(fā)電機(jī)正常工作需要有足夠大的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩克服發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，本文設(shè)計(jì)將交流同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子1∶1同軸連接，同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩便由電動(dòng)機(jī)提供，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)加載的目的.

2 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)

同步發(fā)電機(jī)的輸入功率P1由電動(dòng)機(jī)提供，同步發(fā)電機(jī)輸入功率中減去空載損耗P0和電樞銅損耗pCu，便得到發(fā)電機(jī)輸出電功率P2，

式中P2，pCu可由以下公式得出：

本系統(tǒng)采用的是三相異步電動(dòng)機(jī)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

式中：TLoad為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；PLoad為電動(dòng)機(jī)輸出有功功率；nm為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.

由（14—16）式可知，通過(guò)測(cè)得電動(dòng)機(jī)的輸出有功功率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能算出電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLoad.如果設(shè)定的同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM和得出的電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLoad相等便能夠證明此加載方法有效.

3 加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因三相交流同步發(fā)電機(jī)與單相交流同步發(fā)電機(jī)之間只存在相數(shù)的區(qū)別，所以選用單相交流同步發(fā)電機(jī)，并選用其負(fù)載為純阻性負(fù)載，能減少功率角對(duì)同步發(fā)電機(jī)輸出功率的影響.加載系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，上位機(jī)設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，經(jīng)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)，下位機(jī)控制可控直流電壓源的輸出電壓，改變同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，進(jìn)而改變同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩.同時(shí)下位機(jī)將測(cè)得的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)經(jīng)串行口實(shí)時(shí)發(fā)送回上位機(jī)，并與設(shè)定的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行顯示比對(duì).系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能如下：

（1）可控直流電壓源為交流同步發(fā)電機(jī)提供可控的勵(lì)磁電流，它由可控變壓器和交直流轉(zhuǎn)換電路組成.可控變壓器由自耦變壓器和與之同軸相連的直流電動(dòng)機(jī)組成.通過(guò)輸入控制量控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以改變自耦變壓器次級(jí)線圈輸出點(diǎn)的位置，改變變壓器的輸出電壓.變壓器的輸出再經(jīng)過(guò)全波整流和濾波，最終實(shí)現(xiàn)可控直流電壓的輸出.

（2）功率檢測(cè)模塊檢測(cè)交流同步發(fā)電機(jī)的輸出有功功率.模塊由電能計(jì)量單元和電流電壓互感器組成.電流電壓互感器將大電流和大電壓分別轉(zhuǎn)換為弱電流和弱電壓，用于電能計(jì)量單元的信號(hào)采集，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電氣的隔離，以提高系統(tǒng)的安全性［11－15］.電能計(jì)量單元主要用于完成有功功率的測(cè)量，本系統(tǒng)采用美國(guó)模擬器件AD公司所生產(chǎn)的電能專(zhuān)用測(cè)量芯片ADE7758.該芯片能有效完成三相電系統(tǒng)中各相電參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)SPI接口與MCU完成實(shí)時(shí)通信.

（3）轉(zhuǎn)速測(cè)量采用了基于紅外傳感器元件的脈沖發(fā)生器，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單.測(cè)速算法為M／T法，由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，保證了高速和低速運(yùn)行時(shí)的測(cè)速精度.系統(tǒng)下位機(jī)采用了ATmega128單片機(jī)，上位機(jī)主要通過(guò)C＋＋來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定和負(fù)載轉(zhuǎn)矩檢測(cè)界面.系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要完成上位機(jī)系統(tǒng)初始化功能、配置下位機(jī)參數(shù)功能、接收下位機(jī)數(shù)據(jù)功能、波形繪制功能以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能.功能實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示.

系統(tǒng)下位機(jī)部分主要由定時(shí)器模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、ADE7758有功功率測(cè)量模塊、串行口通信模塊和控制模塊構(gòu)成.下位機(jī)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制原理如圖4所示.

下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)指令產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩，然后，通過(guò)可控直流電壓源輸出電壓值改變同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩.同步發(fā)電機(jī)輸出功率通過(guò)ADE7758檢測(cè)，并由（14—16）式計(jì)算出實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，并與設(shè)定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，從而構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PID控制算法，保證輸出轉(zhuǎn)矩快速、準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)矩.

圖3 上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)流程

圖4 下位機(jī)的控制原理

4 加載實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)所使用發(fā)電機(jī)額定功率為5kW的4極單相交流同步發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定功率為5.5kW，額定電流為11.6A，額定功率因數(shù)為0.84的4極三相交流異步電動(dòng)機(jī).搭建實(shí)際的基于交流同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)加載平臺(tái)，如圖5所示.

為驗(yàn)證加載效果，擬用兩種方式對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載：一種是對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載；另外一種是對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載.其中變轉(zhuǎn)矩加載分別按正弦變化和鋸齒波變化進(jìn)行加載.

4.1 恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載實(shí)驗(yàn)

保持同步發(fā)電機(jī)的純阻性負(fù)載不變，上位機(jī)設(shè)定恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，經(jīng)圖4控制流程對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載，同時(shí)把檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)描繪加載轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值的波形圖，如圖6所示.其中虛線是設(shè)定的加載轉(zhuǎn)矩，實(shí)線是測(cè)得的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩.

圖5 加載裝置實(shí)物圖

圖6 恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)FLUKE 43B型電能質(zhì)量分析儀測(cè)量電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率，并利用（16）式得到實(shí)際的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值（見(jiàn)表1）.

由表1可見(jiàn)：控制交流同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可以保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變；實(shí)際電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值與設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值基本相等，此情況下的加載精度為5.5%.

表1 恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果 N·m

4.2 變負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載實(shí)驗(yàn)

4.2.1 負(fù)載正弦變化加載實(shí)驗(yàn)

保持同步發(fā)電機(jī)的純阻性負(fù)載不變，上位機(jī)設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩按正弦規(guī)律變化，經(jīng)圖4控制流程對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載，同時(shí)把檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)描繪加載轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值的波形見(jiàn)圖7，其中虛線是設(shè)定的加載轉(zhuǎn)矩，實(shí)線是測(cè)得的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩.實(shí)際得到的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值經(jīng)Matlab描繪結(jié)果，如圖8所示.

圖7 正弦加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 正弦變化負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)FLUKE電能表輸出結(jié)果

4.2.2 負(fù)載鋸齒波變化加載實(shí)驗(yàn)

如正弦加載操作一樣，設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩按照鋸齒波規(guī)律改變，其結(jié)果如圖9所示.實(shí)際得到的電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值經(jīng)Matlab描繪結(jié)果如圖10所示.

圖9 鋸齒波加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 鋸齒波變化負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)FLUKE電能表輸出結(jié)果

由圖10可見(jiàn)：控制交流同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可以使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化；實(shí)際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)和設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)相同，此情況下的加載精度為8%.

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)控制交流同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可以改變交流同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)加載的目的.此項(xiàng)加載設(shè)計(jì)可方便地用于模擬實(shí)際工況時(shí)的各種實(shí)際負(fù)載的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)模擬加載.在本文設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變連接器的機(jī)械結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種電動(dòng)機(jī)的加載測(cè)試.因此，本文加載方法是一種具有可移植性好、占用空間小、造低價(jià)、控制靈活、穩(wěn)固耐用等特點(diǎn)的新型加載方法.

［1］MORAR A.Considerations concerning the loading of small power electric motors［J］.Acta Electrotehnica，2003，44（2）：112－116.

［2］NASH J N.Direct torque control.Inductionmotor vector control without an encoder［J］.IEEE Transactions Ind.，1997，33（2）：333－341.

［3］JIN T D，COIT D W.Variance of system reliability estimates with arbitrarily repeated components［J］.IEEE Transactions on Reliability，2001，50（4）：409－412.

［4］MIKHAEIL－BOULES N.Design analysis of electromagnetic particle clutch［C］.IEEE Proceedings of the 29th IAS Annual Meeting.Warren：General Motors，1994：357－360.

［5］王力，錢(qián)林方，高強(qiáng)，等.磁粉制動(dòng)器的建模與辨識(shí)研究［J］.電氣自動(dòng)化，2010，35（5）：55－58.

［6］任國(guó)海，陳琢，杜鵬英，等.磁粉制動(dòng)器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的測(cè)量［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006，10（3）：275－277.

［7］NOVAK P，EKELUND T，JOVIK I，et al.Modeling and control of variable－speed wind－turbine drive－system dynamics［J］.IEEE Control Systems Magazine，1995，15（4）：28－38.

［8］QIAN M，KACHROO P.Modeling and control of electromagnetic brakes for enhanced braking capabilities for automated highway systems［J］.IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems，1997：391－396.

［9］CHAPMAN S J.Electric machinery fundamentals［M］.USA：McGraw－Hill，Inc，2004：166－226.

［10］郭木森.電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2001：373－413.

［11］HU YUAN HANG，YU AN NING，WANG LIAN MING.A novel loading method for electric motors using AC synchronous generators［C］／／Proceeding of the 2012International Conference on Computer Science and Electronic Engineering，San Francisco：IAENG，2012：406－410.

［12］CHEN KEXING，WANG GANG.Development and research of torque transducers［J］.Aviation Metrology ＆ Measurement Technology，2003，23（6）：5－6.

［13］JANG SEOK－MYEONG，LEE SUNG－HO，JEONG SANG－SUB.Characteristic analysis of eddy－current brake system using the linear halbach array［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（5）：2994－2996.

［14］GYUGYI L.Unified power－flow control concept for flexible AC transmission systems ［J］.IEEE Proceedings Part C，Generation，Transmission，and Distribution，1992，139（4）：323－331.

［15］BUSO S，MALESANI L，MATTACELLI P.Comparison of current control techniques for active filter applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45（5）：722－729.