呂剛，張慧，王娜，侯勇

（1.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津 300308；2.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

新型能量回饋式異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)研究

呂剛1，張慧1，王娜1，侯勇2

（1.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津 300308；2.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

提出了一種新型的能量回饋式異步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)作為陪測(cè)電機(jī)，與被測(cè)電機(jī)對(duì)拖的方式，對(duì)被測(cè)電機(jī)消耗的能量進(jìn)行回饋利用，提高了測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行效率，達(dá)到很好的節(jié)能效果。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和控制策略，并通過仿真對(duì)系統(tǒng)方案的可行性和節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

電機(jī)性能測(cè)試；繞線式異步電機(jī)；對(duì)拖；能量回饋

異步電機(jī)作為一種重要的電氣設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活的各種領(lǐng)域。統(tǒng)計(jì)表明，我國異步電動(dòng)機(jī)的用電量占電力系統(tǒng)總負(fù)荷的60%以上，因此，提高異步電機(jī)的性能具有非常重要的意義。異步電機(jī)的性能測(cè)試技術(shù)多年來一直得到國內(nèi)外的廣泛重視和不斷深入的研究［1-8］。目前，大體上有2種類型的異步電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)：第1種是耗能型，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是被測(cè)異步電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸帶動(dòng)1臺(tái)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，直流發(fā)電機(jī)帶可調(diào)電阻性負(fù)載，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流來改變異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，即用直流發(fā)電機(jī)-電阻負(fù)載組合來模擬異步電機(jī)的機(jī)械負(fù)載，異步電機(jī)的輸出能量最終消耗在電阻負(fù)載上，這種方式勢(shì)必造成電能的浪費(fèi)；第2種是饋能型，其主要結(jié)構(gòu)是被測(cè)異步電機(jī)同軸帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)給1臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)供電，進(jìn)而帶動(dòng)同軸的三相交流同步發(fā)電機(jī)，將發(fā)出的交流電能回饋給供電電源。這種方法盡管能提高系統(tǒng)效率，但系統(tǒng)機(jī)組多，控制復(fù)雜，且容易引起系統(tǒng)超調(diào)和振蕩［2］。

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的饋能型的異步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，采用繞線式雙饋異步電機(jī)作為陪測(cè)電機(jī)，與被測(cè)電機(jī)組成同軸對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)成本低、效率高、易于控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

饋能型異步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

該系統(tǒng)主要包括整流器、被測(cè)電機(jī)M1、陪測(cè)電機(jī)M2、聯(lián)軸器、主控系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。陪測(cè)電機(jī)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，與被測(cè)電機(jī)通過聯(lián)軸器同軸連接，2臺(tái)電機(jī)極對(duì)數(shù)相同，并由同一電源供電，因此2臺(tái)電機(jī)具有相同的同步轉(zhuǎn)速和運(yùn)行轉(zhuǎn)速。供電控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)均包括1臺(tái)逆變器及其控制器，分別用來提供2臺(tái)電機(jī)的定子電壓和陪測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓。2個(gè)控制系統(tǒng)均通過CAN總線與主控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，主控系統(tǒng)對(duì)2個(gè)控制系統(tǒng)分別控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)測(cè)試過程的自動(dòng)化和智能化。主控系統(tǒng)有相應(yīng)的控制程序，分別控制供電電壓和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)被測(cè)電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)陪測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，該狀態(tài)下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，為了使被測(cè)電機(jī)的輸出能量能夠回饋利用，通過控制轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)施加于陪測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓，使陪測(cè)電機(jī)工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量回饋。該方式下系統(tǒng)的功率配置為：被測(cè)電機(jī)從供電系統(tǒng)吸收電能，陪測(cè)電機(jī)發(fā)出電能給供電系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的效率。同時(shí)，亞同步發(fā)電狀態(tài)時(shí)陪測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率為正，即陪測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子從轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)吸收一定的電能。反之，對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電狀態(tài)性能測(cè)試時(shí)，通過轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)被測(cè)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，陪測(cè)電機(jī)工作于超同步電動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)的功率流向?yàn)榕銣y(cè)電機(jī)從供電控制系統(tǒng)吸收電能，而被測(cè)電機(jī)發(fā)出電能回饋給陪測(cè)電機(jī)，陪測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率仍為正，仍需從轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)吸收電能?？梢?，無論何種運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)消耗的總功率等于電動(dòng)機(jī)從供電控制系統(tǒng)吸收的功率減去發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率再加上陪測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子消耗的轉(zhuǎn)差功率，與傳統(tǒng)的耗能型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果［9］。

2 系統(tǒng)的控制策略

本文提出的異步電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)的控制思路比較清晰。首先供電控制系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)提供給定頻率和大小的供電電壓，采用開環(huán)控制和SVPWM技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的性能主要取決于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制策略。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，2臺(tái)電機(jī)采用相同的電源供電并同軸運(yùn)行，被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化的，因此僅需對(duì)陪測(cè)的繞線式雙饋電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，即可改變被測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的測(cè)試。

本文采用了雙饋異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制策略［6，9-10］，控制原理是：采用以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系統(tǒng)下的電機(jī)狀態(tài)模型，選擇d軸與定子磁鏈Ψs方向重合，有：

定、轉(zhuǎn)子的電壓方程為

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程為

式中：usd,usq,urd,urq為定、轉(zhuǎn)子電壓dq分量；isd,isq,ird,irq為定、轉(zhuǎn)子電流dq分量；Ψsd,Ψsq, Ψrd,Ψrq為定、轉(zhuǎn)子磁鏈dq分量；Rs,Rr為定、轉(zhuǎn)子各相繞組電阻；Lm,Lr,Ls分別為電機(jī)互感、轉(zhuǎn)子電感和定子電感；np為極對(duì)數(shù)；ω1為同步角速度；ωs為轉(zhuǎn)差頻率；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；p為微分算子。

經(jīng)推導(dǎo)可得：

其中，ims為廣義勵(lì)磁電流?？梢?，若保持定子磁鏈恒定，則Te與irq成正比，Qs與ird呈線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)子電流dq分量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和無功功率的解耦控制。

式中：urdc,urqc為dq軸交叉耦合項(xiàng)。

控制中可采用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ€(wěn)態(tài)誤差，提高控制的相應(yīng)速度。

綜上分析，可采用由轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)控制組成的雙饋電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制策略，控制框圖如圖2所示。

圖2 雙饋電機(jī)矢量控制框圖Fig.2 Vector control block diagram of double fed induction motor

3 仿真分析

利用仿真工具M(jìn)atlab對(duì)本文提出的能量回饋式異步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)置為三相鼠籠式異步電機(jī)M1，三相繞線式異步電機(jī)M2，2臺(tái)電機(jī)的參數(shù)均為2對(duì)極，2.94 kW，220 V（線電壓）和50 Hz。仿真中供電電壓為額定頻率的額定電壓。

仿真1。被測(cè)電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，陪測(cè)電機(jī)工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速初始轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 460 r/min，1.7 s時(shí)調(diào)整為1 380 r/min，仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 電動(dòng)狀態(tài)測(cè)試的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速Fig.3 System speed in motor region

圖4 電動(dòng)狀態(tài)測(cè)試的轉(zhuǎn)矩Fig.4 Torques in motor region

圖5 電動(dòng)狀態(tài)測(cè)試的M2轉(zhuǎn)子電流Fig.5 Rotor currents of M2in motor region

圖6 電動(dòng)狀態(tài)測(cè)試的功率Fig.6 Powers in motor region

仿真2。被測(cè)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，陪測(cè)電機(jī)工作于超同步電動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速初始轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 540 r/min，1.7 s時(shí)調(diào)整為1 600 r/min，仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 發(fā)電狀態(tài)測(cè)試的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速Fig.7 System speed in generator region

圖8 發(fā)電狀態(tài)測(cè)試的轉(zhuǎn)矩Fig.8 Torques in generaor region

圖9 發(fā)電狀態(tài)測(cè)試的M2轉(zhuǎn)子電流Fig.9 Rotor currents of M2in generator region

圖10 發(fā)電狀態(tài)測(cè)試的功率Fig.10 Powers in generator region

仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，僅需調(diào)節(jié)給定的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，即可對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，在低于同步轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)速，即可改變被測(cè)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩，反之則可改變被測(cè)電機(jī)的發(fā)電機(jī)狀態(tài)的輸入轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。

表1為所仿真的4種運(yùn)行工況下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和各部分功率的數(shù)值，其中n為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，Te為軸上轉(zhuǎn)矩，PM1,PM2,Ps,Pr分別為被測(cè)電機(jī)、陪測(cè)電機(jī)、公共供電電源和陪測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電功率，功率為正表示電動(dòng)功率，功率值為負(fù)表示發(fā)電功率，可見電源供電功率為2臺(tái)電機(jī)的功率絕對(duì)值之差，表明發(fā)電機(jī)的功率回饋給電動(dòng)機(jī)使用。根據(jù)雙饋電機(jī)串級(jí)調(diào)速理論，無論陪測(cè)電機(jī)M2工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)還是超同步電動(dòng)狀態(tài)，均是由電源向轉(zhuǎn)子輸入電功率，因此系統(tǒng)運(yùn)行消耗的總功率等于定子電源供電功率Ps與M2轉(zhuǎn)子消耗功率之和。

表1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與功率Tab.1 The System speeds，torques and powers

表1中數(shù)據(jù)充分表明了本文所研究系統(tǒng)的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、節(jié)能效果好的能量回饋型異步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用具有雙饋功能的繞線式異步電動(dòng)機(jī)作為陪測(cè)電機(jī)，利用同一電源供電達(dá)到被測(cè)電機(jī)與陪測(cè)電機(jī)的對(duì)拖運(yùn)行。對(duì)陪測(cè)電機(jī)采用定子磁鏈定向矢量控制方法，僅通過對(duì)陪測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)性能測(cè)試。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略的有效性。

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Study on Novel Energy Feedback Type Asynchronous Motor Testing System

Lü Gang1，ZHANG Hui1，WANG Na1，HOU Yong2
（1.Tianjin Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau，Tianjin 300308，China；2.College of Electronic Information&Automation，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300222，China）

A novel energy feedback type of asynchronous motor performance test system structure was proposed.The wound-rotor asynchronous motor was adopted as accompanying motor，which operated in back to back drive style with the tested motor.The consumed energy of the tested motor was utilized mostly by energy feedback operation of the accompanying motor，thus the system efficiency was greatly improved and the good saving energy effect was achieved.The system structure，principle and control strategy were introduced and the good sowing energy effect was achieved.The feasibility and energy saving effect of the system scheme are verified by simulation.

motor performance test；wound-rotor asynchronous motor；back to back drive style；energy feedback

TM343

A

10.19457/j.1001-2095.20161015

2015-09-12

修改稿日期：2016-06-14

國家質(zhì)檢公益項(xiàng)目（201310067）；國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014IK193）

呂剛（1976-），男，碩士，高級(jí)工程師，Email：lvg@tjciq.gov.cn