潘再平， 蘆思晨， 劉峙飛

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

基于PWM整流器的電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)

潘再平1， 蘆思晨1， 劉峙飛2

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

針對傳統(tǒng)電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)能耗高，使用不便的問題，提出一種新型電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)解決方案。結(jié)合電機(jī)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與PWM整流器控制算法，利用三相PWM整流器作為電機(jī)控制器的電子負(fù)載，代替真實(shí)電機(jī)。建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新系統(tǒng)能夠滿足電機(jī)控制器老化測試的要求，工作正常。與傳統(tǒng)老化測試系統(tǒng)相比，無電機(jī)運(yùn)行損耗，節(jié)能30%左右。

PWM整流器;電機(jī)控制器;老化測試;空間矢量脈寬調(diào)制;諧波

0 引言

電機(jī)控制器在出廠之前需要經(jīng)過老化測試，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，推斷產(chǎn)品壽命。傳統(tǒng)電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)是采用兩臺電機(jī)對拖的方式完成的。該系統(tǒng)將兩個電機(jī)控制器的直流母線并聯(lián)，其中一臺電機(jī)為電動機(jī)運(yùn)行，另一臺為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)整流后重新回饋給直流母線，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。這種方法的系統(tǒng)損耗包括電機(jī)運(yùn)行損耗，器件開關(guān)損耗及電路損耗，運(yùn)行損耗較大。

對此，文獻(xiàn)［1］介紹了一種利用能量回饋型電子負(fù)載代替電機(jī)進(jìn)行老化測試，同時將電能回饋給電網(wǎng)的方法。這種方法雖然能夠做到電能的回饋，但其采用兩個三相PWM整流器背靠背連接的方式，電路復(fù)雜，控制繁瑣，開關(guān)損耗較大，而且沒有闡明無中性點(diǎn)電路采用SVPWM調(diào)制方式所遇到的問題及其解決辦法。

為了解決以上問題，本文提出了一種基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)。這種新型系統(tǒng)利用三相PWM整流器去模擬一個真實(shí)的電機(jī)，作為電機(jī)控制器的電子負(fù)載，從電機(jī)控制器吸收交流電能，并將其整流成直流后回饋到直流母線上，從節(jié)約大量電能。本文利用SIMULINK對其進(jìn)行仿真，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行能耗對比實(shí)驗(yàn)，同時還闡述了無中性點(diǎn)電路采用SVPWM調(diào)制方式所遇到的問題及其解決辦法。

1 工作原理分析

基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)主電路如圖1所示，整個老化測試系統(tǒng)可以分為電源部分，電機(jī)控制器部分和PWM整流器部分。其中電機(jī)控制器部分采用SVPWM調(diào)制方式，輸出電機(jī)額定電壓并保持不變;PWM整流器部分采用電流閉環(huán)控制，通過動態(tài)調(diào)節(jié)PWM整流器的輸出電壓，控制電流穩(wěn)定在給定值，從而滿足老化測試對電流的要求;電源部分用于補(bǔ)充系統(tǒng)損耗，維持直流母線電壓保持不變。

圖1 基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)Fig.1 The new burn-in test system based on the PWM rectifier

系統(tǒng)采用SVPWM調(diào)制方式，這種調(diào)制方式的本質(zhì)是在正弦調(diào)制波中疊加三次諧波等零序分量，降低調(diào)制波幅值，提升直流電壓利用率［2－3］。對于有中性點(diǎn)的電路，零序分量無法流通，因此采用SVPWM方式提升電壓利用率的同時不會使電流畸變;但對于沒有中性點(diǎn)的電路，零序分量可以流通，若采用SVPWM則會造成電流中含有零序分量，發(fā)生畸變。因此，需要利用三相Y/Y聯(lián)結(jié)組隔離變壓器來制造中性點(diǎn)，濾除零序電流分量。

2 數(shù)學(xué)模型

由于電源部分能夠?qū)崟r補(bǔ)充系統(tǒng)損耗，可將直流母線電壓視為常數(shù)。定義開關(guān)函數(shù)［4］為

其中k為變量。Sa1，Sb1，Sc1是電機(jī)控制器三相橋臂開關(guān)函數(shù)，Sa2，Sb2，Sc2是PWM整流器信號三相橋臂開關(guān)函數(shù)。變壓器變比為1，設(shè)其原、副邊相電壓為ua、ub、uc，原邊流入電流為 ia、ib、ic，方向如圖 1。變壓器原邊中性點(diǎn)為N1，副邊中性點(diǎn)為N2，電壓參考點(diǎn)O位置如圖1。變壓器原、副中性點(diǎn)與電壓參考點(diǎn)O的電壓為UN1O、UN2O，直流母線電壓為Udc，對于原邊，得到

式中，L、R為線路電感、電阻。

對于副邊，可得

將式(4)代入式(2)、式(3)，可得到老化測試系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

由式(5)可知，三相電流存在耦合，每相電流變化都與六個開關(guān)信號有關(guān)，難以對電流進(jìn)行有效控制。因此，必須對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化。分析變壓器原邊電壓可知，電機(jī)控制器輸出電壓為電機(jī)額定電壓并保持不變，變壓器原、副邊電壓ua、ub、uc雖然為方波，但其等效正弦電壓幅值保持不變。系統(tǒng)主要通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出電壓來控制電流，因此，可以將電機(jī)控制器及變壓器視為一個整體，作為三相PWM整流器的電源。將變壓器副邊輸出電壓ua、ub、uc看作是三相PWM整流器的輸入電源，則整個系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型相同［5］，即

采用恒功率變換，得到dq坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型為

其中:ud、uq為變壓器副邊輸出d、q軸電壓;UdcSd、UdcSq為輸入整流器d、q軸電壓;ω為電角速度。

3 控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)簡化數(shù)學(xué)模型與三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型相同，其控制策略也可以相互借鑒，PWM整流器控制策略有電網(wǎng)電壓定向矢量控制［6］，虛擬磁鏈定向矢量控制［7］，功率控制［8－9］，電流預(yù)測控制［10］等。但仔細(xì)分析可知，二者有以下幾點(diǎn)不同:

1)三相PWM整流器的電源電壓是正弦波，而老化測試系統(tǒng)中變壓器副邊輸出的電壓近似為等效方波，難以進(jìn)行鎖相，因此無法通過鎖相得到電壓相角，進(jìn)行坐標(biāo)變換。但電機(jī)控制器輸出電壓矢量的相角是由控制器內(nèi)部產(chǎn)生，其相角與變壓器副邊輸出電壓矢量相角相同，因此，可以將電機(jī)控制器內(nèi)部相角輸出給PWM整流器控制系統(tǒng)，用于坐標(biāo)變換。

2)PWM整流器直流側(cè)有負(fù)載及濾波電容，直流電壓需閉環(huán)控制;在老化測試系統(tǒng)中，直流電壓可視為恒定值。因此在控制系統(tǒng)中可以取消電壓環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。

分析式(7)可知，系統(tǒng)dq軸電流存在耦合。為了提升電流控制性能，對電流進(jìn)行解耦控制［11］。d、q軸電流PI調(diào)節(jié)器輸出為

將式(9)代入式(7)并忽略電阻R得到

輸入整流器電壓d、q軸分量可由下式得到，即

即實(shí)現(xiàn)了解耦控制。

綜上所述，老化測試系統(tǒng)基本控制思路是:電機(jī)控制器采用SVPWM調(diào)制方式輸出電機(jī)額定電壓并保持不變;對系統(tǒng)電流進(jìn)行采樣，并變換到dq坐標(biāo)，通過對dq軸電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)及解耦控制，得到電壓矢量dq軸分量ud、uq，再采用SVPWM方式輸出。其控制框圖如圖2所示。

圖2 基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)控制框圖Fig.2 The control block diagram of the new system

4 仿真分析

為了驗(yàn)證老化測試系統(tǒng)主電路及控制方案的可行性。利用Matlab進(jìn)行軟件仿真，仿真參數(shù)如下:直流母線電壓 310 V，線路電阻 0.1 Ω，線路電感0.07 H，開關(guān)頻率 10 kHz，死區(qū)時間 3 μs，給定電流id=0，iq=3 A，電機(jī)控制器給定電壓:ud=0，uq=100 V。

圖3與圖4分別為有無變壓器時的三相電流波形。

圖3 三相電流波形(有變壓器)Fig.3 Three-phase current with a transformer

圖4 三相電流波形(無變壓器)Fig.4 Three-phase current without a transformer

由圖可見，無變壓器時電流波形發(fā)生畸變;而有變壓器時電流波形正弦度很好。有無變壓器時A相電流各次諧波對比分析如表1。有變壓器時電路存在中性點(diǎn)，零序分量得到抑制，電流諧波含量僅為0.67%，無變壓器時電路中零序分量可以流通，電流三次諧波分量達(dá)到了17.5%。這充分說明了在無中性點(diǎn)電路中采用SVPWM調(diào)制方式會產(chǎn)生零序分量的事實(shí)，同時也證明了采用Y/Y聯(lián)接組隔離變壓器抑制電流零序分量的方法是可行的。

表1 電流各次諧波對比分析Table 1 FFT analysis of the current

由以上仿真結(jié)果可以得到結(jié)論:本文所述新型電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)及其控制方案式可行的。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)完全相同。圖5、圖6為不同電流給定值時電機(jī)控制器輸出交流電流波形。由實(shí)驗(yàn)波形可知，系統(tǒng)電流能夠比較好的跟蹤給定值，正弦度較好，幅值、周期準(zhǔn)確，基本滿足電機(jī)控制器老化測試的要求。

圖5 iq=1A電流波形Fig.5 current waveform iq=1A

圖6 iq=2A電流波形Fig.6 current waveform iq=2A

圖7、圖8為老化電流幅值均為2 A時，電機(jī)對拖方式老化測試系統(tǒng)由電網(wǎng)輸入充電電流及新型老化測試系統(tǒng)由電網(wǎng)輸入充電電流。兩系統(tǒng)直流母線電壓相同，因此其充電電流的大小即代表了系統(tǒng)損耗的大小。比較圖7與圖8可知，電機(jī)對拖方式系統(tǒng)輸入電流正向峰值2.8 A，反向峰值1.8 A左右;而新型老化測試系統(tǒng)輸入電流正向、反向均為1.5 A左右，明顯小于電機(jī)對拖系統(tǒng)。這說明新型老化測試系統(tǒng)功率更小，能耗更低。為了更準(zhǔn)確的比較兩系統(tǒng)能耗情況，可以根據(jù)充電電流波形，計(jì)算其積分值，得到單位時間內(nèi)輸入電荷量，再乘以直流電壓，得到估算功率。

圖7 傳統(tǒng)電機(jī)對拖方式系統(tǒng)輸入電流波形Fig.7 supply current of the conventional system

圖8 新型老化測試系統(tǒng)輸入電流波形Fig.8 supply current of the new system

將圖7、圖8所示充電電流視為三角脈沖，持續(xù)時間由波形讀出，約為2 ms。脈沖周期20 ms，直流母線電壓310 V，由此可計(jì)算得到兩系統(tǒng)的消耗功率分別為:電機(jī)對拖系統(tǒng)71.3 W，基于PWM整流器的新型老化測試系統(tǒng)46.5 W，節(jié)能34.8%。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所述老化測試系統(tǒng)及其控制方案能夠有效的控制電流，滿足電機(jī)控制器老化測試的需求，同時實(shí)現(xiàn)電能的回饋利用，與傳統(tǒng)電機(jī)對拖方式相比，節(jié)能效果更好，更加方便，有比較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

6 結(jié)語

針對采用電機(jī)對拖方式的傳統(tǒng)電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)電機(jī)起動不便，運(yùn)行損耗大等缺點(diǎn)，提出了一種基于PWM整流器的新型電機(jī)控制器老化測試系統(tǒng)，并闡述了無中性點(diǎn)電路采用SVPWM調(diào)制時遇到的問題及其解決辦法。系統(tǒng)采用PWM整流器代替電機(jī)，作為電機(jī)控制器的電子負(fù)載，能有效控制電流，同時大幅降低系統(tǒng)能耗，提升效率。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所述系統(tǒng)能夠滿足電機(jī)控制器老化測試的需求，與傳統(tǒng)老化測試方式相比，更加方便，節(jié)能約30%，驗(yàn)證了其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

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(編輯:張?jiān)婇w)

Burn-in test system of motor controller based on PWM rectifier

PAN Zai-ping1， LU Si-chen1， LIU Zhi-fei2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Wolong Electric Group，Hangzhou Research Institute，Hangzhou 310051，China)

A conventional burn-in test system consumes much energy and it is inconvenient to conduct a burn-in test.In order to solve these problems，a new burn-in test system of motor controller based on the PWM rectifier was presented.Combining the structure of the motor controller and the control algorithm of the PWM rectifier，a three-phase PWM rectifier was used as the load of the motor controller instead of the electrical machine.Mathematical model was built.Simulation and experiment have been done.The results demonstrate that the new system works well and meets the requirements of the burn-in test.Compared with the conventional system，it contains no operating loss of motors and saves 30%energy.

pulse width modulation rectifier;motor controller;burn-in test;space vector pulse width modulation;harmonic

TM 461

A

1007－449X(2013)11－0008－05

2012－12－21

潘再平(1957—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制，風(fēng)力發(fā)電技術(shù);

蘆思晨(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)镻WM整流器及其控制技術(shù);

劉峙飛(1976—)，男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍妥詣涌刂萍夹g(shù)。

潘再平