呂剛，張慧，王娜，侯勇

（1.天津出入境檢驗檢疫局，天津 300308；2.天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222）

新型能量回饋式異步電機測試系統(tǒng)研究

呂剛1，張慧1，王娜1，侯勇2

（1.天津出入境檢驗檢疫局，天津 300308；2.天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222）

提出了一種新型的能量回饋式異步電機性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用繞線式異步電動機作為陪測電機，與被測電機對拖的方式，對被測電機消耗的能量進行回饋利用，提高了測試系統(tǒng)的運行效率，達到很好的節(jié)能效果。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和控制策略，并通過仿真對系統(tǒng)方案的可行性和節(jié)能效果進行了驗證。

電機性能測試；繞線式異步電機；對拖；能量回饋

異步電機作為一種重要的電氣設備，被廣泛地應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活的各種領(lǐng)域。統(tǒng)計表明，我國異步電動機的用電量占電力系統(tǒng)總負荷的60%以上，因此，提高異步電機的性能具有非常重要的意義。異步電機的性能測試技術(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種類型的異步電機試驗系統(tǒng)：第1種是耗能型，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是被測異步電動機聯(lián)軸帶動1臺直流發(fā)電機運行，直流發(fā)電機帶可調(diào)電阻性負載，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的負載電流來改變異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，即用直流發(fā)電機-電阻負載組合來模擬異步電機的機械負載，異步電機的輸出能量最終消耗在電阻負載上，這種方式勢必造成電能的浪費；第2種是饋能型，其主要結(jié)構(gòu)是被測異步電機同軸帶動直流發(fā)電機，直流發(fā)電機給1臺直流電動機供電，進而帶動同軸的三相交流同步發(fā)電機，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)機組多，控制復雜，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性能測試系統(tǒng)，采用繞線式雙饋異步電機作為陪測電機，與被測電機組成同軸對拖測試系統(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

饋能型異步電機性能測試系統(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、被測電機M1、陪測電機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)。陪測電機采用繞線式異步電動機，與被測電機通過聯(lián)軸器同軸連接，2臺電機極對數(shù)相同，并由同一電源供電，因此2臺電機具有相同的同步轉(zhuǎn)速和運行轉(zhuǎn)速。供電控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)均包括1臺逆變器及其控制器，分別用來提供2臺電機的定子電壓和陪測電機的轉(zhuǎn)子電壓。2個控制系統(tǒng)均通過CAN總線與主控系統(tǒng)進行通訊，主控系統(tǒng)對2個控制系統(tǒng)分別控制，進而實現(xiàn)整個電機測試過程的自動化和智能化。主控系統(tǒng)有相應的控制程序，分別控制供電電壓和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，同時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況。

系統(tǒng)的工作原理是：當被測電機工作于電動機狀態(tài)時，輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動陪測電機旋轉(zhuǎn)，該狀態(tài)下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，為了使被測電機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)施加于陪測電機轉(zhuǎn)子的電壓，使陪測電機工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)能量回饋。該方式下系統(tǒng)的功率配置為：被測電機從供電系統(tǒng)吸收電能，陪測電機發(fā)出電能給供電系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的效率。同時，亞同步發(fā)電狀態(tài)時陪測電機的轉(zhuǎn)差功率為正，即陪測電機轉(zhuǎn)子從轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)吸收一定的電能。反之，對被測電機進行發(fā)電狀態(tài)性能測試時，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，此時被測電機工作于發(fā)電狀態(tài)，陪測電機工作于超同步電動狀態(tài)，系統(tǒng)的功率流向為陪測電機從供電控制系統(tǒng)吸收電能，而被測電機發(fā)出電能回饋給陪測電機，陪測電機的轉(zhuǎn)差功率仍為正，仍需從轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)吸收電能。可見，無論何種運行狀態(tài)，系統(tǒng)消耗的總功率等于電動機從供電控制系統(tǒng)吸收的功率減去發(fā)電機發(fā)出的功率再加上陪測電機轉(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性能測試平臺的控制思路比較清晰。首先供電控制系統(tǒng)僅負責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)的運行原理，2臺電機采用相同的電源供電并同軸運行，被測電機的轉(zhuǎn)矩是隨系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化的，因此僅需對陪測的繞線式雙饋電機進行轉(zhuǎn)速控制，即可改變被測電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機性能的測試。

本文采用了雙饋異步電機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坐標系統(tǒng)下的電機狀態(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)矩方程和運動方程為

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分別為電機互感、轉(zhuǎn)子電感和定子電感；np為極對數(shù)；ω1為同步角速度；ωs為轉(zhuǎn)差頻率；ωm為電機轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動慣量；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負載轉(zhuǎn)矩；p為微分算子。

經(jīng)推導可得：

其中，ims為廣義勵磁電流?？梢姡舯３侄ㄗ哟沛満愣?，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。

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

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Matlab對本文提出的能量回饋式異步電機性能測試系統(tǒng)及其控制策略進行了仿真驗證。仿真參數(shù)設置為三相鼠籠式異步電機M1，三相繞線式異步電機M2，2臺電機的參數(shù)均為2對極，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。被測電機工作于電動狀態(tài)，陪測電機工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速初始轉(zhuǎn)速設置為1 460 r/min，1.7 s時調(diào)整為1 380 r/min，仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

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

圖4 電動狀態(tài)測試的轉(zhuǎn)矩Fig.4 Torques in motor region

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

圖6 電動狀態(tài)測試的功率Fig.6 Powers in motor region

仿真2。被測電機工作于發(fā)電狀態(tài)，陪測電機工作于超同步電動狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速初始轉(zhuǎn)速設置為1 540 r/min，1.7 s時調(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)測試的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速Fig.7 System speed in generator region

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

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

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

仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)測試時，僅需調(diào)節(jié)給定的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，即可對被測電機進行性能測試，在低于同步轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)速，即可改變被測電機的電動機狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩，反之則可改變被測電機的發(fā)電機狀態(tài)的輸入轉(zhuǎn)矩，對電機性能進行相關(guān)的測試。

表1為所仿真的4種運行工況下系統(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分別為被測電機、陪測電機、公共供電電源和陪測電機轉(zhuǎn)子的電功率，功率為正表示電動功率，功率值為負表示發(fā)電功率，可見電源供電功率為2臺電機的功率絕對值之差，表明發(fā)電機的功率回饋給電動機使用。根據(jù)雙饋電機串級調(diào)速理論，無論陪測電機M2工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)還是超同步電動狀態(tài)，均是由電源向轉(zhuǎn)子輸入電功率，因此系統(tǒng)運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)簡單、易于控制、節(jié)能效果好的能量回饋型異步電機性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用具有雙饋功能的繞線式異步電動機作為陪測電機，利用同一電源供電達到被測電機與陪測電機的對拖運行。對陪測電機采用定子磁鏈定向矢量控制方法，僅通過對陪測電機的轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)被測電機的電動和發(fā)電狀態(tài)性能測試。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略的有效性。

［1］Collins E R，Huang Y.A Programmable Dynamometer for Testing Rotating Machinery Using a Three-phase Induction Machine［J］.Energy Conversion，IEEE Trans.on，1994，9（3）：521-527.

［2］Steurer M，Li H，Woodruff S，et al.Development of a Unified Design，Test，and Research Platform for Wind Energy Systems Based on Hardware-in-the-loop Real Time Simulation［C］// Power Electronics Specialists Conference，PESC.IEEE 35th Annual，2004，5：3604-3608

［3］刁利軍，劉志剛，沈茂盛，等.交流傳動試驗系統(tǒng)方案綜述［J］.電氣傳動，2007，37（9）：3-7.

［4］鄭瓊林，林飛.現(xiàn)代軌道交通與交流傳動互饋試驗臺［J］.電工技術(shù)學報，2005，20（1）：21-25.

［5］劉昭，高迪駒.異步電動機的交流傳動試驗平臺［J］.上海海事大學學報，2010，31（2）：40-44.

［6］鄭艷文，苑國鋒，柴建云，等.大容量對拖式雙饋電機試驗系統(tǒng)［J］.清華大學學報（自然科學版），2010，50（1）：27-30.

［7］胥良，宋立偉.節(jié)能型能量回饋式電動車用電機對拖試驗系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學報，2007，22（8）：162-165.

［8］沈杰，鄭灼，葉云岳.一種能量自回饋的交流電機測試系統(tǒng)［J］.機電工程，2011，28（7）：881-886.

［9］高景德，王祥珩，李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［10］李亞林，李含善，任永峰，等.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究［J］.電力科學與工程，2007，23（3）：1-5.

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)檢公益項目（201310067）；國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2014IK193）

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