王 成，李 正，金建中

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電動(dòng)工具研究所，上海 201604)

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能量回饋式節(jié)能型異步電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

王 成1，李 正1，金建中2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電動(dòng)工具研究所，上海 201604)

本試驗(yàn)方案是為解決異步電動(dòng)機(jī)在對(duì)拖時(shí)，由于陪伺電機(jī)的加載而產(chǎn)生反噬能量所設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)速控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式兩種試驗(yàn)方法。在對(duì)拖電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩種控制模式下的加載試驗(yàn)，通過基于Visual Basic的電機(jī)測試系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行分析。由試驗(yàn)結(jié)果可得轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速兩種控制模式加載下，主電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率可分別達(dá)到85%和89%，表明該設(shè)計(jì)方案相比以往解決方案具有更高的效率和實(shí)用性。

電機(jī)對(duì)拖；能量回饋；轉(zhuǎn)速控制模式；轉(zhuǎn)矩控制模式

電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于電機(jī)的性能測試，不僅能判斷出電機(jī)性能的優(yōu)劣更能測試出未知電機(jī)的參數(shù)，尤其應(yīng)用于測功機(jī)的制造方面。但陪伺電機(jī)加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生反噬電流， 小功率電機(jī)對(duì)拖時(shí)一般將產(chǎn)生的電能以制動(dòng)電阻箱消耗掉，但大功率電機(jī)對(duì)拖時(shí)反噬能量較大，一般采用有源逆變器回饋至電網(wǎng)或采用雙變頻器共直流母線供主電機(jī)直接消耗去消除反噬能量[1-2]，前者因系統(tǒng)復(fù)雜且可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，后者雖結(jié)構(gòu)簡單，但因采用了雙臺(tái)變頻器且均需要為四象限變頻器導(dǎo)致制造成本較高。鑒于上述情況，本文設(shè)計(jì)出了基于單臺(tái)普通變頻器和單臺(tái)逆變單元能量回饋電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案，并分別通過轉(zhuǎn)速控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)方案優(yōu)良，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求[3-5]。

1 電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，變頻器采用英威騰GD35系列，英威騰GD35系列為閉環(huán)矢量變頻器，采用完全同步無速度傳感器矢量控制，運(yùn)用DSP控制系統(tǒng)并采用模塊化設(shè)計(jì)，可較好的承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)；逆變單元采用的是英威騰BU-045-4逆變器，完成經(jīng)變頻器整流產(chǎn)生的直流回饋電能的逆變，并供加載電機(jī)繼續(xù)使用；扭矩傳感器最大量程為100 N·m，用于測量M2的輸出扭矩、功率、轉(zhuǎn)速；智能顯示儀顯示傳感器所測量的數(shù)據(jù)；電參數(shù)用于檢測M2的輸入電壓、電流，分別采用的是上海松寶科技發(fā)展有限公司的SC-2G、APA-3；異步電機(jī)M1、M2均為ABB制造，M1為加載電機(jī)，額定功率15 kW，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速975 n，額定電壓380 V；額定電流30.3 A；M2為主動(dòng)電機(jī)，額定功率4 kW，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速2 860 n，額定電壓380 V，額定電流7.99 A[6-8]。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電機(jī)模型

2 電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)加載原理

2.1 轉(zhuǎn)速控制加載原理

試驗(yàn)采用變頻調(diào)速控制，啟動(dòng)M2穩(wěn)定后，以同步轉(zhuǎn)速、同向啟動(dòng)M1，使M1、M2保持同步對(duì)拖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，緩慢調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制M1轉(zhuǎn)速以達(dá)到加載的效果。M1同步頻率設(shè)定、異步電機(jī)轉(zhuǎn)速方程分別為

(1)

(2)

式中，f1為M1輸入頻率率即變頻器輸出頻率；f2為M2額定頻率；n1為M1額定轉(zhuǎn)速；n2為M2額定轉(zhuǎn)速；f為電動(dòng)機(jī)定子頻率；p為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

2.2 轉(zhuǎn)矩控制加載原理

如圖2所示,異步電機(jī)等效模型d、q坐標(biāo)是與電機(jī)氣隙磁場的坐標(biāo)系，其d軸的方向是電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁磁鏈方向，q軸超前d軸90°，θ為d軸軸線與電機(jī)a相繞組軸線夾角，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵(lì)磁磁鏈。

由A、B、C坐標(biāo)系的三相電流到d、q、0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換為

(3)

除了電機(jī)定子電流與勵(lì)磁磁場之間產(chǎn)生出的電磁轉(zhuǎn)矩，利用磁阻轉(zhuǎn)矩可增加電機(jī)輸出力矩或拓展電機(jī)的調(diào)速范圍。其在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的磁鏈、電壓方程為

(4)

(5)

電磁轉(zhuǎn)矩、力矩平衡方程為

Te=Pnψsis=Pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(6)

(7)

其中，Ld、Lq為電機(jī)直軸、交軸電感；Rs為電機(jī)定子電阻；Pn為電機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；id、iq為直軸與交軸電流；T1為電機(jī)的負(fù)載阻力力矩；J為電機(jī)軸聯(lián)動(dòng)慣量；RΩ為電機(jī)阻尼系數(shù)[9-13]。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制試驗(yàn)過程

連通設(shè)備，首先進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制模式加載試驗(yàn)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制模式加載試驗(yàn)。通過M1和M2的參數(shù)計(jì)算可得，M1對(duì)于M2的同步頻率為150 Hz，根據(jù)說明書設(shè)置好變頻器相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)過程中通過外接電位計(jì)緩慢調(diào)節(jié)變頻器的輸出參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)加載的控制。

轉(zhuǎn)速控制模式下試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)式(1)和式(2)可知，M1、M2同步對(duì)拖后，隨著變頻器輸出頻率的不斷降低，加載電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速會(huì)下降，將會(huì)行成對(duì)主電機(jī)M2的加載，且M1的轉(zhuǎn)速越低，則對(duì)M2的加載越大。變頻器輸出頻率從150 Hz開始，以0.2 Hz為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到主電機(jī)M2輸出功率達(dá)到額定功率為止。

轉(zhuǎn)矩控制模式下加載試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)式(3)～式(6)可知，通過對(duì)陪飼電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的控制可改變M1、M2的對(duì)拖轉(zhuǎn)矩，本試驗(yàn)中通過增加轉(zhuǎn)據(jù)電流可達(dá)到加載的效果，且增加量為額定電流相對(duì)百分比量，變頻器輸出轉(zhuǎn)矩電流從0%開始增加，以-0.5%為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中負(fù)號(hào)表示方向，直到主電機(jī)M2輸出功率達(dá)到額定功率為止[11]。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

分別在轉(zhuǎn)速控制模式與轉(zhuǎn)矩控制模式下進(jìn)行加載試驗(yàn)，并利用基于Visual Basic開發(fā)的的電機(jī)測試系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合處理后以轉(zhuǎn)矩T為橫坐標(biāo)，生成函數(shù)圖像，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制模式下所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如圖3和式(4)所示[14-15]。其中，n為轉(zhuǎn)速，I為M2的輸入電流，P1為M2的輸入功率，P2為M2的輸出轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率，U為M2輸入電壓，EFF為主電機(jī)M2效率。

圖3 轉(zhuǎn)速控制模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 轉(zhuǎn)矩控制模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3可知，隨著加載的增加，轉(zhuǎn)速n不斷下降；M2的輸入電流I隨著負(fù)載的增加而不斷上升，電流主要由于轉(zhuǎn)矩電流上升引起，勵(lì)磁電流部分變化較小，且斜率不斷增大；輸入功率P1，不斷增加至4 550 W；M2的輸出功率不斷增加至3 950 W；主電機(jī)M2工作效率EEF，隨著加載的增加銷量上升至峰值89%，因系統(tǒng)具備能量回饋的功效，使其工作得到了大幅提升，繼續(xù)加載其效率便成下降趨勢；M1、M2之間轉(zhuǎn)矩T從0 上升到13.0 N·m，此時(shí)M2的輸出功率接近額定功率，停止繼續(xù)加載，變頻器的輸出頻率為143 Hz。

由圖4可知，隨著加載的增加，轉(zhuǎn)速n不斷下降，其由于轉(zhuǎn)矩電流的上升產(chǎn)生反向扭矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降；M2的輸入電流I隨著M2負(fù)載的增加而不斷上升，電流主要由于負(fù)載的上升導(dǎo)致M2轉(zhuǎn)矩電流上升引起，勵(lì)磁電流部分變化較小，且斜率不斷增大；M2的輸入功率P1，4 800 W，增加由于轉(zhuǎn)矩電流的上升引起；M2的輸出功率，不斷增加至4 050 W；主電機(jī)M2工作效率EEF，隨著加載的增加銷量上升至峰值85%，因?yàn)橄到y(tǒng)具備能量回饋的功效，使其工作得到了極大的提升，繼續(xù)加載其效率便成下降趨勢；M1和M2之間轉(zhuǎn)矩T從0 上升到13.9 N·m，此時(shí)M2的輸出功率接近額定功率，停止繼續(xù)加載，變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩電流為-20%。

兩次試驗(yàn)，分別加載至變頻器輸出頻率為143 Hz、輸出轉(zhuǎn)矩電流為-20%時(shí)，停止加載，使系統(tǒng)穩(wěn)定在該狀態(tài)持續(xù)工作一段時(shí)間。觀察可得，電機(jī)M1和M2溫升不明顯，整個(gè)過程中逆變器面板母線電流示數(shù)不斷跳動(dòng)，說明母線有直流電流不斷回饋，且隨著加載的增大電流呈上升的趨勢，說明加載時(shí)M1所產(chǎn)生的反噬能量有效回饋給變頻器繼續(xù)供給系統(tǒng)使用。

4 總結(jié)分析

通過兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭^程中對(duì)逆變器回饋電流的示數(shù)變化的觀察以及所測出的數(shù)據(jù)的分析，充分證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性，高效解決了大功率電機(jī)對(duì)拖時(shí)加載電機(jī)產(chǎn)生反噬能量問題。另外，本設(shè)計(jì)方案可以直接應(yīng)用于大功率測功機(jī)的制造，該產(chǎn)品目前市場上較欠缺，尤其是國產(chǎn)品牌的大功率電機(jī)測試產(chǎn)品幾乎處于空白狀態(tài)，可參考應(yīng)用該研究設(shè)計(jì)方案[16]。

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Energy-saving Feedback Type Asynchronous Motor to Drag Test Scheme Design

WANG Cheng1，LI Zheng1，JIN Jianzhong2

(1.School of optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China 2. Shanghai Electric Tool Institute,Shanghai 201604, China)

This test is aimed at solving asynchronous motor to drag itself energy design with surrounding the motor load. This design adopts the model of the speed control and torque control mode of two kinds of test method. In of tow motor synchronous rotation, for speed, torque, two kinds of control mode of the load test, through the motor test system based on Visual Basic collect the test data and generate the data for analysis. By the test results can be two kinds of torque and rotational speed control mode under the load, the mechanical energy of main motor efficiency can reach 85%, 89%, this show that the proposed design scheme is compared with the previous solution with higher efficiency and practicability.

motor to drag；energy feedback；speed control mode；torque control mode

2016- 01- 18

滬江基金資助項(xiàng)目(B1402/D1402)

王成(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電機(jī)測試,嵌入式開發(fā)。李正(1976-)，男，博士，講師。研究方向：電機(jī)拖動(dòng),電氣工程及其自動(dòng)化。金建中(1960-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：電機(jī)測試。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.014

TM343

A

1007-7820(2016)11-044-04