葉鋮彬

【摘 要】此次研究主要是探討分析基于交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)，按照系統(tǒng)運行原理推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)參數(shù)變化對其穩(wěn)定性的影響，希望能夠為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供參考性價值。

【關(guān)鍵詞】交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)；分析研究

一、交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)工作原理分析

交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)涉及到電機學(xué)，機械傳動，計算機技術(shù)以及電力電子技術(shù)等。該系統(tǒng)負載電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，能夠吸收來自變速箱輸出軸所傳遞的能量，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。利用測功電機的運行狀態(tài)能夠使測試傳動機械的負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，確保測功機運行穩(wěn)定性。與此同時，測量傳動機械工作點輸出轉(zhuǎn)矩，傳動效率和輸出功率。

常見的測功方法主要包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測定法和電功率測定法。其中電動率測定法主要是對電力測功機系統(tǒng)的電流電壓進行檢測，這樣能夠?qū)敵鲭姽β蔬M行檢測。然而因為電機效率容易受到外界轉(zhuǎn)速，負荷以及溫度的影響，因此需要應(yīng)用曲線矯正方法對電機的輸入功率進行測定，這樣會使該實驗方法趨于復(fù)雜性，影響測量結(jié)果的準確性，因此應(yīng)用局限性比較大。另一種方式就是對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行測量。其中轉(zhuǎn)速測量的難度比較小，能夠?qū)Πl(fā)電機，電磁傳感器以及光電編碼器等運行速度進行測量，這樣能夠確保精度提升。但是轉(zhuǎn)矩測量的難度就比較大，在測量轉(zhuǎn)矩時主要是應(yīng)用轉(zhuǎn)矩傳感器等設(shè)備實現(xiàn)。但是轉(zhuǎn)矩傳感器的應(yīng)用成本比較高，對于安裝精度的要求也比較高，并且在結(jié)構(gòu)上也比較復(fù)雜，因此無法推廣應(yīng)用。另一種轉(zhuǎn)矩測量方法主要是按照電機電磁轉(zhuǎn)矩平衡性原理，對電機定子外殼子實行平衡懸浮處理，在對其反響轉(zhuǎn)矩進行測量就能夠獲取電機的電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)值。

二、交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)運動方程數(shù)學(xué)模型建立

由于電力測功機系統(tǒng)是由電機調(diào)速系統(tǒng)所構(gòu)成，盡管兩個調(diào)速系統(tǒng)存在不同的控制目標，然而本質(zhì)上都是利用輸入電機控制方式的電流解耦對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行控制，原理無明顯差別，只是系統(tǒng)中所輸入信號和反饋信號是實際電機轉(zhuǎn)速和電機給定轉(zhuǎn)速，還有就是實際輸出電磁轉(zhuǎn)矩和電機給定電磁轉(zhuǎn)矩。

在實際使用期間兩和異步電機調(diào)速系統(tǒng)連接于傳遞機構(gòu)的兩端，此時測功系統(tǒng)的任務(wù)在于對傳遞結(jié)構(gòu)的性能和效率進行測量。在建立數(shù)學(xué)模型時，忽略被測傳動機構(gòu)機械慣性影響系統(tǒng)運行的部分，重點研究直接利用剛性軸所連接的電機簡化的被測機械的測功系統(tǒng)。在實行簡化處理之后，被測機構(gòu)就被當(dāng)作控制系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)，按照傳動機構(gòu)自身傳動比不同，則比例系數(shù)的取值也不同。因此在表示機械負載的數(shù)學(xué)模型時可以通過以下公式進行：

在以上公式中， 、a、b、c都表示常數(shù)，J表示模擬負載的轉(zhuǎn)動慣量，用戶只需要設(shè)定常數(shù)與J參數(shù)，測功機系統(tǒng)會對負載電機進行控制，從而對所設(shè)定的 進行跟蹤，這樣用戶就能夠?qū)ι鲜鰠?shù)進行改變，并且對被測電機在不同負載下的工作性能進行測試。

此次研究所仿真的電力測功系統(tǒng)的負載電機能夠給予恒轉(zhuǎn)矩負載，因此在上述公式中b和c的數(shù)值都為0，J參數(shù)的數(shù)值需要按照模擬負載的實際情況所確定，也可以將其設(shè)定為0，也可以作為旋轉(zhuǎn)負載的轉(zhuǎn)動慣量。

在通過上訴研究分析能夠看出，推導(dǎo)交流異步電力測功機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時發(fā)現(xiàn)交流異步電力測功機系統(tǒng)屬于全功能測功系統(tǒng)，該電機調(diào)速系統(tǒng)共有兩套，其中一套運行于發(fā)電狀態(tài)，另一套為電動狀態(tài)。其中電動狀態(tài)為電機恒轉(zhuǎn)速工作，發(fā)電狀態(tài)為電機恒轉(zhuǎn)矩工作。通過建立數(shù)學(xué)模型能夠?qū)ο到y(tǒng)工作原理進行研究，以數(shù)學(xué)方式分析系統(tǒng)中的各組成單元。特別是對異步電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行深入詳細地分析。分析傳遞系統(tǒng)間的動能關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上尋找出系統(tǒng)運動方程，通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型能夠為系統(tǒng)仿真和穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù)。

三、交流異步電力測功系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

在建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之后，在仿真研究之前需要對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行控制，對于應(yīng)用控制系來講，系統(tǒng)穩(wěn)定性屬于先決條件。截至目前，大多數(shù)學(xué)者都沒有注重研究電力測功機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是從本質(zhì)上看，在不考慮外部影響因素情況下，測功系統(tǒng)的參數(shù)變化也會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，因此掌握穩(wěn)定運行影響規(guī)律對后期設(shè)計和應(yīng)用具有重要作用。但是交流變頻異步電力測功機的控制系統(tǒng)復(fù)雜性比較高，屬于強耦合且變量系統(tǒng)，無法直接建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然而針對多種輸入輸出系統(tǒng)來說則可以通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且利用小信號分析法求解現(xiàn)象方程，這樣能夠獲取系統(tǒng)特征值，之后按照相關(guān)判斷法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對于穩(wěn)定性判斷理論依據(jù)來說，在實際應(yīng)用控制系統(tǒng)時首先需要確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此需要深入研究控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。對于單入單出線性系統(tǒng)來說存在較多穩(wěn)定盤踞，包括勞斯-古爾維判據(jù)等都具有重要應(yīng)用價值，以上判斷方法需要求解出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然而對于多輸入輸出線性系統(tǒng)來說，則不能夠直接應(yīng)用上述穩(wěn)定性判斷依據(jù)。在系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中最具有代表性的人物就是李雅普諾夫，其確立了系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般方法。由于此次研究所討論的交流異步電力測功系統(tǒng)屬于多輸入輸出的高階系統(tǒng)，因此其所求解獲得的傳遞函數(shù)比較多，屬于多維矩陣，若使用傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性將會增加復(fù)雜程度，此時應(yīng)用李雅普諾夫法對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析的難度比較小。

四、結(jié)束語

綜上所述，在關(guān)于交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)研究當(dāng)中，大多數(shù)學(xué)者都致力于研究以系統(tǒng)為基礎(chǔ)的運動數(shù)學(xué)方程，簡化了系統(tǒng)眾多環(huán)節(jié)。重點研究控制測功電機轉(zhuǎn)矩上，并且對不同負載情況進行模擬，未建立專業(yè)的通用型交流變頻異步電力測功機系統(tǒng)的研究模型。

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