文/王德國 郭煜 焦寶林，中車永濟(jì)電機(jī)有限公司

1 引言

電機(jī)或者變速裝置的傳統(tǒng)測試方法較多的是采用電磁渦流測功機(jī)和磁粉剎車作為模擬負(fù)載。整個(gè)加載系統(tǒng)由增速傳動(dòng)箱、扭矩傳感器、電磁渦流測功機(jī)、離合器、磁粉剎車以及聯(lián)軸器等組成,也有采用水力測功機(jī)或者發(fā)電機(jī)組的?？偟膩碚f,這些測試方法的測量范圍和精度都已經(jīng)很難滿足目前電機(jī)和變速機(jī)構(gòu)的要求,而且能源浪費(fèi)嚴(yán)重。近年來隨著變流器的日益普及和轉(zhuǎn)矩控制算法的成熟,可以采用變流器帶動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)作為模擬負(fù)載來取代上述傳統(tǒng)的測試方案。

2 系統(tǒng)組成與控制方案

2.1 系統(tǒng)組成與工作原理

圖1為采用變流器帶動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)作為模擬負(fù)載的電力測試平臺(tái)組成框圖。該電動(dòng)測試平臺(tái)的最大特點(diǎn)是可以減少能量消耗。圖2簡單地說明了節(jié)約電能的原理。電動(dòng)測試平臺(tái)中交流電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下工作產(chǎn)生的電能可以回饋從而減少能源消耗?；仞伔绞接袃煞N方案,分別是采用AFE交流側(cè)回饋方案和直流母線回饋方案。

圖1 電力測試平臺(tái)組成框圖

圖2 節(jié)能原理

2.2 采用AFE交流側(cè)回饋方案

隨著近年來半導(dǎo)體器件的發(fā)展,一種新型的帶有主動(dòng)回饋功能的整流單元已經(jīng)在市場上嶄露頭角。這種產(chǎn)品的代表就是西門子公司的帶有自換向脈沖整流/回饋單元AFE。

從結(jié)構(gòu)上看,由于采用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率元件,所以它相當(dāng)于一個(gè)逆變器,不同的是其輸入為交流而輸出為直流。因?yàn)樗挥陔娫催M(jìn)線側(cè),所以被稱為“前端”。其主動(dòng)的含義在于,與傳統(tǒng)的二級(jí)管或可控硅整流技術(shù)相比,“主動(dòng)前端”不再是被動(dòng)地將交流轉(zhuǎn)變成直流,而是具備了很多主動(dòng)的控制功能。它不僅能消除高次諧波,提高功率因數(shù),而且不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響無換相失敗,具有卓越的動(dòng)態(tài)特性和電流管理功能。普通的變流器采用二極管整流,是不可控整流,不可避免地要產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng);而AFE是IGBT整流,是完全受控的整流,帶有輸入電源檢測板,可以實(shí)時(shí)檢測輸入的電壓和電流相位并通過CUSA控制板控制整流部分IGBT的觸發(fā)角,從而達(dá)到矯正波形和補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)的作用。AFE本身產(chǎn)生的諧波非常小,比普通變流器的整流單元(不論6脈沖或者12脈沖)產(chǎn)生的諧波要小一個(gè)數(shù)量級(jí),所以不會(huì)對電網(wǎng)造成不良影響,對其他用電設(shè)備的影響更是遠(yuǎn)小于普通變流器。AFE整流單元的工作原理可簡述為:AFE整流單元從電網(wǎng)汲取正弦波交流電,經(jīng)整流后輸出直流電壓,并保持所要求的電壓值,且各次諧波由濾波電路刪除。AFE整流/回饋單元的應(yīng)用范圍很廣,它包括:傳輸鏈系統(tǒng)、起重設(shè)備、直橫剪紙機(jī)、太陽能光電應(yīng)用技術(shù)、制糖離心機(jī)、榨糖機(jī)、機(jī)車測試床、風(fēng)力發(fā)電等。即使在電網(wǎng)極不穩(wěn)定的情況下,電壓控制器仍能維持恒定的直流環(huán)節(jié)電壓。

電氣部分采用AFE變流器帶動(dòng)一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)來模擬負(fù)載。變流器采用直接轉(zhuǎn)矩控制,可以根據(jù)設(shè)定值輸出轉(zhuǎn)矩而不受速度限制。轉(zhuǎn)矩的測量采用扭矩法蘭,轉(zhuǎn)矩的控制通過PLC里的PID功能塊完成。模擬負(fù)載的電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候,發(fā)出的直流電首先回饋到直流母線上。AFE變流器本身帶有VSB電壓檢測板用來檢測進(jìn)線電網(wǎng)的電壓、相位、功率因數(shù)等參數(shù)。AFE的CUSA控制板可以根據(jù)檢測到的電網(wǎng)參數(shù)通過控制IGBT的占空比和頻率,把直流電逆變成和電網(wǎng)本身完全同相位同頻率交流電回饋電網(wǎng)。由于測試臺(tái)、被測試電機(jī)和裝置是完全獨(dú)立的,這個(gè)方案適用于任何測試場合。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于背靠背變流器的電機(jī)測試平臺(tái)。在確保實(shí)現(xiàn)電機(jī)測試的基本功能這一前提下，通過背靠背變流器可以把被測電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而重新給被測電機(jī)供電。通過實(shí)驗(yàn)證明，在降低供電電源容量的情況下，該測試平臺(tái)仍然可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)測試的相關(guān)功能，并且被測電機(jī)的功率越大，電源提供的功率占電機(jī)輸出功率的比值就越小。實(shí)驗(yàn)表明，在一般情況下，采用這種基于背靠背變流器的電機(jī)測試平臺(tái)所需的電源容量只有傳統(tǒng)測試平臺(tái)電源容量的一半，無論從用電量的使用，還是從電源的成本來考慮，都將極大地減少支出，對降低成本具有積極意義。