國(guó)芳 夏帥 王瑞冬雪

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省徐州市 221116 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 江蘇省徐州市 221008）

1 引言

電機(jī)生產(chǎn)制造、電力傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)測(cè)試等場(chǎng)合需要電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試電機(jī)參數(shù)、檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。磁粉制動(dòng)器、磁滯制動(dòng)器、電渦流制動(dòng)器等能量消耗型電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，其負(fù)載控制簡(jiǎn)單，但受內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，且無法實(shí)現(xiàn)全速度段的電機(jī)測(cè)試[1]，僅適用于小型家電、電動(dòng)工具等場(chǎng)合的測(cè)試需要。被測(cè)電機(jī)通過聯(lián)軸器和負(fù)載電機(jī)連接的同軸對(duì)拖方式，憑借動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、可靠性高、能量可回饋等優(yōu)勢(shì)[2]，是高性能電機(jī)測(cè)試平臺(tái)常采用的形式。

為了有效節(jié)省能源，文獻(xiàn)[2]通過能量回饋單元將負(fù)載電機(jī)的能量回饋到電網(wǎng)，提高了測(cè)試平臺(tái)的效率。通過控制負(fù)載電機(jī)變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的四象限運(yùn)行，滿足各種運(yùn)行工況的測(cè)試。此外，通過改變負(fù)載電機(jī)控制模型，模擬風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試。文獻(xiàn)[3,4]提出一種能量互饋型對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的電力電子變換器直流側(cè)，連接到同一組直流濾波電容器上，通過直流濾波電容實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，有效減小系統(tǒng)輸入功率，提高系統(tǒng)效率。共用直流濾波電容的互饋型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要采用更大容值的直流濾波電容，不便于利用現(xiàn)有的通用變頻器。

本文給出一種基于通用變頻器的同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。通過分析同軸對(duì)拖電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，提出一種同軸對(duì)拖交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立的方法，有效保證動(dòng)態(tài)過程轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的一致性。仿真分析和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型建立、測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

2 同軸對(duì)拖電機(jī)數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[2]則把兩個(gè)電機(jī)仿真模型的輸出轉(zhuǎn)矩直接取反，作為另一個(gè)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[5]根據(jù)被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)關(guān)系，單獨(dú)設(shè)定兩個(gè)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。上述兩種同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型建立方法，并沒有真正的把兩個(gè)電機(jī)連接在一起，沒有模擬出對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同軸相連的特征，無法保證被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速一致性，與實(shí)際系統(tǒng)存在差別。

文獻(xiàn)[4]通過建立聯(lián)軸器的仿真模型，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的同軸相連；文獻(xiàn)[6]則利用MATLAB/Simulink自帶的聯(lián)軸器(Mechanical Shaft)，通過調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反。這種通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)同軸相連的對(duì)拖電機(jī)仿真模型，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制保證轉(zhuǎn)速的一致性，控制效果受調(diào)節(jié)器參數(shù)影響。在負(fù)載突變等動(dòng)態(tài)過程中，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

為了解決基于聯(lián)軸器模型動(dòng)態(tài)過程中的轉(zhuǎn)速偏差問題，本文基于異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型建立了同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型。異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，兩相靜止坐標(biāo)下的異步電機(jī)電壓和電流之間的關(guān)系如式（1）所示。

兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程和簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)方程如式（2）所示，MATLAB仿真模型如圖4所示。

圖4：恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速仿真波形

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)式（3）所示同軸對(duì)拖電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系式，得到同軸對(duì)拖交流電機(jī)的MATLAB仿真模型如圖1所示。

圖1：同軸對(duì)拖異步電機(jī)仿真模型

由于是將同軸對(duì)拖兩個(gè)電機(jī)的關(guān)系直接代入異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而可以保證同軸對(duì)拖電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終相等，有效解決基于聯(lián)軸器的對(duì)拖電機(jī)仿真模型動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)速不一致的問題。

3 同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)仿真分析

同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)中，為了測(cè)試被測(cè)電機(jī)或被測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，被測(cè)電機(jī)常工作于轉(zhuǎn)速控制模式，而負(fù)載電機(jī)則工作于轉(zhuǎn)矩控制模式。同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)仿真模型如圖2所示，被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制理論。表1列出了異步電機(jī)的參數(shù)。

確診為CAP的患者入院后24 h內(nèi)進(jìn)行身體檢查，并評(píng)估CAP嚴(yán)重度。根據(jù)肺炎嚴(yán)重度指數(shù)（PSI）分為 PSI≥130 分組（91 例）及 PSI＜130 分組（25 例）；根據(jù) CURB評(píng)分[9]分為CURB≥3分組（160例）和CURB＜3分組（156例）。

圖2：同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)仿真模型

表1：被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)參數(shù)

測(cè)試轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)變化過程中的轉(zhuǎn)速變化情況，仿真波形如圖3所示。

圖3：恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩仿真波形

仿真波形表明：

（1）負(fù)載電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制模式下，可按照設(shè)定的轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律將負(fù)載轉(zhuǎn)矩施加到被測(cè)電機(jī)上；且動(dòng)態(tài)過程中，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全相同。

（2）被測(cè)電機(jī)在轉(zhuǎn)速控制模式下，可以有效抵抗負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速；

（3）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為負(fù)給定時(shí)，被測(cè)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，同軸對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)電動(dòng)、發(fā)電工況下的測(cè)試。

測(cè)試轉(zhuǎn)速變化過程中轉(zhuǎn)矩變化和被測(cè)電機(jī)運(yùn)行情況，仿真波形如圖4所示。

（1）整個(gè)過程中，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終相同；

負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速變化過程中始終可以維持在設(shè)定值；

（2）被測(cè)電機(jī)取得較好的轉(zhuǎn)矩控制特性，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。

圖5給出了采用本文所提同軸對(duì)拖電機(jī)模型、文獻(xiàn)[6]基于聯(lián)軸器對(duì)拖電機(jī)仿真模型轉(zhuǎn)矩變化過程中轉(zhuǎn)速變化曲線。

圖5：基于聯(lián)軸器的同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型轉(zhuǎn)速偏差波形

仿真結(jié)果表明：轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)變化過程中，基于聯(lián)軸器的同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型，被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形存在差別。聯(lián)軸器的本質(zhì)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，必然導(dǎo)致被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速的不一致，這是聯(lián)軸器模型存在的固有問題。本文所提基于數(shù)學(xué)模型建立的同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型，在動(dòng)態(tài)變化過程中，較好保證了被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速的一致性。

4 同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

同軸對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由對(duì)拖電機(jī)組、功率變換單元、操作臺(tái)三部分組成。在負(fù)載電機(jī)類型的選擇上，直流電機(jī)雖然特性好、容易控制，但系統(tǒng)維護(hù)量大，且需要額外的勵(lì)磁電源，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低。負(fù)載電機(jī)采用PMSG時(shí)，PMSG低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響測(cè)試準(zhǔn)確度[1]。此外，PMSG無法使用通用變頻器，控制較為復(fù)雜，且PMSG成本較高。本文負(fù)載電機(jī)選用三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過扭矩傳感器將兩個(gè)電機(jī)同軸相連，配合通用變頻器即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。

在同軸對(duì)拖電機(jī)控制上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率變換單元多采用DSP或ARM等數(shù)字處理器控制；在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制上，文獻(xiàn)[3]采用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，文獻(xiàn)[7]則通過LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、曲線擬合等。以上通過上位機(jī)或PLC控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率變換單元的對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，存在控制延時(shí)、成本增加等問題。本文直接通過控制通用變頻器的控制面板、外接電位器實(shí)現(xiàn)負(fù)載電機(jī)控制的對(duì)拖電機(jī)控制方案，將負(fù)載電機(jī)變頻器設(shè)置于轉(zhuǎn)矩控制模式，通過控制轉(zhuǎn)矩給定電位器即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)的控制。

電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要有效監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等系統(tǒng)狀態(tài)，為了有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和便于上位機(jī)軟件開發(fā)，采用具有通信功能的測(cè)量?jī)x表，將所檢測(cè)的狀態(tài)量以RS485通信方式連接到上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、繪制波形與存儲(chǔ)分析。圖6為本文所設(shè)計(jì)同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖。

圖6：同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的有效性，在1420rpm額定轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，通過上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7：同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)同軸對(duì)拖交流電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，可通過負(fù)載電機(jī)實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的增加、減小，被測(cè)電機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)速控制效果，所設(shè)計(jì)同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可用于電機(jī)、電力電子變換器特性測(cè)試。

5 結(jié)論

針對(duì)電機(jī)測(cè)試及電力電子變換器測(cè)試需要，本文設(shè)計(jì)了采用兩個(gè)異步電機(jī)同軸對(duì)拖的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。負(fù)載電機(jī)變頻器設(shè)置于轉(zhuǎn)矩運(yùn)行模式，通過控制面板和轉(zhuǎn)矩給定電位器即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)負(fù)載控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、低成本等優(yōu)勢(shì)。在電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)同軸對(duì)拖電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了同軸對(duì)拖電機(jī)MATLAB仿真模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)同軸對(duì)拖電機(jī)測(cè)試平臺(tái)各工況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型建立的正確性和有效性，有效解決基于聯(lián)軸器的同軸對(duì)拖電機(jī)仿真模型負(fù)載動(dòng)態(tài)變化過程中存在的轉(zhuǎn)速不一致問題。測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的同軸對(duì)拖電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可滿足電力電子變換器等測(cè)試需要。