维普资讯 2． 1999年第2期 《电机 电器技术》 ·电机电器技术 · 。)／～f异步测功。机双馈变频电源的技术原理设计 何湘吉 (广州电器科学研究所广东广州市51o3oz) Hj2 ．2 摘 要 ：曷^析 了异步删功机双馈变频 电源的设计原理厦优越性 ，还分析 了部分元器件 的参凝选择 毒研制在剥试技术上是一个新的突破 关键词：蹙兰型 垫；_双篮 韭 再生回馈 电^．7 谖计 文献标识码：B 文章编号：1004—0056(1999}02一∞02—06 ＼ 1 引 言 异步铡功机是迄今以来性能最好的小功 率电动机性能测试装置。但出于异步测功机 运行时需要庞大 的电动机 一发 电机组配套 ， 在推广和使用 上受到极大的限制。本项 目利 用最新 电力 电子技术 ，研制可以替代机组的双 馈变频 电源 ，在测试技术上是一个新的突破 。 在本装置控制下 ，异步测功机一方面 向 电网回绩电能，另一方面又从 电网获取无 功 电流 ，这就是 “双馈” 事实上 要求变频 电源 能在 四个象限控制测功机运行 ，这是一般变 频电源所不能完成的。双馈特别是再生回馈 的过程相当复杂 ，在解决短时电压短路 以及 圉 1 续流问题方面有着与一般 电路完全不同的特 为使测功机能有宽广的频率运行范围， 殊性 ，以下就原理到具体电路结构加以分析 。 控制 电流宜采用交 一直 一交 的整流逆变 系 统。从直流回路来说 ，从能最的吸收到 回馈 2 异步测功机变频运行基本分析 的过程，无非是 电压和 电流的相对流动方 向 当异步测功机控制频率相对应的同步转 的逆转。此 目标可 以通过 电压型或 电流型电 速高于其连轴机械的转速时 ，测功机相 当于 源线路来实现。所谓 “电流型”，即线路 中的 普通 电动机在运转，它从 电网吸收有功功率 ， 直流方 向不改变 ，通过改变整流导通角来改 又从 电网吸取无功功率。测功机绕组中电流 变 电压方 向。然而 ，在铡功机系统中．能量 的 向量 I滞后于相应电压 向量 u的电角度 小 流动方 向说到底是 由于测功机 的同步转速 于 90~。如图 1。 (由控制颏率决定)与被试 电机的实际转速之 当异步测功机控制频率逐步下降，其对应 间的关系来决定的，电压方 向的改变除非配 同步转速小于连轴机械的旋转速度时，测功机 合相当精密的频率变化，并不能达到改 向的 相当于发电机运行，连轴机械的输出功率通过 目的。事实上 由于被测电机的随意性，这种 测功机将能量馈给 电网，电流矢量 由 I变到 精密的配合无论从理论上和实际上都根本难 I’，滞后 电压的相位 由 变到 ’，滞后角度大 于完成，这意味着不宜于采用 “电流型”电源 于90~，其无功电流仍需电网提供 ，而其有功电 线路，故本项 目采用了 “电压型”线路。 流分 复的相位则与电压相量相差 180。。 在 “电压型”线路中，能流 的改向是通过 维普资讯 ．电机电器技术· (电机电器技术) 1999年第2期 ．3 直流电流的变向来达到的。这种电流的变向 无须另加专 开云网站 kaiyun登录入口网址门控制 ，而是在测功机频率改变 或被试 电机空载转速发生变化时 自然发生 的。在使用三相变频器时，当测功机作电动 机运行 ，并设绕组 电流为正弦波时，根据三相 桥臂中的电流合成，反 映在直流回路上的脉 动 电流如图2所示。其直流正向分量表 明能 图2 (=60* 量是从 电网端输人 的。当测功机空载运行 时，功率因数为零，反映在直流回路中脉动 电 流的平均分量也为零，如图3所示，此时电网 与负载间的平均能量交换也为零 。当测功机 作发电机运行 ，电流相对于 电压的矢量相位 后穆 ，反映在直流回路 中脉动 电流 的直流分 量改变为负向，如图4所示 ，即能量 已从负载 流 向电网。上述分析表 明，在 电压型变频线* 路控制下，能流的方 向变化可 以通过异步测 功机绕组中电压 电流间相角差的逐步变化来 l i 完成。而这种变化是 由异步 电机本身的电磁 能量转换机制决定的 ，并不要求额外的控制 ～ 干预。在这种变化过程 中，直流回路 中电流 的平均分量也 同样表现为从大到小，改向后 ／／／ 一 又从小到大的 自然过程 ，整个过程是均匀和 连续的。 田4 (=12 在一般变频 电源线 路中，电网端整流桥 网端整流桥丧I设计 了再生回馈 回路，并对相 的电流只能单 向流动 ，故 当测功机从 电动机 应技术问题进行了大量理论分析、实验验证 改变为发电机运 行时，改 向后的电流不能将 能量 回馈给 电网，只能对直流回路中的滤波 和线路处理，研制结果表 明是十分理想和成 电容充电，造成直流电压高升，导致线路及管 功的。 件易损坏 。本项 目按照同步锁相原理，在电 详细的主线所示。 维普资讯 ： 年第2期 《电机电器技术》 ．电机电器技术． 3 能量 回馈机制及设计原理 端交流 电位变化锁相控制的。当交流端 D 要完成测功机从 电动机状态 向发电机状 点电位高时，a与 a’两个三极管开通，此时电 态的转变 ，需要测功机 同步频率的改变和再 流的取向由交流和直流端 电压平均值的大小 生回馈通道的实现。 决定。如果测功机处于发 电机状态 ，电流将 在涮功机作 电动机运行时 ，其端 电压的 从负载端流人交流端 D点。当交流端 D’点 变化 由控制频率决定 ，其转速也因之确定。 电位高时，a与 a’关闭，b与 b’开通 ，电流就 但在发 电机运行时，其 回馈 电流是通过并联 从负载端流人 D’点。由此可见 ，不论交流端 在大功率 管件侧的续流二扳管整流输出的， 电压如何变化，负载输出的电流总是流人 电 对大功率管件的频率控制是否仍然能控制测 位较高的交流端 ，能量确实是回馈给了电网。 功机 的同步频率是需要进一步分析的。 该线路从整流到再生，或从再生到整流的状 取变频主管任一桥臂进行研究。在 1 态变化过程完全是一个 自然过程 。在每一个 导通方式 ，其上下桥臂管件是轮流导通的 状态下 ，事实上三极管件与二极管只有一组 当上臂管件控制导通时，电流通过晶体管流 在工作 ，另一组一直处于等待状态 ．一旦电嗣 向绕组 ，如图 6实线所示 ，A点引入正电位 。 和负载两端的电位 比较发生改变，两组管件 当电流相位改变乃至方 向改变后 ，由于下臂 就可 以迅速地切换运行，状态 的改变过程是 管件不开通 ，电流被强制通过上臂二极管续 相当平滑和连续的。 流．如图6虚线所示 ．A点仍然被箝位于正电 由于可以确保 电流与交流 电压 的同相， 位 。同理可 以证明，当下臂管件导通时，无论 故电网端可以得到较高的功率因数。为避免 绕组 电流 向哪个方 向流动．A点都被箝位于 晶体管开通关闭的延迟造成线路瞬时短路故 负电位 。以上证明，电流的相位改变并不影 障．实际控制时三极管的开通信号进行了延 响外部控制信号对绕组电压的开关控制 ．即 迟处理 ．因此除非晶体管击穿，再生桥臂的直 无论测 功机处 于 电动机状态还是 发 电机状 通短路是不可能发生的。样机 的长期实际运 态，其同步频率确实是由控制信号决定的。 行也证明了这种线路的高可靠性 。 + 4 电感扼流及反电势扼制技术 在交 一直一交变频功率 回路中，为避免 负载端和电网端由于瞬时电压 的差别造成短 路 ，一般 串有滤波电感，如图5中元件 【帕在 工作过程 中，它将吸收两端 电压差中的部分 交流谐波分量 。 但电感的存在带来严重 的反 电势问题 ． 一 旦电流突然关断，电感两端产生 的高压将 有可能损坏大功率管件。在一般变频电源线 路申，电感或 电机绕组 申的电流是通过整流 直流能量的回馈通过在二极管整流桥臂 端反接二极管 岛来续流的。但 当测功机作 反 向并联大 功率三极管件来实现 ，如图 5。 发 电机运行，电流反 向流动时，线路就难 以提 为不致引起 电压串联短路造成逆变失败，四 供适 当的续流通路。为了解决这一 问题 ，本 个三极管8、a’、b、b’的导通是严格按照电网 项 目构思了独特的续流线路。 维普资讯 · 电机电器技术 · (电机 电器技术 1_999年第2期 ·5 在 电感 L两端反向并联两只大功率三极 自锁，避免大功率管的直通故障。信号再经 管GI和 (见图5)。在主线路串联电阻R 隔离、放大去驱动再生功率回路。 上取 出直流 电压信号 以判断直流 电流的方 5．3 续流管控制线路 向。当电流从左向右流动时，关断 GI，开通 ；当电流从右 向左流动时 ，关 断 ，开通 一曙 Gl。这样 ，不管电流流向怎样 ．线路断开时， 电感都能以GI或 形成续流 回路 ，保证了 田9 续流曹控制框田 主管的安全。实验证 明，该技术对本装置的 电流流向信号从主电路 电流采样 电阻R 成功研制起了相当关键的作用。 (见图5)上取出，由于信号点在强电回路上， 故隔离后送控制 回路。当主 电路突然 断路 ， 5 控制线路结构原理 采样电阻上流过的电流迅速衰减到零 ，但此 本装置的电子控制线路主要有三部分 ， 时滤渡 电圃感中电流依然很大 ，如强制关断 ，将 下面分别简要说明。 产生相当大的反电势。本线 变额控制残路 一鞠麴捕一 时环节，使主回路 电流断流后对续流管的控 制仍然保持先前 的状态一段时间，保证滤波 匦 一 电感中的电流有足够时问衰减。 d K 6 电源 电压和频率的比例控制 里 7 变囊拉一枉圈 为保证异步测功机的恒制动转矩运行 ， 变频输入信号由电位器调节产生或由主 必须保证异步测功机在变频控制时其气骧磁 电路 d点(见图5)引入 ，前者用于电压与频 通近似为常数，这可以通过 电压与频率变化 率的分别调节 ，类似于 电动机 一发 电机组的 的正比例控制 (v／r=常数)来实现。本装置 通常使用。后者直接接在主电路 d点上 ，采 的该功能是将拨动开关 K接通 d点 (见 图 样主 电路直 流 电压，以完成测功机 电压和频 7)，采样电源 电压 ，再通过 、 变换技术控 率的比例控制。v／F变换电路用以产生变颇 制频率来完成的。这种方法与一般变频线路 频率信号，该电路可直接借集成块 4O46锁相 中的电压斩渡法颇不一致 ，但相当简 明可靠 ， 环的压控功能构成。分频后信号经六进制计 对电子大功率元器件的性能要求低 ，易于实 数 。再经适当译码组合得到 120~导通的六相 现高转速控制，且成本低廉、操作方便。 频率信号，通过隔离、放大去驱动主管功率 在实验过程 中，曾发现在低频时测功机 元件 。 的定子有轻微的周期摆动现象。由于异步测 5．2 再生回馈控制线路 功机的机械特性相当陡直 ，这种摆动不应 由 电压的渡动所引起 ，因此分析断定这是由受 电压渡动所影响的频率波动造成的。为克服 这种现象，本项 目曾采用加大取样 电阻交流 围8 再生回馕控制枉田 旁路电容的方法 ，效果比较明显 ，但又造成了 与电网端交流电压同步的电位信号经整 频率变化跟不上 电压变化，有时出现测 功机 形处理后 ，再经延迟处理，以保证再生桥臂的 咬不住 电机最大转矩的现象。为兼顾测功机 维普资讯 6， 1．999年第2期 《电机 电器技术》 -电机电器技术． 的稳态精度和动态反应性 ，叉设计了 PID控 Id= 』列 Imsin~tclwt= I删 制线路 ，即在采样 电阻 r1上端的分压 电阻 r， 侧并联了微分 电容 c2．见图 5。 可 以认为该 电流为流过电感的分量 。而 经简单推导，可得 电压采样 电路的传 递 脉动 电流的交变分量就是引起 电容 电压波动 函数为： 的原 因。电压脉动幅值为 ： G(s)：詈”n‘Ⅵ十l △ = 』 一(Id—i)dcI)t 其频率持性如 图1O。 = f ( kc s_mⅢt)山t = 戛[。(一60~+)+oos一 c (60。一 )] 式中cott由脉动 电流与平均分量的交点 得到 eat1=arcsin({∞ ) 田 lO 采样电路的援罩特性 代人前式 低频转折频率与高频转折频率分别 由时 间常数 12c2与 r]c3决定。由于 12、13由分压 AU=墨{co[a—il1(co)一号+] 比确定 ，只要能恰当选取 c2、 的数值 ，则直 流 电压的低频波动可被积分 电路所吸收。调 + √1一(删)一cos(60。一)} 压时电压的较快变化又可以通过对高频敏感 设 I= ，且设 co L-0．5(=60~)， 的微分电路迅速反应．从而达到 了性能兼顾 可得 的 目的。本 线 和 z~Um= 或 47flF，实验情况是令人满意的。 一 一 Um 7 直流滤波回路的参数选择 在测功机输 出6(X)W，电压调到200V时 ， 无论从测功机的 良好运行以及稳定 的频 电流 I=2A；如 取 电压波动率 为 0．5％，即 率特性角度．都要求有一个波形 比较平直的 AU =1V时 ，在 50Hz运转时．可计算得 电容 直流 电压。影响 电压波形 的主要有两个原 因，一是 由于与交流端相接的整流 电压本来 c= ×1 =1044( )。考虑到更低 是脉动的直流 电压；二是负载输入或输 出的 频时的使用情况 ，本 电路采用了 1880~ 的电 电流是脉动的直流 电流，这也引起滤波 电容 容器，具有一定的裕量 。 器两端直流 电压 的波动。因此，应该从滤平 7．2 扼流电感的选择 整流 电压和尽量缩小负载电流引起 的电压波 欲使电容器两端输出一个波形较为平直 动出发来选择 电感和电容参数。 的直流电压 ，要求把脉动直流中的交流分量 7，1 电容参数 的选择 的绝大部分降落在 电感上，这也就要求 电感 设测功机 电流为正弦波，从 图2到图4， 的感抗远大于负载端的阻抗，当然最严重的 可以推得直流回路中脉动电流的直流平均分 情况是变频端绕组开路即负载阻抗等于电容 量为 ： 容抗时。为此，取感抗为容抗的B倍 ，即： 维普资讯 · 电机电器技术 · 《电机 电器技术》 1999年第2期 ．7 而新系统则成本低廉，结构小巧精致 ，可为企 -L： ，是交变分量中的

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