电力测功机工作原理 : 一、 功机慨 : 作 力及其 机械加 的最重要 , 有 :水力 功机 流 功机 / 磁 制 器 / 磁滞 功机??等等 (当然 有 少 用的液 加 / 机械加 等 ). 他 都是被 式 / 无源型 / 耗能型的 ,不但浪 能源 ,而且加 特性不好，例如： 水力 功机 / 流 功机都是靠水冷却 走加 能量 ,而且只能在 高 速下才能 定加 ,低速加 特性不好 . 磁 制 器只适合小功率 / 低 速下加 . 磁滞 功机只适合小扭矩 / 小功率加 . 机械加 和液 加 目前已 很少被采用 . 力 功机即 回 加 其加 能量回 利用 ,特 是在大功率加 和寿命老化 ,其 能效果非常可 ( 能效果取决于 台的 效率 ,一般都在 70% 左右 ),从而使得 台运行成本大大降 .而且因此 室的配 容量也可以大大减少 ,从而其 台投 成本也大大 ; 力 功机加 特性非常好 ,无 是高 速 是低 速 (极低 速甚至是零 速下 )都能 行 定加 ,而且其加 定性是以往任何加 所不能比 的 !( 定 速以下恒扭矩加 , 定 速以上恒功率加 ). 力 功机有直流 力 功机和交流 力 功机之分 . 直流电力测功机由于直流电机整流子需要专业维护 ,无法高转速运 ,而且逆变器回馈质量不好 ,功率因数较低 ,容易引起颠覆故障 ,特别是在较大功率时 .因此现在我们一般不建议采用 . 交流电力测功机即交流变频回馈加载 ,由于是采用了标准的变频 (或侍服 )电机和四象限变频器设计制造 ,高低转速均可使用 ,而且其可靠 (免维护性 )非常好 ;回馈质量好 (波形畸变好于 5% 甚至可以做得更好),功率因数在 98%-100%. 由于具有以上良好的特性 ,交流变频回馈加载的交流测功机近年来由于四象限变频技术的成熟二得到了非常 广泛的应用 . 交流变频回馈有电源回馈和母线回馈两种形式 .母线回馈形式统一考虑驱动和加载 ,加载能量通过内部母线驱动逆变器的输入端 ,而不回馈电源 .对电源不产生任何影响 ,电源提供的只是试验台损耗部分能量而已 .母线回馈形式最适合于类似齿轮箱试验台 / 车桥试验台等传动机械试验 . 交流变频回馈 控制器本质上是一台采用矢量控制理论 (或 DTC 直接扭矩控制 )设计制造的四象限变频器 .下面我们通过对矢量控制理论和四象限变频器的叙述加深对交流变频回馈加载 (电力测功机 )原理的理解 . . 矢量控制理论和 DTC 直接扭矩控制理论简介： 70 年代西门子工程师 F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理 论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过 测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异 步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动 机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁 场的电流分量 (励磁电流 ) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流 ) 分别加 以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢 量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器 的矢量控制方式等。 这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。 在80 年代中期，德国学者 Depenbrock 教授于 1985 年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压 矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型 PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解 耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和 转矩，采用离散的两点式调节器（ Band — Band 控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差的大小由频率调节器来控制，并产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它 的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的 PWM 脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 三. 四象限变频器简介 :: 普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然 后采用 IGBT 逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的 PWM 交 流。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。 IGBT 功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用 IGBT 做整流桥，用高速度、高运算能力的 DSP 产生 PWM 控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正 成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。 四象限变频器的电路原理图如图 1 所示 当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的 DSP 产生 6 路高频的 PWM 脉冲控制整流侧的 6 个 IGBT 的开通和关断。 IGBT 的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正 弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥产生的谐波。功率因数高 99% 。消除了对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。输入电压和输入电流的波形如图 2 所示。 当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧 IGBT 回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。输入电抗 器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如图 3 所示： 整流部分系统控制方框图如图 4 所示。 如图 4 所示，系统的给定是直流母线电压指令，这个指令与直流 母线电压反馈的误差送到电压环的 PI 调节器。电压环的 PI 调节与 三相输入正弦波的乘积成为三相电流的指令，三相电流指令与各自 电流所馈作比较，误差送到电流环的 PI 调节器。电流环 PI 调节器 的输出可以通过载波调制产生各相 IGBT 的 PWM 控制信号，也可以通过空间矢量的方式产生 PWM 信号控制 IGBT。上述的运算都是通过 DSP 完成的。 四象限变频器的典型应用是具有位势负载特性的场合，倒如掉升机，机车牵引，油田磕头机，离心机等。 以提升机的应用为倒，当提升重物时，四象限变频器拖动电机克服重力做工，电动机处于电动状态。当下放重物时，逆变侧产生励磁电流，重力牵引电机发电，电动机处于发电状态。势能转化为电能通过整流侧回馈的电网。 特别是在加载试验台上 ,四象限变频器的成功应用使得在以前由于价格昂贵 / 可靠性欠佳而很少能够被用户采用的电力测功机得到了迅速的普及和应用 . 采用带有 PWM 控制整流器变频器具有四象限运行的功能，能满足各种位势负载的调速要求，可就电机的再生能量转化为电能送回电网，达到最大限度的节能的目的。不仅如此，它还可减少电源的谐波污染，功率因数可接近于 1，是一种真正的“绿色”变频器。 四. 四象限变频器 在电力测功机 上的应用 : 四象限变频器应用于电力测功机 ,作为加载 (扭矩 )控制和能量回馈的控制器具有以下无可比拟的优点 : 加载特性好 :由于采用四象限变频器作为加载控制器 ,测功机成为了一种主动型 / 有源型负载 (而非类似电涡流测功机等那样的被动 / 无源型 ),从而使得测功机高低转速 ,甚至在极低的转速下 都能够稳定的进行加载 (额定转速以下恒扭矩加载特性 ,额定转速以上恒功率特性). 图 5 电力测功机扭矩 / 功率 -转速特性图 ( 以 225KW/ 额定转速 4800rpm 电机为例 ) 由于具有四象限运行特性 (如图 5), 测功机可以在电动机 / 发动 ,正转 / 反转 ,正向加载 / 反向加载之间任意切换 ,从而使得我们可以在试验台上模拟任意的实际工况运行 ,例如前进 / 后退 ,上坡 / 下坡 ,加速 / 制动等等 . 5 变频器四象限 T-n 运行图解 节能 :加载能量回馈利用 ,电源只是提供试验台传动系统的损耗而已 ,这对于寿命试验 / 老化试验来说 ,有非常大的节能效果 .特别是采用母线回馈加载的形式 ,在运行成本和配电投资成本方面都有无可比拟的优势 . 由于能量回馈利用 ,测功机本身只是消耗很少的损耗能量 ,因此一般的情况下 ,无需采用类似电涡流那样的水冷却系统 ,从而使得试验台的辅助配置系统大大简化 . 其它 ,在可靠性 / 操作方便性等等方面也是其它加载方式无可比拟的 . 由于交流变频回馈加载技术和产品的完善和成熟 ,近年来电力测 功机得到了迅速的普及和应用 ,例如上海林瑶 的 DLY 系列交流电力测 功机在国内众多汽车 / 工程机械 / 煤机 / 变速箱 (齿轮箱 )/ 电机 (异步 .变 .永磁同步 .侍服 .直流无刷 .开关磁阻 ,曳引机等等 )等领域得到了成功的普遍的利用 .下面为 DLY 系列交流变频回馈加载电力测功机主要品种型号规格 : DLY 交流变频回馈加载电力测功机主要品种型号规格表 : 型号 额定吸 额定扭 额定扭矩转速 最高转速 J 扭矩传感器 收功率 矩 r/min r/min Kgm 2 kW N.m DLY 3 3 19 0-1500 6000 0.002 JY 或 HBM DLY5 5 31 0-1500 6000 0.008 JY 或 HBM JLDL 10 10 63 0-1500 6000 0.03 JY 或 HBM DLY 15 15 95 0-1500 6000 0.092 JY 或 HBM DLY 30 30 191 0-1500 6000 0.262 JY 或 HBM JLDL 37 37 235 0-1500 6000 0.406 JY 或 HBM DLY 45 45 286 0-1500 6000 0.469 JY 或 HBM DLY 75 75 470 0-1500 6000 1.12 JY 或 HBM DLY 110 110 700 0-1500 6000 1.65 JY 或 HBM DLY 132 132 840 0-1500 6000 1.88 JY 或 HBM DLY 160 160 1000 0-1500 4

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