CN103163460A

CN103163460A - 用于电机测试的电机对拖平台

Info

Publication number: CN103163460A
Application number: CN2013100456965A
Authority: CN
Inventors: 徐鸿; 王泰宇; 杨来坡
Original assignee: ANHUI ZHONGJIA ZHIRUI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI ZHONGJIA ZHIRUI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了一种用于电机测试的电机对拖平台，包括变压器、整流器、滤波器、被测电机、主控系统、负载电机、联轴器和两个电机控制系统，整流器连接在变压器上；滤波器的两端分别连接在整流器的两个输出端上；被测电机控制系统和负载电机控制系统均与整流器和滤波器相连接；负载电机与负载电机控制系统相连接，被测电机输出轴与负载电机的输出轴之间通过联轴器相连接；被测电机控制系统和负载电机控制系统均与主控系统相连接。本发明的用于电机测试的电机对拖平台，整个系统可小型化，且电机能够任意转矩输出使得电机对拖测试更加多样化，节省电能，明显提高效率。

Description

用于电机测试的电机对拖平台

技术领域

本发明涉及一种用于电机测试的电机对拖平台。

背景技术

在现代电机测试中，需要对电机进行长时间性能验证，特别是在有负载情况下以及负载突变的条件下的性能验证更为重要。因此解决电机运行时所用负载问题，便成为电机测试系统的重中之重。

目前，传统的电机测试平台采用的负载有以下几种形式：一是用直流发电机和功率电阻来模拟负载，来消耗能量；二是采用同步电动机和直流发电机以及并网装置作为负载，能量返还到电网；三是采用测功机作为负载，这也是更为主流的作法。

以上几种负载形式，虽然都能很好的完成作为电动机性能测试的负载任务，但不约而同的存在这样或者那样的问题和缺点。首要的就是能量问题，对于第一种和第三种方式，能量由功率电阻或者电机内部全部消耗，对于需要长期用于电机测试的系统来说节能性和经济性都不高，而第二种方法将能量回馈到电网，对电网有谐波污染，功率因数低。其次，以上几种方法都有系统庞大，控制复杂，效率较低的缺点。

为了克服以上缺点和问题，提出了电机对拖平台测试系统，其特点是使两台电机在机械上和电气上互相耦合，两台电机互为负载，从而解决了能源消耗，以及系统复杂等问题。目前，此方法在直流电机和异步电机上已经有了广泛应用，对拖系统的结构简图见图1。

然而，随着永磁同步电机制造的飞速发展，以及基于永磁同步电机的变频控制器的研究发展，其应用越来越广泛，带有变频控制器的永磁同步电机系统测试变得更为引人瞩目。所以，我们将永磁同步电机系统作为被测电机引入电机对拖平台测试的方法，达到对永磁同步电机测试的目的。

现有的以永磁同步电机作为被测电机的电机对拖平台，负载电机一般采用交流异步电机。而交流异步电机一般体积较大，被测电机如果是非常小的永磁同步电机，则物理连接并不协调。并且，交流异步电机在转矩调节控制上响应较慢。同时，作为负载电机需要工作在发电状态，交流异步电机由于其本身电机特性所决定，一旦系统运行在低转速情况，发电效率极低，导致整体系统效率下降。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种用于电机测试的电机对拖平台，以提高电机的测试效率、节约能源。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

用于电机测试的电机对拖平台，其结构特点是，包括变压器、整流器、滤波器、被测电机、主控系统、负载电机、联轴器和两个电机控制系统；所述被测电机与其中一个电机控制系统相连接，所述负载电机与所述另一个电机控制系统相连接；

所述变压器的一次线圈连接在交流电网上；所述整流器连接在变压器的二次线圈上；所述滤波器的两端分别连接在所述整流器的两个输出端上；所述被测电机的电机控制系统和所述负载电机的电机控制系统均与所述整流器和滤波器相连接；所述被测电机输出轴与所述负载电机的输出轴之间通过联轴器相连接；所述被测电机控制系统和负载电机控制系统均与所述主控系统相连接；所述被测电机的电机控制系统上连接有用于测试被测电机转子位置信息的旋转编码器；所述负载电机的电机控制系统上连接有用于测试负载电机转子位置信息的旋转编码器。

本发明的用于电机测试的电机对拖平台的结构特点也在于：

所述被测电机控制系统和负载电机控制系统均是通过CAN总线与所述主控系统相连接的。

所述滤波器为滤波电容。

所述被测电机的电机控制系统包括电容C1、滤波电容E1、变频器和控制器；所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端与滤波器和整流器的两个连接端相连接，所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端还与变频器的两个输入端相连接，所述变频器通过控制器与用于测试被测电机转子位置信息的旋转编码器相连接；所述变频器的三个输出端与被测电机的三个电源输入端相连接；

所述负载电机的电机控制系统包括电容C1、滤波电容E1、变频器和控制器；所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端与滤波器和整流器的两个连接端相连接，所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端还与变频器的两个输入端相连接，所述变频器通过控制器与用于测试负载电机转子位置信息的旋转编码器相连接；所述变频器的三个输出端与负载电机的三个电源输入端相连接。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的用于电机测试的电机对拖平台，主要有以下几个优点：

1）本发明使用的负载电机为永磁同步电机，与使用其它电机做负载电机的平台相比，具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度的优势，并且体积较小，可用于小型电机测试对拖平台。

2）本发明使用的永磁同步电机，并不仅仅是简单的被拖动而发电，而是配有具有先进算法的控制器，使其作为负载有极高的可控性，可提供任意转矩输出（正向负向皆可，并且大小可调），在可控的情况下工作于发电状态，使电机对拖测试更加多样化。

3）本发明采用了共直流母线回馈式电机对拖平台的电气结构，在电气连接上直流母线并联，负载电机发电回馈到电动电机侧，节省电能，提高效率明显。

由于两套带控制器永磁同步电机系统共用直流母线并同轴连接，能量在两者内部互馈，整个系统消耗的能量就是各个部分的总损耗，主要包括电机损耗、变频驱动器和PWM整流器损耗及少量的线路损耗等，大大提高了能量利用率。这种方式可以利用小功率等级的供电电源来试验较大功率的传动系统，无需对电源扩容改造。

本发明的用于电机测试的电机对拖平台，整个系统可小型化，且电机能够任意转矩输出使得电机对拖测试更加多样化，节省电能，明显提高效率。

附图说明

图1为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的对拖示意图。

图2为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的电路结构图。

图3为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的逆变器的结构图。

图4为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的逆变器的结构图。

图5为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的整流器的结构图。

图6为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的转速闭环有位置传感器FOC控制图。

图7为本发明的用于电机测试的电机对拖平台的转矩闭环有位置传感器FOC控制图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图2，用于电机测试的电机对拖平台，包括变压器、整流器、滤波器、被测电机、主控系统、负载电机、联轴器和两个电机控制系统；所述被测电机与其中一个电机控制系统相连接，所述负载电机与所述另一个电机控制系统相连接；

如图1和图2所示，为整个系统上电后，变压器将电网交流电变压后输入至整流器，由整流器实现交流到直流的变换，并由滤波器滤波后输出给被测电机和负载电机这两个电机控制系统。由电机控制系统的两个电容再次滤波后输入到变频器，经变频器变频后提供给两个电机，作为两个电机的驱动电源。变频器上连接有控制器，控制器用于检测电机的转子位置信息。两个电机控制系统均通过CAN总线与主控系统相连接，由主控系统对两个控制系统分别控制，进而实现整个电机测试过程的自动化和智能化测试。变频器前的电容C1和滤波电容E1分别起到储能和滤波的作用。控制器与主控系统的上位机的连接是通过CAN线通讯实现的，上位机有相应的控制软件，来分别控制两个电机的转速和转矩大小，同时监控整个系统的运行。两个电机控制系统的结构是完全一样的。

这样在交流侧实际上是共用了一套调压器、整流器和滤波器，也就使两电机的直流母线并联，实现共用直流母线的效果。

所使用的变频器主要为由六路绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的逆变器，其具体结构见图3。控制器通过对六路IGBT的控制来控制永磁同步电机。

整流器具体结构见图4，为6个二极管组成的三相整流桥结构，三相整流桥经过调压器与三相电网连接, 能够实现四象限运行，实现单位功率因数，输出稳定的直流电压，提供反馈测试平台所需的能量。

本发明所使用的被测电机与负载电机为两个相同的永磁同步电机，当然不同也可，但功率等级不能相差太大。在物理连接上，两电机是通过联轴器将转子同轴同向连接，要尽可能同轴，这样拖转的过程中才能保证整个对拖平台的平稳，不会出现晃动，同向指的是被测电机正转时，负载电机也处于正转状态。物理连接需要满足上述同轴同向条件。

从整个新型电机对拖平台的工作原理上来说：被测电机工作在电动状态，拖动负载电机，使负载电机处于发电状态。这样，两电机直流母线上的电流流向恰好相反，由于两电机的直流母线并联，被测电机将可以使用负载电机所发电流，整个系统的电流流向见图5，也就是被拖动的负载电机发电并将电能回馈到拖动侧的电机使用，从而大大提高整个系统的效率。

被测永磁同步电机控制系统，采用的是恒转速（即转速闭环）有位置传感器FOC控制算法，算法框图见图6。负载永磁同步电机控制系统，采用的是恒转矩（即转矩闭环）有位置传感器FOC控制算法，算法框图见图7。总的来说，两者皆是采用的id=0的控制方法，即整个控制过程中id的命令值为0，区别在于，被测电机的控制量为速度，负载电机的控制量为转矩（即q轴电流），被测电机控制系统比负载电机多一个速度控制环，即上述速度环。

所述被测电机的被测电机控制系统之间采用速度环的控制策略。速度环是指速度控制环，电机控制的一部分，在电机控制领域中，如果是速度控制，那么，都是通过扭矩来控制速度的，就有速度环和扭矩环两个控制环，通过图6和图7可以看出。

电机的位置信息通过旋转编码器获得，绝对位置信息的获得使得电机控制更为精确。电流信息的获得可以通过霍尔电流传感器，或者通过电流采样电阻，本发明采用的是电流传感器获得电流的方法。

可以选取与被测电机尽可能相同的电机作为负载，整体匹配性较好，采用先进的FOC控制算法，转速转矩可调性较强，同时采用死区补偿等较为先进的技术手段，使负载电机提供的转矩达到与交流异步电机十分接近的均匀性。并且，在低转速时，由于永磁同步电机转子为永磁体，使得其发电效率明显高于交流异步电机。应用于电机测试系统，可控性较强，运行效果良好，效率较高，大大优于现有其他电机对拖测试平台，采用本发明的电机对拖平台整体具有明显优势。

从系统控制的角度来说，如前所述，被测电机是恒转速控制，处于速度闭环状态，用来控制整个测试平台的转速；而负载电机是恒转矩控制，处于转矩闭环状态，通过控制负载电动机的q轴电流来改变负载电动机的转矩大小，模拟被测电机的负载变化。

之所以能够通过控制q轴电流来控制转矩，原因如下：永磁同步电机的转矩公式为 Te=3/2P[ψ_fi_q+ (L_d- L_q)i_di_q]，其中P为电机转子极对数，ψ_f为转子磁链。控制算法上i_d = 0，故转矩只与q轴电流有关，因此可以通过控制q轴电流控制转矩，因为两电机同轴同向连接，负载电机通过给q轴一个负向电流为被测电机提供与转速相反的负向转矩，从而达到模拟负载的作用。

为整个系统上电后，电网交流电通过变压器调成需要的工作电压220V；交流电流经整流器整流以及滤波器滤波，最终输出直流电。这样，对拖平台系统的两个变频器便通有直流母线电压。

首先，运行负载电机控制器，使其运行在转矩为0的状态下，此时负载电机无任何动作，处于自由状态。

之后，运行被测电机控制器，并通过CAN线给定被测电机正向目标转速，例如3000转/分，被测电机通过一段加速后稳定运行于目标转速状态，同时拖动负载电机于此转速下运行，由于此时负载电机控制量iq为0，变频器并未工作，IGBT并未开通，所以没有发电电流，但已产生电动势。

待整个系统运行稳定后，负载电机开始提供负向转矩，即提供负载，例如令iq= -1安培。对于被测电机来说，此时负载加大，也就是电机扭矩加大，由于被测电机是恒转速控制，为维持目标转速，通过控制算法的调节，会加大电流，这样被测电机处于负载测试阶段。对于负载电机来说，此时状态相对复杂一些，负载电机为恒转矩控制，命令目标为负向转矩，如果没有被测电机的拖动，电机应向负向转动，而实际上，负载电机却是运行在正向恒转速状态，此时负载电机处于发电状态，如果规定负载电机在转矩控制下正常运行时直流母线电流为正向，那么此时由于被测电机拖动作用，实际运行方向与目标转矩方向相反，故负载电机的直流母线为规定方向的负方向，整个系统电流具体流向见图5。

通过示波器观察图4的滤波器处的直流电流可以发现，当负载电机开始加载后，图4的滤波器处的直流母线电流增加并不明显，而被测电机由于加大扭矩所需电流应该有明显增加，这说明，负载电机侧的直流母线有相应的电流补充，负载电机已经处于发电状态，而实际通过示波器观测负载电机系统侧的直流母线，发现的确有电流流出，这也进一步验证该结论的正确性。

总的来说，本发明新型电机对拖平台工作时，被测电机电磁转矩为正，转速为正，处于电动状态，负载电机电磁转矩为负，转速为正，处于发电状态。整体系统能量利用率大大提高，损耗减小。

所述滤波器为滤波电容。

所述被测电机的电机控制系统包括电容C1、滤波电容E1、变频器和控制器；所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端与滤波器和整流器的两个连接端相连接，所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端还与变频器的两个输入端相连接，所述变频器通过控制器与用于测试被测电机转子位置信息的旋转编码器相连接；所述变频器的三个输出端与被测电机的三个电源输入端相连接；所述变频器与被测电机之间还设置有速度环；

两个电机控制系统的结构是完全一样的。两个电机之间的区别仅仅在于被测电机控制系统比负载电机多一个速度环。该速度环的控制示意图如图6和图7。

Claims

1.用于电机测试的电机对拖平台，其特征是，包括变压器、整流器、滤波器、被测电机、主控系统、负载电机、联轴器和两个电机控制系统；所述被测电机与其中一个电机控制系统相连接，所述负载电机与所述另一个电机控制系统相连接；

所述变压器的一次线圈连接在交流电网上。所述整流器连接在变压器的二次线圈上；所述滤波器的两端分别连接在所述整流器的两个输出端上；所述被测电机的电机控制系统和所述负载电机的电机控制系统均与所述整流器和滤波器相连接；所述被测电机输出轴与所述负载电机的输出轴之间通过联轴器相连接；所述被测电机控制系统和负载电机控制系统均与所述主控系统相连接；所述被测电机的电机控制系统上连接有用于测试被测电机转子位置信息的旋转编码器；所述负载电机的电机控制系统上连接有用于测试负载电机转子位置信息的旋转编码器。

2.根据权利要求1所述的用于电机测试的电机对拖平台，其特征是，所述被测电机控制系统和负载电机控制系统均是通过CAN总线与所述主控系统相连接的。

3.根据权利要求1和2所述的用于电机测试的电机对拖平台，其特征是，所述滤波器为滤波电容。

4.根据权利要求1、2和3所述的用于电机测试的电机对拖平台，其特征是，所述被测电机的电机控制系统包括电容C1、滤波电容E1、变频器和控制器；所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端与滤波器和整流器的两个连接端相连接，所述电容C1和滤波电容E1相互并联后的两个连接端还与变频器的两个输入端相连接，所述变频器通过控制器与用于测试被测电机转子位置信息的旋转编码器相连接；所述变频器的三个输出端与被测电机的三个电源输入端相连接。