CN112994035A - 一种电机对拖测试平台及其功率振荡抑制方法 - Google Patents

一种电机对拖测试平台及其功率振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例中提供了一种电机对拖测试平台及其功率振荡抑制方法，属于电机测试技术领域，电机对拖测试平台具体包括电网和功率循环回路，所述功率循环回路包括被测电机、负载电机和控制系统，所述控制系统包括与负载电机电连接的机侧整流器，所述机侧整流器的有功电流指令前级串联有陷波器，用以在传递路径中阻尼有功电流分量上的电流。通过本申请的处理方案，减少电机对拖测试平台循环的功率产生非期望的低频振荡，保证电机对拖测试平台的安全尽限运行。

Description

一种电机对拖测试平台及其功率振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及电机测试领域，尤其是涉及一种电机对拖测试平台及其功率振荡抑制方法。
背景技术
大功率电机与变流器作为能量变换装置，在工业变频及电气化交通等领域得到日益广泛的应用。针对其带载下的测试，相对于直接连接阻性负载，基于变流器与电机对拖的功率循环方案，可大幅降低电能损耗，提高测试的灵活性。
对拖平台可交流耦合于电网，来补充功率循环中损耗的能量。该电网容量通常小于功率循环回路的容量，在该弱网下使得平台循环的功率产生低频振荡。该振荡可导致系统不能运行至额定功率，乃至电机轴疲劳失效、变流器故障保护或失效。
发明内容
一方面本申请提供一种电机对拖测试平台，减少电机对拖测试平台循环的功率产生非期望的低频振荡，保证电机对拖测试平台的安全尽限运行。
一种电机对拖测试系统采用如下的技术方案：
一种电机对拖测试平台，包括电网和功率循环回路，所述功率循环回路包括被测电机、负载电机和控制系统，所述控制系统包括与负载电机电连接的机侧整流器，所述机侧整流器的有功电流指令前级串联有陷波器，用以在传递路径中阻尼有功电流分量上的电流。
可选的，所述电网的容量小于功率循环汇率的容量。
可选的，所述机侧整流器包括电压环控制器和电流环控制器，所述陷波器串联在电压环控制和电流环控制器之间。
可选的，所述陷波器为1–2ξω0s·N/(s2+2ξω0s+ω0 2)，其中，ω0为陷波器中心频率，ξ为陷波带宽，N为陷波深度，s为拉普拉斯变换的算子。
另一方面本申请提供一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，减少电机对拖测试平台循环的功率产生非期望的低频振荡，保证电机对拖测试平台的安全尽限运行。
一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，采用如下的技术方案：
一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，包括如下步骤：
绘制初始工况下下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；
从不串联陷波器况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图中辨识电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率；
在机侧整流器有功电流指令前级串联如权利要求4所述的陷波器，绘制串联陷波器后的机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；
调整陷波器的参数，至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值至要求值。
可选的，ω0＝2πf0，其中，f0的范围为0.5-1.5倍的fr，所述fr为电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率，陷波带宽ξ的范围为0-1，陷波深度N 的范围为0-1。
可选的，调整陷波器的参数的方法为，提高f0或降低直流电压环带宽。
可选的，调整陷波器的参数至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的至要求值之后，还包括如下步骤：测试对拖平台的低频振荡，获得低频振荡的衰减程度；
所述低频振荡的衰减程度到达设计要求，则结束；
所述低频振荡的衰减程度达不到设计要求时，对陷波器的参数进行二段调整，直至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值至要求值，且所述低频振荡的衰减程度到达设计要求。
可选的，对陷波器的参数进行二段调整的方法为降低f0、提升ξ、提升N 中的任一种或多种。
可选的，调整陷波器的参数，至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的绝对值至为0-1dB。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
通过增加陷波器，抑制了对拖测试平台的低频振荡，避免了由低频振荡导致的电机轴疲劳失效、变流器故障保护或失效，使得对拖测试平台可在容量有限的弱网下全功率运行，以尽限测试变流器与电机的各项技术指标；
仅在机侧整流器即实现了系统低频振荡的抑制，同时保证了其控制直流母线电压的能力，且无需变动网侧整流器、机侧逆变器、网侧逆变器的控制架构，可行性强，适用性广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请的电机对拖测试平台结构示意图；
图2为本申请的机侧整流器的控制框图；
图3为本申请电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法的流程图；
图4为本申请直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；
图5为本申请电机对拖测试平台穿出使用陷波器前后的电流与功率波形图。
附图标记说明：1、电网；2、变压器；3、被测电机；4、负载电机；5、控制系统；51、网侧整流器；52、机侧逆变器；53、网侧逆变器；54、机侧整流器；6、不串联陷波器工况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；7、串联陷波器后的机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供一种电机对拖测试平台。
如图1所示，一种电机对拖测试平台，包括电网1，变压器2和功率循环回路。功率循环回路通过变压器2交流耦合于电网1。电网1的容量小于功率循环汇率的容量。
功率循环回路包括被测电机3、负载电机4、控制系统5和检测系统。
被测电机3的输出轴和负载电机4的输出轴及机械传动连接，本实施例中，被测电机3的输出轴和负载电机4的输出轴通过联轴器连接，被测电机3的输出轴和负载电机4的输出轴同轴设置。在其他实施例中，被测电机3的输出轴和负载电机4的输出轴也可以通过齿轮组传动连接。
控制系统5包括依次与被测电机3连接的机侧逆变器52和网侧整流器51，控制系统5还包括依次与负载电机4连接的机侧整流器54和网侧逆变器53，网侧整流器51和网侧逆变器53电连接。检测系统为检测被测电机3和负载电机4转子位置信息的旋转编码器。
功率循环回路通电后，网侧整流器51将交流电转换为的直流电输出给检测系统，然后机侧逆变器52再将直流电转换成交流电输出给被测电机3，被测电机3的转轴转动带动负载电机4的转轴带动，被测电机3工作在电动状态，带动负载电机4转动，使负载电机4处于发电状态。负载电机4发的交流电被通过机侧整流器54转换成直流电，输出给检测系统，然后网侧逆变器53将直流电转换成交流电，输出给网侧整流器51，从而使两个电机的耗电和发电形成循环。电网1对功率循环回路的损耗进行补充。
本实施例中，机侧整流器54为通用的三相两电平拓扑，机侧整流器54 的三相交流电流为ia、ib、ic，由整流器控制直流母线电压为udc。在其他实施例中，机侧整流器54也可以为任意的AC/DC变换拓扑。
由于电网1容量小于功率循环回路的容量，功率循环回路在低频处产生负阻尼，使功率循环回路产生低频振荡，振荡可导致系统不能运行至额定功率
为了抑制功率循环回路产生的低频振荡，如图2所示，在机侧整流器54 的有功电流指令前级串联有陷波器，用以在传递路径中阻尼有功电流分量上的电流，形成新的有功电流。机侧整流器54包括电压环控制器和电流环控制器，陷波器串联在电压环控制和电流环控制器之间。
本实施例中，陷波器为1–2ξω0s·N/(s2+2ξω0s+ω0 2)，其中，ω0为陷波器中心频率，ξ为陷波带宽，ξ的范围为0-1，N为陷波深度，N的范围为0-1，s为拉普拉斯变换的算子；ω0＝2πf0，其中，f0的范围为0.5-1.5倍的fr，fr为电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率。本实施例中，陷波带宽ξ为0.4，陷波深度N为0.6，fr为15Hz,f0为15Hz。
没有串联陷波器时，机侧整流器54的电压环控制器输出的有功电流指令为id.Ref.Ori，在电压环控制器输出的有功电流指令id.Ref.Ori后级加入陷波器，陷波器的输出作为有功电流指令id.Ref，id.Ref＝id.Ref.Ori×[1–2ξω0s·N /(s2+2ξω0s+ω0 2)]。
如图2所示，具体的，直流电压采样获得直流母线电压udc，经过电压环控制器得到初始的有功电流指令id.Ref.Ori，再经过陷波器，得到新的有功电流指令id.Ref，作为电流环控制器的输入。此外，三相电流采样获得交流侧电流ia、 ib、ic，并经过abc/dq坐标变换得到同步坐标系下的电流id、iq，经过电流环控制器，得到同步坐标系下的调制波md、mq，经过dq/abc坐标变换得到三相调制波ma、mb、mc，并在调制与驱动模块中与载波比较，生成驱动信号驱动变流拓扑，实现电能变换。
本申请还提供一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法。
如图3所示，一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，包括：
步骤一，如图4和图5所示，绘制初始工况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图，也就是不串联陷波器工况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图6，以及电流与功率的波形图。直流电压环带宽为10Hz，在15Hz处的衰减仅-3dB，结合电流与功率波形图中0.2秒(s)前的状态，三相电流的包络线存在低频振荡，对应的，功率存在15Hz的低频振荡。该振荡可导致系统不能运行至额定功率。
步骤二，从不串联陷波器下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图6中辨识电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率，电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率fr为15Hz。
步骤三，在机侧整流器有功电流指令前级串联如上述的陷波器，串联的陷波器为1–2ξω0s·N/(s2+2ξω0s+ω0 2)，使得在振荡频率15Hz处有显著的衰减。ω0＝2πf0，其中，f0的范围为0.5-1.5倍的fr，陷波带宽ξ的范围为 0-1，陷波深度N的范围为0-1。如图4所示，绘制串联陷波器后的机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图7。
步骤四，调整陷波器的参数，至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的绝对值至为0-1dB。如果两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的绝对值大于1dB，则提高f0或降低直流电压环带宽；调整f0为15Hz，将直流电压环带宽降低为10Hz，得到图4中串联陷波器后的机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图7。两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的绝对值至为0-1dB。
步骤五，测试对拖平台的低频振荡，获得低频振荡的衰减程度；低频振荡的衰减程度到达设计要求，则结束；低频振荡的衰减程度达不到设计要求时，对陷波器的参数进行二段调整，直至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值至要求值，且低频振荡的衰减程度到达设计要求。
先将陷波带宽ξ设置为0.1，陷波深度N设置为0.1时，f0为15Hz，测试后，电机对拖测试平台的低频振荡衰减有限。陷波带宽ξ进一步提升为0.4，陷波深度N提升为0.6时，f0保持不变，得到的闭环传函波特图如图4所示，在fr为15Hz处的衰减由-2.5dB增加至-8dB，满足设计要求，相应的，如图5，在0.2s使能该陷波器后，电机对拖测试平台的15Hz功率振荡得到显著抑制。
抑制电机对拖测试平台的低频振荡，避免了电机轴疲劳失效、变流器故障保护或失效，使得电机对拖测试平台可在容量有限的弱网下全功率运行，尽限测试变流器与电机的各项技术指标。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电机对拖测试平台，包括电网和功率循环回路，所述功率循环回路包括被测电机、负载电机和控制系统，其特征在于，所述控制系统包括与负载电机电连接的机侧整流器，所述机侧整流器的有功电流指令前级串联有陷波器，用以在传递路径中阻尼有功电流分量上的电流。
2.根据权利要求1所述的电机对拖测试平台，其特征在于，所述电网的容量小于功率循环汇率的容量。
3.根据权利要求1所述的电机对拖测试平台，其特征在于，所述机侧整流器包括电压环控制器和电流环控制器，所述陷波器串联在电压环控制和电流环控制器之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电机对拖测试平台，其特征在于，所述陷波器为1–2ξω0s·N/(s2+2ξω0s+ω0 2)，其中，ω0为陷波器中心频率，ξ为陷波带宽，N为陷波深度，s为拉普拉斯变换的算子。
5.一种电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
绘制不串联陷波器工况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；
从初始工况下机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图中辨识电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率；
在机侧整流器有功电流指令前级串联如权利要求4所述的陷波器，绘制串联陷波器后的机侧整流器直流电流扰动到交流电流输出的闭环传递函数波特图；
调整陷波器的参数，至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值至要求值。
6.根据权利要求5所述的电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，ω0＝2πf0，其中，f0的范围为0.5-1.5倍的fr，所述fr为电机对拖测试平台的功率低频振荡的频率，陷波带宽ξ的范围为0-1，陷波深度N的范围为0-1。
7.根据权利要求5所述的电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，调整陷波器的参数的方法为，提高f0或降低直流电压环带宽。
8.根据权利要求5所述的电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，调整陷波器的参数至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的至要求值之后，还包括如下步骤：测试对拖平台的低频振荡，获得低频振荡的衰减程度；
所述低频振荡的衰减程度到达设计要求，则结束；
所述低频振荡的衰减程度达不到设计要求时，对陷波器的参数进行二段调整，直至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值至要求值，且所述低频振荡的衰减程度到达设计要求。
9.根据权利要求8所述的电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，对陷波器的参数进行二段调整的方法为降低f0、提升ξ、提升N中的任一种或多种。
10.根据权利要求5-9所述的电机对拖测试平台的功率振荡抑制方法，其特征在于，调整陷波器的参数，至两个闭环传递函数波特图的谐振尖峰的差值的绝对值至为0-1dB。
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