双直流母线结构四象限电机测功机
技术领域
本实用新型涉及一种电机测功机,尤其涉及一种双直流母线结构四象限电机测功机。
背景技术
请参见图1所示,目前一种现有技术直流并网四象限测功机由AC/DC电源1、负载电机控制器2、负载电机3、被测电机控制器4、被测电机5、力矩传感器6及储能电容C组成;AC/DC电源1的三相交流电的输入端与三相交流电源连接,AC/DC电源1的直流电压输出端通过直流母线11分别与被测电机控制器4和负载电机控制器2的直流电压端并接,被测电机控制器4和负载电机控制器2的交流电压端分别与被测电机5、负载电机3的三相电源端连接,被测电机5的输出轴和负载电机3输出轴分别与力矩传感器6的主轴两端连接,储能电容C的正负端分别与AC/DC电源1的直流电源的正负端连接。被测电机控制器4和负载电机控制器2分别采用现有技术的逆变器,该逆变器的作用是将输入的直流电压转变为三相交流电输出。
在上述的现有技术直流并网四象限测功机中负载电机和被测电机的逆变器共用一个直流母线,当被测电机作正向(或反向)电动运行时,能量流向为:直流母线输出直流电至被测电机控制器→通过被测电机控制器输出三相交流电给被测电机→被测电机的输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动负载电机转动输出电能→通过负载电机控制器→电能输入直流母线;当被测电机正向(或反向)发电运行时,能量流与上述流向相反为:直流母线输出直流电至负载电机控制器→通过负载电机控制器输出三相交流电给负载电机→负载电机输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动被测电机转动输出电能→通过被测电机控制器→电能输入直流母线。能量在直流母线上实现闭环。从能量守恒角度来说,交流电网只需要向测功机提供损耗的能量,而不需要接受测功机反馈能量。由于AC/DC电源的额定功率仅为负载电机和被测电机额定功率总功率的一小部分,一般为10%左右,因此,现有技术直流并网四象限测功机中的电机控制系统的效率可达80%以上,但现有技术直流并网四象限测功机也有如下缺陷:
1.现有技术直流并网四象限测功机由于负载电机逆变器和被测电机逆变器共用同一个直流母线,因此使系统使用的直流电压范围窄。直流母线电压的下限受负载电机逆变器的额定限制,电压过低造成负载电机工作电流增加,电机的性能下降,达不到额定功率和力矩;直流母线电压的上限受被测电机的功率开关器件和电容及电机的电压等级限制也不能与额定值相差太多。
2.采用现有技术直流并网四象限测功机对不同电压等级的电机进行测试,只能通过更换该测功机的负载电机和电机控制器方式,以适应不同电压等级的电机电压要求,同时也要更换AC/DC电源,用于提高功率器件的电压等级或电流等级,使得测功机系统成本提高,使用也十分不便。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种改进的双直流母线结构四象限电机测功机,通过串接在负载电机的直流母线和被测电机的直流母线之间的双向DC/DC直流变换单元,实现直流并网,能量循环;并可通过调节AC/DC电源,使双向DC/DC直流变换单元输出的电压连续可调,从而可测量电机在不同电压条件的性能,有效的提高电机测功机的效率和电压检测范围;该机中设有的电流分流电路,实现母线过电压时电流泄放,防止母线过压,保护各电器件,提高整机使用寿命。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:双直流母线结构四象限电机测功机,包括:连接三相交流电路的AC/DC电源、负载电机控制器、负载电机、被测电机控制器、被测电机、力矩传感器及储能电容C;所述的被测电机控制器的交流电压端与被测电机的三相交流电压端连接,所述的负载电机控制器的交流电压端分别与负载电机的三相交流电压端连接,所述的被测电机的输出轴和负载电机的输出轴分别与力矩传感器的主轴两端连接;其特点是,所述的储能电容C包括储能电容Ca和储能电容Cb;还包括一双向DC/DC直流变换单元及电流分流电路;
所述的双向DC/DC直流变换单元的一正端与AC/DC电源的直流电压正端和负载电机控制器的直流电压正端及储能电容Ca的正端并接,双向DC/DC直流变换单元的另一正端与被测电机控制器直流电压正端和储能电容Cb的正端并接;
所述的电流分流电路的一端与储能电容Ca正端、AC/DC电源正端、双向DC/DC直流变换单元的正端及负载电机控制器的正端并接,其另一端与储能电容Ca的负端、双向DC/DC直流变换单元的负端、负载电机控制器的负端及被测电机控制器的负端并接。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的被测电机控制器包含被测电机母线和逆变器;所述的负载电机控制器包含负载电机母线和逆变器;被测电机母线和负载电机母线通过双向DC/DC直流变换单元双向连接,构成直流并网,进行能量循环。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的双向DC/DC直流变换单元由直流电抗器L、无源二极管D1和D2及功率开关K1和K2组成;所述的直流电抗器L的一端为低压输入/输出正极端,另一端与功率开关K1和功率开关K2的接点及无源二极管D1的正端、无源二极管D2的负端并接;所述的功率开关K1的另一端与无源二极管D1的负端连接,该端为高压输入/输出正极端;所述的功率开关K2的另一端与无源二极管D1的正端连接,该端为高压输入/输出负端和低压输入/输出负端。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的双向DC/DC直流变换单元的高压输入/输出端的电压值可等于或高于低电压输入/输出端电压。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的电流分流电路由泄放电阻R与泄放开关K3组成;所述的泄放电阻R的一端与储能电容Ca的正端连接,泄放电阻R的另一端与泄放开关K3的控制端连接,泄放开关K3的另一端与双向DC/DC直流变换单元的负端连接。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的储能电容Ca的正端与双向DC/DC直流变换单元的一正端、AC/DC电源的直流电压正端及负载电机控制器的直流电压正端并接,储能电容Ca的正端与泄放电阻R的一端连接。
上述的双直流母线结构四象限电机测功机,其中,所述的储能电容Cb正端与双向DC/DC直流变换单元的另一正端和被测电机控制器直流电压正端并接,储能电容Cb负端与双向DC/DC直流变换单元的负端连接。
本实用新型由于采用了上述的技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:
1.本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机由于采用了上述的技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:
2.本实用新型由于在直流母线中串接一双向DC/DC直流变换单元,把负载电机的直流母线和被测电机的直流母线分离,可通过调节AC/DC电源使负载电机的直流母线上电压适合负载电机,以获得负载电机和逆变器的最佳电压运行状态,双向DC/DC直流变换单元与被测电机直流母线相连的一端电压随AC/DC电源输出的电压变化。
3.本实用新型由于设有DC/DC直流变换单元,在被测电机侧,电压连续可调,可根据不同电压等级的电机,调节电压在被测电机控制器的上下限或额定值,这样可测量电机在不同电压条件的性能,从而提高测功机系统的使用效率和应用范围,使用更灵活。
4.本实用新型由于电压使用范围提高,可不用更换负载电机和AC/DC电源,测量不同电压等级的电机,节约了成本,提高了测功机的性价比。
5.本实用新型由于可通过双向DC/DC直流变换单元把负载电机的直流母线和被测电机的直流母线相连接,实现能量循环,提高供电效率,不会对电网造成污染。
6.本实用新型中由于设有电流分流电路,通过泄放电阻R释放电能,使母线上的电压不会继续升高,始终处于储能电容Ca、功率开关的允许电压上限之下,以保护各器件。
7.本实用新型测功机结构简单,体积小,价格便宜。
附图说明
图1是现有技术电机测功机电路原理图。
图2是本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机电路原理图。
图3是本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机中的双向DC/DC直流变换单元电路原理图。
图4是本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机实施应用电路原理图。
具体实施方式
请参见图2所示,双直流母线结构四象限电机测功机,包括:连接三相交流电路A、B、C的AC/DC电源1、被测电机控制器4、被测电机5、负载电机控制器2、负载电机3、力矩传感器6、双向DC/DC直流变换单元7、电流分流电路8及储能电容Ca和储能电容Cb。被测电机控制器4包含被测电机母线41和逆变器42;负载电机控制器2包含负载电机母线21和逆变器22;被测电机母线41和负载电机母线21通过双向DC/DC直流变换单元7双向连接,构成直流并网,进行能量循环。
双向DC/DC直流变换单元7的一正端与AC/DC电源1的直流电压正端和储能电容Ca的正端及负载电机控制器2的逆变器22直流电压正端并接,双向DC/DC直流变换单元7的另一正端与储能电容Cb正端和被测电机控制器4的逆变器42直流电压正端并接;负载电机控制器2的交流电压端分别与负载电机3的三相交流电压端连接,被测电机控制器4的交流电压端与被测电机5的三相交流电压端连接;被测电机5的输出轴和负载电机3的输出轴分别与力矩传感器6的主轴两端连接。
电流分流电路8的一端与储能电容Ca正端、AC/DC电源1的正端、双向DC/DC直流变换单元7的正端及负载电机控制器2的正端并接,其另一端与储能电容Ca的负端、双向DC/DC直流变换单元7的负端、负载电机控制器2的负端及被测电机控制器4的负端并接。
在该实施例中,电流分流电路8由泄放电阻R与泄放开关K3组成;泄放电阻R的一端与储能电容Ca的正端、AC/DC电源1的正端、双向DC/DC直流变换单元7的正端及负载电机控制器2的正端并接,泄放电阻R的另一端与泄放开关K3的控制端连接,泄放开关K3的另一端与双向DC/DC直流变换单元7的负端、储能电容Ca的负端及被测电机控制器4的负端及负载电机控制器2的负端并接。
本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机的电路原理是:当被测电机在双直流母线结构四象限电机测功机中作正向(或反向)电动运行时,能量流向为:双向DC/DC直流变换单元与被测电机端直流母线相连接端口输出直流电至被测电机控制器→通过被测电机控制器输出三相交流电给被测电机→被测电机的输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动负载电机转动输出电能→通过负载电机控制器→电能输入负载电机直流母线→通过双向DC/DC直流变换单元→输入被测电机端直流母线;当被测电机正向(或反向)发电运行时,能量流与上述流向相反为:负载电机端直流母线输出直流电至负载电机控制器→通过负载电机控制器输出三相交流电给负载电机→负载电机输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动被测电机转动输出电能→通过被测电机控制器→电能输入被测电机直流母线→通过双向DC/DC直流变换单元→电能再输入负载电机端直流母线;能量通过双向DC\DC直流变换单元直流闭环,实现直流并网。当被测电机和负载电机减速时,两电机的动能转化成电能,此能量一部分储存到负载端储能电容Ca中,同时使负载端母线电压上升,如果负载端母线电压上升到能量泄放门槛值,则泄放开关K3闭合,通过泄放电阻R释放电能,使母线上的电压不会继续升高,始终处于储能电容Ca、功率开关的允许电压上限之下,以保护各器件。
请参见图3所示,在双直流母线结构四象限电机测功机中的双向DC/DC直流变换单元由直流电抗器L、无源二极管D1和D2及功率开关K1和K2组成;直流电抗器L的一端为低压输入/输出正极端A,另一端与功率开关K1和功率开关K2的接点及无源二极管D1的正端、无源二极管D2的负端并接;功率开关K1的另一端与无源二极管D1的负端连接,该端为高压输入/输出正极端B;功率开关K2的另一端与无源二极管D1的正端连接,该端为高压输入/输出负端和低压输入/输出负端C。
在双直流母线结构四象限电机测功机中,双向DC/DC直流变换单元的低压输入/输出端和高电压输入/输出端电压根据需要其任意一端电压连续可调,同时另一端电压随外部电源电压变化;高电压输入/输出端电压值可等于或高于低压输入/输出端电压,当被测电机的电压等级高于负载电机时,被测电机(机)控制器电路连接双向DC/DC直流变换单元的高压输入/输出端,负载电机控制器和AC/DC电路连接双向DC/DC直流变换单元的低压输入/输出端;反之当被测电机的电压等级低于负载电机时,被测电机机控制器电路连接双向DC/DC直流变换单元的低压输入/输出端,负载电机控制器和AC/DC电路连接双向DC/DC直流变换单元的高压输入/输出端。
请参见图4所示,这是本实用新型双直流母线结构四象限电机测功机的多组机组连接应用电路原理图,多组机组双直流母线结构四象限电机测功机能同时测量多个被测电机。
在该实施例中,是设有两个机组的双直流母线结构四象限电机测功机,该机包括:连接三相交流电路的AC/DC电源1,第一组的被测电机控制器4-1、被测电机5-1、负载电机控制器2-1、负载电机3-1、力矩传感器6-1,第二组的被测电机控制器4-2、被测电机5-2、负载电机控制器2-2、负载电机3-2、力矩传感器6-2,双向DC/DC直流变换单元7,电流分流电路8及储能电容Ca和储能电容Cb。被测电机控制器4-1、4-2分别包含被测电机母线41-1、41-2和逆变器42-1、42-2;负载电机控制器2-1、2-2分别包含负载电机母线21-1、21-2和逆变器22-1、22-2;被测电机母线41-1、41-2和负载电机母线21-1、21-2通过双向DC/DC直流变换单元7双向连接,构成直流并网,进行能量循环。
双向DC/DC直流变换单元7的一端与AC/DC电源1的直流电压正端、储能电容Ca的正端、第一组的负载电机控制器2-1的逆变器22-1直流电压正端及第二组的负载电机控制器2-2的逆变器22-2直流电压正端并接,双向DC/DC直流变换单元7的另一端与储能电容Cb正端、第一组的被测电机控制器4-1的逆变器42-1直流电压正端及第二组的被测电机控制器4-2的逆变器42-2的直流电压正端并接;第一组和第二组的负载电机控制器2-1、2-2的交流电压端分别与负载电机3-1、3-2的三相交流电压端连接,第一组和第二组的被测电机控制器4-1、4-2的交流电压端分别与被测电机5-1、5-2的三相交流电压端连接;第一组和第二组的被测电机5-1、5-2的输出轴和负载电机3-1、3-2的输出轴分别与力矩传感器6-1、6-2的主轴两端连接。
电流分流电路8由泄放电阻R与泄放开关K3组成;泄放电阻R的一端与储能电容Ca的正端连接,泄放电阻R的另一端与泄放开关K3的控制端连接,泄放开关K3的另一端与双向DC/DC直流变换单元的负端、第一组和第二组的被测电机控制器4-1和4-2及负载电机控制器2-1、2-2的负端及储能电容Ca负端并接。
当两个被测电机安置在该多机组的双直流母线结构四象限电机测功机中进行检测,交流电网电能通过AC/DC电源转换成直流电能,AC/DC电源的直流输出端与两个负载电机控制器、储能电容Ca、双向DC/DC直流变换单元的一直流电压端连接形成负载端直流母线,其电压标称值为300v;两被测电机控制器,储能电容Cb,双向DC/DC直流变换单元7的另一直流电压端连接形成被测端直流母线,电压范为300-650v,负载端母线和被测端母线通过双向DC/DC直流变换单元连接,实现能量循环。两套负载电机和被测电机具备四象限运行的功能。两被测电机作正向(或反向)电动运行时,能量流向为:双向DC/DC直流变换单元的被测端直流母线输出直流电至被测电机控制器→通过被测电机控制器输出三相交流电给被测电机→被测电机的输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动负载电机转动输出电能→通过负载电机控制器→电能通过负载端直流母线→输入双向DC/DC直流变换单元→再输入被测端直流母线,双向DC/DC直流变换单元上流过的能量为两台被测电机能量之和;当被测电机正向(或反向)发电运行时,能量流与上述流向相反为:双向DC/DC直流变换单元的负载端直流母线输出直流电至负载电机控制器→通过负载电机控制器输出三相交流电给负载电机→负载电机输出轴转动→带动力矩传感器主轴转动→带动被测电机转动输出电能→通过被测电机控制器→电能通过被测端直流母线→输入双向DC/DC直流变换单元→再输入负载端直流母线,双向DC/DC直流变换单元上流过的能量为两台负载电机能量之和;能量通过双向DC\DC直流变换单元在直流侧实现闭环,实现“直流并网”。当两被测电机分别作正向(或反向)电动运行和发电运行时,双向DC/DC直流变换单元上流过的能量为两台被测电机能量之差,其能量之差可为电动和发电,能量流直接通过两直流母线实现闭环,不通过交流电网实现闭环,从能量守恒角度来说,交流电网只需要向测功机提供损耗的能量,而不需要接受测功机反馈能量。由于AC/DC电源的额定功率仅为负载电机和被测电机额定功率总功率的一小部分,一般为10%左右,所以电机控制系统本身的效率可达80%,甚至更高。
当被测电机和负载电机减速时,两电机的动能转化成电能,此能量一部分储存到负载端储能电容Ca中,同时使负载端母线电压上升,如果负载端母线电压上升到能量泄放门槛值,则泄放开关K3闭合,通过泄放电阻R释放电能,使母线上的电压不会继续升高,始终处于储能电容Ca、功率开关的允许电压上限之下,以保护多机组中各器件。
请配合参见图3所示,在本实用新型中采用的双向DC/DC直流变换单元7是由直流电抗器L及两个功率开关K1、K2和两个无源二极管构成;如果负载电机电压等级比被测电机电压等级低,则把双向DC/DC直流变换单元的高电压输入/输出端电路连接到被测电机端母线,双向DC/DC直流变换单元低电压输入/输出端与负载电机端母线电路连接。采用该种结构的双向DC/DC直流变换单元的高电压输入/输出端的电压值可等于或高于低电压输入/输出端电压。该双向DC/DC直流变换单元属于降压/升压变换类型,能将负载电机端直流母线电压转换成高于该电压的被测电机端直流母线电压,并可将被测端直流母线电压调整到测试要求的值,比如:被测电机逆变器的最高工作电压,额定工作电压,最小工作电压;该双向DC/DC直流变换单元可以实现双向能量流控制,两被测电机能量通过被测端总线实现并网循环,把它们看成一个单元,当总的机械能输出为电动时,双向DC/DC直流变换单元把负载单元电能输送到被测电机单元,通过被测电机逆变器和电机转换成电动机械能;相反,被测电机单元总的机械能输出为发电时,双向DC/DC直流变换单元把被测端电机单元发出的电能经过降压送到负载端直流母线,提供负载电机单元电动所需的电能。在本实施例中,被测端直流母线可选650V(电机逆变器工作的上限),可测量被测电机系统的电压上限时的系统性能,也可选300V(电机逆变器工作电压的下限),测量被测电机系统的电压下限时的系统性能。
综上所述,本实用新型由于在直流母线中串接一双向DC/DC直流变换单元,把负载电机的直流母线和被测电机的直流母线分离,可通过调节AC/DC电源的电压使负载电机的直流母线电压保证负载电机工作在最佳状态;由于被测电机的直流母线电压连续可调,可根据不同电压等级的被测电机,调节电压在被测电机控制器的上下限或额定值,这样可测量电机在不同电压条件的性能,从而提高测功机系统的使用效率和应用范围,使用更灵活;由于电压使用范围提高,可测量不同电压等级的电机,而不用更换负载电机和AC/DC系统,节约了成本,提高了测功机的性价比;同时通过双向DC/DC直流变换单元把负载电机的直流母线和被测电机的直流母线相连接,实现能量循环,提高供电效率,不会对电网造成污染;本实用新型中的电流分流电路,通过泄放电阻R释放电能,使母线上的电压不会升高到功率开关的允许电压上限,能有效保护各器件;本实用新型测功机结构简单,体积小,价格便宜。