電力測(cè)功機(jī)工作原理

1、電力測(cè)功機(jī)工作原理:一、測(cè)功機(jī)慨說(shuō):作為動(dòng)力及其傳輸機(jī)械加載試驗(yàn)的最重要設(shè)備,傳統(tǒng)有:水力測(cè)功機(jī)/電渦流測(cè)功機(jī)/磁紛制動(dòng)器/磁滯測(cè)功機(jī)等等(當(dāng)然還有較少應(yīng)用的液壓加載/機(jī)械加載等). 他們都是被動(dòng)式/無(wú)源型/耗能型的,不但浪費(fèi)能源,而且加載特性不好，例如： 水力測(cè)功機(jī)/電渦流測(cè)功機(jī)都是靠水冷卻帶走加載能量,而且只能在較高轉(zhuǎn)速下才能穩(wěn)定加載,低速加載特性不好. 磁紛制動(dòng)器只適合小功率/較低轉(zhuǎn)速下加載. 磁滯測(cè)功機(jī)只適合小扭矩/小功率加載. 機(jī)械加載和液壓加載目前已經(jīng)很少被采用. 電力測(cè)功機(jī)即電回饋加載其加載能量回饋利用,特別是在大功率加載試驗(yàn)和壽命老化試驗(yàn)時(shí),其節(jié)能效果非?？捎^(節(jié)能效果取決于試

2、驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)效率,一般都在70%左右),從而使得試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行成本大大降低.而且因此實(shí)驗(yàn)室的配電容量也可以大大減少,從而其試驗(yàn)臺(tái)投資成本也大大節(jié)約; 電力測(cè)功機(jī)加載特性非常好,無(wú)論是高轉(zhuǎn)速還是低轉(zhuǎn)速(極低轉(zhuǎn)速甚至是零轉(zhuǎn)速下)都能進(jìn)行穩(wěn)定加載,而且其加載穩(wěn)定性是以往任何加載設(shè)備所不能比擬的!(額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩加載,額定轉(zhuǎn)速以上恒功率加載). 電力測(cè)功機(jī)有直流電力測(cè)功機(jī)和交流電力測(cè)功機(jī)之分. 直流電力測(cè)功機(jī)由于直流電機(jī)整流子需要專業(yè)維護(hù),無(wú)法高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),而且逆變器回饋質(zhì)量不好,功率因數(shù)較低,容易引起顛覆故障,特別是在較大功率時(shí).因此現(xiàn)在我們一般不建議采用. 交流電力測(cè)功機(jī)即交流變頻回饋加載,由于是采用

3、了標(biāo)準(zhǔn)的變頻(或侍服)電機(jī)和四象限變頻器設(shè)計(jì)制造,高低轉(zhuǎn)速均可使用,而且其可靠性(免維護(hù)性)非常好;回饋質(zhì)量好(波形畸變好于5%甚至可以做得更好),功率因數(shù)在98%-100%.由于具有以上良好的特性,交流變頻回饋加載的交流測(cè)功機(jī)近年來(lái)由于四象限變頻技術(shù)的成熟二得到了非常廣泛的應(yīng)用. 交流變頻回饋有電源回饋和母線回饋兩種形式.母線回饋形式統(tǒng)一考慮驅(qū)動(dòng)和加載,加載能量通過(guò)內(nèi)部母線驅(qū)動(dòng)逆變器的輸入端,而不回饋電源.對(duì)電源不產(chǎn)生任何影響,電源提供的只是試驗(yàn)臺(tái)損耗部分能量而已.母線回饋形式最適合于類似齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)/車橋試驗(yàn)臺(tái)等傳動(dòng)機(jī)械試驗(yàn).交流變頻回饋控制器本質(zhì)上是一臺(tái)采用矢量控制理論(或DTC直接扭矩

4、控制)設(shè)計(jì)制造的四象限變頻器.下面我們通過(guò)對(duì)矢量控制理論和四象限變頻器的敘述加深對(duì)交流變頻回饋加載(電力測(cè)功機(jī))原理的理解.二 . 矢量控制理論和DTC直接扭矩控制理論簡(jiǎn)介：70 年代西門子工程師F.Blaschke 首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來(lái)解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢

5、量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在80 年代中期，德國(guó)學(xué)者Depenbrock 教授于1985 年提出直接轉(zhuǎn)矩控制，其思路是把電機(jī)和逆變器看成一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過(guò)跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無(wú)需對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，免去矢量變換

6、的復(fù)雜計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（BandBand 控制），把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為

7、解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒(méi)有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 三. 四象限變頻器簡(jiǎn)介:普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化成直流，然后采用IGBT逆變技術(shù)將直流轉(zhuǎn)化成電壓頻率皆可調(diào)整的PWM交流。這種變頻器只能工作在電動(dòng)狀態(tài)，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，所以沒(méi)有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動(dòng)機(jī)要回饋能量的應(yīng)用中，比如電梯，提升，離心機(jī)系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動(dòng)單元。將電動(dòng)機(jī)回饋的能

8、量消耗掉。另外，在一些大功率的應(yīng)用中，二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。IGBT功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運(yùn)算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將電動(dòng)機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到徹底的節(jié)能效果。四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個(gè)IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的諧波。功

9、率因數(shù)高達(dá)99%。消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。此時(shí)能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限。輸入電壓和輸入電流的波形如圖2所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變側(cè)的IGBT回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過(guò)一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過(guò)控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。此時(shí)能量由電機(jī)通過(guò)逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng)。變頻器工作在二、四象限。輸入電抗器的主要功能是電流濾波?；仞侂娏骱碗娋W(wǎng)電壓波形如圖3所示： 整流部分系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示。如圖4所示，系統(tǒng)的給定是直流母線電壓指令，這個(gè)指令與直流母線電壓反

10、饋的誤差送到電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)與三相輸入正弦波的乘積成為三相電流的指令，三相電流指令與各自電流所饋?zhàn)鞅容^，誤差送到電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出可以通過(guò)載波調(diào)制產(chǎn)生各相IGBT的PWM控制信號(hào)，也可以通過(guò)空間矢量的方式產(chǎn)生PWM信號(hào)控制IGBT。上述的運(yùn)算都是通過(guò)DSP完成的。四象限變頻器的典型應(yīng)用是具有位勢(shì)負(fù)載特性的場(chǎng)合，倒如掉升機(jī)，機(jī)車牽引，油田磕頭機(jī)，離心機(jī)等。以提升機(jī)的應(yīng)用為倒，當(dāng)提升重物時(shí)，四象限變頻器拖動(dòng)電機(jī)克服重力做工，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)下放重物時(shí)，逆變側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，重力牽引電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能通過(guò)整流側(cè)回饋的電網(wǎng)。特別

11、是在加載試驗(yàn)臺(tái)上,四象限變頻器的成功應(yīng)用使得在以前由于價(jià)格昂貴/可靠性欠佳而很少能夠被用戶采用的電力測(cè)功機(jī)得到了迅速的普及和應(yīng)用.采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運(yùn)行的功能，能滿足各種位勢(shì)負(fù)載的調(diào)速要求，可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達(dá)到最大限度的節(jié)能的目的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數(shù)可接近于1，是一種真正的“綠色”變頻器。四. 四象限變頻器在電力測(cè)功機(jī)上的應(yīng)用:四象限變頻器應(yīng)用于電力測(cè)功機(jī),作為加載(扭矩)控制和能量回饋的控制器具有以下無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn):1. 加載特性好:由于采用四象限變頻器作為加載控制器,測(cè)功機(jī)成為了一種主動(dòng)型/有源型負(fù)載(而非類似電渦流測(cè)功

12、機(jī)等那樣的被動(dòng)型/無(wú)源型),從而使得測(cè)功機(jī)高低轉(zhuǎn)速,甚至在極低的轉(zhuǎn)速下都能夠穩(wěn)定的進(jìn)行加載(額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩加載特性,額定轉(zhuǎn)速以上恒功率特性). 圖5 電力測(cè)功機(jī)扭矩/功率-轉(zhuǎn)速特性圖 (以225KW/額定轉(zhuǎn)速4800rpm電機(jī)為例)2. 由于具有四象限運(yùn)行特性(如圖5),測(cè)功機(jī)可以在電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī),正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn),正向加載/反向加載之間任意切換,從而使得我們可以在試驗(yàn)臺(tái)上模擬任意的實(shí)際工況運(yùn)行,例如前進(jìn)/后退,上坡/下坡,加速/制動(dòng)等等. 圖5 變頻器四象限T-n運(yùn)行圖解3. 節(jié)能:加載能量回饋利用,電源只是提供試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗而已,這對(duì)于壽命試驗(yàn)/老化試驗(yàn)來(lái)說(shuō),有非常大的節(jié)能效果.特別是

13、采用母線回饋加載的形式,在運(yùn)行成本和配電投資成本方面都有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).4. 由于能量回饋利用,測(cè)功機(jī)本身只是消耗很少的損耗能量,因此一般的情況下,無(wú)需采用類似電渦流那樣的水冷卻系統(tǒng),從而使得試驗(yàn)臺(tái)的輔助配置系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化.其它,在可靠性/操作方便性等等方面也是其它加載方式無(wú)可比擬的.由于交流變頻回饋加載技術(shù)和產(chǎn)品的完善和成熟,近年來(lái)電力測(cè)功機(jī)得到了迅速的普及和應(yīng)用,例如上海林瑤的DLY系列交流電力測(cè)功機(jī)在國(guó)內(nèi)眾多汽車/工程機(jī)械/煤機(jī)/變速箱(齒輪箱)/電機(jī)(異步.變頻.永磁同步.侍服.直流無(wú)刷.開關(guān)磁阻,曳引機(jī)等等)等領(lǐng)域得到了成功的普遍的利用.下面為DLY系列交流變頻回饋加載電力測(cè)功機(jī)主要品

14、種型號(hào)規(guī)格:DLY交流變頻回饋加載電力測(cè)功機(jī)主要品種型號(hào)規(guī)格表:型號(hào)額定吸收功率kW額定扭矩N.m額定扭矩轉(zhuǎn)速r/min最高轉(zhuǎn)速r/minJKgm2扭矩傳感器DLY 33190-150060000.002JY或HBMDLY55310-150060000.008JY或HBMJLDL 1010630-150060000.03JY或HBMDLY 1515950-150060000.092JY或HBMDLY 30301910-150060000.262JY或HBMJLDL 37372350-150060000.406JY或HBMDLY 45452860-150060000.469JY或HBMDLY 75754700-150060001.12JY或HBMDLY 1101107000-150060001.65JY或HBMDLY 1321328400-150060001.88JY或HBMDLY 16016010000-150045002.23.JY或HBMDLY 20020012700-150045002.7JY或HBMDLY 25025016000-150040003.6JY或HBMDLY 31531520200-150030004.4JY或H