劉述喜¹，  李  山¹，  蔣紅云²，  葉彬強¹，  李鵬¹，  徐波¹

    （1重慶理工大學電氣工程與自動化系，重慶400050； 2攀鋼集團信息工程技術有限公司，四川攀枝花617000）

    摘要：電力測功機由負載電機及其變頻控制裝置組成，工作在第二象限。針對其再生能量，對比分析了幾種常用的能量處理方式，主要介紹了能量回饋單元的主電路及其控制電路設計，并進行了仿真分析和試驗研究。結果表明，該能量回饋單元結構簡單、控制容易，實現l再生能量的高效率同饋電網。

    關鍵詞：電力測功機；能量回饋；有源逆變

    中圖分類號：TM302文獻標識碼：A文章編號：1673-6140( 2009) 11-0061-05

O  引  言

    測功機是機械傳動試驗臺、發動機及電機性能測試臺等試驗裝置中的核心設備。傳統的電渦流機和水渦輪機是將所吸收的功率以強迫風冷或循環水冷的方式消耗掉，這不僅白白浪費能源，還使得整個設備非常復雜和笨重，動態性能及控制特性電很差，崗位勞動強度大。而電力測功機吸收的功率可以返回到電網或與其他電動裝置形成能量循環，是電渦流機和水渦輪機的理想替代產品^【1-2】。電力測功機目前大都采用直流測功電機，這是因為直流電機的調速性能好，控制簡單，但直流電機由于換向器的影響，不能適用于高速運行，因此在轉速很高的情況下，往往采用機械減速裝置，使系統復雜且噪聲增大。而交流電力測功機由于不存在換向器問題，結構簡單，可靠性高，隨著電力電子技術的發展，交流傳動系統在靜、動態性能上得到了顯著提高，可與直流傳動相媲美^【3-5】。在不久的將來，直流電力測功機將逐漸被淘汰，交流電力測功機將代表其發展方向。

    交流測功機主要由交流電機和變頻器組成，既能工作于電動狀態做拖動用，又能工作在發電狀態做負載用。使用的交流電機主要有繞線式異步電機和籠型異步電機，前者結構稍復雜、價格較貴、****轉速不能太高，一般3000 r/min左右；后者轉子輕、結構簡單、能形成四象限運行、高速性好，在交流測功機應用領域中的前景被看好^【2】。

    電機動態測試系統是常見的電力測功機之一，如圖l所示，被測電機和負載電機同軸相連。同軸相連的兩行電機之間的電磁轉矩有如下

    式(l)是測功機系統建模時要考慮的動力學方程。

    對于采用交直流電壓型逆變器拓撲結構的電力測功機來說，測功電機工作在第二象限即異步發電狀態，由原動機驅動測功電機的轉子運轉，轉子的機械能轉換為電能流向整流器直流側，而一般整流器是由二極管構成的橋式電路，能量無法回饋到電網，只能對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱做泵升電壓。如果泵升電壓過高，會威脅系統的安全，因此必須采取相應的措施。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調速系統中，電容至少要幾千微法），從而大大增加調速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻和開關管組成的泵升電壓限制電路，接在直流母線之問，特能量釋放，如圖2所示。當YT_b導通時，能量消耗在鎮流電阻R_b上。但是該方法有很多缺點：首先由于電阻發熱，環境溫度升高，影響系統的可靠性；其次相應的泵升電阻必須設計得足夠大，功率也相應增大，這對整個系統的可靠性不利；第三，由于制動電阻放電時受電阻設計溫升的限制，只能規定在較短時間的制動；另一方面，這種依靠電阻放電的制動模式無法實現快速的動態響應；而對大功率變頻器，電阻制動更為困難；另外，外加泵升電路將能量消耗在電阻中，能量白口損失掉，末達到節能的目的。因此，將這部分能量回送到電網中很有必要^【4】。

交流測功機既可以工作在電動狀態，做拖動用，又可以工作在發電狀態，做負載用，而且有可能處于連續工作模式，因此通過能耗電阻來抑制直流母線泵升電壓是不現實的。對于采用交直流電壓型逆變器拓撲結構的電力測功機來說，能量回饋方案通常有兩種方式：一是經能量同饋單元逆變送回電網，二是采用公共直流母線供電技術( Common-DC-Bus)形成能量循環。兩種方案可以單獨使用，也可以同時使用，如圖3所示。

    對于被測電機也為交一直一交變頻器驅動方式時，可以采用公用贏流母線技術來處理測功機吸收過來的能量，即驅動和負載都使用交流電機及變頻，瞬臺變頻器的直流回路并聯，共用一套獨立的整流單元（通常采用不可控整流橋，降低系統成本且功率因數較高），保持直流電壓穩定^【6】。這樣一來，負載電機吸收并返回到直流回路的能量正好被驅動電機使用，形成能量循環，有效地提高能量利用率，減少從電網獲取能量：圖3中D₁、D₂分別接于直流母線P、N端，確保能量在直流側經回饋單元到電網方向上的單向流動。c₁、c₂、L₁、L₂分別是直流母線的濾波電容和濾波感。FU為熔斷器，起過流保護作用。

    在檢測原動機（被測電機）的扭矩和功率時，由原動機驅動測功電機（負載電機）的轉子，在所需要的測試轉速范圍內轉動。此時，整流器模塊和逆變器模塊提供任意頻率的無功，并使其頻率對應的轉速（同步轉速）低于測功電機的轉速，形成超同步轉速運行的發電狀態。測功電機所發任意頻率的電功率，經過逆變器模塊整流為直流，再經回饋逆變模塊逆變為與電網同頻率、同相位的交流電^【7-8】。在不能采用公共直流母線的情況下，就必須設置能量回饋單元。能量回饋的目的是將測功機轉子部分能量送回到電網中以保護變頻電源和節能，但對電網不能產生污染，回饋能量的同時還應注意保護組成回饋電路的大功率開關器件。因此，一個完善的能量回饋系統應滿足三個條件：當直流母線電壓高于電網電壓時開始回饋；回饋過程必須與電網同步；回饋電流必須加以限制。能量回饋單元主電路如圖4所示，采用絕緣柵雙極晶體管(ICBT)功率管器件，便于選型，例如智能功率模塊(IPM)，集成了驅動電路及保護電路等，外圍電路設計簡單，也便于以后控制算法的改進。

  P，N分別為直流母線正、負極性，電感L的作用是平衡直流母線和電網電壓之間的壓差，限制回饋電流變化率，以及起濾波作用，數值太大影響系統動態性能，若太小，濾波效果不明顯。

    采用三相不可整流橋及大容量濾波電容，設三相電網電壓波動+ 百分之十五 - -百分之十五 ，則整流后，直流母線上可能出現的****電壓為：

當測功機工作在電動狀態時，整流橋工作，能量回饋單元關閉。當測功機工作在異步發電狀態時，由于二極管整流橋的單向性，直流母線的電壓會超過620 V，整流橋自然關閉，此時能量回饋單元開起，將直流母線的能量逆變回饋電網。逆變時，要考慮回饋電流與電網電壓相位的同步，需使6個功率管的開關動作符合三相交流電網的相位關系，其次，在電網線電壓****時輸出電流，可以使得回饋功率****化。為此，開關管VT₁- VT₆的導通規律如圖5所示。

  從圖5可以看出，將一個周期分成6等分，每隔60度改變一次開關狀態。對于一個管子而言，它連續導通120度，關斷240度。由此，很容易得到滿足同步關系的開關規律：VT₁、VT₆導通VT₁、VT₂導通VT₃、VT₂導邐_VT₃、VT₄導通VT₅、VT₄導通VT₅，VT6導通，如此往復循環。

    開關動作序列與三相交流電網電壓的相位同步，所以電網電壓相位同步信號的獲取十分重要。所謂同步是指線電壓同步，同步信號一般通過同步變壓器獲得，但是應注意同步變壓器的連接組別，若為Y-Y接法，則副邊所得到的三個電壓信號在相位上要比電網電壓滯后30度，為了保證獲得正確的同步信號，同步變壓器需△一Y接法，則副邊將依次獲得三個同步信號u_ab、u_bc、uca根據上述導通規律，對三個同步信號進行適當的邏輯處理，即可獲得6個功率管的驅動信號，并驅動6個功率管，實現能量I司饋的功能。

    電力測功機既可以工作在第一象限，也可以工作在第二象限，能量同饋單元和整流橋的切換取決于直流母線電壓數值的大小，為此，需檢測直流母線電壓。為防止系統在某一點來回切換，則整流與回饋四種狀態之間的切換要留有一個滯環，因此需加一個電壓滯環比較環節。滯環寬度設為△U=20 V。

    在能量回饋過程中，必須注意防止回饋電流過大對電網造成沖擊，因此需對該電流加以限制。可通過霍爾器件對三路電流分別進行監測，當電流超過某一沒定值時，暫時關閉功率管，待電流下降后再打開。同樣，為防止切換震蕩，仍需設置電流滯環比較環節。

測功電機所發任意頻率的電功率，經過逆變器模塊整流為直流，體現為直流母線電壓的泵升，達到一定程度時，再經回饋逆變模塊逆變為與電闊同頻率、同相位的交流電，將能量回饋電網。在MATLAB的Simulink環境下對回饋逆變單元進行了仿真研究，建立的模型如圖6所示。

從圖6可以看出，該模型包括有同步電路、電壓滯環控制器、電流滯環控制囂等環節，直流側能量經逆變單元、再經進線電感接到交流電網。交流側A相電壓、A相電流的仿真波形如圖7所示。從圖7可以看出，相電壓、相電流波形反相，說明能量確實從直流側送到了交流側，并且在相電壓****時回饋能量，這樣效率****。

 

    對上述控制方法的能量回饋單元也進行了試驗研究，主電路采用三菱公司的IPM

PM75 DSA120，控制器采用TI公司的TMS320LF2407A，負載電機逆變器只用了一個事件管理器EVA，另一個事件管理器EVB正好用于能量回饋單元的控制，輸出六路驅動信號。進線電感L=20 mH。試驗波形如圖8所示。對比圖7、8可以看出，試驗波形和仿真波形基本一致，電網電壓與電流相位相反，實現了能量同饋，缺點是電流上升斜率很大，即d_i/d_t很大，對電網沖擊很大，諧波增多。

    應用電力測功機的產品情況極為多樣，品種繁多，針對不同的需求可以有不同的方案。本文分析了電力測功機幾種常用的能量處理方式，介紹了能量回饋單元的設計，可以看出，回饋電流不是正弦波，諧波含量較大，可以通過類似脈寬調制( PWM)整流器的控制方法，使得回饋單元輸出的電流按近正弦波，但控制算法稍復雜一些，這正是下一步的工作重點。