能量回饋式交流電力測功機(jī)加載系統(tǒng)研究（可編輯）

1、能量回饋式交流電力測功機(jī)加載系統(tǒng)研究 能量回饋式交流電力測功機(jī)加載系統(tǒng)研究 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 （專業(yè)學(xué)位） 學(xué)生姓名：聶海龍 指導(dǎo)教師：王明渝 教 授 兼職導(dǎo)師：彭志春 高級工程師 學(xué)位類別：工程碩士（電氣工程領(lǐng)域） 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 二O 一三年五月 Study on energy-feedback power asynchronous Dynamometer loading System A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Profe

2、ssional Degree By Nie Hailong Supervised by Prof. Wang Mingyu Pluralistic Supervised by Peng Zhichun Specialty: Electrical Engineering Field School of Electrical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China. May, 2013 中文摘要 摘 要 測功機(jī)作為一種加載測功設(shè)備，主要是用來檢測各種發(fā)動機(jī)、電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、 齒輪箱等動力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率。隨著交流變頻技術(shù)、測量

3、技術(shù)、電子技 術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使用變頻方案的交流電力測功機(jī)的自動化程度和 精度有了顯著的提升，是目前使用最廣泛的測功機(jī)之一。 本論文根據(jù)交流電力測功機(jī)的基本原理，研究了采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的測 功機(jī)，對使用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制下電機(jī)的電動和發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行了分析，推導(dǎo) 出了電機(jī)在不同負(fù)載下的調(diào)整特性。 通過對變頻器能量回饋方式的比較分析，提出了一種新型的能量回饋式交流 電力測功機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用獨(dú)立二極管整流方式的共直流母線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) 將電動機(jī)能量進(jìn)行回收并回饋直流母線，形成能量封閉的電力測功機(jī)系統(tǒng)。 本論文在理論研究的基礎(chǔ)上搭建了交流電力測功機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，采用直接 轉(zhuǎn)矩控制型變

4、頻器 ACS800 、異步電機(jī)、PC 計算機(jī)和通訊模塊 （RMBA-01 ）組成 交流電力測功機(jī)系統(tǒng)的硬件部分；采用虛擬儀器LabVIEW 軟件編寫人機(jī)交互界面 和控制邏輯的相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)同時控制兩臺變頻器和對電機(jī)運(yùn)行時的參數(shù) 實(shí)時讀??；通過軟件模擬電機(jī)在不同工況下的負(fù)載，同時，軟件系統(tǒng)具有靈活編 程功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要輸入必要的測量參數(shù)，達(dá)到模擬真實(shí)工況的目的。 針對在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的浪涌電壓，提出了能量再生的浪涌抑制方法，該方 法為在電機(jī)電纜旁增加一根并行的同阻抗浪涌抑制電纜，并通過RC 電路的匹配和 緩沖以及二極管的整流作用，將浪涌能量回饋給直流母線實(shí)現(xiàn)能量的再生利用。 在M

5、ATLAB/Simulink 中建立了浪涌抑制單元的仿真模型，并對浪涌抑制效果進(jìn)行 仿真分析。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本論文研究的能量回饋式交流電力測功機(jī)加載系統(tǒng)，具有控 制精度高、響應(yīng)迅速、測試工況多、可靈活編程等特點(diǎn)。測功機(jī)系統(tǒng)通過直流母 線技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量回饋，大大提升了能量利用效率，并可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)長時間損耗 測試和壽命測試。 關(guān)鍵詞： 測功機(jī)，變頻器，虛擬儀器，能量回饋，工況模擬 I 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 II 英文摘要 ABSTRACT As a loading dynamometer device, dynamometer is mainly used to test torque, spe

6、ed and power of various kinds of engine, motor, internal combustion engine, gearbox and other machineries. With the development of ac frequency conversion, measuring, electronics and motor control technology, automation and precision of power asynchronous dynamometer has been significantly improved

7、. It is one of the most widely used dynamometer. In this paper, according to the basic principle of ac electrical dynamometer, studied the dynamometer with direct torque control technology. Analysed the motor and power status under the control of direct torque control technology. Deduced the adjustm

8、ent characteristic of the motor under different loads. Through a comparative analysis of inverter energy feedback, a new energy feedback type of power asynchronous dynamometer system presented. The system, using a common DC bus technology of independent diode rectifier mode, have the function to rea

9、lized the motor power recovered and feedback to DC bus.So that, a closed energy electrical dynamometer system is formed. This paper, on the basis of theoretical researching, built experiment platform of power asynchronous dynamometer system, which use the hardware part of direct torque control inver

10、ter ACS800 , asynchronous motors, PC computer and communication module RMBA-01 . Virtual instrument are used to program the interface and control logic, and make the software control and operate two inverter at the same time. Through the software to simulate the motor in the load under different wor

11、king conditions. At the same time, the software system has flexible programming function. Users can according to the actual need to input the necessary measurement parameters and achieve the purpose of simulating real operating conditions . For surge voltage appears in the course of the experiment ,

12、 renewable energy surge suppression methods have been proposed. The method adds a same impedance restraining cable beside the motor cable. Through the matching of RC circuit, buffer, diode rectifying, the surge energy will back to the DC bus voltage to realize recycling of energy. In the MATLAB/Simu

13、link building model of surge suppression unit was established, and analysis the effect of surge suppression. The experimental results show that energy-feedback power asynchronous III 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 dynamometer loading system has the feathers of high control precision, fast response, enough testing condi

14、tions, flexible programming and so on. Dynamometer system, through the DC bus technical achievd energy feedback, greatly enhance the efficiency of energy using and achieve a long life time and loss testing of motor. Keywords ：Dynamometer, Converter, Virtual instrument, Energy feedback ，The simulatio

15、n of operating mode IV 目 錄 目 錄 中文摘要. I 英文摘要.III 1 緒 論.1 1.1 論文研究的背景與實(shí)際意義.1 .1 1.2 國內(nèi)外測功機(jī)加載技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.2 .3 .3 .4 .4 1.3 測功機(jī)的發(fā)展趨勢.5 1.4 虛擬儀器的特點(diǎn).6 1.5 本文的研究內(nèi)容.7 2 交流電力測功機(jī)的原理分析.9 2.1 引言.9 2.2 測功機(jī)系統(tǒng)的總體構(gòu)成.9 .9 2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理.10 . 11 .12 .14 2.4 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析.14 電動機(jī)狀態(tài).15 .15 2.5 電機(jī)的工作特性分析.16 .17 V 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 . 18

16、 2.6 本章小結(jié). 19 3 交流電力測功機(jī)能量回饋方式研究. 21 3.1 引言. 21 3.2 共用直流均衡母線結(jié)構(gòu). 21 3.3 共用直流回路母線結(jié)構(gòu). 22 3.3.1 單象限不控整流方式. 22 . 24 3.4 能量回饋的實(shí)現(xiàn). 24 . 24 3.5 功率和效率計算. 26 3.6 本章小結(jié). 28 4 測功機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計. 29 4.1 引言. 29 4.2 測功機(jī)系統(tǒng)軟件功能分析. 30 測試數(shù)據(jù)分類. 30 . 31 4.3 測功機(jī)系統(tǒng)軟件分塊設(shè)計. 33 . 35 . 40 4.4 測功機(jī)負(fù)載的工況軟件模擬. 41 . 41 . 43 . 44 4.5 本章小結(jié).

17、45 5 實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題及解決方法. 47 VI 目 錄 5.1 引言.47 5.2 浪涌抑制電路描述.47 5.3 工作原理.48 .50 5.4 RC 電路的參數(shù)選擇.52 5.5 仿真驗(yàn)證.53 .53 5.6 本章小結(jié).54 6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析.55 6.1 引言.55 6.2 空載測試實(shí)驗(yàn).55 6.3 負(fù)載測試實(shí)驗(yàn).55 .58 .60 6.4 能量回饋效率.61 6.5 本章小結(jié).62 7 結(jié)論與展望.63 7.1 論文工作總結(jié).63 7.2 后續(xù)工作展望.64 致 謝.65 參考文獻(xiàn).67 附 錄.71 A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄.71 B. 變頻器參數(shù)詳

18、細(xì)設(shè)置.71 C. 變頻器接線圖.72 D. 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖.73 VII 1 緒 論 1 緒 論 1.1 論文研究的背景與實(shí)際意義 電機(jī)及變速箱不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)得到大量的應(yīng)用，在我們的日常 生活也有著廣泛的應(yīng)用。因此，電機(jī)制造水平的優(yōu)劣，密切關(guān)系到一個國家或地 區(qū)工業(yè)水平的高低，也關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。近年以來，隨著國民 經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)對電機(jī)的需求大量增加，尤其是在家用電器、電動工 具、汽車電機(jī)等方面的需求，并且對電機(jī)的性能和使用壽命提出了越來越高的要 求。 利用測功機(jī)對電機(jī)進(jìn)行測試可以按照 GB755-87 中小型電機(jī)基本技術(shù)要求 1 和GB1032-85

19、三相異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)定 ，對電機(jī)制造過程中的半成 品、出廠前的成品或依賴電機(jī)而組成的配套設(shè)備的電氣性能、安全性能、力學(xué)性 2 能、可靠性和使用壽命等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn) 。通過這些檢驗(yàn)，可以獲得部分或者 全部的反映電機(jī)性能指標(biāo)的各項數(shù)據(jù)；通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，可以明 確的了解檢驗(yàn)的產(chǎn)品是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，了解產(chǎn)品的質(zhì)量等級以及提供工藝改進(jìn) 3 的目標(biāo)和方向 。 目前國外的電力測功機(jī)系統(tǒng)以AVL 公司的 APA 系列、德國 SCHENCK 公 司的HT 、LI 系列、以及日本小野株式會舍等產(chǎn)品為代表，基本實(shí)現(xiàn)了測功機(jī)系統(tǒng) 的自動控制，可以實(shí)現(xiàn)較好的綜合性能，但由于價格昂貴使其應(yīng)用受到了

20、一定的 限制。60 年代開始研究發(fā)動機(jī)檢測技術(shù)；70 年代，我國大力發(fā)展了汽車發(fā)動機(jī)檢 測技術(shù)，開始研究交流電力測功機(jī)。1972 年，天水電氣傳動研究所與天水柴油機(jī) 廠合作，研制了DC21 、DC22 和KJ23 型交流測功機(jī)，由于其低成本高性能得到了 廣泛的應(yīng)用，同時，為我國形成交流測功機(jī)產(chǎn)業(yè)，減少對國外產(chǎn)品的依賴，發(fā)展 民族工業(yè)做出了積極貢獻(xiàn)。但目前國內(nèi)還不能生產(chǎn)出高質(zhì)量的電力測功機(jī)來滿足 高動態(tài)試驗(yàn)臺架試驗(yàn)要求。因此，研制與開發(fā)高性能的電力測功機(jī)是目前測功機(jī) 研究的主要方向。 隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測功機(jī)技 術(shù)也得到了很大進(jìn)步，一種由變頻器控制測量精

21、度高、穩(wěn)定性好以及控制簡單的 4 交流電力測功機(jī)得到大量研究和運(yùn)用 。 將現(xiàn)代交流測功機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)性能測試領(lǐng)域，可以充分發(fā)揮其優(yōu)異的轉(zhuǎn)速 5 和轉(zhuǎn)矩控制特性，以及動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)靈活多樣、高效節(jié)能、可靠性高等特點(diǎn) ； 1 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 其次，作為被測設(shè)備的模擬負(fù)載，可以通過改變測功機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率，從 而改變被測設(shè)備的運(yùn)行狀況，達(dá)到近似模擬正常工況的目的；同時，對被測設(shè)備 的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等多項指標(biāo)進(jìn)行測試，從而確定被測設(shè)備在不同負(fù)荷 6 情況下的性能指標(biāo) 。 對于電機(jī)或者是變速箱，在一些場合需要其工作在恒轉(zhuǎn)速區(qū)，恒轉(zhuǎn)速負(fù)載的特 點(diǎn)是無論負(fù)載的大小是多少，轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在

22、一定范圍內(nèi)，比如起重機(jī)、電梯等； 在一些場合需要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)， 任何轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩總保持恒定值，比如傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)等；還有一些場合 需要工作在恒功率區(qū)，恒功率負(fù)載的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，比如機(jī)床主軸、 軋機(jī)、造紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等。 由于電機(jī)負(fù)載的多樣性，傳統(tǒng)測功機(jī)不能實(shí)現(xiàn)所有負(fù)載的加載測試，而采用虛 擬儀器可以為交流電力測功機(jī)模擬不同的負(fù)載情況，并對電機(jī)的各種工作區(qū)實(shí)現(xiàn) 全面的測試，因此研究基于虛擬儀器的電力測功機(jī)非常必要，具有很廣的工業(yè)應(yīng) 用前景。 1.2 國內(nèi)外測功機(jī)加載技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的測功機(jī)分類方式有很多種，按

23、其對被測設(shè)備發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換方式不同， 可以分為功率吸收型測功機(jī)和功率傳遞型測功機(jī)兩大類。常用的測功機(jī)有：水力 測功機(jī)、電渦流測功機(jī)、磁粉測功機(jī)、磁滯測功機(jī)、直流電力測功機(jī)和交流電力 測功機(jī)。其中水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)、磁粉測功機(jī)和磁滯測功機(jī)都是將吸收 來的被試設(shè)備所發(fā)出的能量轉(zhuǎn)化為熱能消散到空氣中，既會浪費(fèi)大量的能量，也 7 會對環(huán)境造成一定程度的污染 。在封閉、空間狹小或大功率測試情況下時，必須 添加合適的散熱裝備將吸收的熱量快速消散掉。 測功機(jī)最早應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的的性能測試上，下文介紹的測功機(jī)主要針對進(jìn)行電 機(jī)測試，與運(yùn)用在內(nèi)燃機(jī)及變速箱測試的情況類似。下面著重介紹幾種常用的測 功機(jī)及其特

24、點(diǎn)。 水力測功機(jī)由于單位轉(zhuǎn)動慣量的扭矩吸收能力強(qiáng)，一直以來都是作為大功率內(nèi) 燃機(jī)的測試設(shè)備，其工作原理是利用轉(zhuǎn)子在充水的定子中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦阻力以達(dá) 到給被測設(shè)備加載目的，其轉(zhuǎn)矩是通過與可以擺動的外殼相連接的測力設(shè)備完成 8 的 。目前主要有定充量水力測功機(jī)和變充量水力測功機(jī)。 定充量水力測功機(jī)：使其吸收腔內(nèi)的水始終保持在一定壓力范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié) 測功機(jī)的閘套開合位置的大小 即調(diào)節(jié)測功機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的工作面積 來改變負(fù) 載扭矩大小。定充量水力測功機(jī)的穩(wěn)定性很好，但調(diào)節(jié)設(shè)備比較多使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2 1 緒 論 變充量水力測功機(jī)：又稱水渦流測功機(jī)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)出水閥的大小，改變吸功 腔內(nèi)水量，達(dá)到改變

25、其制動扭矩大小的目的 其轉(zhuǎn)子與定子間的工作面積是固定 的 。這類測功機(jī)工作時要求的水壓比定充量水力測功機(jī)高，噪聲相對較大。在轉(zhuǎn) 速高、制動扭矩小的區(qū)段內(nèi)時，變充量水力測功幾乎不能穩(wěn)定工作。 電渦流測功機(jī)的工作原理是利用渦電流效應(yīng)，通過對轉(zhuǎn)子的制動實(shí)現(xiàn)吸收被測 設(shè)備的輸出能量。其主要構(gòu)成是旋轉(zhuǎn)部分的感應(yīng)盤和擺動部分的電樞及勵磁繞組， 當(dāng)給勵磁繞組加上直流電后，在勵磁繞組周圍形成一個閉合的磁通；感應(yīng)盤隨著 原動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，氣隙磁通發(fā)生周期性的變化，在冷卻壁上形成渦流電勢，該渦流 9 與氣隙磁場之間相互作用產(chǎn)生制動性的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到加載的目的 。 電渦流測功機(jī)的特點(diǎn)：低慣量、高精度、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單和維

26、修方便，適 用于自動化程度高的測功場所，并且功率范圍較寬、轉(zhuǎn)速較高、響應(yīng)速度快、測 試工藝比較成熟以及性能可靠，是目前各內(nèi)燃機(jī)制造廠主要使用的測功機(jī)之一。 由于其良好的控制性、可調(diào)性和負(fù)載穩(wěn)定性，電渦流測功機(jī)較適用于發(fā)動機(jī)設(shè)計 開發(fā)和性能試驗(yàn)。傳統(tǒng)的電渦流測功機(jī)控制與測試技術(shù)水平偏低，而且與水力測 功機(jī)一樣，電渦流測功機(jī)只能吸收原動機(jī)的功率，將其全部轉(zhuǎn)化為熱能消耗而不 能回收，測功機(jī)體積雖小，但需要龐大的配套冷卻設(shè)施，不利于環(huán)保和節(jié)能。 磁粉測功機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料做成的，定子與轉(zhuǎn)子之間填充一定量的磁粉。 當(dāng)定子繞組中不通電的時候，沒有負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在，相當(dāng)于被測設(shè)備空載運(yùn)行；當(dāng) 通電時，磁粉與磁

27、粉間、磁粉與轉(zhuǎn)子間形成阻礙轉(zhuǎn)矩，給被測設(shè)備加載。根據(jù)電 磁原理，制動力矩與勵磁電流基本成正比的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)勵磁電流大小就可以 10 達(dá)到改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩的目的 。 磁粉測功機(jī)適用于低速、大扭矩、中小功率的加載測試，如小型電機(jī)或者減速 機(jī)。這是由于磁粉測功機(jī)在低轉(zhuǎn)速工作時，其制動轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性較好。但隨著轉(zhuǎn) 速的升高，磁粉與定轉(zhuǎn)子之間摩擦發(fā)熱就會增加，而且隨著測功機(jī)的溫度升高， 轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性變差，同時轉(zhuǎn)矩也會下降?；谶@樣的原因，磁粉測功機(jī)在使用時要 不斷增加勵磁電流以便獲得較大轉(zhuǎn)矩，而且需要反復(fù)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致有時 無法控制；另外，由于磁粉的老化需要經(jīng)常更換磁粉，使得磁粉測功機(jī)維護(hù)困難， 使用成本增加。 磁滯測功機(jī)是由磁滯制動器、轉(zhuǎn)矩傳感器、光電編碼器等部分組成。磁滯測功 機(jī)的轉(zhuǎn)子采用空心杯磁滯材料 特殊的含稀土材料的金屬材質(zhì) ，其制動器是由帶齒 定子、激磁線圈、支架、底板等組成，轉(zhuǎn)矩測量和轉(zhuǎn)速的測量是由固定在定子上 3 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 的撥叉、安裝在底板上的傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器組成的。被測電機(jī)帶動磁滯制動器 轉(zhuǎn)動，當(dāng)勵磁繞組通電后，其內(nèi)外定子通過轉(zhuǎn)子對被測電機(jī)施加制動轉(zhuǎn)矩完成加 載。在制動器后部的機(jī)座上有應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，由轉(zhuǎn)矩傳感器把轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)換 成電信號，然后根據(jù)電信號的大小顯示出轉(zhuǎn)矩的大小。磁滯測功機(jī)相比磁粉測功 機(jī)壽命長，在測功機(jī)