模擬直流電機電力電子負載的設計與研究

1、目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究背景11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 研究主要內(nèi)容及意義2第2章 理論基礎42.1 電源老化實驗42.2 電力電子負載42.3 直流電動機特性分析52.3.1 直流電機簡介52.3.2 直流電機的動態(tài)數(shù)學模型6第3章 模擬直流電機的PEL系統(tǒng)硬件設計93.1模擬直流電機的PEL系統(tǒng)設計原則93.2 模擬直流電機的PEL系統(tǒng)硬件平臺設計103.3 模擬直流電機的PEL主電路設計113.3.1 模擬直流電機的PEL主電路拓撲設計113.3.2 模擬直流電機的PEL主電路參數(shù)設計133.4模擬直流電機的PEL采樣電路的設計143.5 模擬直流

2、電機的PEL驅(qū)動電路的設計163.6 模擬直流電機的PEL控制電路的設計173.6.1 概述173.6.2 控制電路設計18第4章 模擬直流電機的PEL仿真實驗204.1 SIMULINK軟件介紹204.2 模擬直流電機的PEL建模與仿真204.2.1 電機計算204.2.2 模擬直流電機的PEL建模224.2.3 波形驗證24結(jié) 論26參考文獻27附錄28致 謝29摘 要電源在出廠前都要進行放電實驗，傳統(tǒng)的實驗中能量都能被完全消耗掉。具有能量回饋功能的電力電子負載可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的負載對電源進行放電實驗，實現(xiàn)能量的再生利用電力傳動系統(tǒng)中，對電機控制裝置的測試一般采用由電機及機械負載等構(gòu)成的測試平

3、臺，文中提出利用電力電子變換器模擬電機工作特性從而取代上述測試平臺的方案，用于電機控制裝置的考核測試，構(gòu)造了基于精確電機模型的在線電機仿真器，用于實時計算電樞電流、轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩等電機狀態(tài)量，將背靠背型雙PWM變換器應用于直流電機模擬器，分析了其模擬直流電機四象限運行的工作原理。仿真結(jié)果驗證了電機仿真器的在線計算值與電機實際運行時的狀態(tài)量基本一致，然后驗證了電機模擬器的實際模擬效果，從而證明了電機模擬器的有效性和可行性。關(guān)鍵詞：電機特性模擬；電力電子負載；直流電機模擬器；背靠背雙PWM整流器 AbstractPower source should be carried out discharg

4、e test before leaving the factory. The energy have been fully consumed in the traditional energy experiment, with the energy feedback function of the power electronic load can replace traditional load in the power source discharge test to achieve energy recycling.In the power drag system, the test o

5、f driving device needs a complex load system formed by rotating motor and mechanical load. In this paper, a system of simulating DC motor and its load with power electronic converter is proposed, which can be used in the acceptance test of motor driving system. The systematic principle is derived, b

6、ased on state equation of DC motor, on the base of Boost convertor, a novel main circuit is put forward. In order to compare ,a simulating platform is established. The simulation results verify the feasibility of motor simulator.Keywords: Simulating of Motor Characteristic ； Electronic Load ； DC Mot

7、or Simulator； Dual PWM Converter II武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論1.1 研究背景在電氣與信息化高度發(fā)達的今天，隨著電子設備以及供電技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電源廣泛應用于能源、化工、交通、軍事等各行各業(yè)，在我們的日常生活中廣泛使用的計算機等各種電器設備上都能經(jīng)常見到它們的身影，電源已經(jīng)成為人們生產(chǎn)、生活中必不可少的部分，電源的損壞將直接造成應用機器停止正常工作，進而影響生產(chǎn)、生活的正常運作，給國民經(jīng)濟和生活帶來巨大的損失。正因為電源設備的重要性，國際、國內(nèi)、行業(yè)內(nèi)都相應制訂了各種電源標準來嚴格考核電源產(chǎn)品質(zhì)量，各種電源產(chǎn)品在出廠前都要進行十幾甚至幾十個小

8、時的試驗。如老化試驗、輸出特性試驗等，以檢驗其技術(shù)指標和性能，保證出廠電源的優(yōu)良品質(zhì)。傳統(tǒng)的電源試驗方法是采用電阻等能耗型元件作為負載，電能被無謂地消耗為熱能，這樣對能源造成很大的浪費。此外，不同等級的電源設備需要不同負載進行帶載試驗，不僅需要大量的負載器件，同時需要耗用大量的人工對這些器件進行管理，所以這種直接測試的方式存在較大的弊端：（1）電阻功率較小，在長時間大電流試驗環(huán)境下容易造成電阻老化和燒損（2）試驗的電能全部消耗在電阻上，造成能源的巨大浪費，且電能轉(zhuǎn)化成熱能還需要對負載進行散熱措施，既不節(jié)能也不環(huán)保。（3）負載只能采用有極調(diào)節(jié)，具有固定組織或固定負載特性曲線，很難適應連續(xù)變化或阻

9、值取值點較密的試驗場合。如果考慮采用電力電子元器件構(gòu)成能饋式電源設備綜合測試平臺進行相應的試驗則可以很好地解決這些問題，不僅測試設定簡單，而且可以大量地節(jié)省測試時消耗的電能，是一種使用、高效的方案。隨著工業(yè)的發(fā)展，對環(huán)境保護和能源利用效率要求的提高，對“綠色”測試方式的要求變得日益緊迫，國內(nèi)外學者就此進行了廣泛的研究，并取得了一定的研究成果。由于能量回饋型電力電子負載具有顯著的節(jié)能效果、控制靈活方便，有著廣泛的應用前景，它的廣泛應用能大大提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平，非常符合我國的技能減排政策，一方面本文研究的電力電子負載能滿足測試目的，另一方面，并網(wǎng)變換器將吸收的電能以高功率因數(shù)穩(wěn)定地饋回電網(wǎng)，

10、從而節(jié)約了大量的電能，整體來說，系統(tǒng)運行穩(wěn)定節(jié)能效果顯著，因此電力電子負載的研究具有較強的實際意義和深遠價值。從長遠來看，可以將電力電子負載應用于電力系統(tǒng)動模仿真實驗中，將多個電力電子負載進行矩陣式聯(lián)接，安裝于動態(tài)模擬實驗室中，根據(jù)中央主控計算機命令，電力電子負載可以模擬各個負載節(jié)點的穩(wěn)態(tài)情況，從而進行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真；還可以根據(jù)不同要求，改變所模擬負荷參數(shù)，從而改變系統(tǒng)潮流分布，設置根據(jù)日負荷曲線、月負荷曲線、年負荷曲線分析電網(wǎng)能源的分布狀況和對電網(wǎng)的相關(guān)影響，方便進行相關(guān)潮流調(diào)度，它可以作為對電力系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)的有利補充。還有學者提出采用電力電子負載模擬系統(tǒng)異步電動機特性，形成一個更接

11、近實際系統(tǒng)負荷狀況的動態(tài)模擬系統(tǒng)，方便進行各項電力系統(tǒng)動模實驗。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上個世紀九十年代起，國內(nèi)外有很多學者、工程師就開始研究電力電子負載，并發(fā)表了很多學術(shù)文章。目前各類直流電力電子負載都主要運用高頻變換器技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)電能的回饋。直流電力電子負載的研究已經(jīng)比較成熟，也有一些成熟的產(chǎn)品，并且開始在電源的使用中獲得了應用，如北京索英電氣有限公司的節(jié)能回饋式直流電子負載、美國艾德克斯電子公司的電能反饋型電子負載等。而交流電力電子負載特別是大功率電能回饋型電力電子負載目前仍然是一個研究的熱門領域。國內(nèi)關(guān)于此類負載的文獻資料還是比較少，目前也沒有非常成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。大部分的文獻資料

12、對交流能量電力電子負載拓撲結(jié)構(gòu)的研究，都是采用基于電壓源型變流器作為能量回饋型單相交流電力電子負載的輸入模擬變換器和并網(wǎng)變換器1電力電子負載結(jié)構(gòu)背靠背H橋構(gòu)成23，負荷側(cè)和并網(wǎng)側(cè)都由H橋構(gòu)成?？刂品绞街饕谢陔p極性調(diào)制滯環(huán)PWM電流控制和采用重復PI控制策略的電流控制等。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展和能源消耗的不斷上升，電力電子負載的研究工作得到了國內(nèi)學者的關(guān)注，許多高校對其進行了廣泛的研究工作，并取得了一定的研究成果。北京航空航天大學學者對電力電子負載中的電流控制環(huán)進行了研究，東南大學學者提出了采用數(shù)值計算方法得到實時參考電流的方法，此外，華北電力大學學者采用DC/DC變換器作為被試直流電源與饋

13、網(wǎng)變換器接口，實現(xiàn)對直流電源設備的測試系統(tǒng),北京交通大學、浙江大學、山東大學、重慶大學、北京工業(yè)大學學者等進行了直流電能測試設備的相關(guān)研究4；另外，南京航空航天大學、天津大學學者也對電力電子負載進行了相應研究，研究范圍涉及了交流電力電子負載、直流電力電子負載的系統(tǒng)方案設計。1.3 研究主要內(nèi)容及意義直流電機具有起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應快、過載能力大能諸多優(yōu)點，在一些技術(shù)要求高的電氣傳動系統(tǒng)中，仍大量采用以直流電機為執(zhí)行電機的直流調(diào)速系統(tǒng)5。要設計10KW的單相電力電子負載，能模擬直流電動機負載的電特性。完成負載模擬器主電路設計和控制電路設計，主器件的參數(shù)計算，并利用MATLAB進行完成

14、系統(tǒng)仿真實驗。本文從電力拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了利用電力變換器模擬電機特性的電力電子負載的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后分析了直流電機的數(shù)學模型，得出了利用狀態(tài)方程獲得電機電流轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量的計算公式；提出了將背靠背型雙PWM整流器應用于四象限運行的直流電機的模擬，并詳細分析了其模擬側(cè)變換器的工作機理。最后通過仿真驗證了在電機控制裝置測試中利用電機模擬器代替旋轉(zhuǎn)電機的方案的可行性。本文具體思路如下：（1）從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，一個完整的電力拖動系統(tǒng)包括電機控制裝置、電動機本體、機械負載三部分。確定直流電力電子負載的拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用背靠背型雙PWM變換器組成，模擬側(cè)變換器接到電機控制裝置，控制其端口電流按照真實電

15、機接入系統(tǒng)時電流變化，并網(wǎng)側(cè)PWM變換器提供穩(wěn)定的直流電壓。（2）確定控制電路，采用DSP芯片的TMS320F2812的最小系統(tǒng)控制IGBT的通斷。（3）使用MATLAB中的SIMULINK對系統(tǒng)進行建模，并對系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下進行仿真，分析仿真結(jié)果，得出結(jié)論。（4）最后進行總結(jié)，并對未來提出展望。第2章 理論基礎2.1 電源老化實驗各種大功率的交直流電源、電機、大容量蓄電池出廠前均要進行老化實驗和電源輸出特性測試，傳統(tǒng)的電源試驗方法采用電阻元件，調(diào)節(jié)不方便，不僅大量的能量被無謂地消耗掉，同時需要耗費大量的人力、物力對其進行管理。而電力電子器件構(gòu)成的電力電子負載則能夠有效的減少能量的消耗，而且造

16、價便宜。2.2 電力電子負載所謂電力電子負載，其定義通俗易懂，首先它是負載，說明它主要起到“負荷”的作用，將其與“電力電子”放在一起，說明這種負載不是一種純粹意義上的負荷，即與電路定義的電感、電容、電阻不同，它只是模擬其電氣特性的考核設備，所模擬負荷范圍包括與電力電子技術(shù)相關(guān)的非線性負荷。再者，電力電子負載設備簡便，自動化程度高，不需要大面積的廠房，大大降低了測試人員的勞動強度，節(jié)省了大量的人力物力成本。電力電子負載是由大功率電力電子元件構(gòu)成，利用電力電子控制技術(shù)對各種電源設備進行節(jié)能、環(huán)?？己说碾娫礈y試設備。能饋型負載使用功率半導體開關(guān)器件對測試電源放電進行控制6，使用儲能的電感、電容元件對

17、測試電能進行儲能，然后使用功率半導體開關(guān)器件將測試電能逆變回饋電網(wǎng)78。如果忽略無功功率和功率半導體開關(guān)器件的損耗，則在整個測試過程中測試的電能幾乎能全部反饋回電網(wǎng)，因而避免了能量的大量浪費，特別是全世界都非常注重環(huán)保節(jié)能的今天，電力電子負載更能突出其優(yōu)越性。如下圖為電力電子負載的基本結(jié)構(gòu)圖。電網(wǎng)電能回饋裝置電力電子負載被試電源圖2.1 電力電子負載基本結(jié)構(gòu)如圖2.1，電力電子負載接被試電源，并通過電能回饋裝置將電能饋回電網(wǎng)，從而避免了能量的大量浪費。這樣，通過采用電力電子元器件構(gòu)成電源設備的綜合測試平臺進行試驗可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能耗型元件負載，實現(xiàn)了綠色節(jié)能的功效。本論文中，要設計單相電力電子負

18、載，能模擬直流電動機負載的電特性，系統(tǒng)采用的電力電子負載結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。電力電子負載待測電源模擬變換器并網(wǎng)變換器電網(wǎng)圖2.2 模擬直流電機的電力電子負載基本結(jié)構(gòu)圖如圖2.2，電機控制器作為被試電源，電機及其機械負載作為負載。電機模擬器就是利用電力電子變換器來實現(xiàn)對電機輸出電流的控制并提供電機機械狀態(tài)的反饋量，實現(xiàn)對電動機及其負載的模擬。將電機控制裝置等效為直流電壓源。負載側(cè)變換器通過控制輸入濾波電感電流實現(xiàn)對電機四象限運行的模擬9，并網(wǎng)側(cè)變換器穩(wěn)定直流電壓并向電網(wǎng)回饋能量10。2.3 直流電動機特性分析2.3.1 直流電機簡介在電機發(fā)展史上，直流電機發(fā)明的較早，它的電源是電池。它具有以下突出

19、的有點：（1）調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；（2）啟動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大；（3）易于控制，可靠性較高。直流電動機是由定子部分和轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成的，定子和轉(zhuǎn)自靠兩個端蓋連接。定子部分主要包括有機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。一般直流電機都采用整體機座，一個機座同時起兩方面的作用：一方面起導磁的作用，一方面起機械支撐的作用。主磁極又叫主極，它的作用是在電樞表面外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密。電刷裝置可以把電機轉(zhuǎn)動部分的電流引出到靜止的電路，或者反過來把靜止電路里的電流引入到旋轉(zhuǎn)的電路里。直流電機轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇、轉(zhuǎn)軸和軸承等。根據(jù)國家標準，直流電機的額定數(shù)據(jù)有：額定

20、容量（功率）PN(kW)、額定電壓PN（kW）、額定電流IN(A)、額定轉(zhuǎn)速nN轉(zhuǎn)速（r/min）、 勵磁方式和額定勵磁電流IfN（A）。有些物理量雖然不標在銘牌上，但它也是額定值，例如在額定運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩、效率分別成為額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。2.3.2 直流電機的動態(tài)數(shù)學模型一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)解。在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值時刻開始，到輸出達到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應；系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，即可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。圖2.3 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路圖2.3為他勵直流電動

21、機在額定勵磁下的等效電路，其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力電子變換器內(nèi)阻、電樞電阻和電感及可能在主電路中接入的其他電阻和電感。假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為 （2.1）忽略粘性摩擦以及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的動力學方程為 （2.2）式中TL包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩（）;GD2電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量（）額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 （2.3） （2.4）式中Cm為電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(),。定義時間常數(shù)：為電樞回路電磁時間常數(shù)（s），；為電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)（s），。代入式（2.1）和（2.2），并考慮式（2.3）和（2.4），整理后得 （2.5

22、） （2.6）式中為負載電流（A），。在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉普拉斯變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù)為 （2.7）電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 （2.8）式（2.7）和（2.8）的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別畫在圖2.4的a和b中。將兩圖合在一起，并考慮到，即得額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.4c所示。 - +-（a）（b） -（c）圖2.4 額定勵磁直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖（b）電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖（c）直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖2.4（c）可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，令一個是負載電流IdL前者是控制輸入量，后者是擾動輸

23、入量。而對于比例積分控制器而言，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除了穩(wěn)態(tài)誤差。第3章 模擬直流電機的PEL系統(tǒng)硬件設計3.1模擬直流電機的PEL系統(tǒng)設計原則通常一個完整的電力拖動系統(tǒng)包括電機控制裝置、電動機本體、機械負載三部分，如圖3.1所示。由圖可知，模擬電機變換器接到被試電機，實現(xiàn)對電機端口特性的模擬；并網(wǎng)側(cè)PWM變換器提供穩(wěn)定的直流電壓，當模擬電機電動運行狀態(tài)時，將電機模擬側(cè)從MDS吸收的能量及時的回饋到電網(wǎng)，從而減少實驗系統(tǒng)的電能消耗，當模擬電機電動制動狀態(tài)時，并網(wǎng)變換器從電網(wǎng)吸收能

24、量維持直流電壓恒定。而在電機控制裝置的研制考核實驗中，電機控制器作為被試電源，電機及其機械負載作為負載，其中MDS與電機之間直接相互影響的物理量主要有三種：端口電壓，端口電流和電機機械狀態(tài)量。電機控制裝置通過提供特定的端口電壓來控制電機的機械狀態(tài)，而端口電流由電機控制裝置的輸出電壓、電機本體參數(shù)和電機機械負載等共同確定。電網(wǎng)電機控制裝置并網(wǎng)變換器模擬電機的變換器并網(wǎng)控制器電流控制器電流指令生成采樣圖3.1模擬直流電機的電力電子負載結(jié)構(gòu)圖在電機調(diào)速系統(tǒng)中，電機控制裝置（Motor Driving System）簡稱MDS，它的功能是提供電能并調(diào)控電機運行狀態(tài)，為了確保MDS的優(yōu)良品質(zhì)，在其研制和

25、調(diào)試過程中都必須經(jīng)歷嚴格的動態(tài)穩(wěn)態(tài)考核測試。對電機控制裝置的調(diào)試和考核一般需要依賴“電機控制裝置-電動機-電機負載系統(tǒng)”構(gòu)成的電力拖動系統(tǒng)實驗平臺。其中“電動機-電動機負載系統(tǒng)”又包括了“電動機+機械阻力設備”、“電動機+同軸發(fā)電機+電阻負載”、“電動機+同軸發(fā)電機+電力變換器+并網(wǎng)”等多種實現(xiàn)形式，這類利用旋轉(zhuǎn)電機的測試方式雖然可以直接測試MDS的工作性能，但是卻要利用旋轉(zhuǎn)電機，更需提供相應的機械復雜你，存著效率低、特性不靈活等缺點。如果采用電力電子變換器作為MDS的負載，使得其端口電流和帶真實電機的端口電流一致，并同時給MDS反饋與實際電機一致的轉(zhuǎn)速成轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)量，使得MDS的輸出電壓電流

26、量與反饋的電機狀態(tài)量與直接拖動電機時完全一致。則對MDS而言，該電力電子變換器就等同于電機，實現(xiàn)了對電機的模擬，簡稱電機模擬器11。換言之，電機模擬器作為電機控制器的負載，可以取代電機及其機械負載，靈活的模擬電機起動制動帶載甚至故障運行等各種工況，進行MDS的各種動態(tài)穩(wěn)態(tài)試驗；同時還通過并網(wǎng)變換器將MDS吸收的電能直接回饋電網(wǎng)，具有節(jié)省測試成本，綠色節(jié)能的優(yōu)點。3.2 模擬直流電機的PEL系統(tǒng)硬件平臺設計圖3.2 模擬直流電機PEL系統(tǒng)電路拓撲圖圖3.2為模擬直流電機電力電子負載系統(tǒng)的拓撲圖,采用PWM VSR作為電力電子負載的輸入負載模擬變換器與并網(wǎng)變換器12，通過直流電容連接成背靠背式的拓

27、撲結(jié)構(gòu)，Q1-Q4作為負載模擬變換器主開關(guān)器件，L1作為輸入電感，起到傳遞能量、抑制高次諧波和平衡橋臂中斷電壓和電網(wǎng)電壓的作用。采用Q5-Q8作為并網(wǎng)變換器的主開關(guān)器件，L2作為并網(wǎng)變換器輸出電感，并網(wǎng)變換器需要準確跟蹤電網(wǎng)的相位與頻率，將電能以高功率因數(shù)饋回電網(wǎng)，C為直流母線支撐電容，在電力電子負載工作時，母線電壓恒定，輸入、輸出功率在此進行交換并達到平衡。T為并網(wǎng)連接變壓器，它確保電力電子負載與電網(wǎng)電氣隔離，避免因為被試電源為非隔離電源可能造成的電氣短路狀況發(fā)生。3.3 模擬直流電機的PEL主電路設計3.3.1 模擬直流電機的PEL主電路拓撲設計主電路即電機模擬變換器，電機模擬器就是利用電

28、力電子裝置如IGBT組成的電路來實現(xiàn)對電機控制裝置的輸出電流的控制并提供電機運行狀態(tài)的狀態(tài)量來實現(xiàn)對直流電機及其機械負載的模擬，從而代替了機械負載，起到了節(jié)能的作用。由于主電路等效為模擬變換器，因此通過采樣電機的工作特性，來控制四組IGBT的通斷時間，進而就能模擬電機工作特性，所以等效為電機模擬變換器131415。為了簡化分析，將電機控制裝置等效為直流電壓源。圖3.3 帶緩沖電路的電機模擬變換器電路拓撲如圖3.3，電機模擬變換器采用四組IGBT和二極管反并聯(lián)組成H橋的電路結(jié)構(gòu)，由于PWM整流器具有能量雙向流動，端口電流可控的特點，由雙PWM整流器構(gòu)成的背靠背型電力電子變換器拓撲電路已經(jīng)廣泛應用

29、于模擬線性負載的單相電力電子負載系統(tǒng)中。將這種拓撲結(jié)構(gòu)同樣可應用于模擬直流電機。對電機模擬變換器而言，通過分別控制Q1-4各開關(guān)管的狀態(tài)就可以模擬直流電機的四象限運行。當Q4保持導通，Q2和Q3斷開，控制開關(guān)管Q1的通斷，就可以模擬直流電機運行在正向電動狀態(tài)；當Q4保持導通，Q1和Q2斷開，控制開關(guān)管Q3的通斷，就可以模擬直流電機運行在正向制動狀態(tài)；當Q2保持導通，Q3和Q4斷開，控制開關(guān)管Q1的通斷，就可以模擬直流電機運行在反向電動狀態(tài)。以正向電動或正向制動狀態(tài)為例，此時Q4導通，Q2斷開，簡化圖形如圖3.4所示。當電機運行在電動狀態(tài)時，保持Q3斷開，Q1按照PWM通斷控制。當開關(guān)管Q1導通

30、時，D3自然截止，在輸入電流電壓的作用下，電感電流線性增加；當Q1關(guān)斷，D3導通時，由于直流母線電壓高于MDS處電壓，電感電流減小。當電機運行在制動狀態(tài)使得電流反向時，此時保持開關(guān)管Q1斷開，開關(guān)管Q3按照周期性開斷。電感電流經(jīng)Q3或D1構(gòu)成回路，如下圖3.5所示。當Q3導通時D1自然截止，電感電流增加；當Q3斷開時,D1續(xù)流導通，電感電流減小?？梢娡ㄟ^對開關(guān)管Q1Q3的通斷控制就能控制電感電流的大小方向和變化趨勢，從而模擬實際的電機點數(shù)電流，使得其電流與計算的掃旋轉(zhuǎn)電機的點數(shù)電流變化規(guī)律一致。同時將虛擬的電機機械狀態(tài)量反饋給MDS，就能完成對電機運行狀況的模擬，實現(xiàn)對MDS的試驗16。圖3.

31、4 Q3斷開時電流通路圖3.5 Q3導通時電流通路3.3.2 模擬直流電機的PEL主電路參數(shù)設計IGBT的門級電壓與短路耐量以及與集射極間電壓之間關(guān)系非常密切，如果門級電壓過低，通態(tài)電壓增大，靜態(tài)損耗要增加。如果門級電壓過高，負載短路與故障時短路電流要增大，短路耐量隨之降低，選定門級電壓時，考慮到門級電壓的最大極限與集電極電流的使用范圍，另外門級電路與期間參數(shù)的分散性，因此，電壓選為15V最佳。另外，對于小容量的變換器中IGBT不加負偏壓也能正常工作，可是對于大中容量的變換器，為了保證IGBT可靠關(guān)斷，加一定量的負偏壓，不僅可以防止IGBT關(guān)斷瞬間因過高造成的誤開通，提高被驅(qū)動IGBT的抗干擾

32、能力，還可以減少集電極浪涌電流，降低損耗。主電路中IGBT的緩沖電路應考慮的因素主要有：功率電路的布局結(jié)構(gòu)、功率等級、工作頻率和成本。圖3.6 IGBT的RCD緩沖電路圖圖3.6為IGBT的緩沖電路充放電RCD緩沖電路圖，由于開關(guān)管導通和關(guān)斷時，緩沖電容充放電電流回路不同，因而規(guī)避了增加開關(guān)管流過電流負擔的問題。起始電壓的尖峰（）是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的正向恢復聯(lián)合引起的。如果緩沖二極管采用IGBT匹配的快恢復二極管，則該電壓尖峰主要取決于緩沖電感，在此情況下，可估算出為： （3.1）式中為緩沖電路的等效寄生電感；為關(guān)斷瞬間或二極管恢復瞬間的。在典型的IGBT功率電路中，最嚴重情況

33、下的接近0.02。如果的限值已確定，則可以用值來估算緩沖電路允許的最大電感量。例如：設定一個IGBT功率電路的工作峰值電流為300A，限定為100V，則最差情況下的約為 （3.2）用（3.1）式解得： 。通過上面計算可以得知大功率IGBT電路必須有極低電感量的緩沖電路，否則將不能很好地抑制瞬變電壓。3.4模擬直流電機的PEL采樣電路的設計采樣電路具有一個模擬信號輸入，一個控制信號輸入和一個模擬信號輸出。該電路的作用是在某個規(guī)定的時刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。采樣電路通常有一個模擬開關(guān)，一個保持電容和一個單位增益為1的同相電路構(gòu)成。采樣工作在采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)的兩種

34、狀態(tài)之一。在采樣狀態(tài)下，開關(guān)接通，它盡可能快地跟蹤模擬輸入信號的電平變化，直到保持信號的到來；在保持狀態(tài)下，開關(guān)斷開，跟蹤過程停止，它一直保持在開關(guān)斷開前輸入信號的瞬時值。采樣電路圖如圖3.7圖3.7 模擬直流電機的PEL采樣電路圖采樣電路由I/V變換和信號調(diào)理電路組成，信號調(diào)理電路包括電壓跟隨、加法電路和反向電路三個部分組成。首先將待采樣電流信號經(jīng)過采樣電阻R10進行電壓采樣，電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，這里我們將轉(zhuǎn)換電壓通過采樣電阻R10匹配為-2.5V+2.5V的電壓信號；再經(jīng)過電壓跟隨器得到V1電壓信號。V1信號經(jīng)過加法電路，與參考電壓值V2相加，得到提升后的電壓信號V3，V2=5V，選

35、取R11=R12=10K，R9=20K，V3為-50V的電壓信號，再經(jīng)反相器后輸出05V范圍的全正電壓的正弦信號V4，再加濾波電路。下圖為采樣電路流程圖。市電電壓霍爾I/V變換電壓提升反向等比例放大有源二階濾波圖3.8 模擬直流電機的PEL采樣電路流程圖本論文中，通過實時采樣端口電壓和機械轉(zhuǎn)矩信息，就可以實時計算出當前時刻電機的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息。本文采用上述的模式構(gòu)造出一個在線電機仿真模塊，實時計算電機的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速信息。將所計算的電樞電流作為電機模擬器的電流指示，控制變換器的輸入電流與其一致，同時將計算的電機轉(zhuǎn)速信息反饋給被試MDS，使得MDS能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。3.5 模擬

36、直流電機的PEL驅(qū)動電路的設計隨著PWM技術(shù)在變頻、逆變頻等領域運用越來越廣泛，以及IGBT、POWER MOSFET等功率型開關(guān)器件的快速發(fā)展，使得PWM控制的高壓大功率電源向著小型化、高頻化、智能化、高效率的方向發(fā)展。本文才用的驅(qū)動芯片選擇了高壓懸浮驅(qū)動器IR2110芯片，來驅(qū)動IGBT。IR2110是美國IR公司生產(chǎn)的高壓、高速POWER MOSFET和IGBT的理想驅(qū)動器。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路，其電壓最高可達500V；功率器件柵極驅(qū)動電壓范圍為10V-20V；輸出電流峰值為2A；邏輯電源范圍5V-20

37、V，而且邏輯電源地和功率地之間允許5V的偏移量；帶有下拉電阻的CMOS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能；兩通道的匹配延時為10ms；開關(guān)通斷延時小，分別為120ns和90ns工作頻率達500KHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括邏輯輸入，點平轉(zhuǎn)換及輸出保護等。驅(qū)動電路圖如圖3.9所示。圖3.9 模擬直流電機的PEL驅(qū)動電路拓撲圖3.6 模擬直流電機的PEL控制電路的設計3.6.1 概述控制電路作為電力電子負載的控制核心，其作用主要是綜合處理外部輸入的電壓、電流信號，通過分析計算，按一定的控制策略向功率變換器發(fā)出控制信號，通過控制

38、開關(guān)管的通斷以控制系統(tǒng)的運行模式，使裝置能夠按照預期的方式工作，并且能夠滿足設計和工藝方面的技術(shù)要求。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。直流斬波電路就是把電流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制，這是PWM控制中最為簡單的一種情況。數(shù)字信號處理器DSP運算功能強大，數(shù)據(jù)傳輸速度特別快，存儲能力強，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換

39、，多端口I/O口，這些特點使得其在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用。其中，美國TI公司生產(chǎn)的高性能DSPTMS320F2812是一款高性能的數(shù)字控制芯片。控制電路的關(guān)鍵為DSP最小系統(tǒng)的設計。TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字處理芯片，主要用于電動機的數(shù)字化控制器和電源的逆變技術(shù)領域。此芯片具有數(shù)字處理性能更快、外設集中電路簡單、程序存儲器空間打以及A/D轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點，是DSP系列中的佼佼者。32位的DSP2812具有微控制器與DSP的綜合特性，運算速度非?？?，能在一個周期內(nèi)完成32X32位的數(shù)學運算。另外，此芯片具有快速的中斷管理模塊，使中斷延遲時間變小，能夠進行實時控制。TMS3

40、20F2812芯片把高性能的DSP內(nèi)核，高精度的模擬外設，數(shù)字通信及控制外設、內(nèi)部Flash等集成在內(nèi)部，這就為實現(xiàn)高性能控制提供了硬件基礎，此芯片的主要功能模塊包括Flash、內(nèi)存時間管理器、增強的控制外設、A/D轉(zhuǎn)換器、CAN模塊串行通信接口、串行外圍接口、多信道緩沖串行端口、直接存儲器訪問等。3.6.2 控制電路設計圖3.10 控制電路電路拓撲如圖3.10為控制電路的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。TMS320F2812部分引腳功能為：（1）XMP/MC:為高時DSP當做CPU，為低時用作微機模式。（2）XHOLDA、XHOLD：第一個相對DSP是輸出信號，另外一個相對DSP是輸入信號，當DSP使用外部

41、擴展總線時可以使用這兩個信號請求仲裁，得到應答后DSP就不驅(qū)動外部總線，可以有外部的MCU或者其他器件控制DSP總線。（3）X1/XCLKIN：時鐘模塊，為處理器和外設提供時鐘信號。需接1.8V的數(shù)字電源，數(shù)字電壓一定不能超過1.8V。（4）TESTSEL：測試腳，必須接地。TMS320F2812在本論文中的應用為，通過從電機控制裝置采樣的理論電流、轉(zhuǎn)矩信息，產(chǎn)生PWM控制波形來控制電機模擬器的四組IGBT的通斷時間，從而使電機模擬器的指標與輸入電流一致。通過通用定時器和全比較單元都能獨立地實現(xiàn)PWM信號輸出，兩者的功能基本相似。要產(chǎn)生一個PWM波形，需用一個可以循環(huán)技術(shù)的通用定時器來不斷產(chǎn)生

42、連續(xù)相同PWM周期以及一個比較寄存器來存取調(diào)制值。本系統(tǒng)由于采用H橋式變換器PWM控制方式，故可由TMS320F2812的PWM產(chǎn)生部分，即2812的兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理模塊可以同時產(chǎn)生8路脈寬調(diào)制信號，包括3對由完全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程PWM信號以及有通用定時器產(chǎn)生的2路獨立的PWM信號。第4章 模擬直流電機的PEL仿真實驗4.1 SIMULINK軟件介紹SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。SIMULINK具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和

43、流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點SIMULINK已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于SIMULINK。SIMULINK同時也是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。SIMULINK可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，SIMULINK提供了

44、一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。本設計的電力電子負載，主要是對電路的控制進行研究，能模擬直流電機的工作特性。因此使用SIMULINK進行仿真，可以得到比較準確的、可信度比較高的結(jié)果。4.2 模擬直流電機的PEL建模與仿真4.2.1 電機計算不同于電阻電感電容等靜態(tài)負載，電機時一個多變量強耦合的動態(tài)非線性負載，其運行過程中存在著起動、制動、加載、減載等動態(tài)運行、空載和帶載穩(wěn)態(tài)運行等多種狀態(tài)。對常見的直流電動機而言，其輸入量是端口電壓和負載轉(zhuǎn)矩，輸出量是電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等狀

45、態(tài)量。在端口電壓和負載轉(zhuǎn)矩已知時，電機的各種電氣及機械狀態(tài)量都可以通過數(shù)學模型直接求解。為了簡化分析，以直流永磁電動機為例，并忽略固有機械損耗。由電動勢平衡方程：U=Ladiadt+Raia+Cen (4.1)式中，U為電機端口電壓，La為電樞電感，ia為電樞電流，Ra為電樞電阻，Ce為電動勢常數(shù)，為勵磁磁通，n為電動機機械轉(zhuǎn)速。功率平衡方程：P1=Pem+Pcu (4.2)式中，P1為輸入功率，Pem為電磁功率，Pcu為銅耗。轉(zhuǎn)矩平衡方程：Tem=TL+Jdwdt (4.3)式中Tem為電機電磁轉(zhuǎn)矩，TL為機械轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，W為電機角速度。綜合（4.1）（4.2）（4.3）可以計算電機

46、各狀態(tài)量。本文選擇電樞電流和轉(zhuǎn)子角速度為狀態(tài)變量，得到以下狀態(tài)方程：iaw=-RaLaCTLaCTJ0iaw+1La00-1JUTL (4.4)式中CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。根據(jù)以上狀態(tài)方程并利用后向差分法可以獲得電樞電流和輸出轉(zhuǎn)速的計算公式。Ia（k）=Ia（k-1）+Ts（-RaLaIak-1-CTLawk-1+UaLa） (4.5)wk=wk-1+Ts（CTJIak-1-TLJ) (4.6)式中Ia（k-1）為第k-1個采樣點的電流數(shù)值，Ia（k）為第k個采樣點的電流數(shù)值，wk-1為第k-1個采樣點的電機角速度，wk為第k個采樣點的電機角速度，Ts為采樣時間。根據(jù)（4.5）（4.6）可知，通過實時

47、采樣端口電壓和機械轉(zhuǎn)矩信息，就可以實時計算出當前時刻電機的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息。本文采用上述的模式構(gòu)造出一個在線電機仿真模塊，實時計算電機的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速信息，將所計算的電樞電流作為電機模擬器的電流指令，控制變換器的輸入電流與其一致，同時將計算的電機轉(zhuǎn)速信息反饋給被試電機控制裝置，使得電機控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。直流電機與模擬器的參數(shù)如下表所示。表4.1 直流電機本體參數(shù)表電機參數(shù)/Motor paraments數(shù)值/Values勵磁電流If/A2電樞電阻Ra/歐姆0.6電樞電感La/mH12感應電感Laf/H1.8轉(zhuǎn)動慣量J/kg.m21表4.2 電機模擬器參數(shù)表模擬器參數(shù)/M

48、otor paraments數(shù)值/Values濾波電感L/mH2直流電壓Uc/V0.6控制器Kp12控制器Ki1.8開關(guān)頻率fc/kHz14.2.2 模擬直流電機的PEL建模圖4.1 模擬直流電機的PEL系統(tǒng)仿真圖如圖4.1為模擬直流電機的PEL系統(tǒng)仿真圖，該仿真圖的上部為模擬直流電機的電力電子負載的電路圖，下部為電機的部分。由圖可知，系統(tǒng)仿真的原理為，通過采樣模擬器電路的電流，將其與電機部分電樞電流進行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器以及增益為1/100的控制之后，將信號送入到PWM產(chǎn)生部分，即產(chǎn)生的調(diào)制波與給定的載波進行調(diào)制比較，產(chǎn)生PWM波控制IGBT的通斷，從而使模擬器的電流緊緊跟隨電機電樞電流的

49、變化，從而實現(xiàn)電力電子負載能模擬直流電機的特性。系統(tǒng)主要部分的仿真圖如下：圖4.2 他勵電機模塊圖4.2為他勵電機部分，其中DCP的s-function為電機參數(shù)的計算，并通過增益為0.2287的反饋系數(shù)構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。將其輸出的電樞電流與模擬器的電流進行比較。圖4.3 PWM調(diào)制模塊圖4.3為PWM調(diào)制模塊的仿真圖，由圖可知，將電機的電樞電流與模擬器電流進行對比進行PI調(diào)節(jié)輸入的調(diào)制波與給定的載波進行比較，載波為等腰三角形波，當調(diào)制波的值減去載波的值大于0，則輸出的脈沖信號為高電平，反之則輸出低電平。4.2.3 波形驗證圖4.4 電機電樞電流波形圖圖4.5 電機模擬器電流波形圖圖4.6電機電

50、樞電流與電機模擬器電流對比圖圖4.7電機電樞電流與電機模擬器電流對比圖如圖4.4和圖4.5為電機電樞電流與電機模擬器的電流仿真波形圖，圖4.6為電機電樞電流與電機模擬器電流對比圖。圖4.7為局部放大的電機電樞電流與電機模擬器電流對比圖。圖中階梯波為電樞電流，而鋸齒波為電機模擬器的電流。由圖可知，電力電子變換器構(gòu)成的電機模擬器的模擬電流可以完美的跟蹤理論計算電樞電流，與電機模型的電樞電流幾乎沒有任何差別，從而實現(xiàn)了模擬電機的功能。結(jié) 論本文研究的是一種用于交流電源測試的能量回饋型交流電力電子負載。它通過控制被試電源的放電電流等效為被試電源所帶負載的特性就可以模擬各種負載；后級逆變部分具有能量回饋

51、功能，不僅實現(xiàn)能量的再生利用，且實現(xiàn)單位功率因數(shù)饋網(wǎng)。本文通過分析電力拖動的結(jié)構(gòu)，分析了直流電機的數(shù)學模型，并詳細分析了用背靠背型H橋電路模擬電機的運行特性。完成了模擬直流電機電力電子負載系統(tǒng)的硬件設計，以及主電路、控制電路、采樣電路、驅(qū)動電路的設計與分析。最后通過理論分析和仿真對比驗證了利用電力電子變換器構(gòu)成電機模擬器的方案一方面可以靈活準確的模擬電機的各種運行工況，另一方面還可以將所吸收的電能及時的回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)綠色節(jié)能。不僅如此，由于電機模擬器的本體結(jié)構(gòu)參數(shù)和機械負載參數(shù)都已經(jīng)數(shù)字化，可以靈活修改，使得這種電機模擬器不僅可以測試MDS在帶不同參數(shù)的電機運行特性時具有很大的靈活性；而且可

52、以考核電機拖動各種特性的機械負載時MDS的適用性。同時如將以上電機模擬系統(tǒng)應用于交流系統(tǒng)，便可構(gòu)造出模擬各種交流電機的交流電機模擬器，用于各類電機軟啟動器，變頻器，調(diào)壓裝置的考核測試，具有廣泛的應用前景。通過理論分析、仿真和實驗對電力電子負載進行的研究，但研究的內(nèi)容還不算很深入，如果以后有機會有更高的實驗和研究條件，我將更加努力地對直流和交流電力電子負載進行更深入的研究。參考文獻1 賈凱. 基于大功率負載模擬裝置的單相電壓型 PWM 整流器研究D. 華中科技大學, 2007.2 陳堅. 電力電子學: 電力電子變換和控制技術(shù)M. 高等教育出版社, 2004.3 黃俊, 電力電子, 王兆安, 等.

53、 電力電子技術(shù)M. 機械工業(yè)出版社, 2000.4 張瑞平. 單相能量饋網(wǎng)系統(tǒng)的研制 DD. 北京工業(yè)大學, 2007.5 陳伯時, 阮毅, 陳維鈞, 等. 電力拖動自動控制系統(tǒng): 運動控制系統(tǒng)M. 機械工業(yè)出版社, 2003.6 任國海, 陳琢, 杜鵬英, 等. 磁粉制動器對異步電動機機械特性的測量J. 電機與控制學報, 2006, 10(3): 275-277.7 Ryu H M, Kim S J, Sul S K, et al. Dynamic load simulator for high-speed elevator systemC/Power Conversion Conference, 2002. PCC Osaka 2002. Proceedings of the. IEEE, 20