電力測功機工作原理

1、電力測功機工作原理:一、測功機慨說:作為動力及其傳輸機械加載試驗的最重要設(shè)備,傳統(tǒng)有:水力測功機/電渦流測功機/磁紛制動器/磁滯測功機等等(當然還有較少應(yīng)用的液壓加載/機械加載等). 他們都是被動式/無源型/耗能型的,不但浪費能源,而且加載特性不好，例如： 水力測功機/電渦流測功機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. 磁紛制動器只適合小功率/較低轉(zhuǎn)速下加載. 磁滯測功機只適合小扭矩/小功率加載. 機械加載和液壓加載目前已經(jīng)很少被采用. 電力測功機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和壽命老化試驗時,其節(jié)能效果非常可觀(節(jié)能效果取決于試

2、驗臺的傳動效率,一般都在70%左右),從而使得試驗臺運行成本大大降低.而且因此實驗室的配電容量也可以大大減少,從而其試驗臺投資成本也大大節(jié)約; 電力測功機加載特性非常好,無論是高轉(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). 電力測功機有直流電力測功機和交流電力測功機之分. 直流電力測功機由于直流電機整流子需要專業(yè)維護,無法高轉(zhuǎn)速運轉(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.因此現(xiàn)在我們一般不建議采用. 交流電力測功機即交流變頻回饋加載,由于是采用

3、了標準的變頻(或侍服)電機和四象限變頻器設(shè)計制造,高低轉(zhuǎn)速均可使用,而且其可靠性(免維護性)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功機近年來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)動和加載,加載能量通過內(nèi)部母線驅(qū)動逆變器的輸入端,而不回饋電源.對電源不產(chǎn)生任何影響,電源提供的只是試驗臺損耗部分能量而已.母線回饋形式最適合于類似齒輪箱試驗臺/車橋試驗臺等傳動機械試驗.交流變頻回饋控制器本質(zhì)上是一臺采用矢量控制理論(或DTC直接扭矩

4、控制)設(shè)計制造的四象限變頻器.下面我們通過對矢量控制理論和四象限變頻器的敘述加深對交流變頻回饋加載(電力測功機)原理的理解.二 . 矢量控制理論和DTC直接扭矩控制理論簡介：70 年代西門子工程師F.Blaschke 首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流) 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。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(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機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在80 年代中期，德國學者Depenbrock 教授于1985 年提出直接轉(zhuǎn)矩控制，其思路是把電機和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，通過跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去矢量變換

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

7、解耦而簡化異步電動機數(shù)學模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 三. 四象限變頻器簡介: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，無法實現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動機要回饋能量的應(yīng)用中，比如電梯，提升，離心機系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋的能

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)生嚴重的諧波污染。IGBT功率模塊可以實現(xiàn)能量的雙向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的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機回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達到徹底的節(jié)能效果。四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示當電機工作在電動狀態(tài)的時候，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99%。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。此時能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，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。當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的IGBT回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。此時能量由電機通過逆變側(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。回饋電流和電網(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作比較，誤差送到電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出可以通過載波調(diào)制產(chǎn)生各相IGBT的PWM控制信號，也可以通過空間矢量的方式產(chǎn)生PWM信號控制IGBT。上述的運算都是通過DSP完成的。四象限變頻器的典型應(yīng)用是具有位勢負載特性的場合，倒如掉升機，機車牽引，油田磕頭機，離心機等。以提升機的應(yīng)用為倒，當提升重物時，四象限變頻器拖動電機克服重力做工，電動機處于電動狀態(tài)。當下放重物時，逆變側(cè)產(chǎn)生勵磁電流，重力牽引電機發(fā)電，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。勢能轉(zhuǎn)化為電能通過整流側(cè)回饋的電網(wǎng)。特別

11、是在加載試驗臺上,四象限變頻器的成功應(yīng)用使得在以前由于價格昂貴/可靠性欠佳而很少能夠被用戶采用的電力測功機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行的功能，能滿足各種位勢負載的調(diào)速要求，可就電機的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達到最大限度的節(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功機上的應(yīng)用:四象限變頻器應(yīng)用于電力測功機,作為加載(扭矩)控制和能量回饋的控制器具有以下無可比擬的優(yōu)點:1. 加載特性好:由于采用四象限變頻器作為加載控制器,測功機成為了一種主動型/有源型負載(而非類似電渦流測功

12、機等那樣的被動型/無源型),從而使得測功機高低轉(zhuǎn)速,甚至在極低的轉(zhuǎn)速下都能夠穩(wěn)定的進行加載(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 電力測功機扭矩/功率-轉(zhuǎn)速特性圖 (以225KW/額定轉(zhuǎn)速4800rpm電機為例)2. 由于具有四象限運行特性(如圖5),測功機可以在電動機/發(fā)動機,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臺上模擬任意的實際工況運行,例如前進/后退,上坡/下坡,加速/制動等等. 圖5 變頻器四象限T-n運行圖解3. 節(jié)能:加載能量回饋利用,電源只是提供試驗臺傳動系統(tǒng)的損耗而已,這對于壽命試驗/老化試驗來說,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,在運行成本和配電投資成本方面都有無可比擬的優(yōu)勢.4. 由于能量回饋利用,測功機本身只是消耗很少的損耗能量,因此一般的情況下,無需采用類似電渦流那樣的水冷卻系統(tǒng),從而使得試驗臺的輔助配置系統(tǒng)大大簡化.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,近年來電力測功機得到了迅速的普及和應(yīng)用,例如上海林瑤的DLY系列交流電力測功機在國內(nèi)眾多汽車/工程機械/煤機/變速箱(齒輪箱)/電機(異步.變頻.永磁同步.侍服.直流無刷.開關(guān)磁阻,曳引機等等)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功機主要品

14、種型號規(guī)格:DLY交流變頻回饋加載電力測功機主要品種型號規(guī)格表:型號額定吸收功率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