基于背靠背变流器的电机测试平台

文/王德国 郭煜 焦宝林，中车永济电机有限公司

1 引言

电机或者变速装置的传统测试方法较多的是采用电磁涡流测功机和磁粉刹车作为模拟负载。整个加载系统由增速传动箱、扭矩传感器、电磁涡流测功机、离合器、磁粉刹车以及联轴器等组成,也有采用水力测功机或者发电机组的。总的来说,这些测试方法的测量范围和精度都已经很难满足目前电机和变速机构的要求,而且能源浪费严重。近年来随着变流器的日益普及和转矩控制算法的成熟,可以采用变流器带动交流异步电动机作为模拟负载来取代上述传统的测试方案。

2 系统组成与控制方案

2.1 系统组成与工作原理

图1为采用变流器带动交流异步电动机作为模拟负载的电力测试平台组成框图。该电动测试平台的最大特点是可以减少能量消耗。图2简单地说明了节约电能的原理。电动测试平台中交流电机在发电状态下工作产生的电能可以回馈从而减少能源消耗。回馈方式有两种方案,分别是采用AFE交流侧回馈方案和直流母线回馈方案。

图1 电力测试平台组成框图

图2 节能原理

2.2 采用AFE交流侧回馈方案

随着近年来半导体器件的发展,一种新型的带有主动回馈功能的整流单元已经在市场上崭露头角。这种产品的代表就是西门子公司的带有自换向脉冲整流/回馈单元AFE。

从结构上看,由于采用了绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率元件,所以它相当于一个逆变器,不同的是其输入为交流而输出为直流。因为它位于电源进线侧,所以被称为“前端”。其主动的含义在于,与传统的二级管或可控硅整流技术相比,“主动前端”不再是被动地将交流转变成直流,而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波,提高功率因数,而且不受电网波动的影响无换相失败,具有卓越的动态特性和电流管理功能。普通的变流器采用二极管整流,是不可控整流,不可避免地要产生谐波污染电网;而AFE是IGBT整流,是完全受控的整流,带有输入电源检测板,可以实时检测输入的电压和电流相位并通过CUSA控制板控制整流部分IGBT的触发角,从而达到矫正波形和补偿电网功率因数的作用。AFE本身产生的谐波非常小,比普通变流器的整流单元(不论6脉冲或者12脉冲)产生的谐波要小一个数量级,所以不会对电网造成不良影响,对其他用电设备的影响更是远小于普通变流器。AFE整流单元的工作原理可简述为:AFE整流单元从电网汲取正弦波交流电,经整流后输出直流电压,并保持所要求的电压值,且各次谐波由滤波电路删除。AFE整流/回馈单元的应用范围很广,它包括:传输链系统、起重设备、直横剪纸机、太阳能光电应用技术、制糖离心机、榨糖机、机车测试床、风力发电等。即使在电网极不稳定的情况下,电压控制器仍能维持恒定的直流环节电压。

电气部分采用AFE变流器带动一台异步电动机来模拟负载。变流器采用直接转矩控制,可以根据设定值输出转矩而不受速度限制。转矩的测量采用扭矩法兰,转矩的控制通过PLC里的PID功能块完成。模拟负载的电机工作在发电状态的时候,发出的直流电首先回馈到直流母线上。AFE变流器本身带有VSB电压检测板用来检测进线电网的电压、相位、功率因数等参数。AFE的CUSA控制板可以根据检测到的电网参数通过控制IGBT的占空比和频率,把直流电逆变成和电网本身完全同相位同频率交流电回馈电网。由于测试台、被测试电机和装置是完全独立的,这个方案适用于任何测试场合。

3 结语

本文介绍了一种基于背靠背变流器的电机测试平台。在确保实现电机测试的基本功能这一前提下，通过背靠背变流器可以把被测电机的机械能转化为电能，进而重新给被测电机供电。通过实验证明，在降低供电电源容量的情况下，该测试平台仍然可以实现电机测试的相关功能，并且被测电机的功率越大，电源提供的功率占电机输出功率的比值就越小。实验表明，在一般情况下，采用这种基于背靠背变流器的电机测试平台所需的电源容量只有传统测试平台电源容量的一半，无论从用电量的使用，还是从电源的成本来考虑，都将极大地减少支出，对降低成本具有积极意义。