電力測功機能量回饋單元的設計
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(xiàn)l再生能量的高效率同饋電網(wǎng)。
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(fā)動機及電機性能測試臺等試驗裝置中的核心設備。傳統(tǒng)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(huán)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(tài)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(wǎng)或與其他電動裝置形成能量循環(huán)，是電渦流機和水渦輪機的理想替代產(chǎn)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(diào)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(tǒng)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(fā)展，交流傳動系統(tǒng)在靜、動態(tài)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(fā)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(tài)做拖動用，又能工作在發(fā)電狀態(tài)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】。
1 電力測功機中再生能量的處理
電機動態(tài)測試系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)電狀態(tài)，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(wǎng)，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(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法），從而大大增加調(diào)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YTb導通時，能量消耗在鎮(zhèn)流電阻Rb上。但是該方法有很多缺點：首先由于電阻發(fā)熱，環(huán)境溫度升高，影響系統(tǒng)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(tǒng)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(guī)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(xiàn)快速的動態(tài)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(jié)能的目的。因此，將這部分能量回送到電網(wǎng)中很有必要【4】。
交流測功機既可以工作在電動狀態(tài)，做拖動用，又可以工作在發(fā)電狀態(tài)，做負載用，而且有可能處于連續(xù)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(xiàn)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(jīng)能量同饋單元逆變送回電網(wǎng)，二是采用公共直流母線供電技術( Common-DC-Bus)形成能量循環(huán)。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(lián)，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(tǒng)成本且功率因數(shù)較高），保持直流電壓穩(wěn)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(huán)，有效地提高能量利用率，減少從電網(wǎng)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(jīng)回饋單元到電網(wǎng)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。
2 能量回饋單元的設計
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(nèi)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(fā)電狀態(tài)。測功電機所發(fā)任意頻率的電功率，經(jīng)過逆變器模塊整流為直流，再經(jīng)回饋逆變模塊逆變?yōu)榕c電網(wǎng)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(wǎng)中以保護變頻電源和節(jié)能，但對電網(wǎng)不能產(chǎn)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(tǒng)應滿足三個條件：當直流母線電壓高于電網(wǎng)電壓時開始回饋；回饋過程必須與電網(wǎng)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(wǎng)電壓之間的壓差，限制回饋電流變化率，以及起濾波作用，數(shù)值太大影響系統(tǒng)動態(tài)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(wǎng)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(xiàn)的****電壓為：
當測功機工作在電動狀態(tài)時，整流橋工作，能量回饋單元關閉。當測功機工作在異步發(fā)電狀態(tài)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(wǎng)。逆變時，要考慮回饋電流與電網(wǎng)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(wǎng)的相位關系，其次，在電網(wǎng)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(guī)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(tài)。對于一個管子而言，它連續(xù)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(guī)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(huán)。
開關動作序列與三相交流電網(wǎng)電壓的相位同步，所以電網(wǎng)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(wǎng)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uab、ubc、uca根據(jù)上述導通規(guī)律，對三個同步信號進行適當?shù)倪壿嬏幚恚纯色@得6個功率管的驅動信號，并驅動6個功率管，實現(xiàn)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(shù)值的大小，為此，需檢測直流母線電壓。為防止系統(tǒng)在某一點來回切換，則整流與回饋四種狀態(tài)之間的切換要留有一個滯環(huán)，因此需加一個電壓滯環(huán)比較環(huán)節(jié)。滯環(huán)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(wǎng)造成沖擊，因此需對該電流加以限制�？赏ㄟ^霍爾器件對三路電流分別進行監(jiān)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(huán)比較環(huán)節(jié)。
3 仿真和試驗研究
測功電機所發(fā)任意頻率的電功率，經(jīng)過逆變器模塊整流為直流，體現(xiàn)為直流母線電壓的泵升，達到一定程度時，再經(jīng)回饋逆變模塊逆變?yōu)榕c電闊同頻率、同相位的交流電，將能量回饋電網(wǎng)。在MATLAB的Simulink環(huán)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(huán)控制器、電流滯環(huán)控制囂等環(huán)節(jié)，直流側能量經(jīng)逆變單元、再經(jīng)進線電感接到交流電網(wǎng)。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(wǎng)電壓與電流相位相反，實現(xiàn)了能量同饋，缺點是電流上升斜率很大，即di/dt很大，對電網(wǎng)沖擊很大，諧波增多。
4結語
應用電力測功機的產(chǎn)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(diào)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。
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