文/王德國 郭煜 焦寶林，中車永濟電機有限公司

1 引言

電機或者變速裝置的傳統(tǒng)測試方法較多的是采用電磁渦流測功機和磁粉剎車作為模擬負(fù)載。整個加載系統(tǒng)由增速傳動箱、扭矩傳感器、電磁渦流測功機、離合器、磁粉剎車以及聯(lián)軸器等組成,也有采用水力測功機或者發(fā)電機組的?？偟膩碚f,這些測試方法的測量范圍和精度都已經(jīng)很難滿足目前電機和變速機構(gòu)的要求,而且能源浪費嚴(yán)重。近年來隨著變流器的日益普及和轉(zhuǎn)矩控制算法的成熟,可以采用變流器帶動交流異步電動機作為模擬負(fù)載來取代上述傳統(tǒng)的測試方案。

2 系統(tǒng)組成與控制方案

2.1 系統(tǒng)組成與工作原理

圖1為采用變流器帶動交流異步電動機作為模擬負(fù)載的電力測試平臺組成框圖。該電動測試平臺的最大特點是可以減少能量消耗。圖2簡單地說明了節(jié)約電能的原理。電動測試平臺中交流電機在發(fā)電狀態(tài)下工作產(chǎn)生的電能可以回饋從而減少能源消耗?；仞伔绞接袃煞N方案,分別是采用AFE交流側(cè)回饋方案和直流母線回饋方案。

圖1 電力測試平臺組成框圖

圖2 節(jié)能原理

2.2 采用AFE交流側(cè)回饋方案

隨著近年來半導(dǎo)體器件的發(fā)展,一種新型的帶有主動回饋功能的整流單元已經(jīng)在市場上嶄露頭角。這種產(chǎn)品的代表就是西門子公司的帶有自換向脈沖整流/回饋單元AFE。

從結(jié)構(gòu)上看,由于采用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率元件,所以它相當(dāng)于一個逆變器,不同的是其輸入為交流而輸出為直流。因為它位于電源進線側(cè),所以被稱為“前端”。其主動的含義在于,與傳統(tǒng)的二級管或可控硅整流技術(shù)相比,“主動前端”不再是被動地將交流轉(zhuǎn)變成直流,而是具備了很多主動的控制功能。它不僅能消除高次諧波,提高功率因數(shù),而且不受電網(wǎng)波動的影響無換相失敗,具有卓越的動態(tài)特性和電流管理功能。普通的變流器采用二極管整流,是不可控整流,不可避免地要產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng);而AFE是IGBT整流,是完全受控的整流,帶有輸入電源檢測板,可以實時檢測輸入的電壓和電流相位并通過CUSA控制板控制整流部分IGBT的觸發(fā)角,從而達(dá)到矯正波形和補償電網(wǎng)功率因數(shù)的作用。AFE本身產(chǎn)生的諧波非常小,比普通變流器的整流單元(不論6脈沖或者12脈沖)產(chǎn)生的諧波要小一個數(shù)量級,所以不會對電網(wǎng)造成不良影響,對其他用電設(shè)備的影響更是遠(yuǎn)小于普通變流器。AFE整流單元的工作原理可簡述為:AFE整流單元從電網(wǎng)汲取正弦波交流電,經(jīng)整流后輸出直流電壓,并保持所要求的電壓值,且各次諧波由濾波電路刪除。AFE整流/回饋單元的應(yīng)用范圍很廣,它包括:傳輸鏈系統(tǒng)、起重設(shè)備、直橫剪紙機、太陽能光電應(yīng)用技術(shù)、制糖離心機、榨糖機、機車測試床、風(fēng)力發(fā)電等。即使在電網(wǎng)極不穩(wěn)定的情況下,電壓控制器仍能維持恒定的直流環(huán)節(jié)電壓。

電氣部分采用AFE變流器帶動一臺異步電動機來模擬負(fù)載。變流器采用直接轉(zhuǎn)矩控制,可以根據(jù)設(shè)定值輸出轉(zhuǎn)矩而不受速度限制。轉(zhuǎn)矩的測量采用扭矩法蘭,轉(zhuǎn)矩的控制通過PLC里的PID功能塊完成。模擬負(fù)載的電機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候,發(fā)出的直流電首先回饋到直流母線上。AFE變流器本身帶有VSB電壓檢測板用來檢測進線電網(wǎng)的電壓、相位、功率因數(shù)等參數(shù)。AFE的CUSA控制板可以根據(jù)檢測到的電網(wǎng)參數(shù)通過控制IGBT的占空比和頻率,把直流電逆變成和電網(wǎng)本身完全同相位同頻率交流電回饋電網(wǎng)。由于測試臺、被測試電機和裝置是完全獨立的,這個方案適用于任何測試場合。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于背靠背變流器的電機測試平臺。在確保實現(xiàn)電機測試的基本功能這一前提下，通過背靠背變流器可以把被測電機的機械能轉(zhuǎn)化為電能，進而重新給被測電機供電。通過實驗證明，在降低供電電源容量的情況下，該測試平臺仍然可以實現(xiàn)電機測試的相關(guān)功能，并且被測電機的功率越大，電源提供的功率占電機輸出功率的比值就越小。實驗表明，在一般情況下，采用這種基于背靠背變流器的電機測試平臺所需的電源容量只有傳統(tǒng)測試平臺電源容量的一半，無論從用電量的使用，還是從電源的成本來考慮，都將極大地減少支出，對降低成本具有積極意義。