模拟电机端口特性的电力电子负载系统设计

《模拟电机端口特性的电力电子负载系统设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１３０６３０００２模拟电机端口特性的电力电子负载系统设计黄清军１，孙牧村１，邹旭东１，刘良春２，熊威１（１．强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北省武汉市４３００７４；２．武汉迈力特通信有限公司，湖北省武汉市４３００７９）摘要：针对电机驱动器的性能测试和功率考核需求，提出一种利用电力电子负载模拟电机端口特性的负载模拟系统，可取代交流传动试验平台用于各类电机供电电源的性能测试。采用实时数字仿真技术获得电机实际接入时的端口电流状态，并控制功率变换器准确跟

2、踪上述电流，使变流器具有与实际电机相同的端口电压电流特性。在电机空载启动和突加机械负载两种典型工况下进行了模拟，仿真和实验结果表明，电机模拟器具有与实际电机一致的端口特性，从而验证了所提方案的有效性。关键词：电机驱动器测试；电力电子负载；电机模拟器；实时数字仿真０引言电力电子负载（ｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｌｏａｄ）［１－３］是一种利用变流器模拟特定负载端口电压电流特性从而考核电源性能的负载模拟装置。因其特性灵活、绿色节能，被广泛应用于多种电源的功率考核和性能测试。但目前其模拟对象仅限于电阻、电

3、感等常规负载，多用于直流或正弦波交流电源的老化考核；而不能模拟电机类负载，用于电机供电电源，如软启动器、变频器、微型网络等的性能测试。这是因为：①电机是一种高阶、非线性、动态、时变负载，相对于电阻、电感等常规负载，端口电压电流特性非常复将电机模型实时仿真单元嵌入常规微控制器中的方案，利用常规信号处理器进行实时仿真和控制。为在有限计算能力下获得高仿真精度，对电机模型和求解过程进行了优化选择。针对系统中端口电压实时锁相困难问题，建立了两相静止坐标系下五阶数学模型；推导出数值求解的收敛域；对比多种数值计算

4、方法的计算量及计算精度，最终选用两步亚当斯法求解电机模型。仿真和实验结果表明，电机模型实时仿真单元可准确计算出电机各状态量，功率变换器能准确跟踪电流指令，从而模拟出实际电机的端口电压电流特性。相对于由电机及其机械负载构［６－８］，电机模拟器结构简单、杂；②当供电电源为软启动器或变频器时，电机端口电压为交流斩波或脉宽调制（ＰＷＭ）波，其检测与锁相远复杂于常规电子负载中正弦量，这不仅增加了电机建模计算的难度，给模拟变换器的电流跟踪控制也带来巨大挑战。本文将实时数字仿真（ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｇｉｔａｌｓｉ

5、ｍｕｌａｔｉｏｎ，ＲＴＤＳ）［４－５］技术引入电力电子负载中，利用ＲＴＤＳ技术进行电机模型实时仿真，求出电机实际接入时的电流状态，并控制功率变换器输出相应端口电流，从而构造出与实际电机具有相同端口电压电流特性的模拟电机，简称为电机模拟器（ｍｏｔｏｒｓｉｍｕｌａｔｏｒ）。鉴于ＲＴＤＳ系统昂贵，采用了收稿日期：２０１３－０６－３０；修回日期：２０１３－０８－３０。国家自然科学基金资助项目（５０９７７０３６）；光宝电力电子技术科研基金资助项目“基于交流电子负载的虚拟电机模拟器研究”。成的交流传动实验平台成

6、本低廉，不仅可灵活模拟出各种工况下的电机端口特性，还能灵活修改电机参数、电机类型和机械负载模型，从而全面测试电机供电电源性能。１电机模拟器的工作原理及其系统结构１．１电机模拟器工作原理电机既是电力系统中的主要功率负荷，又是各类电机驱动器的被控对象。在实验室条件下，为测试电机运行对供电网络的影响或电机驱动器在各种电机运行工况下的控制性能，一般采用由电机及其机械负载构成的交流传动试验平台，如图１（ａ）所示，系统结构复杂、成本高、控制困难、效率低。实际上，进行电机供电电源测试时不以机电能量转换为目标，而是关

7、注各种工况下的电机端口特性。此时可将电机视为一种电气负载，从而像模拟电阻、电感类负载一样，模拟其端口电压电流特性。—７１—由于电机供电电源通常为电压源，电机模拟的重点就是模拟出相应端口电流，此时从端口看，接入电机模拟器与接入实际电机等效。图１电机模拟系统与传统交流传动实验系统图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｓｂａｓｅｄｏｎｍｏｔｏｒｓｉｍｕｌａｔｏｒａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｏｔｏｒ－ｌｏａｄｄｒｉｖｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ电机模拟器实质是一种半实物仿真（ｈａｒｄｗａｒｅｉｎ－ｔ

8、ｈｅ－ｌｏｏｐ，ＨＩＬ）系统［９］，只是常规ＨＩＬ系统中接入的硬件是控制器而电机模拟系统是将电机供电电源的功率电路及其控制器整体接入，将电机及机械负载采用实时数学模型来表示并利用功率变换器作为接口单元实现“硬件实物”和“数学模型”间的匹配连接。因为回路中电压、电流包含实际功率，故又称为功率型半实物仿真系统（ｐｏｗｅｒ－ｌｅｖｅｌｈａｒｄｗａｒｅｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ，ＰＨＩＬ），以区别于常规只包含信号级半实物仿真系统（ｓｉｇｎａｌ－ｌｅｖｅｌｈａｒｄｗａ