交流測功機(jī)調(diào)研與計(jì)劃設(shè)計(jì)方案

交流測功機(jī)調(diào)研與方案設(shè)計(jì)電力測功機(jī)是什么?基本原理?隨著我國電動汽車、航空以及軍工等工業(yè)的發(fā)展。對電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、齒輪箱等動力機(jī)械的測試要求也越來越高,為了對這些設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率以及效率等性能進(jìn)行測試，作為測功機(jī)系統(tǒng)必須具備高動態(tài)性能、高穩(wěn)定性等特點(diǎn),而電力測功機(jī)正是一種可以滿足上述要求的新型測功機(jī)。電力測功機(jī)不僅能夠用作測功電機(jī)實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的加載，還可以作為拖動電機(jī)來拖動其他動力機(jī)械,這是其它測功機(jī)所不具備的。電力測功機(jī)中的交流電力測功機(jī)不僅能夠滿足上述要求，除此之外還能夠?qū)崿F(xiàn)能量的再生利用，具有廣泛的應(yīng)用價值。測功電機(jī)可以釆用同步電機(jī)也可以采用感應(yīng)電機(jī),進(jìn)行測功的同時能夠做到能量的回饋，但是同步電力測功機(jī)運(yùn)行在電動狀態(tài)時，測功區(qū)的最高轉(zhuǎn)速受到同步轉(zhuǎn)速的限制,而采用感應(yīng)電機(jī)的交流變頻方案的測功機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動,且動、靜態(tài)性能比同步方案更優(yōu)?；驹?電力測功機(jī)就是利用直流電機(jī)或者交流電機(jī)作為轉(zhuǎn)換元件，將電能轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，以轉(zhuǎn)矩形式為承載電機(jī)加載；并通過對加載轉(zhuǎn)矩的控制,實(shí)現(xiàn)對承載電機(jī)所帶機(jī)械負(fù)載的模擬。2.理論研究現(xiàn)狀交流電力測功機(jī)系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)分別為:能量外電路消耗型電力測功機(jī)結(jié)構(gòu)、獨(dú)立式能量回饋型電力測功機(jī)結(jié)構(gòu)和電封閉式電力測功機(jī)結(jié)構(gòu)，測功電機(jī)中所使用的控制策略主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種.目前交流電力測功機(jī)應(yīng)用比較廣泛,對測功機(jī)的要求也越來越高，研制一種高性能的全功能型電力測功機(jī)非常必要.三種測功機(jī)結(jié)構(gòu)介紹:2．1能量外電路消耗型電力測功機(jī)能量外電路消耗型電力測功機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1—1所示.該測功機(jī)結(jié)構(gòu)中,Ml為測功電機(jī),M2為被測電機(jī)，兩合電機(jī)同軸相連,測功電機(jī)在被動力機(jī)械拖動旋轉(zhuǎn)后運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，通過與逆變器相連接，將發(fā)出的電能輸給外界電阻性負(fù)載.可以通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓和頻率的大小來調(diào)節(jié)測功電機(jī)的輸出功率,從而實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的加載。測功電機(jī)的選擇可以是永磁電機(jī)、同步電機(jī)、或者交流異步電機(jī)等。使用永磁電機(jī)作為測功電機(jī)時，該測功機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性較高,抗干擾性好。但是由于有剩磁的存在，和磁滯測功機(jī)一樣，轉(zhuǎn)矩測試不能夠從零開始。使用同步電機(jī)作為測功電機(jī)時，可以省去逆變器環(huán)節(jié)，而直接將定子與外電阻器相連接，通過調(diào)節(jié)勵磁電壓就能夠控制被測電機(jī),操作簡單，使用方便。但是由于有電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)的存在,測功機(jī)運(yùn)行速度不能夠做到很高，此類測功機(jī)主要用于小功率電機(jī)的測試.使用交流異步電機(jī)作為測功電機(jī)時,系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單可靠、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及功率測試范圍廣等特點(diǎn),使用變頻方案來控制異步測功電機(jī)時,通過改變定子電流的頻率,來改變同步速，當(dāng)其頻率低于被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率時，測功機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的加載。能量外電路消耗型電力測功機(jī)系統(tǒng)中,測功電機(jī)只能夠工作的發(fā)電狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的加載，而不能夠運(yùn)行在電動狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的拖動,且由于系統(tǒng)僅是將所發(fā)出的電能轉(zhuǎn)移出測功機(jī),消耗在外電阻上,所以并未實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能高效.2．2獨(dú)立式能量回饋型電力測功機(jī)獨(dú)立式能量回饋型電力測功機(jī)系統(tǒng)是一種比較常用的測功機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1-2所示.圖1-２中虛線框內(nèi)為獨(dú)立式能量回饋型電力測功機(jī)的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)中的主電路部分為“交一直一交"結(jié)構(gòu)，其中Mｌ為測功電機(jī),M2為被測電機(jī),兩臺電機(jī)同軸相連.Ｍl通過背靠背PＷM變流器與三相電網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)整流與逆變的完全可控,即可實(shí)現(xiàn)測功電機(jī)的四象限運(yùn)行。電網(wǎng)側(cè)部分可以采用三相PWM技術(shù)建立直流母線電壓，保證母線電壓的穩(wěn)定.電機(jī)側(cè)可以采用矢量控制或者直接功率控制技術(shù)對測功電機(jī)進(jìn)行控制,達(dá)到功率、轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速可控，從而實(shí)現(xiàn)對被測電機(jī)的加載或者拖動。該測功機(jī)方案中，測功電機(jī)具有優(yōu)良的動態(tài)和靜態(tài)性能，同時測功電機(jī)既可以工作在電動狀態(tài)來驅(qū)動被測電機(jī)，又可以工作在發(fā)電狀態(tài)作為被測電機(jī)的負(fù)載,是一種全功能的電力測功機(jī)。從圖1－2來看測功機(jī)系統(tǒng)與被測動力機(jī)械相對獨(dú)立，只是同軸相連，并不存在電氣上的連接,使得其應(yīng)用面更廣，可以實(shí)現(xiàn)對大部分旋轉(zhuǎn)設(shè)備的測試，例如電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)等。但由于測功電機(jī)所產(chǎn)生的能量需要回饋到三相電網(wǎng),則其回饋電能的質(zhì)量需要嚴(yán)格控制，不僅需要保證回饋電流的正弦性,以減少諧波,同時也要保證單位功率因數(shù)，避免從電網(wǎng)吸收無功，所以對電網(wǎng)側(cè)控制器的要求也較高,增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。2．３電封閉式電力測功機(jī)為了避免能量回饋型電力測功機(jī)系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量對電網(wǎng)引起污染,可以采用共直流母線(Ｃommon-DＣ—ｂuｓ)技術(shù)來處理測功電機(jī)發(fā)出的能量。將測功電機(jī)發(fā)出的能量返回到直流回路上，供被測電機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)能量的內(nèi)部循環(huán),從而有效地提高能量利用率,減少從電網(wǎng)獲取的能量。此種結(jié)構(gòu)即為電力測功機(jī)的電封閉式結(jié)構(gòu)。電封閉式能量回饋型電力測功機(jī)系統(tǒng)中，測功電機(jī)與被測電機(jī)共用同一條直流母線,為共直流母線結(jié)構(gòu)，主要分為兩種結(jié)構(gòu):共用直流均衡母線和共用直流回路母線。共用直流均衡母線是指將兩臺或者多合變頻器的直流側(cè)并聯(lián)在一起，從而共用同一個直流母線，其中,每臺變頻器都有獨(dú)立的整流和逆變裝置.對于通用變頻器而言,采用共用直流母線很重要的一點(diǎn)就是在上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負(fù)載特性和輸入主回路保護(hù)等,因此，每合變頻器和共用直流母線之間可以加裝電抗器、快速溶斷器和接觸器等以起到保護(hù)作用，可以根據(jù)實(shí)際需要對變頻器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。如圖１—3所示，兩臺變頻器并聯(lián)在三相電網(wǎng)上，每臺變頻器控制一臺異步電機(jī)，然后把變頻器的直流母線端子DC對接，在直流母線上加入熔斷器,避免發(fā)生過電流時對變頻器造成損害。如圖１－４所示,共用直流回路母線結(jié)構(gòu)是將兩臺或者多臺逆變器連接到同一個公共的直流回路上，兩臺逆變器共用一個整流裝置.當(dāng)系統(tǒng)中一臺或多臺電機(jī)處在制動發(fā)電狀態(tài)時，制動發(fā)電電機(jī)所產(chǎn)生的再生電能被回饋到共用的直流母線上，供其它處在耗能狀態(tài)的電機(jī)吸收，從而達(dá)到既節(jié)約電能又能處理回饋電能的效果。當(dāng)制動電機(jī)再生能量不能滿足耗能電機(jī)耗能時，再由電網(wǎng)供電，整流橋補(bǔ)充。電封閉式能量回饋型電力測功機(jī)系統(tǒng)中，測功電機(jī)與被測電機(jī)共用同一條直流母線這使得測功機(jī)系統(tǒng)和被測電機(jī)并不是相對獨(dú)立的,從而限制了測功機(jī)平臺的應(yīng)用領(lǐng)域,所以一般只能夠用來測試電機(jī)。同時共直流母線的結(jié)構(gòu)使得測功電機(jī)產(chǎn)生的能量不需要回饋到三相電網(wǎng)上,避免了對電網(wǎng)造成的諧波污染,而是將能量直接用于驅(qū)動被測電機(jī)旋轉(zhuǎn),從而減少系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。3．產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀及相關(guān)產(chǎn)品介紹?目前國內(nèi)外許多測功機(jī)生產(chǎn)廠家均有交流電力測功機(jī)產(chǎn)品.不同廠家生產(chǎn)的交流電力測功機(jī)系統(tǒng)中所使用的方案也不盡相同,對測功電機(jī)的控制策略各有差異，從而測功性能也有所不同,但都體現(xiàn)出了交流電力測功機(jī)系統(tǒng)高效節(jié)能的特點(diǎn)。國外的交流電力測功機(jī)系統(tǒng)發(fā)展較快,日本小野測器、奧地利AＶＬ、策爾納等公司均有交流電力測功機(jī)產(chǎn)品。國際上應(yīng)用廣泛的是奧地利AVL公司的產(chǎn)品。AVL的發(fā)動機(jī)測試設(shè)備種類齊全,適用范圍廣,測試精度高,技術(shù)先進(jìn)，是國外內(nèi)燃機(jī)測試行業(yè)的首選設(shè)備。但是價格較為昂貴，在國內(nèi)使用較少。曰本淵野公司ＥＳF—lＯO型發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)集成控制,能夠?qū)Ω鞣N測試參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、特性曲線繪制等功能，使系統(tǒng)可t廣展性與升級能力得到了很大程度的提高。國內(nèi)的交流電力測功機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)也在不斷進(jìn)行中，湖南大學(xué)對電力測功機(jī)的研究取得了不少成果，研制的CＹ1１0、CＹ160系列交流變頻異步電力測功機(jī)通過了鑒定，并巳申請專利.但國內(nèi)的許多電力測功機(jī)生產(chǎn)廠家還在使用進(jìn)口技術(shù)搭建交流電力測功機(jī)平臺。四川誠邦測控技術(shù)有限公司所生產(chǎn)的ＤL系統(tǒng)交流電力測功機(jī)，使用ＡBＢ交流變頻調(diào)速與配電系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、以及計(jì)算機(jī)測試控制系統(tǒng)組成測功機(jī)系統(tǒng),測試中將交流測功機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)ABＢ變頻器逆變?yōu)橹绷麟娙缓笤倌孀優(yōu)榻涣麟娚暇W(wǎng)（或者由斬波電阻拒消耗）。AＢB交流變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的電流來控制原動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。主要用于電動汽車電機(jī)試驗(yàn)臺，發(fā)動機(jī)動態(tài)試驗(yàn)臺.電機(jī)的功率，精度高，響應(yīng)速度快，可用于動態(tài)試驗(yàn)。測功電機(jī)的特性曲線如圖１－5所示。上海啟策動力測試設(shè)備有限公司所生產(chǎn)的AＣ系列交流電力