电力测功机能量回馈单元的设计
刘述喜1， 李 山1， 蒋红云2， 叶彬强1， 李鹏1， 徐波1
（1重庆理工大学电气工程与自动化系，重庆400050； 2攀钢集团信息工程技术有限公司，四川攀枝花617000）
摘要：电力测功机由负载电机及其变频控制装置组成，工作在第二象限。针对其再生能量，对比分析了几种常用的能量处理方式，主要介绍了能量回馈单元的主电路及其控制电路设计，并进行了仿真分析和试验研究。结果表明，该能量回馈单元结构简单、控制容易，实现l再生能量的高效率同馈电网。
关键词：电力测功机；能量回馈；有源逆变
中图分类号：TM302文献标识码：A文章编号：1673-6140( 2009) 11-0061-05
O 引 言
测功机是机械传动试验台、发动机及电机性能测试台等试验装置中的核心设备。传统的电涡流机和水涡轮机是将所吸收的功率以强迫风冷或循环水冷的方式消耗掉，这不仅白白浪费能源，还使得整个设备非常复杂和笨重，动态性能及控制特性电很差，岗位劳动强度大。而电力测功机吸收的功率可以返回到电网或与其他电动装置形成能量循环，是电涡流机和水涡轮机的理想替代产品【1-2】。电力测功机目前大都采用直流测功电机，这是因为直流电机的调速性能好，控制简单，但直流电机由于换向器的影响，不能适用于高速运行，因此在转速很高的情况下，往往采用机械减速装置，使系统复杂且噪声增大。而交流电力测功机由于不存在换向器问题，结构简单，可靠性高，随着电力电子技术的发展，交流传动系统在静、动态性能上得到了显著提高，可与直流传动相媲美【3-5】。在不久的将来，直流电力测功机将逐渐被淘汰，交流电力测功机将代表其发展方向。
交流测功机主要由交流电机和变频器组成，既能工作于电动状态做拖动用，又能工作在发电状态做负载用。使用的交流电机主要有绕线式异步电机和笼型异步电机，前者结构稍复杂、价格较贵、****转速不能太高，一般3000 r/min左右；后者转子轻、结构简单、能形成四象限运行、高速性好，在交流测功机应用领域中的前景被看好【2】。
1 电力测功机中再生能量的处理
电机动态测试系统是常见的电力测功机之一，如图l所示，被测电机和负载电机同轴相连。同轴相连的两行电机之间的电磁转矩有如下
式(l)是测功机系统建模时要考虑的动力学方程。
对于采用交直流电压型逆变器拓扑结构的电力测功机来说，测功电机工作在第二象限即异步发电状态，由原动机驱动测功电机的转子运转，转子的机械能转换为电能流向整流器直流侧，而一般整流器是由二极管构成的桥式电路，能量无法回馈到电网，只能对滤波电容器充电而使电源电压升高，称做泵升电压。如果泵升电压过高，会威胁系统的安全，因此必须采取相应的措施。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法），从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻和开关管组成的泵升电压限制电路，接在直流母线之问，特能量释放，如图2所示。当YTb导通时，能量消耗在镇流电阻Rb上。但是该方法有很多缺点：首先由于电阻发热，环境温度升高，影响系统的可靠性；其次相应的泵升电阻必须设计得足够大，功率也相应增大，这对整个系统的可靠性不利；第三，由于制动电阻放电时受电阻设计温升的限制，只能规定在较短时间的制动；另一方面，这种依靠电阻放电的制动模式无法实现快速的动态响应；而对大功率变频器，电阻制动更为困难；另外，外加泵升电路将能量消耗在电阻中，能量白口损失掉，末达到节能的目的。因此，将这部分能量回送到电网中很有必要【4】。
交流测功机既可以工作在电动状态，做拖动用，又可以工作在发电状态，做负载用，而且有可能处于连续工作模式，因此通过能耗电阻来抑制直流母线泵升电压是不现实的。对于采用交直流电压型逆变器 |
