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】。

    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YT_b导通时，能量消耗在镇流电阻R_b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拓扑结构的电力测功机来说，能量回馈方案通常有两种方式：一是经能量同馈单元逆变送回电网，二是采用公共直流母线供电技术( Common-DC-Bus)形成能量循环。两种方案可以单独使用，也可以同时使用，如图3所示。

    对于被测电机也为交一直一交变频器驱动方式时，可以采用公用赢流母线技术来处理测功机吸收过来的能量，即驱动和负载都使用交流电机及变频，瞬台变频器的直流回路并联，共用一套独立的整流单元（通常采用不可控整流桥，降低系统成本且功率因数较高），保持直流电压稳定^【6】。这样一来，负载电机吸收并返回到直流回路的能量正好被驱动电机使用，形成能量循环，有效地提高能量利用率，减少从电网获取能量：图3中D₁、D₂分别接于直流母线P、N端，确保能量在直流侧经回馈单元到电网方向上的单向流动。c₁、c₂、L₁、L₂分别是直流母线的滤波电容和滤波感。FU为熔断器，起过流保护作用。

    在检测原动机（被测电机）的扭矩和功率时，由原动机驱动测功电机（负载电机）的转子，在所需要的测试转速范围内转动。此时，整流器模块和逆变器模块提供任意频率的无功，并使其频率对应的转速（同步转速）低于测功电机的转速，形成超同步转速运行的发电状态。测功电机所发任意频率的电功率，经过逆变器模块整流为直流，再经回馈逆变模块逆变为与电网同频率、同相位的交流电^【7-8】。在不能采用公共直流母线的情况下，就必须设置能量回馈单元。能量回馈的目的是将测功机转子部分能量送回到电网中以保护变频电源和节能，但对电网不能产生污染，回馈能量的同时还应注意保护组成回馈电路的大功率开关器件。因此，一个完善的能量回馈系统应满足三个条件：当直流母线电压高于电网电压时开始回馈；回馈过程必须与电网同步；回馈电流必须加以限制。能量回馈单元主电路如图4所示，采用绝缘栅双极晶体管(ICBT)功率管器件，便于选型，例如智能功率模块(IPM)，集成了驱动电路及保护电路等，外围电路设计简单，也便于以后控制算法的改进。

  P，N分别为直流母线正、负极性，电感L的作用是平衡直流母线和电网电压之间的压差，限制回馈电流变化率，以及起滤波作用，数值太大影响系统动态性能，若太小，滤波效果不明显。

    采用三相不可整流桥及大容量滤波电容，设三相电网电压波动+ 百分之十五 - -百分之十五 ，则整流后，直流母线上可能出现的****电压为：

当测功机工作在电动状态时，整流桥工作，能量回馈单元关闭。当测功机工作在异步发电状态时，由于二极管整流桥的单向性，直流母线的电压会超过620 V，整流桥自然关闭，此时能量回馈单元开起，将直流母线的能量逆变回馈电网。逆变时，要考虑回馈电流与电网电压相位的同步，需使6个功率管的开关动作符合三相交流电网的相位关系，其次，在电网线电压****时输出电流，可以使得回馈功率****化。为此，开关管VT₁- VT₆的导通规律如图5所示。

  从图5可以看出，将一个周期分成6等分，每隔60度改变一次开关状态。对于一个管子而言，它连续导通120度，关断240度。由此，很容易得到满足同步关系的开关规律：VT₁、VT₆导通VT₁、VT₂导通VT₃、VT₂导逦_VT₃、VT₄导通VT₅、VT₄导通VT₅，VT6导通，如此往复循环。

    开关动作序列与三相交流电网电压的相位同步，所以电网电压相位同步信号的获取十分重要。所谓同步是指线电压同步，同步信号一般通过同步变压器获得，但是应注意同步变压器的连接组别，若为Y-Y接法，则副边所得到的三个电压信号在相位上要比电网电压滞后30度，为了保证获得正确的同步信号，同步变压器需△一Y接法，则副边将依次获得三个同步信号u_ab、u_bc、uca根据上述导通规律，对三个同步信号进行适当的逻辑处理，即可获得6个功率管的驱动信号，并驱动6个功率管，实现能量I司馈的功能。

    电力测功机既可以工作在第一象限，也可以工作在第二象限，能量同馈单元和整流桥的切换取决于直流母线电压数值的大小，为此，需检测直流母线电压。为防止系统在某一点来回切换，则整流与回馈四种状态之间的切换要留有一个滞环，因此需加一个电压滞环比较环节。滞环宽度设为△U=20 V。

    在能量回馈过程中，必须注意防止回馈电流过大对电网造成冲击，因此需对该电流加以限制。可通过霍尔器件对三路电流分别进行监测，当电流超过某一没定值时，暂时关闭功率管，待电流下降后再打开。同样，为防止切换震荡，仍需设置电流滞环比较环节。

测功电机所发任意频率的电功率，经过逆变器模块整流为直流，体现为直流母线电压的泵升，达到一定程度时，再经回馈逆变模块逆变为与电阔同频率、同相位的交流电，将能量回馈电网。在MATLAB的Simulink环境下对回馈逆变单元进行了仿真研究，建立的模型如图6所示。

从图6可以看出，该模型包括有同步电路、电压滞环控制器、电流滞环控制嚣等环节，直流侧能量经逆变单元、再经进线电感接到交流电网。交流侧A相电压、A相电流的仿真波形如图7所示。从图7可以看出，相电压、相电流波形反相，说明能量确实从直流侧送到了交流侧，并且在相电压****时回馈能量，这样效率****。

 

    对上述控制方法的能量回馈单元也进行了试验研究，主电路采用三菱公司的IPM

PM75 DSA120，控制器采用TI公司的TMS320LF2407A，负载电机逆变器只用了一个事件管理器EVA，另一个事件管理器EVB正好用于能量回馈单元的控制，输出六路驱动信号。进线电感L=20 mH。试验波形如图8所示。对比图7、8可以看出，试验波形和仿真波形基本一致，电网电压与电流相位相反，实现了能量同馈，缺点是电流上升斜率很大，即d_i/d_t很大，对电网冲击很大，谐波增多。

    应用电力测功机的产品情况极为多样，品种繁多，针对不同的需求可以有不同的方案。本文分析了电力测功机几种常用的能量处理方式，介绍了能量回馈单元的设计，可以看出，回馈电流不是正弦波，谐波含量较大，可以通过类似脉宽调制( PWM)整流器的控制方法，使得回馈单元输出的电流按近正弦波，但控制算法稍复杂一些，这正是下一步的工作重点。