基于PWM整流器的電機控制器老化測試系統

潘再平， 蘆思晨， 劉峙飛

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

基于PWM整流器的電機控制器老化測試系統

潘再平1， 蘆思晨1， 劉峙飛2

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.臥龍杭州電氣研究院，浙江杭州 310051)

針對傳統電機控制器老化測試系統能耗高，使用不便的問題，提出一種新型電機控制器老化測試系統解決方案。結合電機控制器內部結構與PWM整流器控制算法，利用三相PWM整流器作為電機控制器的電子負載，代替真實電機。建立了系統數學模型，并進行了仿真和實驗驗證。仿真和實驗結果表明，新系統能夠滿足電機控制器老化測試的要求，工作正常。與傳統老化測試系統相比，無電機運行損耗，節能30%左右。

PWM整流器;電機控制器;老化測試;空間矢量脈寬調制;諧波

0 引言

電機控制器在出廠之前需要經過老化測試，以檢驗產品質量，發現產品缺陷，推斷產品壽命。傳統電機控制器老化測試系統是采用兩臺電機對拖的方式完成的。該系統將兩個電機控制器的直流母線并聯，其中一臺電機為電動機運行，另一臺為發電機運行，發電機發出的電能經整流后重新回饋給直流母線，從而達到節約能量的目的。這種方法的系統損耗包括電機運行損耗，器件開關損耗及電路損耗，運行損耗較大。

對此，文獻［1］介紹了一種利用能量回饋型電子負載代替電機進行老化測試，同時將電能回饋給電網的方法。這種方法雖然能夠做到電能的回饋，但其采用兩個三相PWM整流器背靠背連接的方式，電路復雜，控制繁瑣，開關損耗較大，而且沒有闡明無中性點電路采用SVPWM調制方式所遇到的問題及其解決辦法。

為了解決以上問題，本文提出了一種基于PWM整流器的新型老化測試系統。這種新型系統利用三相PWM整流器去模擬一個真實的電機，作為電機控制器的電子負載，從電機控制器吸收交流電能，并將其整流成直流后回饋到直流母線上，從節約大量電能。本文利用SIMULINK對其進行仿真，并搭建了實驗平臺進行能耗對比實驗，同時還闡述了無中性點電路采用SVPWM調制方式所遇到的問題及其解決辦法。

1 工作原理分析

基于PWM整流器的新型老化測試系統主電路如圖1所示，整個老化測試系統可以分為電源部分，電機控制器部分和PWM整流器部分。其中電機控制器部分采用SVPWM調制方式，輸出電機額定電壓并保持不變;PWM整流器部分采用電流閉環控制，通過動態調節PWM整流器的輸出電壓，控制電流穩定在給定值，從而滿足老化測試對電流的要求;電源部分用于補充系統損耗，維持直流母線電壓保持不變。

圖1 基于PWM整流器的新型老化測試系統Fig.1 The new burn-in test system based on the PWM rectifier

系統采用SVPWM調制方式，這種調制方式的本質是在正弦調制波中疊加三次諧波等零序分量，降低調制波幅值，提升直流電壓利用率［2－3］。對于有中性點的電路，零序分量無法流通，因此采用SVPWM方式提升電壓利用率的同時不會使電流畸變;但對于沒有中性點的電路，零序分量可以流通，若采用SVPWM則會造成電流中含有零序分量，發生畸變。因此，需要利用三相Y/Y聯結組隔離變壓器來制造中性點，濾除零序電流分量。

2 數學模型

由于電源部分能夠實時補充系統損耗，可將直流母線電壓視為常數。定義開關函數［4］為

其中k為變量。Sa1，Sb1，Sc1是電機控制器三相橋臂開關函數，Sa2，Sb2，Sc2是PWM整流器信號三相橋臂開關函數。變壓器變比為1，設其原、副邊相電壓為ua、ub、uc，原邊流入電流為 ia、ib、ic，方向如圖 1。變壓器原邊中性點為N1，副邊中性點為N2，電壓參考點O位置如圖1。變壓器原、副中性點與電壓參考點O的電壓為UN1O、UN2O，直流母線電壓為Udc，對于原邊，得到

式中，L、R為線路電感、電阻。

對于副邊，可得

將式(4)代入式(2)、式(3)，可得到老化測試系統數學模型為

由式(5)可知，三相電流存在耦合，每相電流變化都與六個開關信號有關，難以對電流進行有效控制。因此，必須對數學模型進行簡化。分析變壓器原邊電壓可知，電機控制器輸出電壓為電機額定電壓并保持不變，變壓器原、副邊電壓ua、ub、uc雖然為方波，但其等效正弦電壓幅值保持不變。系統主要通過調節PWM整流器輸出電壓來控制電流，因此，可以將電機控制器及變壓器視為一個整體，作為三相PWM整流器的電源。將變壓器副邊輸出電壓ua、ub、uc看作是三相PWM整流器的輸入電源，則整個系統數學模型與三相PWM整流器數學模型相同［5］，即

采用恒功率變換，得到dq坐標數學模型為

其中:ud、uq為變壓器副邊輸出d、q軸電壓;UdcSd、UdcSq為輸入整流器d、q軸電壓;ω為電角速度。

3 控制方案設計

系統簡化數學模型與三相PWM整流器數學模型相同，其控制策略也可以相互借鑒，PWM整流器控制策略有電網電壓定向矢量控制［6］，虛擬磁鏈定向矢量控制［7］，功率控制［8－9］，電流預測控制［10］等。但仔細分析可知，二者有以下幾點不同:

1)三相PWM整流器的電源電壓是正弦波，而老化測試系統中變壓器副邊輸出的電壓近似為等效方波，難以進行鎖相，因此無法通過鎖相得到電壓相角，進行坐標變換。但電機控制器輸出電壓矢量的相角是由控制器內部產生，其相角與變壓器副邊輸出電壓矢量相角相同，因此，可以將電機控制器內部相角輸出給PWM整流器控制系統，用于坐標變換。

2)PWM整流器直流側有負載及濾波電容，直流電壓需閉環控制;在老化測試系統中，直流電壓可視為恒定值。因此在控制系統中可以取消電壓環，簡化控制系統。

分析式(7)可知，系統dq軸電流存在耦合。為了提升電流控制性能，對電流進行解耦控制［11］。d、q軸電流PI調節器輸出為

將式(9)代入式(7)并忽略電阻R得到

輸入整流器電壓d、q軸分量可由下式得到，即

即實現了解耦控制。

綜上所述，老化測試系統基本控制思路是:電機控制器采用SVPWM調制方式輸出電機額定電壓并保持不變;對系統電流進行采樣，并變換到dq坐標，通過對dq軸電流進行PI調節及解耦控制，得到電壓矢量dq軸分量ud、uq，再采用SVPWM方式輸出。其控制框圖如圖2所示。

圖2 基于PWM整流器的新型老化測試系統控制框圖Fig.2 The control block diagram of the new system

4 仿真分析

為了驗證老化測試系統主電路及控制方案的可行性。利用Matlab進行軟件仿真，仿真參數如下:直流母線電壓 310 V，線路電阻 0.1 Ω，線路電感0.07 H，開關頻率 10 kHz，死區時間 3 μs，給定電流id=0，iq=3 A，電機控制器給定電壓:ud=0，uq=100 V。

圖3與圖4分別為有無變壓器時的三相電流波形。

圖3 三相電流波形(有變壓器)Fig.3 Three-phase current with a transformer

圖4 三相電流波形(無變壓器)Fig.4 Three-phase current without a transformer

由圖可見，無變壓器時電流波形發生畸變;而有變壓器時電流波形正弦度很好。有無變壓器時A相電流各次諧波對比分析如表1。有變壓器時電路存在中性點，零序分量得到抑制，電流諧波含量僅為0.67%，無變壓器時電路中零序分量可以流通，電流三次諧波分量達到了17.5%。這充分說明了在無中性點電路中采用SVPWM調制方式會產生零序分量的事實，同時也證明了采用Y/Y聯接組隔離變壓器抑制電流零序分量的方法是可行的。

表1 電流各次諧波對比分析Table 1 FFT analysis of the current

由以上仿真結果可以得到結論:本文所述新型電機控制器老化測試系統及其控制方案式可行的。

5 實驗驗證

搭建硬件實驗平臺并進行實驗研究。實驗參數與仿真參數完全相同。圖5、圖6為不同電流給定值時電機控制器輸出交流電流波形。由實驗波形可知，系統電流能夠比較好的跟蹤給定值，正弦度較好，幅值、周期準確，基本滿足電機控制器老化測試的要求。

圖5 iq=1A電流波形Fig.5 current waveform iq=1A

圖6 iq=2A電流波形Fig.6 current waveform iq=2A

圖7、圖8為老化電流幅值均為2 A時，電機對拖方式老化測試系統由電網輸入充電電流及新型老化測試系統由電網輸入充電電流。兩系統直流母線電壓相同，因此其充電電流的大小即代表了系統損耗的大小。比較圖7與圖8可知，電機對拖方式系統輸入電流正向峰值2.8 A，反向峰值1.8 A左右;而新型老化測試系統輸入電流正向、反向均為1.5 A左右，明顯小于電機對拖系統。這說明新型老化測試系統功率更小，能耗更低。為了更準確的比較兩系統能耗情況，可以根據充電電流波形，計算其積分值，得到單位時間內輸入電荷量，再乘以直流電壓，得到估算功率。

圖7 傳統電機對拖方式系統輸入電流波形Fig.7 supply current of the conventional system

圖8 新型老化測試系統輸入電流波形Fig.8 supply current of the new system

將圖7、圖8所示充電電流視為三角脈沖，持續時間由波形讀出，約為2 ms。脈沖周期20 ms，直流母線電壓310 V，由此可計算得到兩系統的消耗功率分別為:電機對拖系統71.3 W，基于PWM整流器的新型老化測試系統46.5 W，節能34.8%。

由實驗結果可知，本文所述老化測試系統及其控制方案能夠有效的控制電流，滿足電機控制器老化測試的需求，同時實現電能的回饋利用，與傳統電機對拖方式相比，節能效果更好，更加方便，有比較高的實際應用價值。

6 結語

針對采用電機對拖方式的傳統電機控制器老化測試系統電機起動不便，運行損耗大等缺點，提出了一種基于PWM整流器的新型電機控制器老化測試系統，并闡述了無中性點電路采用SVPWM調制時遇到的問題及其解決辦法。系統采用PWM整流器代替電機，作為電機控制器的電子負載，能有效控制電流，同時大幅降低系統能耗，提升效率。仿真及實驗結果表明，本文所述系統能夠滿足電機控制器老化測試的需求，與傳統老化測試方式相比，更加方便，節能約30%，驗證了其實用性和經濟性。

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(編輯:張詩閣)

Burn-in test system of motor controller based on PWM rectifier

PAN Zai-ping1， LU Si-chen1， LIU Zhi-fei2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Wolong Electric Group，Hangzhou Research Institute，Hangzhou 310051，China)

A conventional burn-in test system consumes much energy and it is inconvenient to conduct a burn-in test.In order to solve these problems，a new burn-in test system of motor controller based on the PWM rectifier was presented.Combining the structure of the motor controller and the control algorithm of the PWM rectifier，a three-phase PWM rectifier was used as the load of the motor controller instead of the electrical machine.Mathematical model was built.Simulation and experiment have been done.The results demonstrate that the new system works well and meets the requirements of the burn-in test.Compared with the conventional system，it contains no operating loss of motors and saves 30%energy.

pulse width modulation rectifier;motor controller;burn-in test;space vector pulse width modulation;harmonic

TM 461

A

1007－449X(2013)11－0008－05

2012－12－21

潘再平(1957—)，男，教授，碩士生導師，研究方向為電機及其控制，風力發電技術;

蘆思晨(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為PWM整流器及其控制技術;

劉峙飛(1976—)，男，博士，高級工程師，研究方向為電力電子和自動控制技術。

潘再平