變頻電機動態(tài)性能試驗的負載系統(tǒng)研究*

曹建雄, 李 正, 馮東升

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

變頻電機動態(tài)性能試驗的負載系統(tǒng)研究*

曹建雄1, 李 正1, 馮東升2

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

針對傳統(tǒng)變頻電機試驗系統(tǒng)只能在固定轉(zhuǎn)速下進行負載試驗，研究了一種用于變頻電機試驗的多轉(zhuǎn)矩類型負載系統(tǒng)。變頻電機動態(tài)性能試驗負載系統(tǒng)是根據(jù)感應電機的特性，建立數(shù)學模型，通過計算，快速調(diào)節(jié)感應電機的供電電壓和頻率，從而模擬出多種類型的動態(tài)負載。研究了變頻電機動態(tài)性能試驗負載系統(tǒng)的工作原理、模擬方法，并進行仿真分析，表明其可滿足不同負載類型下的變頻電機動態(tài)性能試驗要求。

變頻電機；動態(tài)性能;負載系統(tǒng)

0 引 言

變頻電機主要通過改變電壓和頻率，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此變頻電機的動態(tài)負載試驗對檢測變頻電機的性能和質(zhì)量，是必不可少的試驗項目，而負載類型眾多，為測試變頻電機的負載動態(tài)性能，必須在試驗時模擬負載，才能測試出變頻電機在真實負載下的動態(tài)性能[1]。

比較典型的負載轉(zhuǎn)矩類型分為4種：恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載、平方轉(zhuǎn)矩負載和直線率負載[2]。一般變頻電機的試驗系統(tǒng)只能對變頻電機在固定轉(zhuǎn)速下進行負載試驗。本文采用以變頻電源供電的感應電機為負載裝置，研究一種模擬在轉(zhuǎn)速變化時能滿足多種負載類型的動態(tài)負載系統(tǒng)，給出了該負載系統(tǒng)的模擬方法，并進行了仿真分析。結(jié)果表明該負載系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N負載類型進行模擬，實現(xiàn)變頻電機動態(tài)性能試驗。

1 變頻電機試驗的負載系統(tǒng)

該變頻電機負載試驗系統(tǒng)由被試電機、陪試電機、轉(zhuǎn)速傳感器、控制器、變頻器和被試電機變頻電源組成。其原理圖如圖1所示。

圖1 變頻電機負載試驗系統(tǒng)原理圖

試驗系統(tǒng)采用感應電機作為陪試電機，與被試電機同軸連接，采用電壓-頻率控制模式，用于模擬不同負載類型的轉(zhuǎn)矩特性；轉(zhuǎn)速傳感器，連接在異步電機及被試電機的軸上，用于獲取異步電機及被試電機的轉(zhuǎn)速；感應電機的控制器根據(jù)從轉(zhuǎn)速傳感器獲得的轉(zhuǎn)速信息，計算出應該輸出的電壓與頻率，控制變頻器在該電壓和頻率運行。

2 變頻電機試驗的負載系統(tǒng)研究

用于變頻電機試驗的模擬多轉(zhuǎn)矩類型試驗的負載是根據(jù)感應電機的特性及負載公式，建立數(shù)學模型，得到轉(zhuǎn)矩和電壓、轉(zhuǎn)速、頻率等參數(shù)的關系，通過計算，快速調(diào)節(jié)感應電機的頻率和電壓，從而得到被試電機需要的轉(zhuǎn)矩并且能夠?qū)崟r根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，為被試電機提供不同類型的負載轉(zhuǎn)矩。

2.14種典型負載轉(zhuǎn)矩類型

負載的轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機械負載的靜態(tài)阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關系。不同的生產(chǎn)機械，其負載特性也各不相同。

恒轉(zhuǎn)矩負載的靜負載轉(zhuǎn)矩在任何轉(zhuǎn)速下總保持恒定或基本恒定。恒轉(zhuǎn)矩負載的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系為

式中：TL——負載轉(zhuǎn)矩；

K——負載系數(shù)；

n——電機轉(zhuǎn)速。

常見的恒轉(zhuǎn)矩負載設備有起重機、帶式輸送機等。

恒功率負載，負載具有恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性指的是負載在速度變化時需要電動機提供的功率為恒定。恒功率負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系為

常見的恒功率負載有造紙機和塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等。

平方轉(zhuǎn)矩負載，具有隨著轉(zhuǎn)速的降低負載所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比例減小的特點。平方轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系為

常見的平方轉(zhuǎn)矩負載設備有風機、水泵等。

直線率負載，具有隨著轉(zhuǎn)速的降低，負載所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比例減小的特性。直線率負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系為

常見的直線率負載有軋鋼機、碾壓機等。

通過對以上4種負載類型分析可得負載通用的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性方程：

其中：α=-1、0、1、2(α=-1時為恒功率負載，α=0時為恒轉(zhuǎn)矩負載，α=1時為直線率負載，α=2時為平方轉(zhuǎn)矩負載)。

4種類型負載轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示。

圖2 4種類型負載的T-n特性曲線

2.2動態(tài)負載試驗系統(tǒng)的工作原理

為了滿足大功率負載的要求，采用感應電機作為負載電機，感應電機通過變頻電源驅(qū)動，變頻運行時異步電機的T-n曲線如圖3所示，其中f1至f5為感應電機的不同運行頻率。

圖3 變頻運行時感應電機T-n特性曲線

根據(jù)圖2和圖3可得圖4感應電機負載調(diào)節(jié)曲線。

圖4 感應電機負載調(diào)節(jié)曲線

在負載調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)感應電機輸出特性和被試-陪試電機試驗機組的運行轉(zhuǎn)速，通過式(5)，可計算出該轉(zhuǎn)速下的負載轉(zhuǎn)矩。只要得到了負載轉(zhuǎn)矩TL和轉(zhuǎn)速n，就可以在圖4中獲得對應的頻率f。再根據(jù)感應電機轉(zhuǎn)矩TL與電壓U和頻率f的關系，可直接計算出對應供電電壓U。從而得到與當前類型的負載轉(zhuǎn)矩TL所對應的電壓U及頻率f。

控制器控制變頻器向感應電機輸出電壓U和頻率f，使得感應電機模擬出轉(zhuǎn)矩為TL的恒轉(zhuǎn)矩負載，或恒功率負載，或平方轉(zhuǎn)矩負載，或直線率負載。

2.3供電電壓和頻率的計算

根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器獲得的轉(zhuǎn)速n，得到對應負載感應電機的零輸出轉(zhuǎn)矩的供電頻率f1：

式中：p——電機極對數(shù)。

作為負載的感應電機，需要工作在發(fā)電機狀態(tài)。因此，感應電機供電頻率f應低于f1：

式中：s——感應電機的轉(zhuǎn)差率，s<0。

為保證感應電機工作在額定工況下，s需根據(jù)電機特性選取合適值[3]。

為實現(xiàn)快速計算，忽略一些次要影響因素，將電機的轉(zhuǎn)矩公式簡化為[1]

式中：TL——電機轉(zhuǎn)矩；

n——被試電機轉(zhuǎn)速；

U——電機的端電壓。

KL的值與感應電機參數(shù)有關。由感應電機的轉(zhuǎn)矩計算關系[4-5]，并考慮到感應電機運行在高頻段時定子繞組漏抗遠大于定子繞組電阻，因此有：

式中：c——校正系數(shù)；

Ls——定子自感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感；

m——定子繞組相數(shù)；

Rr——轉(zhuǎn)子電阻。

根據(jù)式(7)～式(9)可得對應轉(zhuǎn)速和負載類型的供電頻率f與電壓U。

當然，上述計算是理論計算，實際試驗運行時，可根據(jù)實際電機特點及運行狀態(tài)，對計算結(jié)果得到的轉(zhuǎn)矩、頻率和電壓進行適當修正，即可得到任意設定的負載轉(zhuǎn)矩控制曲線。

3 仿真分析

通過分析變頻電機動態(tài)性能試驗的負載系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和控制方法，在忽略磁路飽和、空間磁場諧波和鐵心損耗，以及不考慮溫度和頻率變化對繞組電阻的影響的前提下，利用LabVIEW仿真軟件，對該系統(tǒng)進行仿真分析[6-7]。仿真用到的感應電機的主要參數(shù)：U=380 V，f=50 Hz，m=3，p=2，定子電阻Rs=1.375 Ω，Ls=0.007 739 H，定子勵磁電阻Rm=8.34 Ω，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.263 1 H，Rr=1.047 Ω，Lr=0.014 01 H。

圖5 50 Hz、不同電壓下的T-n特性曲線

圖6 控制下的T-n特性曲線

圖7 恒功率負載T-n特性曲線

圖8 平方轉(zhuǎn)矩負載T-n特性曲線

圖9 直線率負載T-n特性曲線

圖7～圖10分別是K=-5×104的恒功率負載、K=-3×10-5的平方轉(zhuǎn)矩負載、K=-75的恒轉(zhuǎn)矩負載和K=-0.05的直線率負載下的T-n特性曲線。其中，虛線為理想T-n曲線特性曲線，實線為感應電機仿真輸出T-n特性曲線。從圖7～圖10可看出，供電頻率f在25～50 Hz范圍內(nèi)能夠達到理想的模擬效果，誤差不超過5%。可以根據(jù)需要，為變頻電機提供不同負載類型的轉(zhuǎn)矩。

圖10 恒轉(zhuǎn)矩負載T-n特性曲線

4 結(jié) 語

本文設計了一種用于變頻電機動態(tài)性能試驗的負載系統(tǒng)，研究了該負載系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并通過仿真分析，得到該負載系統(tǒng)適用頻率范圍為25～50 Hz，在此頻率段能夠很好地模擬不同的負載類型，使變頻電機在試驗時可按照用途加載不同的負載轉(zhuǎn)矩類型進行動態(tài)性能試驗，如減速性能試驗、加速性能測試、起動性能測試等，保證變頻電機的動態(tài)性能測試完全在實際負載情況下進行。由于阻抗在低頻段時，繞組漏抗不再遠大于定子繞組電阻，故此負載系統(tǒng)不適合于低頻段進行試驗，低頻段的試驗還有待研究完善。

[1] 馮東升,徐靜,楊躍農(nóng).一種變頻電機試驗用動態(tài)負載裝置及模擬方法[P].ZL201310125625.6.2013-08-07.

[2] 顧繩谷.電機及電力拖動基礎[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2010.

[3] CHAPHEN S J.電機學[M].劉新正譯.北京: 電子工業(yè)出版社,2012.

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[5] 王崇任,韓力,李輝.變頻調(diào)速異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩計算方法[J].微特電機,2012,40(12): 27-31.

[6] 鄧雙城,蔣力培,焦向龍,等.基于LabVIEW的異步電動機準確數(shù)學模型仿真[J].北京石油化工學院學報,2005,13(4): 1-5.

[7] 代峰燕.LabVIEW基礎教程[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2016.

ResearchonLoadSysteminDynamicPerformanceTestforVariableFrequencyMotor*

CAOJianxiong1,LIZheng1,FENGDongsheng2

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd.,Shanghai 200063, China)

A multi-torque load system due to the load test only at a fixed speed in traditional variable frequency motor experiment system was studied. Based on the character of induction machine, the multi-torque load system set up mathematical model and calculate to regulate the service voltage and frequency swiftly. Hence many kinds of dynamic load were simulated. The operating principle was illustrated, simulating methods and analysis of the system, which attested to reliability of the load system in meeting the demand for the experiment.

variablefrequencymotor;dynamicperformance;loadsystemin

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

曹建雄(1995—)，男，碩士研究生，研究方向為電機拖動與檢測。

李 正(1974—)，男，博士，講師，研究方向為電機拖動等。

馮東升(1967—)，男，教授級高工，研究方向為工業(yè)自動化及自動化檢測。

TM 306

A

1673-6540(2017)10- 0110- 04

2017 -05 -27