基于交流變頻異步電力測功機系統的分析研究

葉鋮彬

【摘 要】此次研究主要是探討分析基于交流變頻異步電力測功機系統，按照系統運行原理推導數學模型，分析系統參數變化對其穩定性的影響，希望能夠為系統參數設計提供參考性價值。

【關鍵詞】交流變頻異步電力測功機系統；分析研究

一、交流變頻異步電力測功機系統工作原理分析

交流變頻異步電力測功機系統涉及到電機學，機械傳動，計算機技術以及電力電子技術等。該系統負載電機工作于發電機狀態，能夠吸收來自變速箱輸出軸所傳遞的能量，將機械能轉化為電能。利用測功電機的運行狀態能夠使測試傳動機械的負荷和轉速發生改變，確保測功機運行穩定性。與此同時，測量傳動機械工作點輸出轉矩，傳動效率和輸出功率。

常見的測功方法主要包括轉速轉矩測定法和電功率測定法。其中電動率測定法主要是對電力測功機系統的電流電壓進行檢測，這樣能夠對輸出電功率進行檢測。然而因為電機效率容易受到外界轉速，負荷以及溫度的影響，因此需要應用曲線矯正方法對電機的輸入功率進行測定，這樣會使該實驗方法趨于復雜性，影響測量結果的準確性，因此應用局限性比較大。另一種方式就是對電機的轉速和轉矩進行測量。其中轉速測量的難度比較小，能夠對發電機，電磁傳感器以及光電編碼器等運行速度進行測量，這樣能夠確保精度提升。但是轉矩測量的難度就比較大，在測量轉矩時主要是應用轉矩傳感器等設備實現。但是轉矩傳感器的應用成本比較高，對于安裝精度的要求也比較高，并且在結構上也比較復雜，因此無法推廣應用。另一種轉矩測量方法主要是按照電機電磁轉矩平衡性原理，對電機定子外殼子實行平衡懸浮處理，在對其反響轉矩進行測量就能夠獲取電機的電磁轉矩數值。

二、交流變頻異步電力測功機系統運動方程數學模型建立

由于電力測功機系統是由電機調速系統所構成，盡管兩個調速系統存在不同的控制目標，然而本質上都是利用輸入電機控制方式的電流解耦對轉矩和轉速進行控制，原理無明顯差別，只是系統中所輸入信號和反饋信號是實際電機轉速和電機給定轉速，還有就是實際輸出電磁轉矩和電機給定電磁轉矩。

在實際使用期間兩和異步電機調速系統連接于傳遞機構的兩端，此時測功系統的任務在于對傳遞結構的性能和效率進行測量。在建立數學模型時，忽略被測傳動機構機械慣性影響系統運行的部分，重點研究直接利用剛性軸所連接的電機簡化的被測機械的測功系統。在實行簡化處理之后，被測機構就被當作控制系統的比例環節，按照傳動機構自身傳動比不同，則比例系數的取值也不同。因此在表示機械負載的數學模型時可以通過以下公式進行：

在以上公式中， 、a、b、c都表示常數，J表示模擬負載的轉動慣量，用戶只需要設定常數與J參數，測功機系統會對負載電機進行控制，從而對所設定的 進行跟蹤，這樣用戶就能夠對上述參數進行改變，并且對被測電機在不同負載下的工作性能進行測試。

此次研究所仿真的電力測功系統的負載電機能夠給予恒轉矩負載，因此在上述公式中b和c的數值都為0，J參數的數值需要按照模擬負載的實際情況所確定，也可以將其設定為0，也可以作為旋轉負載的轉動慣量。

在通過上訴研究分析能夠看出，推導交流異步電力測功機系統的數學模型時發現交流異步電力測功機系統屬于全功能測功系統，該電機調速系統共有兩套，其中一套運行于發電狀態，另一套為電動狀態。其中電動狀態為電機恒轉速工作，發電狀態為電機恒轉矩工作。通過建立數學模型能夠對系統工作原理進行研究，以數學方式分析系統中的各組成單元。特別是對異步電機調速系統的數學模型進行深入詳細地分析。分析傳遞系統間的動能關系，在此基礎之上尋找出系統運動方程，通過建立系統數學模型能夠為系統仿真和穩定性分析提供重要依據。

三、交流異步電力測功系統的穩定性分析

在建立該系統數學模型之后，在仿真研究之前需要對系統的穩定性進行控制，對于應用控制系來講，系統穩定性屬于先決條件。截至目前，大多數學者都沒有注重研究電力測功機系統的穩定性。但是從本質上看，在不考慮外部影響因素情況下，測功系統的參數變化也會影響系統穩定運行，因此掌握穩定運行影響規律對后期設計和應用具有重要作用。但是交流變頻異步電力測功機的控制系統復雜性比較高，屬于強耦合且變量系統，無法直接建立控制系統的傳遞函數。然而針對多種輸入輸出系統來說則可以通過建立系統數學模型，并且利用小信號分析法求解現象方程，這樣能夠獲取系統特征值，之后按照相關判斷法分析系統穩定性。

對于穩定性判斷理論依據來說，在實際應用控制系統時首先需要確保系統穩定性，因此需要深入研究控制系統穩定性問題。對于單入單出線性系統來說存在較多穩定盤踞，包括勞斯-古爾維判據等都具有重要應用價值，以上判斷方法需要求解出系統的傳遞函數。然而對于多輸入輸出線性系統來說，則不能夠直接應用上述穩定性判斷依據。在系統穩定性研究中最具有代表性的人物就是李雅普諾夫，其確立了系統穩定性的一般方法。由于此次研究所討論的交流異步電力測功系統屬于多輸入輸出的高階系統，因此其所求解獲得的傳遞函數比較多，屬于多維矩陣，若使用傳遞函數分析系統穩定性將會增加復雜程度，此時應用李雅普諾夫法對系統穩定性進行分析的難度比較小。

四、結束語

綜上所述，在關于交流變頻異步電力測功機系統研究當中，大多數學者都致力于研究以系統為基礎的運動數學方程，簡化了系統眾多環節。重點研究控制測功電機轉矩上，并且對不同負載情況進行模擬，未建立專業的通用型交流變頻異步電力測功機系統的研究模型。

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