异步电动机的交流传动试验平台

摘 要:为满足港航交流传动与变频电源的试验研究需要,设计异步电动机模拟负载能量回馈方式的交流传动试验平台.该试验平台由电源子系统、传动子系统和测试子系统等3部分组成,结合高精度转矩传感器和转矩控制策略,可为被试系统提供6种电压等级,能进行船舶与港口电气传动控制系统试验、交流传动系统电能质量试验、中小船舶电力推进系统陆上联调、变频电源综合试验等研究.结果表明,该试验平台电能消耗少; 功能、性能方面能满足港航传动系统的需求; 可为港航领域大功率交流传动系统的研制开发提供试验环境和技术支撑.

关键词:交流传动;试验平台;能量回馈;转矩控制;异步电动机

中图分类号:U664.14;U664.45;TP391.9文献标志码:A

An AC drive test-platform of asynchronous motor

LIU Zhao, GAO Diju

(Academy of Science & Technology, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)

Abstract: To meet the requirements of test investigation into AC drive and frequency conversion power supply used in vessel and port, an AC drive test-platform is designed using asynchronous motor to simulate load energy feedback mode. The test-platform consists of power supply subsystem, drive subsystem and measuring subsystem. Combined with the high-accurate torque transducer and torque control strategy, the test-platform can provide six voltage classes for the test system, and carry out the experiment of electric drive control system in vessel and port, the experiment of power quality in AC drive system, the united modulation of power propulsion system in medium and small sized vessels on land and the comprehensive experiment of frequency conversion power supply, etc. Results show that the platform consumes less electric energy, its function and performance can meet the requirements of drive system in vessel and port, and it can provide test environment and technological support for the development of high-power AC drive system in vessel and port.

Key words: AC drive; test-platform; energy feedback; torque control; asynchronous motor

0 引 言

近年来,交流传动在港口及船舶领域的运用范围正不断扩大,从小功率辅助设备到大功率推进装置越来越多地采用交流电动机作为驱动动力.[1-2]为满足港航交流传动与变频电源的试验研究,设计并开发1种以异步电动机模拟负载能量回馈方式的交流传动试验平台,可以完成交流电机、变频器和传动控制系统等多个环节的各种特性的试验和有关参数的测定.

传统的能耗式交流传动试验系统[3-4]由于都使用直流电机,只能试验传动系统的工况,不能实现四象限运行,通用性差且转矩动态响应慢.随着电力电子技术的发展,交流负载电机不存在换向器问题,因此,动静态性能得到显著提高.文献[5-6]采用同步方案,在负载电机加载的同时进行能量回馈,但负载电机运行在电动状态时,其最高转速仍受到同步转速的限制.文献[7]的交流试验系统采用直流回馈,试验负载单元和被试系统驱动单元由同一整流电源供电,被试系统不可更换,限制了试验的内容,不具有广泛性.

1 试验平台总体功能

试验平台为被试系统提供6种电压等级,每种电压的供电容量均为1 000 kVA,在50～500 kW功率范围内满足1∶1试验.试验平台可完成以下功能:

(1)船舶与港口电气传动控制系统试验研究.试验平台可按被试系统的要求,为被试系统驱动电机施加不同特性的负载,完成交流传动系统的控制性能和安全保护试验研究.

(2)交流传动系统电能质量试验研究.通过专业的电能质量分析设备对被试交流传动系统电能质量进行监测和分析,为高次谐波检测控制、滤波器试验研究以及无功功率检测与补偿研究提供真实的试验数据.

(3)中小船舶电力推进系统陆上联调.应用试验平台的电源子系统,通过负载电机模拟螺旋桨特性,构建船舶电力推进系统的真实试验环境,完成电力推进系统动态负载实船化试验,检验控制策略的合理性和系统运行的稳定性.

(4)变频电源综合试验研究.利用试验平台的驱动电机和负载电机,可完成变频电源的轻载与功能试验、负载特性试验、实载长期考核和老化试验、频率调整精度试验以及功耗与效率试验等.

2 试验平台组成

传动试验平台由电源子系统、传动子系统和测试子系统等3部分组成.

2.1 电源子系统

电源子系统的结构见图1.10 kV进线电源经变压,为试验平台提供10 kV,6.6 kV,3.3 kV,1.14 kV,0.69 kV和0.4 kV电源.试验平台负载电机的能量回馈、无功补偿及谐波治理均设置在0.4 kV低压端以降低平台研发成本.

图1 电源子系统结构

2.2 传动子系统

传动子系统由驱动单元和负载单元组成,二者在控制电路和主电路上没有关联,各自独立.被试系统驱动电机和负载电机通过传动轴系联接在1个公共的大平板上,传动子系统结构见图2.

图2 传动子系统结构

2.2.1 驱动单元

驱动单元是可更换的被试设备,由被试系统驱动电机、变频调速柜和驱动控制单元等部分组成.驱动控制单元通过Profibus现场总线连接PLC和变频器等设备组成下层控制网络;通过工业以太网连接PLC与上位监控计算机组成上层监控网络.由于驱动单元与负载单元在控制电路和主电路上没有关联、各自独立,可根据试验需要更换驱动单元的设备,不会对负载单元的工作造成影响.

2.2.2 负载单元

负载单元是相对固定的陪试设备,由负载电动机、主动前端(Active Front End,AFE)四象限变频器、扭矩传感器和负载控制单元等组成.AFE四象限变频器的工作原理如下:当电动运行时,AFE整流单元从电网汲取正弦波交流电,经整流后输出直流电压向逆变/整流单元供电;发电运行时,将直流母线上的能量经回馈回路及电能质量整定系统向电网回馈高质量电能,各次谐波由滤波电路删除.负载单元的控制单元与驱动单元类似.

2.2.3 谐波治理

驱动单元和负载单元的大功率变频器在运行时会产生丰富的高次谐波,为确保平台的电能质量满足国家的相关规范,在驱动单元和负载单元中配置谐波治理单元.负载变频器选用AFE回馈,解决无功功率补偿和谐波治理问题;驱动单元选用二象限变频器,设置有源滤波器完成无功补偿和谐波治理.

2.3 测试子系统

测试子系统主要由电能质量分析设备组成,监测传动子系统在运行过程时对电能质量的影响,完成电压、电流、有功与无功、谐波含量以及功率因素等数据的采集、记录和分析.配备的分析软件可对各项指标进行实时监测、记录和统计等,可自动输出各项完整的特性曲线和计算单,并生成标准的电能质量报告.

3 传动子系统控制策略

变频调速系统采用按转子磁场定向的间接矢量控制[8],具有转速和转矩双闭环调节功能,可根据需要决定采用何种控制策略.在试验过程中,通过控制被试电机处于不同的运行状态,可同时控制负载电机的输出转矩,模拟被试电机的各种负载.控制策略的关键就是对驱动转速和负载转矩进行独立的闭环控制,为被试设备模拟各种真实的负载特性.传动试验系统控制原理见图3.

图3 传动试验系统控制原理

3.1 驱动单元

驱动单元作为被试设备,主要检验其在设定转速下带负载的能力.因此,驱动单元通过上位监控计算机设置的转速给定值ω*与转速编码器返回的转速实际值ω构成转速闭环控制,实现转速的精确控制.ω*可用式(1)的阶跃函数和式(2)的斜坡函数及其组合进行描述:ω*=0,t≤T\=C,t>T(1)\=ω*=0,t≤T\=at,t>T(2)式中:C为转速突加/突减给定值;a为加速/减速斜率.

3.2 负载单元

负载单元作为加载设备,其核心是使负载电机在负载控制器的控制下,模拟泵、风机、螺旋桨和起重机等不同设备的负载特性,精确地向被试驱动电机施加负载转矩,满足动态与静态的性能试验要求.因此,负载单元通过期望施加的扭矩给定值T*load与扭矩传感器返回的扭矩实际值Te构成转矩闭环控制,模拟设备的负载转矩.如果忽略整个试验平台的非连续摩擦力,针对港口和船舶传动设备,被试系统驱动电机所需的多数线性或非线性负载[6]可表示为T*load=T0+aω+bω2+cω3+Jp(3)式中:T0为恒定转矩;a,b和c为可调系数;ω为驱动电机转子机械角速度;J为驱动电机、负载电机以及模拟负载设备的总转动惯量;p为微分算子.整个传动试验系统的动态转矩平衡方程可表示为Tm-Td=(Jd+Jm)dωdt+(Dd+Dm)ω(4)

或ω=Tm-Td(Jd+Jm)p+Dd+Dm(5)式中:J,D和T分别为电机的转动惯量、摩擦因数和电磁转矩;下标d和m分别为负载电机和被试系统驱动电机;Td和Tm分别为由内部转子电磁力产生的电磁转矩和非外部轴上的输出转矩.

假设Tload=Td+Jddωdt+Ddω(6)

Tds=Jddωdt+Ddω(7)则Tload=Td+Tds(8)式中:Tds为负载电机的加速转矩和摩擦转矩;Tload为真正施加给被试系统驱动电机的转矩,即模拟设备的负载转矩.将式(7)代入式(4),得负载电机和被试系统驱动电机动态转矩平衡方程的另一种表达方式Tm=Tload+Jmdωdt+Dmω(9)如图3所示,在转矩闭环控制环节中,负载电机施加给被试系统驱动电机的转矩给定值可由式(3)直接计算,而负载电机的电磁转矩设定值必须考虑自身的加速转矩和摩擦转矩,见式(10).

T*d=T*load-Tds=T0+(a-Dd)ω+bω2+cω3+(J-Jd)dωdt(10)

按照试验要求,在具体实施时通过上位监控计算机设置T0,a,b,c和J,负载电机就能精确地向被试系统驱动电机施加所需特性的负载转矩.

3.3 能量回馈控制策略

由三相异步电动机的工作特性可知,当电机电动运行时,转子转速nr=60f(1-s)(f为定子给定频率;s为转差率,0

本文的被试系统驱动电机与负载电机轴联,因而具有相同的转子转速nr,折算成频率为f0.为使负载电机在提供模拟负载的同时将能量回馈到电网,必须控制其工作在发电状态.[9]通过分析可知,要使整个传动系统在期望的电动-发电状态下稳定运行,必须满足以下要求:

(1)被试系统驱动电机与负载电机定子相序相反,控制被试系统驱动电机的同步转速n1>负载电机同步转速n2,即控制被试系统驱动电机的输入频率f1>负载电机的输入频率f2,且二者极性相同,系统按电动-发电状态运行.事实上,如果f2>f1,整个系统也可稳态运行,只是此时的负载电机工作在电动状态,而被试系统驱动电机工作在发电状态.

(2)f1不能大于f2太多,否则系统运行不稳定,这点由异步电机的最大转差频率决定.当系统按电动-发电状态运行时,被试系统驱动电机的转差频率为fs1=f1-f0,负载电机的转差频率为fs2=f0-f2.当f1>f2过多时,无法保证处于异步电机的最大转差频率内,在此基础上,当同时增大f1和f2的值时,可提高试验转速;当增大f1和f2之间的差值时,可提高2台电机间的转矩差.当动态地控制2个输入频率值时,可控制异步电机运行于恒转矩或恒功率变速状态.

4 试验平台运行性能

由试验平台的实际运行表明,各项功能与性能指标均达到设计要求,操作控制简单,测量精度高,动态响应快.图4为该试验平台的试验结果.被试系统驱动电机的转速给定值为分段突加,每挡阶跃100 r/min,每挡转速持续时间为30 s.负载电机的转矩设置为螺旋桨特性,转矩与角速度平方成正比(M=bω2),a=0,b=0.036 14,c=0,当被试电机转速n等于额定值时,转矩等于50%额定值.

图4 试验曲线

4.1 转速控制性能

驱动单元采用转速闭环控制,使电机依照给定转速运行.由图4可知,被试系统驱动电机实际转速严格跟随给定阶梯形上升.由试验数据分析可知,当驱动变频器输出频率大于10 Hz(转速150 r/min)时,被试系统驱动电机的转速控制精度优于0.01%;当输出频率低于10 Hz时,转速控制精度逐渐变差,在3 Hz时的精度为0.06%:表明被试系统驱动电机的转速控制系统具有良好的稳定性和控制精度.

4.2 转矩控制性能

由图4还可知,负载给定转矩曲线随驱动转速阶梯形上升,其大小与转速平方成正比,而实际转矩紧随转矩给定值变化.由试验数据分析可知,负载电机在接近空载状态时,转矩控制精度相对较差,转速突变时的转矩动态误差约为3.3%;当负载转矩大于额定值5%后,转矩控制性能开始明显好转,重载时的转矩精度优于0.2%:表明负载电机的转矩控制具有较高的控制精度,能满足港航电气传动系统的试验要求.

4.3 电能质量

图5~8为同一时段内的1组电能质量试验

图5 功率变化曲线

图6 电压谐波含量图7 电流谐波含量

图8 功率因数变化曲线

结果.

图5为负载电机输出功率变化曲线,电动状态时功率为正,发电状态时功率为负;图6为负载变频器网侧进线端电压谐波含量图,可以看出负载电机在电动状态和发电状态下轻载时,电压谐波含量较少,随着负载转矩的逐步增加,电压谐波含量逐渐增大,但最高含量小于5%;图7为负载变频器网侧进线端电流谐波含量图,负载电机在电动状态和发电状态下轻载时,电流谐波含量较高,随着负载转矩的增加,电流谐波含量逐渐降低;图8为负载变频器网侧进线端功率因数波形图,负载电机在电动状态和发电状态下轻载时,功率因数较低,随着负载转矩的增加,功率因数逐渐增大并接近1.0.可见,负载变频器采用AFE回馈单元,可有效抑制电压与电流谐波,改善功率因数,提高向电网回馈电能的品质.

5 结 论

基于异步电动机的能量回馈式交流传动试验平台,结合高精度转矩传感器和转矩控制策略,能克服传统交流传动试验系统的很多弊端,通用性强、电能消耗少,在功能、性能方面可以更好地满足港航传动系统的试验需求,为港航领域大功率交流传动系统的研制开发提供试验环境和技术支撑.

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(编辑 陈锋杰)

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