一種高速電機測試加載系統及採用該系統實現的負載功率調節方法與流程

2023-12-03 00:40:56

本發明屬於高速電機測試加載領域。

背景技術：

高速電機是隨著電力電子、材料科學及微電子等技術發展而衍生的高技術產品，在很多工業領域有重要的應用價值，與常規電機相比，高速電機的設計和運用在機械方面受到材料性能的制約：表面線速度和旋轉角速度由於材料剛度和楊氏模量的限制，高速運行時較常規電機相比更加充分地發揮利用材料的物理性能，因此其與常規電機相比具有其它電機無可比擬的諸多優點：

(1)高速電機幾何尺寸小，功率密度高，有效節約物理材料和工作空間；

(2)高速電機轉子轉動慣量小，轉子動態響應能力高；

(3)在高速應用場合採用高速電機來代替「常規電機+齒輪箱」的結構使得原動機與負載直接相連，省去機械傳動變速裝置，縮小了設備整體體積、提高了系統效率和系統可靠性、減少了噪音和系統維護成本。

高速電機具有廣闊的應用前景，在航空航天、高速工具機加工、分布式發電、飛輪儲能、燃氣輪機、壓縮機、真空離子泵等軍事、科研、工業、民用領域應用越來越廣泛，已成為國際電工領域的研究熱點，各國大力發展、高度壟斷的關鍵技術之一。不斷發展、提高高速電機的性能和轉速能夠使得其滿足不同的工作應用要求，替代掉原來的一些技術，為推進設備小型化、高集成度，全電化有著重要的意義和價值。

常規永磁同步電機的測試方法和加載技術已經比較成熟，主要是通過測功機(磁滯型、電渦流型等)進行加載，通過轉矩傳感器來檢測電機的運行轉速和輸出扭矩，從而計算其機械輸出功率，驗證設計結果。然而由於高速電機的轉速高，常規的測功機和轉矩傳感器的運行轉速範圍受限無法滿足其測試要求，並且隨著部件的增加、軸系的增長，會對高速電機引起機械諧振的問題。

而現有測試加載方法中採用高速發電機與被測高速電機通過軸系連接，然後高速發電機通過電阻負載進行加載的測試方法，但是這種方法所採用的電阻負載固定不變，因此在不同轉速下所能施加的負載功率值受到轉速的制約，高速電機的電磁頻率高，切換電阻負載所需要的繼電器上的電流頻率較高，常規的繼電器無法滿足測試系統的需要，此外，還無法實現電磁功率的連續閉環控制。

因此，根據上述技術問題，亟需展關於高速電機測試加載技術設備的相關研究工作。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有測試加載方法中，在高速電機不同轉速下所能施加的負載功率值受到電機轉速的制約，無法滿足高速電機測試要求的問題。本發明提供了一種高速電機測試加載系統及採用該系統實現的負載功率調節方法。

高速電機測試加載系統，包括高速永磁同步發電機、三相電流檢測模塊、三相整流橋、直流母線輸入支撐電容、直流母線輸入電壓檢測模塊、Buck-Boost調壓電路、直流母線輸出支撐電容、直流母線輸出電壓檢測模塊、負載電阻和驅動控制電路；

高速永磁同步發電機的轉軸通過聯軸器與被測高速電機的轉軸連接，

高速永磁同步發電機輸出的三相電流經三相整流橋整流後獲得直流電壓，該直流電壓經直流母線輸入支撐電容穩壓後，送至Buck-Boost調壓電路，

Buck-Boost調壓電路在驅動控制電路輸出的PAM控制信號的控制下，對其Buck-Boost調壓電路的輸出電壓幅值進行調節，

Buck-Boost調壓電路的輸出電壓經直流母線輸出支撐電容穩壓後，施加在負載電阻兩端，

三相電流檢測模塊，用於對高速永磁同步發電機輸出的三相電流進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路；

直流母線輸入電壓檢測模塊，用於對三相整流橋輸出的直流電壓進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路；

直流母線輸出電壓檢測模塊，用於對Buck-Boost調壓電路輸出的電壓進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路；

驅動控制電路，用於根據接收的三相電流、三相整流橋輸出的直流電壓和Buck-Boost調壓電路輸出的電壓生成PAM控制信號。

採用所述的高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法，該方法的具體過程為：

首先，驅動控制電路實時檢測三相整流橋輸出的直流電壓、Buck-Boost調壓電路輸出的電壓和高速永磁同步發電機的輸出三相電流ia，ib，ic；

其中，三相整流橋輸出的電壓為直流母線的輸入電壓udc_in，

Buck-Boost調壓電路輸出的電壓為直流母線的輸出電壓udc_out；

其次，驅動控制電路對接收的直流母線的輸入電壓udc_in、直流母線的輸出電壓udc_out及三相電流ia，ib，ic進行處理後，獲得的PAM控制信號對Buck-Boost調壓電路進行閉環控制，通過改變Buck-Boost調壓電路輸出電壓幅值，進而調節消耗在負載電阻上的功率，從而完成對被測高速電機上加載的負載功率的調節。

所述的驅動控制電路內嵌入有軟體處理模塊；

軟體處理模塊包括加法器、PI調節器、預期電壓指令計算模塊、Buck-Boost電路控制指令計算模塊、無傳感器控制算法模塊、電流坐標變換及負載轉矩估算模塊、系統功率計算模塊；

無傳感器控制算法模塊，用於對高速永磁同步發電機輸出的三相電流ia，ib，ic進行處理，獲得發電機的估算轉子轉角θfdb和發電機的估算轉速nfdb；

電流坐標變換及負載轉矩估算模塊，用於根據電機的估算轉子轉角θfdb對三相電流信號ia，ib，ic進行解耦計算，得到基於轉子同步旋轉坐標系的電流分量id和iq，然後根據獲得的電流分量id和iq，獲得發電機的估算負載轉矩Te，其中，

Te＝p(ψdiq-ψqid)＝p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (公式一)，

其中，id表示坐標變換後的d軸電流值，iq表示坐標變換後的q軸電流值，p表示極對數，ψd表示d軸磁鏈，ψq表示q軸磁鏈，ψf表示永磁體磁鏈，Ld表示d軸等效電感，Lq表示q軸等效電感；

系統功率計算模塊，用於根據發電機的估算轉速nfdb和發電機的估算負載轉矩Te獲得高速永磁同步發電機輸出功率的估算值PLoad_fdb，其中，

加法器的被減數輸入端用於接收給定的功率指令值PLoad_ref，加法器的減數輸入端用於接收高速永磁同步發電機輸出功率的估算值PLoad_fdb；

PI調節器，用於對加法器輸出的功率信號進行PI調節，獲得負載電阻預計消耗功率指令值P′；

預期電壓指令計算模塊，用於根據負載電阻預計消耗功率指令值P′和負載電阻的阻值，計算電壓參考值udc_ref，其中，

RLoad表示負載電阻的阻值；

Buck-Boost電路控制指令計算模塊，用於根據接收到的直流母線的輸入電壓udc_in、直流母線的輸出電壓udc_out和電壓參考值udc_ref，生成PAM控制信號，通過PAM控制信號驅動Buck-Boost調壓電路調整直流母線的輸出電壓udc_out。

所述的PI調節器的具體結構為：

其中，kp表示比例係數，ki表示積分係數，s表示積分變量。

本發明帶來的有益效果是，發明提出一種高速電機測試加載系統和採用高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法，採用高速發電機與被測高速電機軸系相連接，估算超高速發電機的輸入功率，改變Buck-Boost調壓電路的輸出電壓來控制功率負載電阻上的功率來改變高速發電機的輸出功率，從而改變被測高速電機的加載功率。本內容包括兩個方面：測試加載裝置的硬體構成結構和負載功率的估算方法。二者相互結合，實現高速發電機在高速運行的狀態下，能夠按照期望的負載指令實現不同轉速下指定負載功率的加載，滿足被測高速電機的測試需求。即：通過動態調節Buck-Boost調壓電路輸出的電壓udc out

_來實現功率負載電阻上消耗功率的動態調節，從而完成高速電機的加載調整。

附圖說明

圖1為本發明所述的高速電機測試加載系統的原理示意圖；

圖2為本發明所述的採用高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法；

圖3為高速永磁同步發電機的電壓、電流矢量圖；其中，is表示定子電流矢量，ωe表示頻率，Rs表示定子電感，uq表示坐標變換後的q軸電壓值，ud表示坐標變換後的d軸電壓值，θe表示高速永磁同步發電機轉子d軸與定子繞組A相的夾角，β表示定子電流矢量與永磁體磁鏈的夾角。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的高速電機測試加載系統，它包括高速永磁同步發電機1、三相電流檢測模塊2、三相整流橋3、直流母線輸入支撐電容4、直流母線輸入電壓檢測模塊5、Buck-Boost調壓電路6、直流母線輸出支撐電容7、直流母線輸出電壓檢測模塊8、負載電阻9和驅動控制電路10；

高速永磁同步發電機1的轉軸通過聯軸器與被測高速電機的轉軸連接，

高速永磁同步發電機1輸出的三相電流經三相整流橋3整流後獲得直流電壓，該直流電壓經直流母線輸入支撐電容4穩壓後，送至Buck-Boost調壓電路6，

Buck-Boost調壓電路6在驅動控制電路10輸出的PAM控制信號的控制下，對其Buck-Boost調壓電路6的輸出電壓幅值進行調節，

Buck-Boost調壓電路6的輸出電壓經直流母線輸出支撐電容7穩壓後，施加在負載電阻9兩端，三相電流檢測模塊2，用於對高速永磁同步發電機1輸出的三相電流進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路10；

直流母線輸入電壓檢測模塊5，用於對三相整流橋3輸出的直流電壓進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路10；

直流母線輸出電壓檢測模塊8，用於對Buck-Boost調壓電路6輸出的電壓進行檢測，並將檢測結果送至驅動控制電路10；

驅動控制電路10，用於根據接收的三相電流、三相整流橋3輸出的直流電壓和Buck-Boost調壓電路6輸出的電壓生成PAM控制信號。

本實施方式中所述的高速電機測試加載系統的硬體包括高速永磁同步發電機1、三相電流檢測模塊2、三相整流橋3、直流母線輸入支撐電容4、直流母線輸入電壓檢測模塊5、Buck-Boost調壓電路6、直流母線輸出支撐電容7、直流母線輸出電壓檢測模塊8、負載電阻9和驅動控制電路10，其中，負載電阻9為被控制對象。

高速永磁同步發電機1與被測高速電機同軸剛性連接，二者以相同的轉速運行，在高速電機中產生高頻反電勢，高速發電機的繞組電機在發電機的定轉子之間產生電磁轉矩，這個轉矩也就是被測高速電機的負載轉矩。其中被測高速電機輸出機械能、高速發電機輸出機械能轉化為電能，最終經過一系列的控制、變換，消耗在負載電阻上。

三相整流橋3，用於將高速永磁同步發電機1所產生的三相高頻交流電轉化為直流電壓。三相整流橋3可採用現有隨技術中的高頻功率二極體對輸出反電勢進行整流，獲得穩定的直流電壓，施加到直流母線輸入支撐電容4上，直流母線輸入支撐電容4對直流母線電壓進行穩壓。經過直流母線輸入支撐電容4穩壓的電壓輸入到Buck-Boost調壓電路6，Buck-Boost調壓電路6在PAM信號的控制下得到理想的輸出電壓由後端直流母線輸出支撐電容7進行濾波平穩。

Buck-Boost調壓電路6的輸出電壓施加到負載電阻上，通過改變輸出的電壓幅值，進而調節消耗在電阻上的功率，電阻在選型的時候要對其電流能力和電壓能力進行考慮，以滿足電壓再一定範圍內變化時，負載輸出能力的滿足。

在硬體電路中，包含兩個電壓檢測模塊和一個三相電流檢測模塊用於檢測電路中的電氣參數，以用於高速永磁同步發電機1的輸入功率估算和負載功率調節。其中兩個電壓檢測模塊用於檢測直流母線輸入電容器和直流母線輸出電容器的電壓值。三相電流檢測模塊用於檢測高速永磁同步發電機1三相繞組中的輸出電流。通過檢測高速永磁同步發電機1的三相輸出電流，採用無傳感器控制算法計算電機的運行轉矩，通過運行轉矩與三相電流之的關係來計算電磁轉矩，從而計算發電機側的輸入功率。

Buck-Boost調壓電路6的控制需要一個PAM控制信號，首先檢測電路的輸入電壓，根據直流母線電壓調節策略得到的後側理想電壓輸出值，在驅動控制電路10的作用下得到合理的驅動信號來驅動電力電子器件工作，進而得到期望的直流輸出電壓。

驅動控制電路10接受輸入直流母線電壓檢測信號、輸出直流母線檢測信號和發電機三相繞組中的電流檢測信號，通過運算處理輸出控制Buck-Boost調壓電路6的PAM信號，PAM信號與硬體系統可通過光耦實現電氣隔離。

以上為硬體拓撲的核心功能，除此之外，根據工況的不同，本發明所述的高速電機測試加載系統還可包括溫度檢測、制動電路等功能。

具體實施方式二：採用具體實施方式一所述的高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法的區別在於，該方法的具體過程為：

首先，驅動控制電路10實時檢測三相整流橋3輸出的直流電壓、Buck-Boost調壓電路6輸出的電壓和高速永磁同步發電機1的輸出三相電流ia，ib，ic；

其中，三相整流橋3輸出的電壓為直流母線的輸入電壓udc_in，

Buck-Boost調壓電路6輸出的電壓為直流母線的輸出電壓udc_out；

其次，驅動控制電路10對接收的直流母線的輸入電壓udc_in、直流母線的輸出電壓udc_out及三相電流ia，ib，ic進行處理後，獲得的PAM控制信號對Buck-Boost調壓電路6進行閉環控制，通過改變Buck-Boost調壓電路6輸出電壓幅值，進而調節消耗在負載電阻9上的功率，從而完成對被測高速電機上加載的負載功率的調節。

具體實施方式三：參見圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的採用高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法的區別在於，驅動控制電路10內嵌入有軟體處理模塊；

軟體處理模塊包括加法器10-1、PI調節器10-2、預期電壓指令計算模塊10-3、Buck-Boost電路控制指令計算模塊10-4、無傳感器控制算法模塊10-5、電流坐標變換及負載轉矩估算模塊10-6、系統功率計算模塊10-7；

無傳感器控制算法模塊10-5，用於對高速永磁同步發電機1輸出的三相電流ia，ib，ic進行處理，獲得發電機的估算轉子轉角θfdb和發電機的估算轉速nfdb；

電流坐標變換及負載轉矩估算模塊10-6，用於根據電機的估算轉子轉角θfdb對三相電流信號ia，ib，ic進行解耦計算，得到基於轉子同步旋轉坐標系的電流分量id和iq，然後根據獲得的電流分量id和iq，獲得發電機的估算負載轉矩Te，其中，

Te＝p(ψdiq-ψqid)＝p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (公式一)，

其中，id表示坐標變換後的d軸電流值，iq表示坐標變換後的q軸電流值，p表示極對數，ψd表示d軸磁鏈，ψq表示q軸磁鏈，ψf表示永磁體磁鏈，Ld表示d軸等效電感，Lq表示q軸等效電感；

系統功率計算模塊10-7，用於根據發電機的估算轉速nfdb和發電機的估算負載轉矩Te獲得高速永磁同步發電機1輸出功率的估算值PLoad_fdb，其中，

加法器10-1的被減數輸入端用於接收給定的功率指令值PLoad_ref，加法器10-1的減數輸入端用於接收高速永磁同步發電機1輸出功率的估算值PLoad_fdb；

PI調節器10-2，用於對加法器10-1輸出的功率信號進行PI調節，獲得負載電阻預計消耗功率指令值P′；

預期電壓指令計算模塊10-3，用於根據負載電阻預計消耗功率指令值P′和負載電阻9的阻值，計算電壓參考值udc_ref，其中，

RLoad表示負載電阻9的阻值；

Buck-Boost電路控制指令計算模塊10-4，用於根據接收到的直流母線的輸入電壓udc_in、直流母線的輸出電壓udc_out和電壓參考值udc_ref，生成PAM控制信號，通過PAM控制信號驅動Buck-Boost調壓電路6調整直流母線的輸出電壓udc_out。

本實施方式中，在轉子磁場定向的d-q坐標系中，高速永磁同步發電機1的電壓、電流矢量可以表示，如圖3所示，在轉子磁場定向的d-q坐標系中，高速永磁同步發電機1的數學模型可表示為：

繞組三相電流ia，ib，ic(即：高速永磁同步發電機輸出的三相電流)與d-q軸電流的關係為：

高速永磁同步發電機1的估算負載轉矩Te轉矩與q軸電流之間的關係為：

Te＝p(ψdiq-ψqid)＝p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]，

忽略高速永磁同步發電機1內部的銅耗，高速永磁同步發電機1的輸出功率PLoad_fdb可以用估算轉速nfdb和估算負載轉矩Te表示為：

驅動控制電路10通過比較給定的負載功率指令PLoad_ref和估算的負載功率PLoad_fdb，然後通過PI調節器10-2得到負載電阻所需要消耗的損耗P′，通過負載電阻的功率P′與負載電阻阻值和Buck-Boost調壓電路6輸出電壓參考值udc_ref之間的關係，得到所需調節的直流母線輸出側電壓指令值，給定的電壓指令信號跟反饋回的電壓指令信號進行閉環控制調節Buck-Boost調壓電路6的調節信號的脈寬，從而改變直流母線電壓的幅值。通過動態調節Buck-Boost調壓電路6輸出的電壓udc_out來實現負載電阻9上消耗功率的動態調節，從而完成高速電機的加載調整。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三所述的採用高速電機測試加載系統實現負載功率調節方法的區別在於，所述的PI調節器10-2的具體結構為：

其中，kp表示比例係數，ki表示積分係數，s表示積分變量。