第1章绪论
1.1引言
随着我国电动汽车、航空以及军工等工业的发展。对电动机、发动机、内燃机、齿轮箱等动力机械的测试要求也越来越高，为了对这些设备的转速、转矩、功率以及效率等性能进行测试，作为测功机系统必须具备高动态性能、高稳定性等特点，而电力测功机正是一种可以满足上述要求的新型测功机。电力测功机不仅能够用作测功电机实现对被测电机的加载，还可以作为拖动电机来拖动其他动力机械，这是其它测功机所不具备的⑴。电力测功机中的交流电力测功机不仅能够满足上述要求，除此之外还能够实现能量的再生利用，具有广泛的应用价值。测功电机可以釆用同步电机也可以采用感应电机，进行测功的同时能够做到能量的回馈，但是同步电力测功机运行在电动状态时，测功区的最高转速受到同步转速的限制，而采用感应电机的交流变频方案的测功机不仅能够实现能量的双向流动，且动、静态性能比同步方案更优。交流电力测功机系统主要有三种结构分别为：能量外电路消耗型电力测功机结构、独立式能量回馈型电力测功机结构和电封闭式电力测功机结构，测功电机中所使用的控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制两种。目前交流电力测功机应用比较广泛，对测功机的要求也越来越高，研制一种高性能的全功能型电力测功机非常必要。
1.2交流电力测功机的结构
现有的交流电力测功机系统的三种常见结构能量外电路消耗型、独立式能量回馈型和电封闭式电力测功机结构，均属于功率传递型测功机，克服了功率吸收型测功机所存在的发热导致功率不能提高，以及动态响应较慢等缺点。其能够将从被测动力机吸收来的功率能量，通过测功机电机发出功率到外电阻器上消耗掉或者回馈到直流母线以及三相电网，从而降低了系统的发热量，使得测功机系统的测试功率能够大大提高，不仅实现了测试的稳定性，同时测功机的寿命也有所延长，这是测功机发展的必然趋势。
1.2.1能量外电路消耗型电力测功机
能量外电路消耗型电力测功机的结构框图如图1-1所示。该测功机结构中，Ml为测功电机，M2为被测电机，两合电机同轴相连，测功电机在被动力机械拖动旋转后运行在发电状态，通过与逆变器相连接，将发出的电能输给外界电阻性负载。可以通过调节逆变器输出电压和频率的大小来调节测功电机的输出功率，从而实现对被测电机的加载。测功电机的选择可以是永磁电机、同步电机、或者交流异步电机等使用永磁电机作为测功电机时，该测功机结构简单，转矩稳定性较高，抗干扰性好。但是由于有剩磁的存在，和磁滞测功机一样，转矩测试不能够从零开始。使用同步电机作为测功电机时，可以省去逆变器环节，而直接将定子与外电阻器相连接，通过调节励磁电压就能够控制被测电机，操作简单，使用方便。但是由于有电刷滑环结构的存在，测功机运行速度不能够做到很高，此类测功机主要用于小功率电机的测试。使用交流异步电机作为测功电机时，系统具有转矩稳定，结构简单可靠、转矩转速以及功率测试范围广等特点，使用变频方案来控制异步测功电机时，通过改变定子电流的频率，来改变同步速，当其频率低于被测电机的转速所对应的频率时，测功机工作在发电机状态，实现对被测电机的加载。能量外电路消耗型电力测功机系统中，测功电机只能够工作的发电状态下，实现对被测电机的加载，而不能够运行在电动状态，实现对被测电机的拖动，且由于系统仅是将所发出的电能转移出测功机，消耗在外电阻上，所以并未实现真正的节能高效。
第2章独立式能量回馈型电力测功机的控制和实现
本章提出了一种基于改进矢量控制的独立式能量回馈型电力测功机系统方案，该测功机系统的主电路为“交一直一交”结构，为实现高功率因数、能量双向流动和稳定可调的直流输出电压，采用三相PWM整流器作为电网侧控制器；对机侧控制釆用稳态性能较好的矢量控制技术，并针对矢量控制中动态响应慢的问题引入了前馈解耦补偿和模糊自适应PI调节器，从而在保证系统具有良好稳态性能的同时提升动态响应能力。
2.1独立式能量回馈型电力测功机的基本原理和结构
转差率是决定异步电机运行状态的一个重要变量。按照转差率的正负和大小，异步电机可以分为电动状态、发电状态和电磁制动状态。当转子的转向与旋转磁场的转向相同。此时，由于电磁转矩驱动转子旋转，其方向与转子相同，因此电动运行状态时的电磁转矩为驱动转矩，电机由电网侧吸收功率转换成机械功率，从转子轴上输出。所以只要控制电机的转差率就可以分别让异步电机处于发电状态和电动状态。作为一个全功能电力测功机系统，不仅要求在发电运行状态具有好的测功特性，最大转速不受同步转速的限制，而且在电动状态运行仍然不受同步转速限制，本论文选用交流II笼式三相异步电动机变频的方案来解决该问题。同时采用三相PWM整流器以单位功率因数从电网吸收或者向电网反馈有功功率。所以本测功机系统在发电状态下，异步电机能向电网回馈电能，在电动状态下电机从电网吸收电能，实现了能量的双向流动，测功机能够实现四象限运行。
根据上述原理，本文提出了独立式能力回馈型电力测功机系统的总体结构框图，如图2-1所示。测功电机釆用II笼式三相异步电机，测功电机和被测电机同轴相连。380V的电网和网侧变流器连接，电网侧变流器和电机侧变流器经过中间电容相连接；逆变器的三相输出端和昆笼式三相异步电机定子绕组相连接。电机侧和电网侧构造一个背靠背PWM变流系统，测功电机的驱动以及能量的回馈全部由该系统完成。当机侧变流器控制异步电机的工作频率所对应的同步转速高于被测电机的转速时，测功电机机相当于普通电动机在运转，工作在电动状态，即转差率0<s<l。380V电网电压经过三相PWM整流器模块后输出直流母线电压，直流母线电压经过逆变器模块给电机供电。测功机从电网侧吸收能量，该异步电机运行在电动状态下。
第3章电封闭式电力测功机系统......... 37
3.1电封闭式电力测功机........ 37
3.2双机侧矢量控制的基本原理........ 38
3.2.1被测电机的控制原理........ 38
3.2.2测功电机的控制原理........ 39
3.3直流母线电压波动对逆变器的影响........ 39
3.3.1直流母线电压波动对逆变器的影响........ 39
3.3.2直流母线电压反馈补偿........ 43
3.4电封闭式电力测功机矢量控制系统........ 43
3.5本章小结........ 46
参考文献........ 46
第4章交流电力测功机系统实验设计 ........47
4.1实验系统的构成........ 47
4.2交流电力测功机系统硬件结构........ 50
4.2.1系统硬件结构与设计........ 50
4.2.2系统的故障监测与保护........ 52
4.3交流电力测功机系统软件结构与设计........ 52
4 .4交流电力测功机系统的整体实验研究........ 53
4.4.1独立式能量回馈型电力测功机系统........55
4.4.2电封闭式电力测功机系统........ 56
4.4.3交流电力测功机负载试验........ 56
4.5本章小结........ 60
参考文献........ 62
第5章总结与展望........ 65
5.1本文的主要结论与创新点........ 70
5.2后续研究工作展望........ 76
结论
交流电力测功机作为综合性能测试设备具有广泛的应用价值，本论文所研究的交流电力测功机系统采用交流鼠笼式三相异步电机作为测功电机，通过矢量控制技术对测功机电机进行控制，使之既可以工作在电动状态为被测电机提供驱动，又可以工作在发电状态为被测电机提供动态负载，是一种全功能的电力测功机。其中，独立式能量回馈型电力测功机系统采用三相PWM整流技术和改进矢量控制技术控制变换器来驱动测功电机实现加载功能，而电封闭式电力测功机系统釆用基于改进矢量控制和VVVF控制的双机侧控制技术来驱动测功电机和被测电机。在整个设计过程中分别针对以上两种电力测功机结构进行了研究，并针对传统矢量控制方法中所存在的问题提出了改进方案，本文的主要研究内容和成果如下：
(1)阐述了不同种类的电力测功机系统的基本原理和特点，在分析了不同交流电力测功机方案的基础上提出了独立式能量回馈型电力测功机方案和电封闭式电力测功机方案，这两种方案采用鼠笼式异步电机作为测功电机。方案中均采用“交一直一交”结构作为主电路，独立式方案中为实现能量双向流、回馈高功率因数，采用了三相PWM整流控制策略作为前级“交一直”转换控制；对后级的“直一交”转换控制釆用具有高稳态性能的矢量控制策略来控制，电封闭式方案中釆用共直流母线结构，通过使用双机侧模型来控制测功电机和被测电机，实现能量的循环利用。仿真和实验结果验证了这两种方案的可行性。
(2)通过对异步电机传统矢量控制方法的分析和研究，发现矢量控制中往往选择忽略坐标变换后产生的交叉耦合电势以简化控制过程，但忽略耦合电势后会使得电流内环的动态响应能力下降，从而引起转矩、功率外环的控制性能下降。本文中通过分析交叉耦合电势，将前馈解耦补偿引入电流内环，并将耦合项的计算直接使用系统外环的给定值来获得，进一步提高补偿项的快速性。仿真和实验结果表明，该方法能够有效的提高系统内环的响应速度。
(3)由于矢量控制为双环结构，系统的响应速度主要由外环决定，所以提高外环的响应能力也是非常必要的。本文中使用模糊自适应PI调节器来代替传统的P1调节器，并简化了模糊规则表，使之易于数字实现，同时通过寻找系统的动态响应的最优语义轨迹，来修正模糊规则表和隶属度函数，从而获得最快的响应速度。仿真和买验结果表明，该万；去能够有效的提高系统外环的响应速度。
(4)电封闭式电力测功机系统中由于采用不控整處建31的共直流母线结构，使得直流母线电压的稳定性变的较差，哭加、哭减负载均会引起母线电压的波动，本文通过研究直流母线电压波动对逆芡器输出和电机性能的影响，提出了改进的WVF控制万法，提高了系统的抗扰动能力。仿真和买验结果表明，该万法能够一定程度上改善逆叉器电压的输出，提高系统的稳足性。
(5)最后，对独立式和电封闭式电力测功机系统均进行了模拟测试，并作出了被测电机的负载特性曲线，同时针对系统的输入输出功率进行了计算分析，分析结果表明，电力测功机系统所y肖耗的功率与测功电机和被测电机的损耗几乎一致，体现出了这两种万案高效、节能的特点，具有现买的￡Z用价值。
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