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交流测功机调研与方案设计

1.电力测功机是什么？基本原理？

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。

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。

基本原理：

电力测功机就是利用直流电机或者交流电机作为转换

元件,将电能转换成电机转子的机械能,以转矩形式为承载

电机加载;并通过对加载转矩的控制,实现对承载电机所带

机械负载的模拟。

2.理论研究现状

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。

三种测功机结构介绍：

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。

2.2独立式能量回馈型电力测功机

独立式能量回馈型电力测功机系统是一种比较常用的

测功机系统结构,如图1-2所示。

图1-2中虚线框内为独立式能量回馈型电力测功机的结

构,控制系统中的主电路部分为“交一直一交”结构,其中Ml

为测功电机,M2为被测电机,两台电机同轴相连。Ml通过背

靠背PWM变流器与三相电网相连,实现整流与逆变的完全可

控,即可实现测功电机的四象限运行。电网侧部分可以采用

三相PWM技术建立直流母线电压,保证母线电压的稳定。电

机侧可以采用矢量控制或者直接功率控制技术对测功电机

进行控制,达到功率、转矩或者转速可控,从而实现对被测电

机的加载或者拖动。

该测功机方案中,测功电机具有优良的动态和静态性能，

同时测功电机既可以工作在电动状态来驱动被测电机,又可

以工作在发电状态作为被测电机的负载,是一种全功能的电

力测功机。从图1-2来看测功机系统与被测动力机械相对独

立,只是同轴相连,并不存在电气上的连接,使得其应用面更

广,可以实现对大部分旋转设备的测试,例如电动机、发电机、

发动机等。但由于测功电机所产生