基于交流同步發電機電磁轉矩的電動機加載方法研究

韓 冬，王連明

（東北師范大學應用電子技術研究所，吉林 長春 130024）

0 引言

目前，電機的加載裝置從工作原理上主要分為機械加載器、磁粉加載器、電磁渦流加載器.但都相應存在一些缺點.

（1）機械加載器 常有高溫現象，對電機損害較大，損耗較大.并且動態加載時，實時性較差［1－3］.

（2）磁粉加載器 適用于低轉速測試環境，在異步電動機不穩定區段不能提供穩定的測試，而且容易出現轉矩不均或卡死等問題［4－6］.

（3）電磁渦流加載器 存在調整比較困難，故障率較高，制動軸承經常無規律損壞，散熱設備投資高等問題［7－8］.

由于電動機加載設備存在種類少、結構復雜、消耗大、可移植性較差和適用范圍窄等缺點.本文將介紹一種新的電動機加載方法，把交流同步發電機轉子與電動機轉子同軸連接，通過控制交流同步發電機的電磁轉矩對其進行加載.

1 同步發電機電磁轉矩原理

本文采用的是隱極性同步發電機，其對稱的三相定子繞組分別是：A—X，B—Y和C—Z.圖1即為單相同步發電機模型.

由于磁路中鐵芯部分的磁阻非常小，忽略鐵磁部分的磁阻Rm1，只考慮氣隙部分的磁阻Rm2，那么氣隙磁感應強度的大小為［9－10］

設氣隙中任意一點P與轉軸構成的平面跟參考平面MM′的夾角為α，轉子以角速度ω沿逆時針方向轉動，這樣任意t時刻，氣隙磁感應強度基波分量即主磁場表示式

式中B0m為基波分量的峰值，且

式中E0m為主磁感應電動勢幅值，其表達式為

式中：L為轉子長度；v為定子線圈的相對線速度；NC為定子每相繞組的匝數.

當發電機的磁極數為p時，感應電動勢的頻率f表達式變為

圖1 三相隱極交流同步發電機模型

且v＝ωr，r為轉子半徑，磁極所對應的氣隙面積A＝πrL.由（3）式可以將主磁感應電動勢的有效值表達式寫成

每相電樞電路的電壓平衡方程為

其中相電流為

式中θ為功率角.

由于同步電抗和電樞電阻較小，因此忽略同步電抗Xt與電樞電阻R，則相電壓U等于主磁感應電動勢E0，即

交流同步發電機帶上負載，則三相輸出的總有功功率表達式

交流同步發電機的電磁轉矩是發電機在輸出有功功率時，電樞反施于轉子的阻轉矩，用TM表示.電磁轉矩TM等于電磁功率（即總有功功率P）與同步角速度ω之比［10］，即

由（6）式、（9—10）式及ω ＝2πf可得：

則電磁轉矩TM表達式

系數K1與勵磁繞組的結構、匝數、氣隙面積、氣息長度、空氣磁導率及定子繞組匝數有關，即K1為與發電機構造相關的常數.系數K2與發電機運行狀態有關，當發電機處于非過載運行狀態時K2為常數.

綜合以上分析可知，通過控制同步發電機的勵磁電流，就可以改變同步發電機的電磁轉矩.要使發電機正常工作需要有足夠大的動力轉矩克服發電機的電磁轉矩，本文設計將交流同步發電機轉子和電動機轉子1∶1同軸連接，同步發電機的動力轉矩便由電動機提供，實現對電動機加載的目的.

2 電動機的轉矩檢測

同步發電機的輸入功率P1由電動機提供，同步發電機輸入功率中減去空載損耗P0和電樞銅損耗pCu，便得到發電機輸出電功率P2，

式中P2，pCu可由以下公式得出：

本系統采用的是三相異步電動機，其負載轉矩為

式中：TLoad為電動機負載轉矩；PLoad為電動機輸出有功功率；nm為電動機的轉速.

由（14—16）式可知，通過測得電動機的輸出有功功率和電動機轉速就能算出電動機的負載轉矩TLoad.如果設定的同步發電機電磁轉矩TM和得出的電動機的負載轉矩TLoad相等便能夠證明此加載方法有效.

3 加載系統設計

因三相交流同步發電機與單相交流同步發電機之間只存在相數的區別，所以選用單相交流同步發電機，并選用其負載為純阻性負載，能減少功率角對同步發電機輸出功率的影響.加載系統整體結構如圖2所示.

電動機帶動交流同步發電機啟動后，上位機設定負載轉矩值，經串行口將數據發給下位機，下位機控制可控直流電壓源的輸出電壓，改變同步發電機的勵磁電流，進而改變同步發電機的電磁轉矩.同時下位機將測得的電動機負載轉矩數據經串行口實時發送回上位機，并與設定的電動機負載轉矩進行顯示比對.系統各個模塊的功能如下：

（1）可控直流電壓源為交流同步發電機提供可控的勵磁電流，它由可控變壓器和交直流轉換電路組成.可控變壓器由自耦變壓器和與之同軸相連的直流電動機組成.通過輸入控制量控制直流電動機的轉動，就可以改變自耦變壓器次級線圈輸出點的位置，改變變壓器的輸出電壓.變壓器的輸出再經過全波整流和濾波，最終實現可控直流電壓的輸出.

（2）功率檢測模塊檢測交流同步發電機的輸出有功功率.模塊由電能計量單元和電流電壓互感器組成.電流電壓互感器將大電流和大電壓分別轉換為弱電流和弱電壓，用于電能計量單元的信號采集，同時也可實現電氣的隔離，以提高系統的安全性［11－15］.電能計量單元主要用于完成有功功率的測量，本系統采用美國模擬器件AD公司所生產的電能專用測量芯片ADE7758.該芯片能有效完成三相電系統中各相電參數的實時測量，并通過SPI接口與MCU完成實時通信.

（3）轉速測量采用了基于紅外傳感器元件的脈沖發生器，其優點是成本低、構造簡單.測速算法為M／T法，由單片機編程實現，保證了高速和低速運行時的測速精度.系統下位機采用了ATmega128單片機，上位機主要通過C＋＋來實現負載轉矩設定和負載轉矩檢測界面.系統上位機軟件主要完成上位機系統初始化功能、配置下位機參數功能、接收下位機數據功能、波形繪制功能以及數據存儲功能.功能實現流程如圖3所示.

系統下位機部分主要由定時器模塊、轉速測量模塊、ADE7758有功功率測量模塊、串行口通信模塊和控制模塊構成.下位機對電磁轉矩的控制原理如圖4所示.

下位機根據上位機指令產生給定轉矩，然后，通過可控直流電壓源輸出電壓值改變同步發電機的勵磁電流If，進而改變電動機負載轉矩.同步發電機輸出功率通過ADE7758檢測，并由（14—16）式計算出實際負載轉矩值，并與設定轉矩進行比較，從而構成一個轉矩的閉環控制系統，采用PID控制算法，保證輸出轉矩快速、準確地跟蹤設定轉矩.

圖3 上位機功能實現流程

圖4 下位機的控制原理

4 加載實驗測試

系統所使用發電機額定功率為5kW的4極單相交流同步發電機，電動機額定功率為5.5kW，額定電流為11.6A，額定功率因數為0.84的4極三相交流異步電動機.搭建實際的基于交流同步發電機的電動機加載平臺，如圖5所示.

為驗證加載效果，擬用兩種方式對異步電動機進行加載：一種是對電動機進行恒定負載轉矩加載；另外一種是對電動機進行變負載轉矩加載.其中變轉矩加載分別按正弦變化和鋸齒波變化進行加載.

4.1 恒定負載轉矩加載實驗

保持同步發電機的純阻性負載不變，上位機設定恒定負載轉矩，經圖4控制流程對電動機進行加載，同時把檢測到的電動機負載轉矩通過串口發給上位機，上位機描繪加載轉矩設定值與電動機負載轉矩值的波形圖，如圖6所示.其中虛線是設定的加載轉矩，實線是測得的電動機輸出轉矩.

圖5 加載裝置實物圖

圖6 恒定負載轉矩實驗結果

通過FLUKE 43B型電能質量分析儀測量電動機消耗的有功功率，并利用（16）式得到實際的電動機負載轉矩值（見表1）.

由表1可見：控制交流同步發電機的勵磁電流，可以保持電動機的負載轉矩不變；實際電動機負載轉矩值與設定的負載轉矩值基本相等，此情況下的加載精度為5.5%.

表1 恒定負載轉矩實驗結果 N·m

4.2 變負載轉矩加載實驗

4.2.1 負載正弦變化加載實驗

保持同步發電機的純阻性負載不變，上位機設定負載轉矩按正弦規律變化，經圖4控制流程對電動機進行加載，同時把檢測到的電動機負載轉矩通過串口發給上位機，上位機描繪加載轉矩設定值與電動機負載轉矩值的波形見圖7，其中虛線是設定的加載轉矩，實線是測得的電動機輸出轉矩.實際得到的電動機負載轉矩值經Matlab描繪結果，如圖8所示.

圖7 正弦加載實驗結果

圖8 正弦變化負載轉矩實驗FLUKE電能表輸出結果

4.2.2 負載鋸齒波變化加載實驗

如正弦加載操作一樣，設定負載轉矩按照鋸齒波規律改變，其結果如圖9所示.實際得到的電動機負載轉矩值經Matlab描繪結果如圖10所示.

圖9 鋸齒波加載實驗結果

圖10 鋸齒波變化負載轉矩實驗FLUKE電能表輸出結果

由圖10可見：控制交流同步發電機的勵磁電流，可以使電動機的負載轉矩變化；實際的負載轉矩變化趨勢和設定的負載轉矩變化趨勢相同，此情況下的加載精度為8%.

5 結論

綜上所述，通過控制交流同步發電機的勵磁電流可以改變交流同步發電機的電磁轉矩進而改變電動機的負載轉矩，能夠實現對電動機加載的目的.此項加載設計可方便地用于模擬實際工況時的各種實際負載的變化規律，從而實現模擬加載.在本文設計中，通過改變連接器的機械結構就能夠實現對多種電動機的加載測試.因此，本文加載方法是一種具有可移植性好、占用空間小、造低價、控制靈活、穩固耐用等特點的新型加載方法.

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