39100字硕士毕业论文基于改进异步电机矢量控制的交流电力测功机系统研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：39100字

论点：电机,测功机,电力

论文概述：

本文在研究交流异步电机矢量控制的基础上，通过改进矢量控制方法，提高功率和转矩的动态响应速度，构造了独立式和电封闭式交流变频动态电力测功机系统。

论文正文：

第一章引言

1.1简介
随着中国电动汽车、航空空和军事工业的发展。对电动机、发动机、内燃机、齿轮箱和其他动力机械的测试要求也越来越高。为了测试这些装置的转速、扭矩、功率和效率等性能，测功机系统必须具有高动态性能、高稳定性等特性，电力测功机是一种能够满足上述要求的新型测功机。电力测功机不仅可以用作测功机来加载被测电机，还可以用作拖动电机来拖动其他动力机器，这在其他测功机(1)中是不可用的。电力测功机中的交流电力测功机不仅能满足上述要求，还能实现能量的再生利用，具有广泛的应用价值。同步电机或感应电机可用于功率测量，能量可在功率测量的同时反馈。然而，当同步电力测功机在电状态下运行时，功率测量区域中的最大转速受到同步转速的限制。采用感应电机交流变频方案的测功机不仅能实现能量的双向流动，而且具有比同步方案更好的动静态性能。交流电力测功机系统主要有三种结构:能量外电路消耗型电力测功机结构、独立能量反馈型电力测功机结构和电动封闭式电力测功机结构。测功机的控制策略主要包括矢量控制和直接转矩控制。目前，交流电动测功机应用越来越广泛，对其要求也越来越高。开发高性能全功能电力测功机是非常必要的。

1.2交流电力测功机的结构
现有交流电力测功机系统的三种常见结构，即能量外电路消耗型、独立能量反馈型和电封闭电力测功机结构，都属于功率传输型测功机，克服了功率吸收型测功机因发热而不能提高功率和动态响应慢的缺点。它可以通过测功机电机将被测动力机吸收的电能消耗或反馈给外部电阻，从而降低系统发热量，大大提高测功机系统的测试功率，不仅实现了测试的稳定性，而且延长了测功机的使用寿命，这是测功机发展的必然趋势。

1.2.1外部能量电路消耗型电力测功机
的结构框图如图1-1所示。在测功机结构中，M1是测功机，M2是待测测功机，两个电机同轴连接。测功机被动力机拖动旋转后运行在发电状态，并通过与逆变器连接将产生的电能传递给外部电阻负载。测功机的输出功率可以通过调节逆变器的输出电压和频率来调节，以便给测功机加载。测功机的选择可以是永磁电机、同步电机或交流异步电机。永磁电机用作测功机时，测功机结构简单，转矩稳定性高，抗干扰性能好。然而，由于剩磁的存在，扭矩测试不能像磁滞测力计一样从零开始。采用同步电机作为功率测量电机时，可以省去逆变环节，定子直接与外部电阻相连，从而可以通过调节励磁电压来控制待测电机，操作简单，使用方便。然而，由于电刷和滑环结构的存在，测功机不能以非常高的速度运行。这种测功机主要用于测试低功率电机。采用交流异步电机作为功率测量电机时，系统具有转矩稳定、结构简单可靠、转矩转速和功率测试范围宽的特点。当变频方案用于控制异步功率测量电机时，同步速度通过改变定子电流的频率来改变。当频率低于对应于待测电机转速的频率时，测力计工作在发电机状态以加载待测电机。本发明的能量外电路消耗型电力测功机系统中，测功机只能在发电状态下加载待测电机，测功机只能工作，不能在电气状态下工作，从而实现待测电机的拖动。此外，该系统只将产生的电能从测功机输出，消耗外部电阻上的电能，无法实现真正的节能高效。

第2章独立能量反馈电力测功机的控制与实现

本章提出了一种基于改进矢量控制的独立能量反馈型电力测功机系统方案。测功机系统的主电路为“交流-DC-交流”结构。为了实现高功率因数、双向能量流和稳定可调的DC输出电压，采用三相脉宽调制整流器作为网侧控制器。机侧控制采用稳态性能良好的矢量控制技术，引入前馈解耦补偿和模糊自适应比例积分调节器解决矢量控制动态响应慢的问题，从而在保证系统稳态性能良好的同时提高动态响应能力。

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