交流电机作为一种常见的电力传动设备,在工业生产、国防科技以及航空航天等领域中应用广泛。其中异步电机由于拥有结构简单可靠、制造维护方便和工作性能良好等优势一直受到研究者的亲睐,同时电机本体以及电机驱动电源的开发一直是学界和工业界非常关注的学科领域。
在开发电机驱动电源时需要对其进行大量测试,传统的测试平台是利用电动机和同轴发电机形成的对拖平台。在实际工程应用中,部分特殊类型电机本体设计开发周期长,严重影响了电机驱动电源的测试开发进度。同时,传统测试平台成本高、电能浪费严重、电机参数无法灵活调节。在开发电机容错算法或者设计电机故障保护措施时,还需要对电机进行破坏性试验,操作不便。
由于对电机驱动电源的开发和测试主要关注的是电机端口电压电流特性,如果可以使用交流电子负载模拟电机端口特性,将会为电机驱动电源的研发和测试带来便利。
利用交流电子负载代替实际电机的“虚拟电机”技术一直受到研究者的重视。
基于现有研究成果,浙江大学电气工程学院、浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室、浙江理工大学信息学院的研究人员,首先介绍了“虚拟电机”系统的基本原理,然后在对异步电机进行数学建模时,考虑到定子绕组匝间短路故障这一复杂工况,讨论了数学模型在常用数字信号处理器(Digital Singnal Processor, DSP)中的实时数值计算问题。
图1 基于虚拟电机的电机系统测试平台示意图
图2 电机模拟变换器控制系统框图
电机模拟变换器选择了基于内模原理的准比例谐振控制器(Quasi Proportional Resonant, QPR)控制策略,并且在考虑数字控制延时的前提下,以提高控制器带宽和动态响应能力为目标进行参数优化设计,从而实现对不平衡以及动态电流指令的快速跟踪。
图3 回馈变换器控制系统框图
图4 虚拟电机实验平台
研究人员指出:
仿真和实验表明,所设计的交流电子负载系统可以对异步电机起动、负载切换过程以及发生定子匝间短路故障时的端口特性进行模拟,可以用于电机驱动电源的开发测试。
以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》,论文标题为“考虑故障特性模拟的虚拟电机系统及其控制”,作者为杨庆文、何绍民、杨欢、顾小卫、赵荣祥。