四象限运行变频调速性能测试系统

第６期（总第１７５期）

２０１２年１２月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．６

Ｄｅｃ．

文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０６－０１３９－０

３櫜

四象限运行变频调速性能测试系统

雷红玲１，陈政石２

（１．广东机电职业技术学院电气工程学院，广东　广州　５１０５１５；２．广东石油化工学院计算机与电子信息

学院，广东　茂名　５２５０００

）摘要：介绍了一种可对四象限运行电机变频调速性能测试的节能型双机同轴变频调速性能测试系统，实现对差频控制的并联逆变器驱动的电动机－电动机组结构方式的交流电机负载性能测试。该测试系统能够对两台变频器的控制频率进行调整和显示，能够实现定频差和变频差控制调速和异步电机的四象限运行。关键词：四象限运行；变频调速性能测试；频差控制；节能中图分类号：ＴＰ２７３∶ＴＭ３２ 文献标识码：櫜Ａ

国家自然科学基金资助项目（

６０９７３１１２）收稿日期：２０１２－０６－１４；修回日期：２０１２－０７－０

９作者简介：雷红玲（１９７５－）

，女，湖南祁东人，讲师，硕士，主要从事电力电子应用技术及电气传动控制研究。０　引言

现有的矿山机械变频调速系统，只能实现固定负载调速控制，而要想得到任意负载的调速控制，在电动机投入系统之前须知道在不同频率下电动机的四象限运行特性，这样才能实现电动机任意速度的控制。为此，本文设计了一种方便、高效、节能的试验系统。１　性能测试试验系统分析１．１　频差控制变频调速系统性能测试试验系统方案

频差控制的双逆变器结构驱动的电动机—电动机

结构方式交流调速试验系统［１］

见图１。驱动电源由双逆变器及其频差控制电路组成，主电路采用了两逆变

器直流母线并联工作方式，

各自变频输出电压驱动两台电动机。

图１　频差控制变频调速试验系统原理结构图

通过控制系统差频，控制两逆变器分别驱动同轴上两台电动机，任一时刻都能使一台工作在电动状态，而另一台工作在再生发电状态。这样两台电动机的转矩相反，在轴上就建立了一种基于电磁转矩方式的负

载形式，对两台变频器的差频值进行控制就可以实现

对任意“

负载”的控制，差频值保持不变就是恒负载，改变差频值就得到任意大小的负载。１．２　频差控制变频调速系统性能分析

同轴连接两台异步电动机组的结构形式决定了其在任何条件下都有同轴转速ｎ１＝ｎ２。如果能控制它

们输入电压的频率不同（ｆ１≠ｆ２）

，即有一个Δｆ，根据异步电机变频调速的转速关系，这时机组的拖动状态一定是获得高频电压的电动机Ｍ１拖动获得低频电压的电动机Ｍ２运行。根据电动机能四象限工作的原理，则Ｍ１应处在电动的工作状态下，Ｍ２一定处在再生发电工作状态下，且它们的转矩方向必然相反。如果在同一坐标下分别画出两台电动机工作在差频控制

状态下的机械特性（见图２），机械上采用同轴连接的

方式，同轴连接两台异步电动机组的结构形式决定了在稳定时两电机的转速和转矩都相等，即｜Ｔｅ１｜＝

｜Ｔｅ２｜，ｎ１＝ｎ２，

如图２中的ＡＡ′线段所示。此时Ｍ１工作在电动机状态（Ａ点），Ｍ１产生的电动转矩即是电

动机Ｍ１的负载转矩。若降低Ｍ２的控制频率ｆ２，

而Ｍ１的控制频率ｆ１不变，

即频差增大，则Ｍ２的空载转速将降至ｎ′ｏｆ２，由于转速不能突变，则Ｍ２特性立刻向左平移到ｎｏｆ

２对应的机械特性曲线动态工作点Ｄ（Ｔｄ，ｎ１）。此时｜Ｔｅ１｜＜｜Ｔｄ｜，即Ｍ１的电动转矩小于Ｍ２的制动转矩，Ｍ１、Ｍ２转速将下降，直至达到新的负载平衡点，如图２中的ＢＢ′线段所示。此时｜Ｔｅ１′｜＝｜Ｔｅ２′

｜，ｎ′２＝ｎ′２。与ＡＡ′相比，Ｔ′ｅ１＞Ｔｅ１，｜Ｔ′ｅ２｜＞｜Ｔｅ２

｜，即Ｍ１的电动转矩和负载转矩都增大了，

说明通过增大频差Δｆ达到了增大电动机负载的目的。分析特性可以发现，每个频差Δｆ下都能找到电动机Ｍ１和Ｍ２间

的一个负载转矩的平衡点（电动机能够稳态运行）。双机的特性关系还反映出一个重要的结论，电动机的负载转矩正比于频差Δｆ，即差频控制的同轴电动机组的负载转矩与频差Δｆ之间满足线性正比关系，通过增大频差Δｆ可达到增大电动机负载的目的。

由图２电动机组机械特性可以看出：改变频差Δｆ的大小即可改变电动机的电磁负载转矩的大小，从而通过改变频差Δｆ（可通过改变ｆ１或ｆ２）

实现电动机负载的线性变化和对应负载转速升降±Δｎ的变化；

如果保持频差Δｆ不变（

保持恒负载），并同步地增减电动机Ｍ１、Ｍ２的输入电压频率ｆ１、ｆ２，

则电动机组还能实现线性连续的调速，且满足任意负载（Δｆ）下的线性连续调速。１．３　频差控制的变频调速系统节能分析

频差控制的变频调速系统［２］

，在任一时刻都能使

一台电动机工作在电动状态，而另一台电动机工作在发电状态，这样在电动机轴上就建立了一种基于再生功率回馈作用的电磁转矩方式的负载关系。系统中，由于电源侧的双逆变器公用三相不控整流桥，发电机

再生能量不能直接回馈电网，

而电路中的电压型逆变器桥臂二极管组成的反向不控三相桥路给工作在发电状态的电动机提供了再生交流能量的回馈路径，发电机的再生功率通过直流母线传递至工作在电动状态的电动机，而且完全被电动机吸收，从而减少了电动机吸收来自电网的电能。由此可以看出，调速系统在这种工作模式下，处于发电状态运行的电动机Ｍ２的再生

能量得到了全部的回馈利用。在理论上该调速系统消

耗的电源功率仅用于系统中电动机组的激磁、损耗和逆变器开关损耗等，因此可以认为该系统此时已是一个没有轴功耗的、高节能的调速系统

。

图２　频差控制的电动机组机械特性

２　性能测试系统控制单元硬件电路设计

再生能量回馈的节能型双机同轴变频调速测控系统要求控制单元能够对两台变频器的控制频率进行调整和显示，并要求控制单元软件能够以定频差和变频差两种控制方式实现调速和异步电机的四象限运行。

选用ＡＴ８９Ｃ５２单片机［３］

、十位Ｄ／Ａ转换器与其他必

要的芯片组成单片机控制系统。ＡＴ８９Ｃ５２单片机的

外接口芯片有：并行Ｉ／Ｏ扩展８１５５、２×４编码键盘、４

位ＬＥＤ显示器和两片ＤＡ１００６ＬＣＮ数模转换芯片。部分芯片地址由７４ＬＳ１３８译码器的输出决定，采用片选方式。图３为控制单元电路原理图。

图３　控制单元电路原理图

·

０４１·机械工程与自动化 ２０１２年第６期