一种高速电机测试加载系统及采用该系统实现的负载功率调节方法与流程

本发明属于高速电机测试加载领域。

背景技术：

高速电机是随着电力电子、材料科学及微电子等技术发展而衍生的高技术产品，在很多工业领域有重要的应用价值，与常规电机相比，高速电机的设计和运用在机械方面受到材料性能的制约：表面线速度和旋转角速度由于材料刚度和杨氏模量的限制，高速运行时较常规电机相比更加充分地发挥利用材料的物理性能，因此其与常规电机相比具有其它电机无可比拟的诸多优点：

(1)高速电机几何尺寸小，功率密度高，有效节约物理材料和工作空间；

(2)高速电机转子转动惯量小，转子动态响应能力高；

(3)在高速应用场合采用高速电机来代替“常规电机+齿轮箱”的结构使得原动机与负载直接相连，省去机械传动变速装置，缩小了设备整体体积、提高了系统效率和系统可靠性、减少了噪音和系统维护成本。

高速电机具有广阔的应用前景，在航空航天、高速机床加工、分布式发电、飞轮储能、燃气轮机、压缩机、真空离子泵等军事、科研、工业、民用领域应用越来越广泛，已成为国际电工领域的研究热点，各国大力发展、高度垄断的关键技术之一。不断发展、提高高速电机的性能和转速能够使得其满足不同的工作应用要求，替代掉原来的一些技术，为推进设备小型化、高集成度，全电化有着重要的意义和价值。

常规永磁同步电机的测试方法和加载技术已经比较成熟，主要是通过测功机(磁滞型、电涡流型等)进行加载，通过转矩传感器来检测电机的运行转速和输出扭矩，从而计算其机械输出功率，验证设计结果。然而由于高速电机的转速高，常规的测功机和转矩传感器的运行转速范围受限无法满足其测试要求，并且随着部件的增加、轴系的增长，会对高速电机引起机械谐振的问题。

而现有测试加载方法中采用高速发电机与被测高速电机通过轴系连接，然后高速发电机通过电阻负载进行加载的测试方法，但是这种方法所采用的电阻负载固定不变，因此在不同转速下所能施加的负载功率值受到转速的制约，高速电机的电磁频率高，切换电阻负载所需要的继电器上的电流频率较高，常规的继电器无法满足测试系统的需要，此外，还无法实现电磁功率的连续闭环控制。

因此，根据上述技术问题，亟需展关于高速电机测试加载技术设备的相关研究工作。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有测试加载方法中，在高速电机不同转速下所能施加的负载功率值受到电机转速的制约，无法满足高速电机测试要求的问题。本发明提供了一种高速电机测试加载系统及采用该系统实现的负载功率调节方法。

高速电机测试加载系统，包括高速永磁同步发电机、三相电流检测模块、三相整流桥、直流母线输入支撑电容、直流母线输入电压检测模块、Buck-Boost调压电路、直流母线输出支撑电容、直流母线输出电压检测模块、负载电阻和驱动控制电路；

高速永磁同步发电机的转轴通过联轴器与被测高速电机的转轴连接，

高速永磁同步发电机输出的三相电流经三相整流桥整流后获得直流电压，该直流电压经直流母线输入支撑电容稳压后，送至Buck-Boost调压电路，

Buck-Boost调压电路在驱动控制电路输出的PAM控制信号的控制下，对其Buck-Boost调压电路的输出电压幅值进行调节，

Buck-Boost调压电路的输出电压经直流母线输出支撑电容稳压后，施加在负载电阻两端，

三相电流检测模块，用于对高速永磁同步发电机输出的三相电流进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路；

直流母线输入电压检测模块，用于对三相整流桥输出的直流电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路；

直流母线输出电压检测模块，用于对Buck-Boost调压电路输出的电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路；

驱动控制电路，用于根据接收的三相电流、三相整流桥输出的直流电压和Buck-Boost调压电路输出的电压生成PAM控制信号。

采用所述的高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法，该方法的具体过程为：

首先，驱动控制电路实时检测三相整流桥输出的直流电压、Buck-Boost调压电路输出的电压和高速永磁同步发电机的输出三相电流i_a，i_b，i_c；

其中，三相整流桥输出的电压为直流母线的输入电压u_{dc_in}，

Buck-Boost调压电路输出的电压为直流母线的输出电压u_{dc_out}；

其次，驱动控制电路对接收的直流母线的输入电压u_{dc_in}、直流母线的输出电压u_{dc_out}及三相电流i_a，i_b，i_c进行处理后，获得的PAM控制信号对Buck-Boost调压电路进行闭环控制，通过改变Buck-Boost调压电路输出电压幅值，进而调节消耗在负载电阻上的功率，从而完成对被测高速电机上加载的负载功率的调节。

所述的驱动控制电路内嵌入有软件处理模块；

软件处理模块包括加法器、PI调节器、预期电压指令计算模块、Buck-Boost电路控制指令计算模块、无传感器控制算法模块、电流坐标变换及负载转矩估算模块、系统功率计算模块；

无传感器控制算法模块，用于对高速永磁同步发电机输出的三相电流i_a，i_b，i_c进行处理，获得发电机的估算转子转角θ_fdb和发电机的估算转速n_fdb；

电流坐标变换及负载转矩估算模块，用于根据电机的估算转子转角θ_fdb对三相电流信号i_a，i_b，i_c进行解耦计算，得到基于转子同步旋转坐标系的电流分量i_d和i_q，然后根据获得的电流分量i_d和i_q，获得发电机的估算负载转矩T_e，其中，

T_e＝p(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (公式一)，

其中，i_d表示坐标变换后的d轴电流值，i_q表示坐标变换后的q轴电流值，p表示极对数，ψ_d表示d轴磁链，ψ_q表示q轴磁链，ψ_f表示永磁体磁链，L_d表示d轴等效电感，L_q表示q轴等效电感；

系统功率计算模块，用于根据发电机的估算转速n_fdb和发电机的估算负载转矩T_e获得高速永磁同步发电机输出功率的估算值P_{Load_fdb}，其中，

加法器的被减数输入端用于接收给定的功率指令值P_{Load_ref}，加法器的减数输入端用于接收高速永磁同步发电机输出功率的估算值P_{Load_fdb}；

PI调节器，用于对加法器输出的功率信号进行PI调节，获得负载电阻预计消耗功率指令值P′；

预期电压指令计算模块，用于根据负载电阻预计消耗功率指令值P′和负载电阻的阻值，计算电压参考值u_{dc_ref}，其中，

R_Load表示负载电阻的阻值；

Buck-Boost电路控制指令计算模块，用于根据接收到的直流母线的输入电压u_{dc_in}、直流母线的输出电压u_{dc_out}和电压参考值u_{dc_ref}，生成PAM控制信号，通过PAM控制信号驱动Buck-Boost调压电路调整直流母线的输出电压u_{dc_out}。

所述的PI调节器的具体结构为：

其中，k_p表示比例系数，k_i表示积分系数，s表示积分变量。

本发明带来的有益效果是，发明提出一种高速电机测试加载系统和采用高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法，采用高速发电机与被测高速电机轴系相连接，估算超高速发电机的输入功率，改变Buck-Boost调压电路的输出电压来控制功率负载电阻上的功率来改变高速发电机的输出功率，从而改变被测高速电机的加载功率。本内容包括两个方面：测试加载装置的硬件构成结构和负载功率的估算方法。二者相互结合，实现高速发电机在高速运行的状态下，能够按照期望的负载指令实现不同转速下指定负载功率的加载，满足被测高速电机的测试需求。即：通过动态调节Buck-Boost调压电路输出的电压u_dc out

_来实现功率负载电阻上消耗功率的动态调节，从而完成高速电机的加载调整。

附图说明

图1为本发明所述的高速电机测试加载系统的原理示意图；

图2为本发明所述的采用高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法；

图3为高速永磁同步发电机的电压、电流矢量图；其中，i_s表示定子电流矢量，ω_e表示频率，R_s表示定子电感，u_q表示坐标变换后的q轴电压值，u_d表示坐标变换后的d轴电压值，θ_e表示高速永磁同步发电机转子d轴与定子绕组A相的夹角，β表示定子电流矢量与永磁体磁链的夹角。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的高速电机测试加载系统，它包括高速永磁同步发电机1、三相电流检测模块2、三相整流桥3、直流母线输入支撑电容4、直流母线输入电压检测模块5、Buck-Boost调压电路6、直流母线输出支撑电容7、直流母线输出电压检测模块8、负载电阻9和驱动控制电路10；

高速永磁同步发电机1的转轴通过联轴器与被测高速电机的转轴连接，

高速永磁同步发电机1输出的三相电流经三相整流桥3整流后获得直流电压，该直流电压经直流母线输入支撑电容4稳压后，送至Buck-Boost调压电路6，

Buck-Boost调压电路6在驱动控制电路10输出的PAM控制信号的控制下，对其Buck-Boost调压电路6的输出电压幅值进行调节，

Buck-Boost调压电路6的输出电压经直流母线输出支撑电容7稳压后，施加在负载电阻9两端，三相电流检测模块2，用于对高速永磁同步发电机1输出的三相电流进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路10；

直流母线输入电压检测模块5，用于对三相整流桥3输出的直流电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路10；

直流母线输出电压检测模块8，用于对Buck-Boost调压电路6输出的电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路10；

驱动控制电路10，用于根据接收的三相电流、三相整流桥3输出的直流电压和Buck-Boost调压电路6输出的电压生成PAM控制信号。

本实施方式中所述的高速电机测试加载系统的硬件包括高速永磁同步发电机1、三相电流检测模块2、三相整流桥3、直流母线输入支撑电容4、直流母线输入电压检测模块5、Buck-Boost调压电路6、直流母线输出支撑电容7、直流母线输出电压检测模块8、负载电阻9和驱动控制电路10，其中，负载电阻9为被控制对象。

高速永磁同步发电机1与被测高速电机同轴刚性连接，二者以相同的转速运行，在高速电机中产生高频反电势，高速发电机的绕组电机在发电机的定转子之间产生电磁转矩，这个转矩也就是被测高速电机的负载转矩。其中被测高速电机输出机械能、高速发电机输出机械能转化为电能，最终经过一系列的控制、变换，消耗在负载电阻上。

三相整流桥3，用于将高速永磁同步发电机1所产生的三相高频交流电转化为直流电压。三相整流桥3可采用现有随技术中的高频功率二极管对输出反电势进行整流，获得稳定的直流电压，施加到直流母线输入支撑电容4上，直流母线输入支撑电容4对直流母线电压进行稳压。经过直流母线输入支撑电容4稳压的电压输入到Buck-Boost调压电路6，Buck-Boost调压电路6在PAM信号的控制下得到理想的输出电压由后端直流母线输出支撑电容7进行滤波平稳。

Buck-Boost调压电路6的输出电压施加到负载电阻上，通过改变输出的电压幅值，进而调节消耗在电阻上的功率，电阻在选型的时候要对其电流能力和电压能力进行考虑，以满足电压再一定范围内变化时，负载输出能力的满足。

在硬件电路中，包含两个电压检测模块和一个三相电流检测模块用于检测电路中的电气参数，以用于高速永磁同步发电机1的输入功率估算和负载功率调节。其中两个电压检测模块用于检测直流母线输入电容器和直流母线输出电容器的电压值。三相电流检测模块用于检测高速永磁同步发电机1三相绕组中的输出电流。通过检测高速永磁同步发电机1的三相输出电流，采用无传感器控制算法计算电机的运行转矩，通过运行转矩与三相电流之的关系来计算电磁转矩，从而计算发电机侧的输入功率。

Buck-Boost调压电路6的控制需要一个PAM控制信号，首先检测电路的输入电压，根据直流母线电压调节策略得到的后侧理想电压输出值，在驱动控制电路10的作用下得到合理的驱动信号来驱动电力电子器件工作，进而得到期望的直流输出电压。

驱动控制电路10接受输入直流母线电压检测信号、输出直流母线检测信号和发电机三相绕组中的电流检测信号，通过运算处理输出控制Buck-Boost调压电路6的PAM信号，PAM信号与硬件系统可通过光耦实现电气隔离。

以上为硬件拓扑的核心功能，除此之外，根据工况的不同，本发明所述的高速电机测试加载系统还可包括温度检测、制动电路等功能。

具体实施方式二：采用具体实施方式一所述的高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法的区别在于，该方法的具体过程为：

首先，驱动控制电路10实时检测三相整流桥3输出的直流电压、Buck-Boost调压电路6输出的电压和高速永磁同步发电机1的输出三相电流i_a，i_b，i_c；

其中，三相整流桥3输出的电压为直流母线的输入电压u_{dc_in}，

Buck-Boost调压电路6输出的电压为直流母线的输出电压u_{dc_out}；

其次，驱动控制电路10对接收的直流母线的输入电压u_{dc_in}、直流母线的输出电压u_{dc_out}及三相电流i_a，i_b，i_c进行处理后，获得的PAM控制信号对Buck-Boost调压电路6进行闭环控制，通过改变Buck-Boost调压电路6输出电压幅值，进而调节消耗在负载电阻9上的功率，从而完成对被测高速电机上加载的负载功率的调节。

具体实施方式三：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的采用高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法的区别在于，驱动控制电路10内嵌入有软件处理模块；

软件处理模块包括加法器10-1、PI调节器10-2、预期电压指令计算模块10-3、Buck-Boost电路控制指令计算模块10-4、无传感器控制算法模块10-5、电流坐标变换及负载转矩估算模块10-6、系统功率计算模块10-7；

无传感器控制算法模块10-5，用于对高速永磁同步发电机1输出的三相电流i_a，i_b，i_c进行处理，获得发电机的估算转子转角θ_fdb和发电机的估算转速n_fdb；

电流坐标变换及负载转矩估算模块10-6，用于根据电机的估算转子转角θ_fdb对三相电流信号i_a，i_b，i_c进行解耦计算，得到基于转子同步旋转坐标系的电流分量i_d和i_q，然后根据获得的电流分量i_d和i_q，获得发电机的估算负载转矩T_e，其中，

T_e＝p(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝p[ψfi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (公式一)，

其中，i_d表示坐标变换后的d轴电流值，i_q表示坐标变换后的q轴电流值，p表示极对数，ψ_d表示d轴磁链，ψ_q表示q轴磁链，ψ_f表示永磁体磁链，L_d表示d轴等效电感，L_q表示q轴等效电感；

系统功率计算模块10-7，用于根据发电机的估算转速n_fdb和发电机的估算负载转矩T_e获得高速永磁同步发电机1输出功率的估算值P_{Load_fdb}，其中，

加法器10-1的被减数输入端用于接收给定的功率指令值P_{Load_ref}，加法器10-1的减数输入端用于接收高速永磁同步发电机1输出功率的估算值P_{Load_fdb}；

PI调节器10-2，用于对加法器10-1输出的功率信号进行PI调节，获得负载电阻预计消耗功率指令值P′；

预期电压指令计算模块10-3，用于根据负载电阻预计消耗功率指令值P′和负载电阻9的阻值，计算电压参考值u_{dc_ref}，其中，

R_Load表示负载电阻9的阻值；

Buck-Boost电路控制指令计算模块10-4，用于根据接收到的直流母线的输入电压u_{dc_in}、直流母线的输出电压u_{dc_out}和电压参考值u_{dc_ref}，生成PAM控制信号，通过PAM控制信号驱动Buck-Boost调压电路6调整直流母线的输出电压u_{dc_out}。

本实施方式中，在转子磁场定向的d-q坐标系中，高速永磁同步发电机1的电压、电流矢量可以表示，如图3所示，在转子磁场定向的d-q坐标系中，高速永磁同步发电机1的数学模型可表示为：

绕组三相电流i_a，i_b，i_c(即：高速永磁同步发电机输出的三相电流)与d-q轴电流的关系为：

高速永磁同步发电机1的估算负载转矩T_e转矩与q轴电流之间的关系为：

T_e＝p(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]，

忽略高速永磁同步发电机1内部的铜耗，高速永磁同步发电机1的输出功率P_{Load_fdb}可以用估算转速n_fdb和估算负载转矩T_e表示为：

驱动控制电路10通过比较给定的负载功率指令P_{Load_ref}和估算的负载功率P_{Load_fdb}，然后通过PI调节器10-2得到负载电阻所需要消耗的损耗P′，通过负载电阻的功率P′与负载电阻阻值和Buck-Boost调压电路6输出电压参考值u_{dc_ref}之间的关系，得到所需调节的直流母线输出侧电压指令值，给定的电压指令信号跟反馈回的电压指令信号进行闭环控制调节Buck-Boost调压电路6的调节信号的脉宽，从而改变直流母线电压的幅值。通过动态调节Buck-Boost调压电路6输出的电压u_{dc_out}来实现负载电阻9上消耗功率的动态调节，从而完成高速电机的加载调整。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三所述的采用高速电机测试加载系统实现负载功率调节方法的区别在于，所述的PI调节器10-2的具体结构为：

其中，k_p表示比例系数，k_i表示积分系数，s表示积分变量。