电惯量模拟方法在变频器加载试验台上的应用

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1、电惯量模拟方法在变频器加载试验台上的应用变频器电惯量补偿电动势角加速度传感器1  引言   我国汽车产业的迅猛发展，导致车辆、车载部件的试验技术突飞猛进。其中不少技术可以为变频器型式试验借鉴，如：交流、直流电力测功技术，电惯量模拟技术、ABS试验技术等等。笔者将电惯量模拟技术，应用于传统变频调速试验台的技术升级，成功实现了大惯量起动、制动试验，“小投入”但是“大拓宽”了传统变频调速台应用范围。 2  传统变频调速试验台的基本结构   图1为传统变频器调速试验台的基本结构。0：试验台固有转动惯量：变频电机转子+直流电机转子+传动轴TD:驱动转矩，Tfz:直流电机转矩，Ia：直流转子电

2、流，Re:功耗电阻器图1  传统变频调速试验台的基本结构   在图1中，驱动转矩TD克服直流电机转矩Tfz，驱动试验台上固有的机械转动惯量J0旋转，直至达到变频器设定转速，完成启动过程。在这过程中，能量最终主要以热能的形式，在功耗电阻器Re上耗散，完成试验机组的带负载(转动惯量、转矩、功率三种负载形式)能力测试。很明显试验机组的负载功率、负载转矩，均可在预定范围内，通过调节Re，任意设定和试验。独有转动惯量—影响启动、制动过程的关键因素—不能任意设定，只能按机台固有的J0试验，而J0通常很小，远离实际工况，因此这样的试验台或缺了一项关键的带载能力试验。 3  模拟电惯量的基本原理 

3、  在图1所示的试验台在启动过程中，其动力学方程是：                                           (1)   式中：ε=dω/dt      即                                  (2)   其中：ε，角加速度；ω，角速度；TD，驱动转矩；Tfz，变频机组的负载转矩。   在图1所示意的试验台上就是直流发电机的电磁转矩，其本意是用其模拟实际机械运动的摩擦、滞粘、金属切削等等旋转阻力矩。   通过分析，可以发现，通过调整Re就可以改变Ia，得到试验想要的Tfz。   如果设想在图1机械轴上，还挂有一个大的机械惯量

4、Jfz，则图1的动力学方程式：                           (3)           式(3)中，J0已知，Jfz是想要真实挂上主轴的机械惯量，可以根据驱动能力和试验要求主观设定，ε可由主轴上加装的角速度传感器测出，(TD－Tfz)也可以通过主轴上安装的扭矩传感器测出。Tfz可以通过调节Ia而线性地得到调节，假定TD也非常恒定，于是就可以按照(1)式，将ε作为控制对象，Tfz作为控制手段，此时的直流电机就等效为一个大惯量：                                              (4)    其物理过程是：启动时，TD克服

5、Jfz，以为角加速度带动直流电机旋转。ε除转矩以外的各物理量，均是根据试验要求的设定值或机台固有值。在启动过程中，若ε偏离设定值升高，意味转动惯量Jfz变小，经ε传感器探测，上位机运算处理，加大Tfz(Ia)，让ε回落维持不变，也即让试验机组继续以设定的Jfz升速；反之亦然。直至启动完成，ε=0为止。由此，DC电机完成了大机械惯量Jfz的电模拟。我们称之为电惯量。   进一步分析图1方案的数学模型图2，可知图1方案在0速和低速时，无法实现电惯量模拟。图2传统变频试验台数学模型图3  电惯量模拟   图3中的分母就是图1方案的转动惯量，其中J0是试验台固有惯量，所以：        

6、   不难看出Jfz含有算子S，故t=0，Jfz=0；t非常小时，Jfz也非常小。这是因为开始阶段DC电机机组转速=0或很低，导致Ea=0，或很低，无法提供足够的Ia产生试验所需要的足够的电磁转矩，这就是图1方案无法实现0速、低速电惯量模拟的原因所在。 4  实现0速、低速电惯量模拟   如果我们DC电机的电枢回路里串入一个补偿电源Eb，其补偿电动势的大小受制于角加速度，就可以弥补0速、低速时转动惯量不足的缺陷，方案如图4所示。图4  添加补偿电动势的电惯量模拟方案K1:补偿电源Eb       K2:角加速度传感器   根据图4推算出的转动惯量如图5所示。图5  转动惯量   共

7、有3项组成，前2项和图2方案一样；第3项是常数项，不包含算子S，因此：   (1)t=0，试验台提供的转动惯量为J0，   DC电机提供的电惯量：                                              (4)   (2)启动结束，ε=0，意味着第3项等于0(Eb输出为0)；我们通过Re的控制，可以将第2项提供的电惯量转换为试验台提供的固定负载转矩；   (3)启动过程中，