特种永磁无铁心电机试验系统的设计

摘要：本文针对永磁无铁芯电机的应用特点，为满足该电机的型式试验要求，设计了基于静止电源的电机试验电源系统和数字化检测系统。经试验验证，所设计的电机试验系统达到了特种永磁无铁心电机的型式试验要求。引言永磁无铁心电机是代表未来发展方向的一种新型高效节能电机，它以永磁体作为励磁源，电机磁路结构不采用硅钢片等软磁材料，可以认为磁路不受铁心材料磁饱和的影响，电机无刷、无磁阻尼、转矩脉动小，具有结构简单、效率高、抗过载能力强等优点；体积小、重量轻，节能、节材效果明显。和其它永磁电机一样，永磁无铁心电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。随着永磁无铁心电机大功率化技术的成熟和发展，结合电力电子技术和微计算机技术，可有效解决驱动和控制问题，使永磁无铁心电机无论在电动机领域还是发电机领域，都得到了广泛应用。也正是这一特殊性，也确定了传统电机对拖试验系统的能量循环试验方法对该电机不适用，主要表现在：(1)永磁无铁心电动机须配专用变频器才能运行，永磁无铁心发电机须配变频电源来改变输出电压和频率才能保证电源指标符合相关标准；(2)不同功率等级的电机，配备的专用变频器或变频电源需要作为电机系统的一个相对独立的部件来考核；(3)对于变速变功率发电机，输出电压的幅值和频率变化范围大（80V460V、50Hz400Hz），若不配置变频电源，电子调功装置须适应宽电压输入范围；(4)电动机和变频器组成的电机驱动系统适用交流还是直流取决于专用变频器的设计。1永磁无铁心电机系统试验要求为满足新设计的电机在正式投产前对样机进行型式试验，以及在小批量试制中抽取样本进行型式试验、成熟批量生产的电机出厂前要进行出厂试验的要求，需开发适宜永磁无铁心电机特点的电动机和发电机试验系统，重点满足以下要求：(1)直流48V600V、交流305V460V电动机系统的出厂试验和型式试验项目；(2)发电机输出电压80V460V、50Hz400Hz的出厂试验和型式试验项目；(3)电动机专用变频器的性能试验；(4)发电机输出变频电源的性能试验；(5)能够进行谐波分析；(6)吸收功率可以在测试电机的0160%范围内调节，以满足被试电动机对不同负载率的要求。2试验系统主电路根据试验要求，我们和四川省佳灵电气有限公司联合设计开发了一套容量为400kVA的永磁无铁心电机能量内循环试验系统，可进行150kW及以下的电动机/发电机试验。试验系统原理框图见图1。该试验系统主要由升压整流单元、直流斩波单元、逆变单元、控制单元、测试单元以及辅助单元等组成。试验系统经输入开关从供电电网取电，通过整流装置整流和平波，得到不可调节的直流电压，在该直流母线上连接有直流斩波单元、逆变单元及制动单元。逆变单元输出频率、电压可调的交流电压，供各种试验电机使用。逆变单元可在要求的范围内，任意调节输出频率和电压的给定值，额定频率范围和额定电压范围内逆变单元均可输出额定电流，在额定频率范围内任何频率在输出额定电压时能输出额定容量。交流（直流）永磁无铁心电动机专用变频器利用电动机转子位置传感器检测出转子永磁体磁场与定子绕组三相轴线之间的相对空间位置，通过逻辑信号处理和控制，来实现电机三相绕组的电子换向，驱动电机旋转。变频电源是变速变功率发电机组的一部分，将发电机输出的80460V、50400Hz电源变换为400V、50/60Hz电源，并保证输出电源的品质符合国家标准2。在负载试验过程中，两台电机一台电动一台发电，能量通过直流母线实现循环，系统的无功在直流母线和试验电机间实现交换，并不影响供电电网，也不会对电网造成影响。系统从电网取得的能量只提供两台电机及各电子单元的损耗。直流母线配置制动单元和制动电阻，用来满足在电机温升试验完毕后的快速停车的要求。3试验系统的控制和测量整个试验系统的控制和测量配置见图2。系统上位机采用工业控制计算机(工控机)加PLC控制技术对试验电源进行控制，实现试验过程电源调整、参数检测的自动化；各单元和上位机之间统一采用RS485通讯网络联接，其中工控机为系统的控制中心，负责完成通讯控制、智能运算、试验数据采集及控制参数修正等，并通过通讯实现智能调节，满足自动完成试验项目的要求；PLC用于系统的电气逻辑控制和系统的电量闭环控制；试验数据自动在计算机中进行实时记录和处理，对电机进行全面性能分析，自动生成试验报告和试验曲线。试验系统的电压、电流参数测量选用精度为0.2级的霍尔传感器；功率分析仪选用日本横河公司的WT1800，电量测量综合精度不低于0.15级；电机转速转矩测量选用magtrol公司生产的高转速高精度TMHS型扭矩传感器，示值误差0.1%RT。智能测量仪表的高精度一方面保证了试验测试结果的准确性，同时也保证了闭环控制系统的控制精度。4应用效果按照上述原则开发的试验系统，通过调试后投入运行，证明完全满足永磁无铁心电机以及专用交、直流变频器、发电机组用变频电源的型式试验和出厂试验。而且，系统输出接线位置稍作调整即可完成普通异步电动机、同步电动机、直流电机等的出厂试验和型式试验。整个试验操作系统设有上位机自动方式、上位机手动方式以及现场手动方式等可选择以完成试验，操作界面直观、方便，对操作人员的要求较低。采用计算机和PLC控制，具有完善的人机界面和开放的通讯能力，试验状态和电源的工作状态全程监控；数据记录由计算机自动选择时机，通过网络传输同步进行，不受人为因素影响，消除了读数误差，保证了试验数据的准确度和重复测试的一致性；试验数据自动计算并形成报表输出，使用管理方便。整个试验系统采用多电平技术，实现宽频正弦波输出，波形品质好，谐波含量低，输出电源品质满足相关国家标准的要求。采用能量回馈技术，实现了能量的封闭循环使用，且变频试验电源具有无功补偿功能，对配电系统的总进线容量要求大幅降低。在试验中，发电机发出的电能回馈使用，系统补充的是两台电机的损