本發(fā)明屬于高速電機測試加載領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高速電機是隨著電力電子、材料科學及微電子等技術(shù)發(fā)展而衍生的高技術(shù)產(chǎn)品，在很多工業(yè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，與常規(guī)電機相比，高速電機的設(shè)計和運用在機械方面受到材料性能的制約：表面線速度和旋轉(zhuǎn)角速度由于材料剛度和楊氏模量的限制，高速運行時較常規(guī)電機相比更加充分地發(fā)揮利用材料的物理性能，因此其與常規(guī)電機相比具有其它電機無可比擬的諸多優(yōu)點：

(1)高速電機幾何尺寸小，功率密度高，有效節(jié)約物理材料和工作空間；

(2)高速電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)子動態(tài)響應(yīng)能力高；

(3)在高速應(yīng)用場合采用高速電機來代替“常規(guī)電機+齒輪箱”的結(jié)構(gòu)使得原動機與負載直接相連，省去機械傳動變速裝置，縮小了設(shè)備整體體積、提高了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)可靠性、減少了噪音和系統(tǒng)維護成本。

高速電機具有廣闊的應(yīng)用前景，在航空航天、高速機床加工、分布式發(fā)電、飛輪儲能、燃氣輪機、壓縮機、真空離子泵等軍事、科研、工業(yè)、民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，已成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點，各國大力發(fā)展、高度壟斷的關(guān)鍵技術(shù)之一。不斷發(fā)展、提高高速電機的性能和轉(zhuǎn)速能夠使得其滿足不同的工作應(yīng)用要求，替代掉原來的一些技術(shù)，為推進設(shè)備小型化、高集成度，全電化有著重要的意義和價值。

常規(guī)永磁同步電機的測試方法和加載技術(shù)已經(jīng)比較成熟，主要是通過測功機(磁滯型、電渦流型等)進行加載，通過轉(zhuǎn)矩傳感器來檢測電機的運行轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，從而計算其機械輸出功率，驗證設(shè)計結(jié)果。然而由于高速電機的轉(zhuǎn)速高，常規(guī)的測功機和轉(zhuǎn)矩傳感器的運行轉(zhuǎn)速范圍受限無法滿足其測試要求，并且隨著部件的增加、軸系的增長，會對高速電機引起機械諧振的問題。

而現(xiàn)有測試加載方法中采用高速發(fā)電機與被測高速電機通過軸系連接，然后高速發(fā)電機通過電阻負載進行加載的測試方法，但是這種方法所采用的電阻負載固定不變，因此在不同轉(zhuǎn)速下所能施加的負載功率值受到轉(zhuǎn)速的制約，高速電機的電磁頻率高，切換電阻負載所需要的繼電器上的電流頻率較高，常規(guī)的繼電器無法滿足測試系統(tǒng)的需要，此外，還無法實現(xiàn)電磁功率的連續(xù)閉環(huán)控制。

因此，根據(jù)上述技術(shù)問題，亟需展關(guān)于高速電機測試加載技術(shù)設(shè)備的相關(guān)研究工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有測試加載方法中，在高速電機不同轉(zhuǎn)速下所能施加的負載功率值受到電機轉(zhuǎn)速的制約，無法滿足高速電機測試要求的問題。本發(fā)明提供了一種高速電機測試加載系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)實現(xiàn)的負載功率調(diào)節(jié)方法。

高速電機測試加載系統(tǒng)，包括高速永磁同步發(fā)電機、三相電流檢測模塊、三相整流橋、直流母線輸入支撐電容、直流母線輸入電壓檢測模塊、Buck-Boost調(diào)壓電路、直流母線輸出支撐電容、直流母線輸出電壓檢測模塊、負載電阻和驅(qū)動控制電路；

高速永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與被測高速電機的轉(zhuǎn)軸連接，

高速永磁同步發(fā)電機輸出的三相電流經(jīng)三相整流橋整流后獲得直流電壓，該直流電壓經(jīng)直流母線輸入支撐電容穩(wěn)壓后，送至Buck-Boost調(diào)壓電路，

Buck-Boost調(diào)壓電路在驅(qū)動控制電路輸出的PAM控制信號的控制下，對其Buck-Boost調(diào)壓電路的輸出電壓幅值進行調(diào)節(jié)，

Buck-Boost調(diào)壓電路的輸出電壓經(jīng)直流母線輸出支撐電容穩(wěn)壓后，施加在負載電阻兩端，

三相電流檢測模塊，用于對高速永磁同步發(fā)電機輸出的三相電流進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路；

直流母線輸入電壓檢測模塊，用于對三相整流橋輸出的直流電壓進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路；

直流母線輸出電壓檢測模塊，用于對Buck-Boost調(diào)壓電路輸出的電壓進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路；

驅(qū)動控制電路，用于根據(jù)接收的三相電流、三相整流橋輸出的直流電壓和Buck-Boost調(diào)壓電路輸出的電壓生成PAM控制信號。

采用所述的高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法，該方法的具體過程為：

首先，驅(qū)動控制電路實時檢測三相整流橋輸出的直流電壓、Buck-Boost調(diào)壓電路輸出的電壓和高速永磁同步發(fā)電機的輸出三相電流i_a，i_b，i_c；

其中，三相整流橋輸出的電壓為直流母線的輸入電壓u_{dc_in}，

Buck-Boost調(diào)壓電路輸出的電壓為直流母線的輸出電壓u_{dc_out}；

其次，驅(qū)動控制電路對接收的直流母線的輸入電壓u_{dc_in}、直流母線的輸出電壓u_{dc_out}及三相電流i_a，i_b，i_c進行處理后，獲得的PAM控制信號對Buck-Boost調(diào)壓電路進行閉環(huán)控制，通過改變Buck-Boost調(diào)壓電路輸出電壓幅值，進而調(diào)節(jié)消耗在負載電阻上的功率，從而完成對被測高速電機上加載的負載功率的調(diào)節(jié)。

所述的驅(qū)動控制電路內(nèi)嵌入有軟件處理模塊；

軟件處理模塊包括加法器、PI調(diào)節(jié)器、預期電壓指令計算模塊、Buck-Boost電路控制指令計算模塊、無傳感器控制算法模塊、電流坐標變換及負載轉(zhuǎn)矩估算模塊、系統(tǒng)功率計算模塊；

無傳感器控制算法模塊，用于對高速永磁同步發(fā)電機輸出的三相電流i_a，i_b，i_c進行處理，獲得發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ_fdb和發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)速n_fdb；

電流坐標變換及負載轉(zhuǎn)矩估算模塊，用于根據(jù)電機的估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ_fdb對三相電流信號i_a，i_b，i_c進行解耦計算，得到基于轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電流分量i_d和i_q，然后根據(jù)獲得的電流分量i_d和i_q，獲得發(fā)電機的估算負載轉(zhuǎn)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表示坐標變換后的d軸電流值，i_q表示坐標變換后的q軸電流值，p表示極對數(shù)，ψ_d表示d軸磁鏈，ψ_q表示q軸磁鏈，ψ_f表示永磁體磁鏈，L_d表示d軸等效電感，L_q表示q軸等效電感；

系統(tǒng)功率計算模塊，用于根據(jù)發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)速n_fdb和發(fā)電機的估算負載轉(zhuǎn)矩T_e獲得高速永磁同步發(fā)電機輸出功率的估算值P_{Load_fdb}，其中，

加法器的被減數(shù)輸入端用于接收給定的功率指令值P_{Load_ref}，加法器的減數(shù)輸入端用于接收高速永磁同步發(fā)電機輸出功率的估算值P_{Load_fdb}；

PI調(diào)節(jié)器，用于對加法器輸出的功率信號進行PI調(diào)節(jié)，獲得負載電阻預計消耗功率指令值P′；

預期電壓指令計算模塊，用于根據(jù)負載電阻預計消耗功率指令值P′和負載電阻的阻值，計算電壓參考值u_{dc_ref}，其中，

R_Load表示負載電阻的阻值；

Buck-Boost電路控制指令計算模塊，用于根據(jù)接收到的直流母線的輸入電壓u_{dc_in}、直流母線的輸出電壓u_{dc_out}和電壓參考值u_{dc_ref}，生成PAM控制信號，通過PAM控制信號驅(qū)動Buck-Boost調(diào)壓電路調(diào)整直流母線的輸出電壓u_{dc_out}。

所述的PI調(diào)節(jié)器的具體結(jié)構(gòu)為：

其中，k_p表示比例系數(shù)，k_i表示積分系數(shù)，s表示積分變量。

本發(fā)明帶來的有益效果是，發(fā)明提出一種高速電機測試加載系統(tǒng)和采用高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法，采用高速發(fā)電機與被測高速電機軸系相連接，估算超高速發(fā)電機的輸入功率，改變Buck-Boost調(diào)壓電路的輸出電壓來控制功率負載電阻上的功率來改變高速發(fā)電機的輸出功率，從而改變被測高速電機的加載功率。本內(nèi)容包括兩個方面：測試加載裝置的硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)和負載功率的估算方法。二者相互結(jié)合，實現(xiàn)高速發(fā)電機在高速運行的狀態(tài)下，能夠按照期望的負載指令實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下指定負載功率的加載，滿足被測高速電機的測試需求。即：通過動態(tài)調(diào)節(jié)Buck-Boost調(diào)壓電路輸出的電壓u_dc out

_來實現(xiàn)功率負載電阻上消耗功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，從而完成高速電機的加載調(diào)整。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的高速電機測試加載系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的采用高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法；

圖3為高速永磁同步發(fā)電機的電壓、電流矢量圖；其中，i_s表示定子電流矢量，ω_e表示頻率，R_s表示定子電感，u_q表示坐標變換后的q軸電壓值，u_d表示坐標變換后的d軸電壓值，θ_e表示高速永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子d軸與定子繞組A相的夾角，β表示定子電流矢量與永磁體磁鏈的夾角。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的高速電機測試加載系統(tǒng)，它包括高速永磁同步發(fā)電機1、三相電流檢測模塊2、三相整流橋3、直流母線輸入支撐電容4、直流母線輸入電壓檢測模塊5、Buck-Boost調(diào)壓電路6、直流母線輸出支撐電容7、直流母線輸出電壓檢測模塊8、負載電阻9和驅(qū)動控制電路10；

高速永磁同步發(fā)電機1的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與被測高速電機的轉(zhuǎn)軸連接，

高速永磁同步發(fā)電機1輸出的三相電流經(jīng)三相整流橋3整流后獲得直流電壓，該直流電壓經(jīng)直流母線輸入支撐電容4穩(wěn)壓后，送至Buck-Boost調(diào)壓電路6，

Buck-Boost調(diào)壓電路6在驅(qū)動控制電路10輸出的PAM控制信號的控制下，對其Buck-Boost調(diào)壓電路6的輸出電壓幅值進行調(diào)節(jié)，

Buck-Boost調(diào)壓電路6的輸出電壓經(jīng)直流母線輸出支撐電容7穩(wěn)壓后，施加在負載電阻9兩端，三相電流檢測模塊2，用于對高速永磁同步發(fā)電機1輸出的三相電流進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路10；

直流母線輸入電壓檢測模塊5，用于對三相整流橋3輸出的直流電壓進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路10；

直流母線輸出電壓檢測模塊8，用于對Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出的電壓進行檢測，并將檢測結(jié)果送至驅(qū)動控制電路10；

驅(qū)動控制電路10，用于根據(jù)接收的三相電流、三相整流橋3輸出的直流電壓和Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出的電壓生成PAM控制信號。

本實施方式中所述的高速電機測試加載系統(tǒng)的硬件包括高速永磁同步發(fā)電機1、三相電流檢測模塊2、三相整流橋3、直流母線輸入支撐電容4、直流母線輸入電壓檢測模塊5、Buck-Boost調(diào)壓電路6、直流母線輸出支撐電容7、直流母線輸出電壓檢測模塊8、負載電阻9和驅(qū)動控制電路10，其中，負載電阻9為被控制對象。

高速永磁同步發(fā)電機1與被測高速電機同軸剛性連接，二者以相同的轉(zhuǎn)速運行，在高速電機中產(chǎn)生高頻反電勢，高速發(fā)電機的繞組電機在發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩也就是被測高速電機的負載轉(zhuǎn)矩。其中被測高速電機輸出機械能、高速發(fā)電機輸出機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終經(jīng)過一系列的控制、變換，消耗在負載電阻上。

三相整流橋3，用于將高速永磁同步發(fā)電機1所產(chǎn)生的三相高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電壓。三相整流橋3可采用現(xiàn)有隨技術(shù)中的高頻功率二極管對輸出反電勢進行整流，獲得穩(wěn)定的直流電壓，施加到直流母線輸入支撐電容4上，直流母線輸入支撐電容4對直流母線電壓進行穩(wěn)壓。經(jīng)過直流母線輸入支撐電容4穩(wěn)壓的電壓輸入到Buck-Boost調(diào)壓電路6，Buck-Boost調(diào)壓電路6在PAM信號的控制下得到理想的輸出電壓由后端直流母線輸出支撐電容7進行濾波平穩(wěn)。

Buck-Boost調(diào)壓電路6的輸出電壓施加到負載電阻上，通過改變輸出的電壓幅值，進而調(diào)節(jié)消耗在電阻上的功率，電阻在選型的時候要對其電流能力和電壓能力進行考慮，以滿足電壓再一定范圍內(nèi)變化時，負載輸出能力的滿足。

在硬件電路中，包含兩個電壓檢測模塊和一個三相電流檢測模塊用于檢測電路中的電氣參數(shù)，以用于高速永磁同步發(fā)電機1的輸入功率估算和負載功率調(diào)節(jié)。其中兩個電壓檢測模塊用于檢測直流母線輸入電容器和直流母線輸出電容器的電壓值。三相電流檢測模塊用于檢測高速永磁同步發(fā)電機1三相繞組中的輸出電流。通過檢測高速永磁同步發(fā)電機1的三相輸出電流，采用無傳感器控制算法計算電機的運行轉(zhuǎn)矩，通過運行轉(zhuǎn)矩與三相電流之的關(guān)系來計算電磁轉(zhuǎn)矩，從而計算發(fā)電機側(cè)的輸入功率。

Buck-Boost調(diào)壓電路6的控制需要一個PAM控制信號，首先檢測電路的輸入電壓，根據(jù)直流母線電壓調(diào)節(jié)策略得到的后側(cè)理想電壓輸出值，在驅(qū)動控制電路10的作用下得到合理的驅(qū)動信號來驅(qū)動電力電子器件工作，進而得到期望的直流輸出電壓。

驅(qū)動控制電路10接受輸入直流母線電壓檢測信號、輸出直流母線檢測信號和發(fā)電機三相繞組中的電流檢測信號，通過運算處理輸出控制Buck-Boost調(diào)壓電路6的PAM信號，PAM信號與硬件系統(tǒng)可通過光耦實現(xiàn)電氣隔離。

以上為硬件拓撲的核心功能，除此之外，根據(jù)工況的不同，本發(fā)明所述的高速電機測試加載系統(tǒng)還可包括溫度檢測、制動電路等功能。

具體實施方式二：采用具體實施方式一所述的高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法的區(qū)別在于，該方法的具體過程為：

首先，驅(qū)動控制電路10實時檢測三相整流橋3輸出的直流電壓、Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出的電壓和高速永磁同步發(fā)電機1的輸出三相電流i_a，i_b，i_c；

其中，三相整流橋3輸出的電壓為直流母線的輸入電壓u_{dc_in}，

Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出的電壓為直流母線的輸出電壓u_{dc_out}；

其次，驅(qū)動控制電路10對接收的直流母線的輸入電壓u_{dc_in}、直流母線的輸出電壓u_{dc_out}及三相電流i_a，i_b，i_c進行處理后，獲得的PAM控制信號對Buck-Boost調(diào)壓電路6進行閉環(huán)控制，通過改變Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出電壓幅值，進而調(diào)節(jié)消耗在負載電阻9上的功率，從而完成對被測高速電機上加載的負載功率的調(diào)節(jié)。

具體實施方式三：參見圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的采用高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法的區(qū)別在于，驅(qū)動控制電路10內(nèi)嵌入有軟件處理模塊；

軟件處理模塊包括加法器10-1、PI調(diào)節(jié)器10-2、預期電壓指令計算模塊10-3、Buck-Boost電路控制指令計算模塊10-4、無傳感器控制算法模塊10-5、電流坐標變換及負載轉(zhuǎn)矩估算模塊10-6、系統(tǒng)功率計算模塊10-7；

無傳感器控制算法模塊10-5，用于對高速永磁同步發(fā)電機1輸出的三相電流i_a，i_b，i_c進行處理，獲得發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ_fdb和發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)速n_fdb；

電流坐標變換及負載轉(zhuǎn)矩估算模塊10-6，用于根據(jù)電機的估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ_fdb對三相電流信號i_a，i_b，i_c進行解耦計算，得到基于轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電流分量i_d和i_q，然后根據(jù)獲得的電流分量i_d和i_q，獲得發(fā)電機的估算負載轉(zhuǎn)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表示坐標變換后的d軸電流值，i_q表示坐標變換后的q軸電流值，p表示極對數(shù)，ψ_d表示d軸磁鏈，ψ_q表示q軸磁鏈，ψ_f表示永磁體磁鏈，L_d表示d軸等效電感，L_q表示q軸等效電感；

系統(tǒng)功率計算模塊10-7，用于根據(jù)發(fā)電機的估算轉(zhuǎn)速n_fdb和發(fā)電機的估算負載轉(zhuǎn)矩T_e獲得高速永磁同步發(fā)電機1輸出功率的估算值P_{Load_fdb}，其中，

加法器10-1的被減數(shù)輸入端用于接收給定的功率指令值P_{Load_ref}，加法器10-1的減數(shù)輸入端用于接收高速永磁同步發(fā)電機1輸出功率的估算值P_{Load_fdb}；

PI調(diào)節(jié)器10-2，用于對加法器10-1輸出的功率信號進行PI調(diào)節(jié)，獲得負載電阻預計消耗功率指令值P′；

預期電壓指令計算模塊10-3，用于根據(jù)負載電阻預計消耗功率指令值P′和負載電阻9的阻值，計算電壓參考值u_{dc_ref}，其中，

R_Load表示負載電阻9的阻值；

Buck-Boost電路控制指令計算模塊10-4，用于根據(jù)接收到的直流母線的輸入電壓u_{dc_in}、直流母線的輸出電壓u_{dc_out}和電壓參考值u_{dc_ref}，生成PAM控制信號，通過PAM控制信號驅(qū)動Buck-Boost調(diào)壓電路6調(diào)整直流母線的輸出電壓u_{dc_out}。

本實施方式中，在轉(zhuǎn)子磁場定向的d-q坐標系中，高速永磁同步發(fā)電機1的電壓、電流矢量可以表示，如圖3所示，在轉(zhuǎn)子磁場定向的d-q坐標系中，高速永磁同步發(fā)電機1的數(shù)學模型可表示為：

繞組三相電流i_a，i_b，i_c(即：高速永磁同步發(fā)電機輸出的三相電流)與d-q軸電流的關(guān)系為：

高速永磁同步發(fā)電機1的估算負載轉(zhuǎn)矩T_e轉(zhuǎn)矩與q軸電流之間的關(guān)系為：

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

忽略高速永磁同步發(fā)電機1內(nèi)部的銅耗，高速永磁同步發(fā)電機1的輸出功率P_{Load_fdb}可以用估算轉(zhuǎn)速n_fdb和估算負載轉(zhuǎn)矩T_e表示為：

驅(qū)動控制電路10通過比較給定的負載功率指令P_{Load_ref}和估算的負載功率P_{Load_fdb}，然后通過PI調(diào)節(jié)器10-2得到負載電阻所需要消耗的損耗P′，通過負載電阻的功率P′與負載電阻阻值和Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出電壓參考值u_{dc_ref}之間的關(guān)系，得到所需調(diào)節(jié)的直流母線輸出側(cè)電壓指令值，給定的電壓指令信號跟反饋回的電壓指令信號進行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)Buck-Boost調(diào)壓電路6的調(diào)節(jié)信號的脈寬，從而改變直流母線電壓的幅值。通過動態(tài)調(diào)節(jié)Buck-Boost調(diào)壓電路6輸出的電壓u_{dc_out}來實現(xiàn)負載電阻9上消耗功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，從而完成高速電機的加載調(diào)整。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三所述的采用高速電機測試加載系統(tǒng)實現(xiàn)負載功率調(diào)節(jié)方法的區(qū)別在于，所述的PI調(diào)節(jié)器10-2的具體結(jié)構(gòu)為：

其中，k_p表示比例系數(shù)，k_i表示積分系數(shù)，s表示積分變量。