熊 钢，王启元，王征宇，蒋 栋，孔武斌

(1.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074；2.湖南中车时代电动汽车股份有限公司，株洲 412007)

0 引 言

电机在工业领域中的使用相当广泛，为了确保电机的性能与可靠性，其性能测试是电机出厂前一项必不可少的步骤。到目前为止，电机的测试平台五花八门，但是绝大多数都有一个共同的特点，即使用能耗制动来提供阻力，例如使用磁粉制动器或串电阻的电机充当负载，如图1所示[1-2]，运用这种加载方式的测试平台对电源有较高的要求，电源的输出功率需要大于被测电机的功率，以满足电机运行在各种工况下，同时补偿系统的损耗。当系统运行时，大量的有功功率通过制动器以热的形式消耗掉，能量利用率较低。事实上，有功功率可以通过负载电机进行回馈，而不必以热的形式被消耗。基于这样的想法，便设计了可以将能量回馈到电网的电机测试平台，如图2所示，提高了能量的利用率[3-6]。然而，即使将能量回馈给电网，对于系统输入侧的电源来说，电源的容量仍然不能减小，必须提供足够大的功率输入到整个系统中，同时，该方法还需要两个独立的驱动器分别控制被测电机和负载电机，增加了控制的复杂性。

图1 能耗型测试平台

图2 能量回馈测试平台

本文提出了一个同时连接被测电机和负载电机的基于背靠背变流器的电机测试平台。在这个平台上，通过对变流器的控制，可以使有功功率在两台电机之间流动，系统输入侧的电源只需补偿系统的能量损耗，这样就降低了对电源容量的要求，同时整个系统也只需要一台变流器，显著地降低了硬件成本。

1 电机测试平台的结构与控制方法

图3为电机测试平台的结构。两台电机A和B通过转矩传感器同轴连接，电机B充当电机A的负载，转矩传感器用于实时显示转矩数值。控制系统包括一个由直流电源供电的背靠背变流器和一个以TMS320F28335 DSP为核心的控制板，背靠背变流器由两个三相半桥逆变电路组成，逆变电路的交流端连接电机A和B，直流端共用一个直流电源。电机的绕组电流和转子位置分别通过霍尔电流传感器和增量式光电编码器传给DSP，通过矢量控制算法产生12路PWM信号控制背靠背变流器工作。两台电机运行时，负载电机B运行于发电状态，将电机A输出的机械功率转换成电功率通过变流器回馈到直流母线上，从而又可以用来给电机A供电。能量通过背靠背变流器在两台电机之间流动，直流电源的存在仅仅是为了补偿整个系统的能量损耗。

图3 测试平台的结构

系统的控制框图如图4所示。两台电机均采用双闭环的矢量控制方法，外环为速度环，内环为电流环[7-8]，为简化控制方法，令d轴电流指令为0。为了使电机B产生可调的负载转矩，这里将电机B的速度参考设置为0，同时在速度PI调节器的后端增加一个幅值可调的限幅环节S，限幅环节幅值决定了电机B产生的负载转矩大小。当电机A带动电机B旋转时，电机B的速度PI调节器的输出在限幅环节S的限制下很快达到限幅值，从而使电机B的电流保持不变，产生恒定的负载转矩。当需要改变负载大小时，只需要改变S的上下限即可。被测电机A在电机B施加的负载转矩下通过矢量控制算法跟踪转速指令，完成各种动态和稳态性能的测试。

2 Simulink仿真与实验

为了验证该测试平台的可行性，参照图4，通过Simulink建立了该系统的仿真模型，用于仿真的电机为表贴式永磁同步电机。由于电机A和B的控制算法具有相同的结构，为了简便起见，电机A和B采用相同的参数，这样电机A和B的PI控制器可以选择相同的PI参数。在实际情况下并不需要电机A和B具有相同的参数，在这种情况下控制器的PI参数需要针对不同的电机进行单独的设计。考虑到负载电机B会将被测电机A的机械能转换为电能，因此，电机B的最大输出功率需要大于或等于电机A的最大输出功率，这样被测电机A才能在设计的任意功率下运行；如果电机B的最大输出功率小于电机A，为了防止电机B超负荷运行，电机A将不能满功率运行，电机A在最大功率输出时的性能将无法得到检验。用于仿真的电机来源于实验室的一台用于电动小车的电机，具体参数：每相绕组电阻0.367 Ω，d,q轴电感6.95 mH，转子磁链0.152 Wb，额定转矩7.4 N·m，额定电流10 A，额定转速2 000 r/min，转子转动惯量0.000 3 kg·m2，极对数2，变流器直流母线电压200 V，开关频率10 kHz。

图5～图8为仿真结果。图5和图6为负载转矩为5 N·m时转速从0上升到1 000 r/min时的速度与转矩波形。电机转速的上升时间约为0.08 s，动态响应较好，当达到稳态时，转速无误差。从转矩波形可以看出，负载电机B的转矩很快达到给定值，并且不随转速的变化而发生改变，可以很好地充当负载。图7和图8分别展示了电机一相绕组的电流和直流电源电流平均值波形。由于仿真中没有考虑电机铁耗以及变流器损耗，整个系统的损耗只有电机的铜耗。由图8可知，稳态时直流电源的电流平均值约为0.3 A，计算得电源提供的功率约为60 W。从图7可知，电机绕组电流峰值为7.4 A，计算得两台电机总铜耗为60.3 W，基本与电源功率一致，由此证明了直流电源提供的能量仅仅是用于补偿系统的损耗，而维持电机旋转的能量则在两台电机之间循环。

图5 被测电机转速波形

图6 负载电机转矩波形

图7 电机相电流波形

图8 电源电流平均值波形

为了进一步验证这种基于背靠背变流器的电机测试平台的可行性，搭建了对应的实验平台，如图9所示。上方为两台同轴连接的电机，电机下方是背靠背变流器，如图10所示，变流器由两个共直流母线的逆变器组成，通过控制板的PWM信号控制逆变器工作。

图9 电机测试平台

图10 背靠背变流器

用于实验的两台电机均为表贴式永磁同步电机，额定功率分别为2 kW和2.4 kW，其中2 kW的电机充当被测电机A，2.4 kW的电机充当负载电机B。当系统稳定运行于1 750 r/min、转矩5 N·m的工况时，图11和图12分别为两台电机的电流波形。图13为实测的直流电源的电压和电流波形。电流的平均值为1.3 A，通过电压的大小可以计算出电源功率为260 W。由于实际系统中的损耗很复杂，包括电机的铜耗、铁耗，以及变流器开关管的开关损耗，计算总损耗与电源功率进行比较过于麻烦，但是电机的机械功率可以很容易计算。在稳态时，电机A的机械功率由转速与转矩的乘积得到，为916 W，机械功率为电源输入功率的3.5倍，说明系统中存在能量回馈，且通过图14可以看出，随着电机转速的提高，电源的功率与电机机械功率的比值越来越小，能量回馈效果越来越明显。

图11 被测电机A电流波形

图12 负载电机B电流波形

图13 电源电流与电压波形

图14 功率随转速变化的波形

除了稳态过程，动态过程也进行了相应的测试，图15～图17是负载转矩从3 N·m突变为5 N·m时系统各部分电流的波形。图15是负载电机B的电流波形。从图15中可以看出，当负载转矩指令发生改变时，电机B的电流瞬间上升，达到另一稳定值，这说明了负载电机B可以很好地充当负载，负载转矩的变化十分迅速。对于被测电机A，当负载转矩增大时，为了维持转速不变，电流在1 ms的时间内从初始稳态值跃升到另一稳态值。图17展示了直流电源在动态过程中的电压与电流波形。从波形可以看出，电源电流首先减小，随后增大到一更大的稳态值。电流之所以会减小是因为在负载突然增大的一瞬间，电机B的电流瞬间增大，而电机A的电流基本还没发生变化，此时电机B输出的电功率大于电机A需要的机械功率，多出的功率可以用于补偿系统损耗，降低了电源的输出负担，所以电源电流会减小；随着电机A的电流逐渐增大，当达到新的平衡状态时，电机A的机械功率增大，且系统的损耗也会增大，最终导致电源电流上升到一个更高的稳态值。

图15 负载电机B电流波形

图16 被测电机A电流波形

图17 电源电流与电压波形

通过以上稳态过程和动态过程的测试，证明了这种基于背靠背变流器的电机测试平台完全可以利用一个容量较小的电源对大功率电机进行各种性能测试，相对于传统测试平台来说，能量利用率得到很大的提高。

3 结 语

本文介绍了一种基于背靠背变流器的电机测试平台。在确保实现电机测试的基本功能这一前提下，通过背靠背变流器可以把被测电机的机械能转化为电能，进而重新给被测电机供电。通过实验证明，在降低供电电源容量的情况下，该测试平台仍然可以实现电机测试的相关功能，并且被测电机的功率越大，电源提供的功率占电机输出功率的比值就越小。实验表明，在一般情况下，采用这种基于背靠背变流器的电机测试平台所需的电源容量只有传统测试平台电源容量的一半，无论从用电量的使用，还是从电源的成本来考虑，都将极大地减少支出，对降低成本具有积极意义。