基于PWM整流器的电机控制器老化测试系统

潘再平， 芦思晨， 刘峙飞

(1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027;2.卧龙杭州电气研究院，浙江杭州 310051)

基于PWM整流器的电机控制器老化测试系统

潘再平1， 芦思晨1， 刘峙飞2

(1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027;2.卧龙杭州电气研究院，浙江杭州 310051)

针对传统电机控制器老化测试系统能耗高，使用不便的问题，提出一种新型电机控制器老化测试系统解决方案。结合电机控制器内部结构与PWM整流器控制算法，利用三相PWM整流器作为电机控制器的电子负载，代替真实电机。建立了系统数学模型，并进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明，新系统能够满足电机控制器老化测试的要求，工作正常。与传统老化测试系统相比，无电机运行损耗，节能30%左右。

PWM整流器;电机控制器;老化测试;空间矢量脉宽调制;谐波

0 引言

电机控制器在出厂之前需要经过老化测试，以检验产品质量，发现产品缺陷，推断产品寿命。传统电机控制器老化测试系统是采用两台电机对拖的方式完成的。该系统将两个电机控制器的直流母线并联，其中一台电机为电动机运行，另一台为发电机运行，发电机发出的电能经整流后重新回馈给直流母线，从而达到节约能量的目的。这种方法的系统损耗包括电机运行损耗，器件开关损耗及电路损耗，运行损耗较大。

对此，文献［1］介绍了一种利用能量回馈型电子负载代替电机进行老化测试，同时将电能回馈给电网的方法。这种方法虽然能够做到电能的回馈，但其采用两个三相PWM整流器背靠背连接的方式，电路复杂，控制繁琐，开关损耗较大，而且没有阐明无中性点电路采用SVPWM调制方式所遇到的问题及其解决办法。

为了解决以上问题，本文提出了一种基于PWM整流器的新型老化测试系统。这种新型系统利用三相PWM整流器去模拟一个真实的电机，作为电机控制器的电子负载，从电机控制器吸收交流电能，并将其整流成直流后回馈到直流母线上，从节约大量电能。本文利用SIMULINK对其进行仿真，并搭建了实验平台进行能耗对比实验，同时还阐述了无中性点电路采用SVPWM调制方式所遇到的问题及其解决办法。

1 工作原理分析

基于PWM整流器的新型老化测试系统主电路如图1所示，整个老化测试系统可以分为电源部分，电机控制器部分和PWM整流器部分。其中电机控制器部分采用SVPWM调制方式，输出电机额定电压并保持不变;PWM整流器部分采用电流闭环控制，通过动态调节PWM整流器的输出电压，控制电流稳定在给定值，从而满足老化测试对电流的要求;电源部分用于补充系统损耗，维持直流母线电压保持不变。

图1 基于PWM整流器的新型老化测试系统Fig.1 The new burn-in test system based on the PWM rectifier

系统采用SVPWM调制方式，这种调制方式的本质是在正弦调制波中叠加三次谐波等零序分量，降低调制波幅值，提升直流电压利用率［2－3］。对于有中性点的电路，零序分量无法流通，因此采用SVPWM方式提升电压利用率的同时不会使电流畸变;但对于没有中性点的电路，零序分量可以流通，若采用SVPWM则会造成电流中含有零序分量，发生畸变。因此，需要利用三相Y/Y联结组隔离变压器来制造中性点，滤除零序电流分量。

2 数学模型

由于电源部分能够实时补充系统损耗，可将直流母线电压视为常数。定义开关函数［4］为

其中k为变量。Sa1，Sb1，Sc1是电机控制器三相桥臂开关函数，Sa2，Sb2，Sc2是PWM整流器信号三相桥臂开关函数。变压器变比为1，设其原、副边相电压为ua、ub、uc，原边流入电流为 ia、ib、ic，方向如图 1。变压器原边中性点为N1，副边中性点为N2，电压参考点O位置如图1。变压器原、副中性点与电压参考点O的电压为UN1O、UN2O，直流母线电压为Udc，对于原边，得到

式中，L、R为线路电感、电阻。

对于副边，可得

将式(4)代入式(2)、式(3)，可得到老化测试系统数学模型为

由式(5)可知，三相电流存在耦合，每相电流变化都与六个开关信号有关，难以对电流进行有效控制。因此，必须对数学模型进行简化。分析变压器原边电压可知，电机控制器输出电压为电机额定电压并保持不变，变压器原、副边电压ua、ub、uc虽然为方波，但其等效正弦电压幅值保持不变。系统主要通过调节PWM整流器输出电压来控制电流，因此，可以将电机控制器及变压器视为一个整体，作为三相PWM整流器的电源。将变压器副边输出电压ua、ub、uc看作是三相PWM整流器的输入电源，则整个系统数学模型与三相PWM整流器数学模型相同［5］，即

采用恒功率变换，得到dq坐标数学模型为

其中:ud、uq为变压器副边输出d、q轴电压;UdcSd、UdcSq为输入整流器d、q轴电压;ω为电角速度。

3 控制方案设计

系统简化数学模型与三相PWM整流器数学模型相同，其控制策略也可以相互借鉴，PWM整流器控制策略有电网电压定向矢量控制［6］，虚拟磁链定向矢量控制［7］，功率控制［8－9］，电流预测控制［10］等。但仔细分析可知，二者有以下几点不同:

1)三相PWM整流器的电源电压是正弦波，而老化测试系统中变压器副边输出的电压近似为等效方波，难以进行锁相，因此无法通过锁相得到电压相角，进行坐标变换。但电机控制器输出电压矢量的相角是由控制器内部产生，其相角与变压器副边输出电压矢量相角相同，因此，可以将电机控制器内部相角输出给PWM整流器控制系统，用于坐标变换。

2)PWM整流器直流侧有负载及滤波电容，直流电压需闭环控制;在老化测试系统中，直流电压可视为恒定值。因此在控制系统中可以取消电压环，简化控制系统。

分析式(7)可知，系统dq轴电流存在耦合。为了提升电流控制性能，对电流进行解耦控制［11］。d、q轴电流PI调节器输出为

将式(9)代入式(7)并忽略电阻R得到

输入整流器电压d、q轴分量可由下式得到，即

即实现了解耦控制。

综上所述，老化测试系统基本控制思路是:电机控制器采用SVPWM调制方式输出电机额定电压并保持不变;对系统电流进行采样，并变换到dq坐标，通过对dq轴电流进行PI调节及解耦控制，得到电压矢量dq轴分量ud、uq，再采用SVPWM方式输出。其控制框图如图2所示。

图2 基于PWM整流器的新型老化测试系统控制框图Fig.2 The control block diagram of the new system

4 仿真分析

为了验证老化测试系统主电路及控制方案的可行性。利用Matlab进行软件仿真，仿真参数如下:直流母线电压 310 V，线路电阻 0.1 Ω，线路电感0.07 H，开关频率 10 kHz，死区时间 3 μs，给定电流id=0，iq=3 A，电机控制器给定电压:ud=0，uq=100 V。

图3与图4分别为有无变压器时的三相电流波形。

图3 三相电流波形(有变压器)Fig.3 Three-phase current with a transformer

图4 三相电流波形(无变压器)Fig.4 Three-phase current without a transformer

由图可见，无变压器时电流波形发生畸变;而有变压器时电流波形正弦度很好。有无变压器时A相电流各次谐波对比分析如表1。有变压器时电路存在中性点，零序分量得到抑制，电流谐波含量仅为0.67%，无变压器时电路中零序分量可以流通，电流三次谐波分量达到了17.5%。这充分说明了在无中性点电路中采用SVPWM调制方式会产生零序分量的事实，同时也证明了采用Y/Y联接组隔离变压器抑制电流零序分量的方法是可行的。

表1 电流各次谐波对比分析Table 1 FFT analysis of the current

由以上仿真结果可以得到结论:本文所述新型电机控制器老化测试系统及其控制方案式可行的。

5 实验验证

搭建硬件实验平台并进行实验研究。实验参数与仿真参数完全相同。图5、图6为不同电流给定值时电机控制器输出交流电流波形。由实验波形可知，系统电流能够比较好的跟踪给定值，正弦度较好，幅值、周期准确，基本满足电机控制器老化测试的要求。

图5 iq=1A电流波形Fig.5 current waveform iq=1A

图6 iq=2A电流波形Fig.6 current waveform iq=2A

图7、图8为老化电流幅值均为2 A时，电机对拖方式老化测试系统由电网输入充电电流及新型老化测试系统由电网输入充电电流。两系统直流母线电压相同，因此其充电电流的大小即代表了系统损耗的大小。比较图7与图8可知，电机对拖方式系统输入电流正向峰值2.8 A，反向峰值1.8 A左右;而新型老化测试系统输入电流正向、反向均为1.5 A左右，明显小于电机对拖系统。这说明新型老化测试系统功率更小，能耗更低。为了更准确的比较两系统能耗情况，可以根据充电电流波形，计算其积分值，得到单位时间内输入电荷量，再乘以直流电压，得到估算功率。

图7 传统电机对拖方式系统输入电流波形Fig.7 supply current of the conventional system

图8 新型老化测试系统输入电流波形Fig.8 supply current of the new system

将图7、图8所示充电电流视为三角脉冲，持续时间由波形读出，约为2 ms。脉冲周期20 ms，直流母线电压310 V，由此可计算得到两系统的消耗功率分别为:电机对拖系统71.3 W，基于PWM整流器的新型老化测试系统46.5 W，节能34.8%。

由实验结果可知，本文所述老化测试系统及其控制方案能够有效的控制电流，满足电机控制器老化测试的需求，同时实现电能的回馈利用，与传统电机对拖方式相比，节能效果更好，更加方便，有比较高的实际应用价值。

6 结语

针对采用电机对拖方式的传统电机控制器老化测试系统电机起动不便，运行损耗大等缺点，提出了一种基于PWM整流器的新型电机控制器老化测试系统，并阐述了无中性点电路采用SVPWM调制时遇到的问题及其解决办法。系统采用PWM整流器代替电机，作为电机控制器的电子负载，能有效控制电流，同时大幅降低系统能耗，提升效率。仿真及实验结果表明，本文所述系统能够满足电机控制器老化测试的需求，与传统老化测试方式相比，更加方便，节能约30%，验证了其实用性和经济性。

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(编辑:张诗阁)

Burn-in test system of motor controller based on PWM rectifier

PAN Zai-ping1， LU Si-chen1， LIU Zhi-fei2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Wolong Electric Group，Hangzhou Research Institute，Hangzhou 310051，China)

A conventional burn-in test system consumes much energy and it is inconvenient to conduct a burn-in test.In order to solve these problems，a new burn-in test system of motor controller based on the PWM rectifier was presented.Combining the structure of the motor controller and the control algorithm of the PWM rectifier，a three-phase PWM rectifier was used as the load of the motor controller instead of the electrical machine.Mathematical model was built.Simulation and experiment have been done.The results demonstrate that the new system works well and meets the requirements of the burn-in test.Compared with the conventional system，it contains no operating loss of motors and saves 30%energy.

pulse width modulation rectifier;motor controller;burn-in test;space vector pulse width modulation;harmonic

TM 461

A

1007－449X(2013)11－0008－05

2012－12－21

潘再平(1957—)，男，教授，硕士生导师，研究方向为电机及其控制，风力发电技术;

芦思晨(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为PWM整流器及其控制技术;

刘峙飞(1976—)，男，博士，高级工程师，研究方向为电力电子和自动控制技术。

潘再平