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交流電機作為一種常見的電力傳動設備，在工業(yè)生產(chǎn)、國防科技以及航空航天等領域中應用廣泛。其中異步電機由于擁有結構簡單可靠、制造維護方便和工作性能良好等優(yōu)勢一直受到研究者的親睞，同時電機本體以及電機驅動電源的開發(fā)一直是學界和工業(yè)界非常關注的學科領域。

在開發(fā)電機驅動電源時需要對其進行大量測試，傳統(tǒng)的測試平臺是利用電動機和同軸發(fā)電機形成的對拖平臺。在實際工程應用中，部分特殊類型電機本體設計開發(fā)周期長，嚴重影響了電機驅動電源的測試開發(fā)進度。同時，傳統(tǒng)測試平臺成本高、電能浪費嚴重、電機參數(shù)無法靈活調節(jié)。在開發(fā)電機容錯算法或者設計電機故障保護措施時，還需要對電機進行破壞性試驗，操作不便。

由于對電機驅動電源的開發(fā)和測試主要關注的是電機端口電壓電流特性，如果可以使用交流電子負載模擬電機端口特性，將會為電機驅動電源的研發(fā)和測試帶來便利。

利用交流電子負載代替實際電機的“虛擬電機”技術一直受到研究者的重視。

• 有學者最早提出了“虛擬電機”的概念，并介紹了基本框架結構以及實現(xiàn)“虛擬電機”的基本思路。
• 有學者采用了基于遺傳算法的PID控制器提高電流控制的精度，但是對電機模型的數(shù)值計算問題未詳細討論。
• 有學者采用滯環(huán)電流控制策略對整流器進行控制，逆變器則使用幅相控制，并利用Matlab/Simulink對異步電動機及其負載特性模擬進行仿真分析，但未進行實驗驗證。
• 有學者討論了異步電機數(shù)學模型的數(shù)值計算方法，使用比例積分控制器、比例諧振控制器以及無差拍控制器對電機模擬變換器進行控制，并進行仿真和實驗驗證，但未考慮到端口電壓變化和電機故障等復雜工況。
• 有學者使用了雙星斬波單元變換器搭建虛擬電機系統(tǒng)，提高了虛擬電機模擬電機端口特性的能力，但依然未考慮電機故障狀態(tài)。
• 有學者的研究內容涉及到了電機故障狀態(tài)，但是模型比較復雜，且未詳細討論具體的數(shù)值求解方法。

基于現(xiàn)有研究成果，浙江大學電氣工程學院、浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術重點實驗室、浙江理工大學信息學院的研究人員，首先介紹了“虛擬電機”系統(tǒng)的基本原理，然后在對異步電機進行數(shù)學建模時，考慮到定子繞組匝間短路故障這一復雜工況，討論了數(shù)學模型在常用數(shù)字信號處理器（Digital Singnal Processor, DSP）中的實時數(shù)值計算問題。

圖1 基于虛擬電機的電機系統(tǒng)測試平臺示意圖

圖2 電機模擬變換器控制系統(tǒng)框圖

電機模擬變換器選擇了基于內模原理的準比例諧振控制器（Quasi Proportional Resonant, QPR）控制策略，并且在考慮數(shù)字控制延時的前提下，以提高控制器帶寬和動態(tài)響應能力為目標進行參數(shù)優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)對不平衡以及動態(tài)電流指令的快速跟蹤。

圖3 回饋變換器控制系統(tǒng)框圖

圖4 虛擬電機實驗平臺

研究人員指出：

• 1）在◆◆軸下建立的考慮定子匝間短路故障的異步電機數(shù)學模型可以通過故障系數(shù)對正常模型和故障模型做統(tǒng)一化處理，以繞組磁鏈作為狀態(tài)變量后求得的狀態(tài)方程可以為實時數(shù)值計算帶來便利。
• 2）四階龍格庫塔法可以在相同的計算步長下達到更高精度，相較于傳統(tǒng)兩步阿達姆斯法更適合應用于交流電機實時仿真器。
• 3）對于電機模擬控制器，QPR優(yōu)勢明顯，數(shù)字控制延時會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，針對性的參數(shù)優(yōu)化設計方法可以有效提高系統(tǒng)動態(tài)響應能力并且提供足夠的帶寬。

仿真和實驗表明，所設計的交流電子負載系統(tǒng)可以對異步電機起動、負載切換過程以及發(fā)生定子匝間短路故障時的端口特性進行模擬，可以用于電機驅動電源的開發(fā)測試。

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“考慮故障特性模擬的虛擬電機系統(tǒng)及其控制”，作者為楊慶文、何紹民、楊歡、顧小衛(wèi)、趙榮祥。