摘 要

本文基于日益匮乏的能源危机问题，提出在电源出厂老化试验中用电力电子负载替代传统电气负载的想法。针对变频器电源最为常见的电动机负载，设计一种基于电力电子变换器的、用于变频器老化测试的负载模拟器，能够实时模拟电机的端口电气特性，实现绿色节能环保的目的。

本文从异步电机电气端口特性生成的角度，分析了异步电机在不同坐标系下的数学模型。着重介绍了对异步电机数学模型进行坐标变换的方法和意义，从而方便对异步电机数学模型的理解。并在不同坐标系下选择合适的电流控制策略对负载模拟器进行控制。

本文具体分析了负载模拟器的系统结构和原理，它的组成主要包括采样单元、负载电流指令生成和模拟变换器三部分。本文主要针对模拟变换器部分做了详细介绍，说明了模拟变换器的作用和意义，并阐述了本次设计负载变换器部分的设计方法。提出利用背靠背型双PWM变换器构造功率变换电路，被试电源侧为模拟变换器，电网侧为并网变换器。前者的作用是实时模拟电机端口电气特性，保持生成指令电流与负载模拟器实际电流实时同步；后者是将从被试电源侧吸收的电能回馈给电网，并保证并网质量。分析决定模拟变换器使用谐振控制器，并网侧使用dq坐标系下的PI控制。

利用MATLAB对设计方案进行仿真，验证负载模拟器的可行性与准确性。

关键词：变频器电源老化试验；电力电子负载；双PWM变换器

Abstract

Based on the increasingly scarce energy crisis, this paper puts forward the idea of replacing the traditional electrical load with power electronic load in burn-in test. Especially for the most com- mon motor load, the design of a power converter can simulate the motor port characteristics in real time. This converter is also known as a motor simulator.

In this paper, the mathematical model of asynchronous motor in different coordinate systems is analyzed from the perspective of asynchronous motor simulation. This paper introduces the meth- od and significance of coordinate transformation of asynchronous motor mathematical model, so as to facilitate the understanding of the mathematical model of asynchronous motor. And select the appropriate current control strategy in different coordinate system to control the asynchronous motor.

This paper analyzes the system structure and principle of the motor simulator, and its composition mainly includes sampling unit, motor simulator and power converter. In this paper, the power converter is described in detail, the function and significance of the power converter are described, and the design method of the power converter is described. It is proposed to construct a power conversion circuit with a back-to-back PWM converter. The power supply side is an analog converter and the grid side is a grid-connected converter. The former is the role of real-time simulation of motor port characteristics, to keep the motor simulator command current and motor simulator real-time synchronization; the latter is the power side of the power supply side of the energy received back to the grid, and to ensure grid quality. The analysis determines that the analog converter uses the resonant controller, and the network side uses the PI control in the dq coordinate system.

Using MATLAB to simulate the design scheme, verify the feasibility and accuracy of the motor simulator.

Keywords：Burn-in test；Power electronic load；PWM converter

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究目的及意义 1

1.2国内外发展历史和现状 1

1.2.1电源老化试验 2

1.2.2电源老化试验的常用方法 2

1.2.3电源老化的试验现状 2

1.3本次设计的主要内容 3

第2章 电力电子负载总体方案设计 4

2.1被试电源变频器的输出特点 4

2.2变频器常带的负载特性 4

2.3电机负载端口电气特性的模拟 5

2.4电力电子负载设计 6

2.4.1电力电子负载主电路结构 6

2.4.2三相电压型PWM整流器的数学模型 6

第3章 用于变频器测试的电力电子负载系统详细设计 8

3.1负载指令电流生成部分 8

3.1.1三相静止轴系下的动态模型 8

3.1.2绕组变换与旋转变换 9

3.1.3静止两相正交轴系中的动态数学模型 9

3.1.4旋转正交轴系中的动态数学模型 10

3.2模拟侧变换器设计 12

3.2.1模拟侧变换器电流控制策略 13

3.3并网侧变换器设计 14

3.3.1并网侧变换器电流环设计 14

3.4.2并网侧变换器电压环设计 14

第4章 电力电子负载的MATLAB仿真 15

4.1负载指令电流生成仿真 17

4.2模拟侧变换器仿真 19

4.3并网侧变换器仿真 21

4.4仿真总结 22

第5章 全文总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1课题的研究目的及意义

随着电力电子技术的发展，在社会各个领域中出现了大量电源设备如变频器电源、不间断UPS等。这些电源设备给我们带来了很大的便利，在电网故障时，UPS电源可以维持设备正常运转，而变频器电源让电动机平滑调速得以实现。所以，为了保证电源可靠稳定，在出厂前就要进行试验，检查其电气性能。比如对变频器被试电源，传统方法是将这些电源接电阻、电感或二极管整流装置，这种方法有其缺陷性：效率低能耗大、复杂不灵活。如果采用由电力电子器件构成的电力电子负载来作为负载检验电源，就可以灵活地模拟各种电气负载，简单高效，最重要的是还能将电能回馈给电网，做到绿色节能。在工业生产中，大多数负载都是电机类负载，这类负载在实验室模拟起来较复杂，所以研究用电力电子负载来模拟电机特性就显得很有实际作用，这类负载也称为电机模拟器。这也是符合当今时代潮流的，所以研究电机模拟器具有良好的社会意义。

1.2国内外发展历史和现状

目前，各种各样的电源设备出厂前都被要求施行老化试验，其目的是保证电源质量。而为了完成电源老化试验，我们就必须要模拟不同的负载。尤其对于日常生活中最常见的电机类负载，其结构复杂不易模拟，但又必须实现对电机类负载的模拟，所以学者们就提出电机模拟器这一想法。对电机的模拟思想历经了从仿真模型到功率模拟的发展过程。最早是由外国学者SLATER,H.J提出，他提出利用电力电子变换器构成电机模拟器的设想。并介绍了电机模拟器的系统结构，包括双向功率变换器、实时仿真器、电流闭环控制系统三部分。SLARER,H.J在之后的文献中构造了实时电机模拟器的硬件结构，建立了在dq坐标系下的电机数学模型，进行实时仿真，并与实际电机进行对比，证实了该方案的可行性与准确性。SLARER,H.J还构建了电机模拟器实验系统，系统采用双DSP结构，其中一个实现电流控制，另一个实现实时电机模型。近些年国内在电力电子负载方面也展开了大量研究，但主要还是针对电阻电容电感等常规负载，对于模拟电机负载还研究不深。在公开发布的文献中，只能查到少数几篇论文对其进行了研究，这些文献也仅仅从电机模拟器原理角度描述，并利用MATLAB进行了相关仿真，缺乏系统性认识。综上所述，国内对于电机模拟器的研究已经落后于其他国家，所以我们急需加大投入，增加相关课题，追赶其他国家的脚步。

1.2.1电源老化试验

所谓电源老化试验，就是通过在一定时间周期内监测电源负载情况下的输出来评估电源质量的一种方法。该试验的目的是为了确保电源在其生命周期内能够正常工作。某种程度上来说，老化试验就是尽力“折磨”电源设备，只有经过“折磨”性能依旧稳定的电源才是值得用户信赖的。这样也减少了电源设备出厂后质量不过关的问题。一般情况下，电源在使用初期和末期发生故障的可能性较大，末期以为产品寿命问题不易控制，而初期是可以控制的，所以出厂前的检测十分必要。

1.2.2电源老化试验的常用方法

（1）正常老化：主要检查电源设备在常温下长时间工作的稳定性。测试时，将电源设备放于老化测试架上，在日常温度下带电阻性负载，上电即可。每隔一段时间后检查电源设备的性能指标，主要是测试输出电压和电流。

（2）间歇性老化试验：主要检查电源设备的抗波动性。测试时，将电源设备置于老化测试架上，常温下带电阻负载，每隔一段时间将电源开通、关断一次，观察输出。