1 引言
目前，由于與機械負載相比較，電子負載為柔性負載，有匹配易實現(xiàn)，響應速度快，精度高，且對測量(如響應時間)的測量方便的優(yōu)點，在各種場合得到了廣泛應用。本文介紹了一種新穎的可變電子負載調(diào)載方法，即以可變的電阻和直流電壓源作為可變的電子負載，在全速范圍內(nèi)實現(xiàn)異步電機的最大轉(zhuǎn)矩輸出，并在本文提出的實驗平臺下驗證了此方案的可行性。

2 異步電機系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)總框圖
如圖1所示，異步電機由v/f通用性變頻器供給可調(diào)電源，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。則有:
u/f=恒值 (1)
異步電動機與他勵直流發(fā)電機為同軸系統(tǒng)，異步電動機提供源轉(zhuǎn)矩，帶動直流發(fā)電機發(fā)電;直流發(fā)電機的負載為可變的電子負載，其中可調(diào)電阻作為能量的最終消耗者。根據(jù)文獻[1]中的圖2所示的t型等值電路模型計算轉(zhuǎn)子電流，代入電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的關系，

圖2 異步電動機的等效電路
有:

(2)
由異步電動機的功率關系，導出電動機的轉(zhuǎn)矩關系為:
te-t0=tl (3)
式中:te為異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩;
t0為空載轉(zhuǎn)矩;
tl為負載轉(zhuǎn)矩。
因為異步電機與直流發(fā)電機為同軸系統(tǒng)，所以直流發(fā)電機的電樞繞阻轉(zhuǎn)速等于異步電動機轉(zhuǎn)子速度n:

(4)
3 他勵直流發(fā)電機系統(tǒng)
他勵直流發(fā)電機的等效圖如圖3所示。

圖3 他勵直流發(fā)電機的等效圖
對于直流發(fā)電機來說，有以下公式:

(5)

(6)

(7)
其中，iα為發(fā)電機電樞電流，eα為電樞感應電動勢，t為直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩。
當直流發(fā)電機電樞輸出外接電阻負載時，有:

(8)
式中:rl為負載電阻;
rα為電樞內(nèi)阻。
當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速比較低的時候，為得到較大轉(zhuǎn)矩，直流電機電樞連接電阻加直流電壓源負載，如圖1中直流發(fā)電機部分，有:
eα= -vc+iα(rl+rα) (9)
此時，電樞電流有感應電動勢eα和外接直流電源vc共同建立，電流增加，則轉(zhuǎn)矩也相應增加，因為:

(10)
4 系統(tǒng)分析及計算
(1) 當變頻器輸出的頻率較高時，異步電機轉(zhuǎn)子速度較高，要求得到tm的輸出轉(zhuǎn)矩，有

(11)
把(5)式和(8)式代入(11)，有:

(12)
忽略t ，由于rl>>rα,忽略rα，把(2)式和(4)式代入上式，得:

(13)
rl為s的一個函數(shù)。簡化為rl=f(s)
有式(2)解出s值代入式(13)，即可求出所對應的rl。
(2) 當變頻器輸出頻率較低時，異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較低
直流發(fā)電機電樞繞阻產(chǎn)生的電動勢為:

(14)
對應的電樞繞阻電流為:

(15)
相應的輸出轉(zhuǎn)矩為:

(16)
輸出轉(zhuǎn)矩明顯減小，為得到輸出轉(zhuǎn)矩tm，需在直流發(fā)電機電樞繞阻上串入直流電壓源和電阻作為負載。

(17)
把式(5)和式(9)代入，得:

(18)
同樣，忽略t0和rα，把式(2)，式(4)代入并化簡，有:

(19)
記為vc=f(rl,s)
由式(2)解出s，固定rl值，就可根據(jù)式(19)求出相應的vc。

5 試驗中rl和vc的選取原則
按照實驗的經(jīng)濟性和可行性原則，可根據(jù)實驗轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速要求先固定rl值的范圍，再求出對應vc范圍。
由于te >>t0，式(2)可簡化為

(20)
其中，tm為期望的最大輸出轉(zhuǎn)矩。在n2∈[nmin,nmax]時，
(1) 求rl值域
轉(zhuǎn)速較高時只需要電阻調(diào)節(jié)即可得到希望的輸出轉(zhuǎn)矩tm，所以令vc=0，則:

(21)
當n2=nmax時，rl取得最大值rmax，忽略rα，有:

(22)
根據(jù)式(21)，存在n2等于某一值n0時，有rl=0，
當n2=n0時，為保證直流發(fā)電機正常工作，電樞繞阻電流應不大于額定電流in，因此電樞繞阻的外接電阻rl:

(23)
所以，外接電阻最小值rmin:

(24)
(2) 求vc值域
由式(20)變形，得:

(25)
從經(jīng)濟性角度(大電流(10a級)的直流電壓源價格遠高于同電流級別的滑線電阻器)，盡可能的使vc小，所以rl=rmin，代入(25)中得到相應的vc
其中:

(26)

(27)
6 實驗結(jié)果和結(jié)論

圖4 50hz波形

圖5 10hz(80%)波形

圖 6 10hz(100%)波形

圖7 1hz(100%)波形

如圖(1),1.1kw,380v,50hz的三相異步電動機，在通用變頻器的控制下，與0.8kw,220v,4.6a的他勵直流發(fā)電機同軸相連，以0~100ω的電阻和0~30v的電壓直流源(允許最大電流10a)為可調(diào)電子負載。圖4~圖7為異步電動機在50hz和1hz下的輸出轉(zhuǎn)矩所對應的電流波形。
圖4是交流電機轉(zhuǎn)子速度較高時(交流電機輸入電流頻率為50hz)，逐步減小可調(diào)電阻負載，所得最大輸出轉(zhuǎn)矩所對應的電流波形。從圖中可以看出:電流波形的上升時間比較快(3~5ms)，調(diào)節(jié)時間也比較短(100ms級)。
圖5是電阻負載調(diào)至最小時的輸出轉(zhuǎn)矩波形，由于交流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低(輸入電流頻率僅僅為10hz)，無論如何減小電阻負載，交流電機的輸出轉(zhuǎn)矩只能達到最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%。圖6為在圖5的實驗條件下加了補償直流電壓源(30v)后所得到的電流波形，從圖6看出，盡管上升時間和調(diào)節(jié)時間較高速時長，它能實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的輸出。圖7為電機在1hz運行時，以電壓源作為電子負載所得到的負載電流波形，雖然調(diào)節(jié)時間有點長，但同樣證明了本方案—在全速范圍內(nèi)都能實現(xiàn)電機最大轉(zhuǎn)矩的輸出。

7 結(jié)束語
本文研制了一種可調(diào)的電子負載，實現(xiàn)異步電動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩，它實現(xiàn)手段比較簡單經(jīng)濟，有利于通過實驗平臺在線實現(xiàn)，經(jīng)過對實驗波形的分析，驗證了方案的可行性，并可進一步實用化。