国内外对电机的模拟经历了从实时模型仿真到实时功率模拟的发展过程,前者是实时功率仿真的基础 。一 般 “虚拟电机 ” 的系统结构由双向功率变换器 、 实时仿真器 、 电流闭环控制系统三部分组成。
M2000 系列电机模拟器( e-Motor Emulator)是一款静止型电机 +负载模拟一体化新型电力电子装置 , 内 含各类电机 (永磁同步电机 PMSM 、 异步电机 ASM 等)动态数学模型和负载模型 , 主电路采用高速功率开关 器件(SICMOSFET 、 IGBT 等) , 控制与模型运算单元采用多核高速 DSP+FPGA 处理器 , 在各类工况和 PWM 变频驱动条件下 ,可以精确实现电机与负载特性模拟 ,并根据系统工作点状态监控和参数计算 ,在线进行电驱 系统的多维控制性能评估 。广泛应用于驱动电机控制器 、通用变频器的开发和测试 ,满足电动汽车用驱动电机 控制器的功能测试 、 性能测试 、 耐久测试 、 系统标定 、 故障注入以及功能安全等测试应用。
| 产品结构
产品结构整体采用分体机柜模块化设计 ,主要分为电气功率单元 、电感柜 、旋变盒三个部分 。电气功率单 元功能实现上模块采用 AC/ DC 、 DCDC 隔离单元 、 DC/AC 三级架构 ,使用 4U+3 U+3 U 的结构形式; 电感 柜独立外置成柜或与功率单元集成 ,主要作用是进行电机漏感 、弱磁电流 、反电动势模拟 、故障注入(线间短 路 、 断路接触器) ;旋变盒采用外置的方式与电控一起 ,主要用于温度 、码盘 、旋变 、 电涡流 、霍尔的位置信 号模拟及其故障模拟。
| 产品特点
1、超高功率密度
硬件全高频设计 ,功率密度大大提升 ,测试平台整体占地面积小 ,极大节约了实验室的空间 ,方便优化布 局 , 简约大气 , 视觉效果优异。
2、模块化设计
模块化设计简化运维工作 , 支持自主更换故障模块 , 无需返厂 , 提高测试效率。
3、超高效率
M2000 系列采用 SiC 器件 , 高频化设计 ,效率最高达 93% , 相较于 IGBT 工频方案提高 3% , 针对长时 间运行的测试工况 , 能够有效节省电力成本 , 更加节能环保 , 契合碳中和目标。
4、全新设计理念
自研 7 英寸 2TFT 触摸屏 , 操作顺滑;
全新万向脚轮设计 , 360°顺滑 , 极致便利;
无水冷管道 , 强制风冷设计。
5、电能质量优秀
三电平 PWM 整流设计 ,结合有源阻尼算法 ,优化电流 THD 指标 ,相对于工频两电平 ACDC 架构 ,具备更优异的电流谐波特性 ,有效降低交流谐波污染 。同时还可以解决谐振问题 ,避免了多设备使用工况下 ,电网 供电质量差的问题。
6、简易的冷却设计
冷却方式整体采用强制风冷 ,无水冷管道设计 ,无水冷设备配置 ,有效降低系统成本的同时 ,规避了系统 水电共存的高风险性。
7、无机械振动
无传统电机台架 , 系统配置简单 , 噪声小 , 克服了传统台架测试系统灵活性差 、 系统复杂 、 安全风险高 、 机械振动强等缺点。
8、贴合整车工况
系统可实现有功满载运行 ,且能进行工步预设 ,满足工况测试需求 ,贴近整车运行工况 ,实现驱动电机控 制器更可靠 、 有效的测试验证。
9、高动态响应特性
强大的硬件平台结合优化的软件算法 , M2000 系列电机模拟器具备高动态响应特性 , 电流响应速率可达 1500A/ ms , 转子动态转速可达 dω/dt>10 × 106 rpm/ms。
| 应用场景
使用电机模拟器的电机控制器/变频器测试系统
开发验证测试: 功能/性能测试 、 故障测试 、 控制环路验证
下线测试: 功率循环测试 、 耐久测试
电机控制器 PHIL 测试
微电网逻辑验证测试
测试第三方的逆变器
| 典型应用
电机模拟器基于精确的电机动态数学模型,实现精确的电机电动及发电状态模拟 。各种电机本体参数和机 械负载转矩可以通过相关数字参数设置或修改,准确实现不同性能电机的端口特性模拟 。可实现电机动力台架 替换 , 模拟控制器的各种电机负载工况 ,满足驱动电机控制器测试的使用要求。
主要应用于电机控制器/变频器测试 , 使用电机模拟器的测试系统克服了传统台架测试系统灵活性差 、 系 统复杂 、 可靠性差 、 安全风险高 、 部件成本高 、 机械振动及噪声大等缺点。
| 主要功能
电机模拟器包含永磁同步电机及交流异步电机的动态数学模型和多种负载模型,电机本体参数和机械负载 转矩参数可以通过可视化界面设置或修改 ,便捷 、精确实现电机与负载特性的模拟 。同时 ,电机模拟器还可以 实现电机温度 、 位置传感器的模拟及堵转 、 线间故障 、 传感器故障等多种故障的灵活注入。
| 产品规格
M2000 系列电机模拟器主要技术规格如下:
产品型号 | 整机功率*(kW) | 电机电压*(V)( L-L) | 额定电流*(A) |
M2000N-100K-900-160-MS-S | 100 | 900 | 160 |
电源参数 | |||
电网相数 | 3φ3W +PE | ||
电网电压 | 380V±10% | ||
电网频率 | 3φ4W +PE | ||
功率因数 | 380V±11% | ||
电流失真 | 3φ5W +PE | ||
电机模拟器参数 | |||
模拟电机相数 | 3 | ||
最大电流响应速率 | 1500A/ms | ||
额定转速 | 4 | ||
电机转向 | 1501A/ms | ||
电机转矩 | 5 | ||
极对数范围 | 1502A/ms | ||
旋变励磁 | 6 | ||
电机漏感 | 1503A/ms | ||
电流频率 | 7 | ||
模型迭代率 | 1504A/ms | ||
定子电阻 | 8 | ||
转子动态转速 | 1505A/ms | ||
电机模型 | 9 | ||
位置传感器 | 1506A/ms | ||
模拟控制开关频率 | 10 | ||
故障模拟 | 1507A/ms | ||
温度传感器 | 11 | ||
通讯接口 | 1508A/ms | ||
电机控制模式 | 12 | ||
安全和环境 | |||
冷却方式 | 强制风冷 | ||
环境温度 | -10~40℃ | ||
相对湿度 | 0-90%RH (25℃ 非凝结) | ||
海拔 | ≤2000m |
| 电机模拟类型
永磁同步电机由以下参数定义:
交流异步电机由以下参数定义:
| 非线性模拟
支持电机非线性模拟 , 提供磁通量 、漏感等基于 Id、 Iq 的查表功能 , 实现电机模拟过程中磁通量及漏感 的非线性特性。
| 传感器模拟
传感器模拟是电机模拟的一部分 , 可模拟各种不同的转子位置传感器 , 并且配备了温度模拟
温度传感器
电机模拟器可以模拟电机转子和定子温度 。 支持 NTC 及 PTC 模拟 , 阻值范围 0 ~ 100KΩ 。 温度以信号形 式反馈 , 电机模拟器提供两路温度信号输出 。用户可以自行建立温度/阻值表格 ,表格以“定/转子温度℃ ”作 为输入 , 以阻值Ω表示的定/转子温度作为输出 , 表格共提供 10 组数据设置范围。
用户通过上位机界面设定转子 、定子温度 ,系统根据自定义的温度表格及设定的温度值 ,对应输出表征温 度的电阻值。
码盘传感器
电机模拟器可以模拟光电码盘位置传感器 , 输出 A、 B、 Z 三路幅值 5V 的数字信号 。 同时也为用户提供 OC/推挽两种输出方式选择 , 用户可外接 DC12 ~24V 电源 , 以满足不同电平需求的码盘传感器 。 同时用户也 可设置 A、 B 信号的偏移角度来模拟传感器信号相移。
用户可根据实际要求配置码盘输出方式 、 信号偏移角度等。
旋变传感器
电机模拟器可以模拟旋转变压器 。极对数可配置 ,正 、余弦信号输出幅值的比例因子可调 ,以防止因线路 阻抗等问题导致电压幅值降低 。同时用户可设置 SIN、COS 、转子信号的偏移角度来模拟传感器信号相移和初 始角度偏移 。磁极电角度和旋变极对数用户可设;另外每个励磁周期内可以注入最多 6 个干扰电平 ,模拟旋变 扰动。
旋变传感器设置界面如下 , 用户可根据实际要求配置比例因子 、 信号相移 、 初始磁极角和极对数等。
正常的旋变信号(励磁 、 正弦 、 余弦) 信号如下图所示:
霍尔传感器
电机模拟器可以模拟霍尔位置传感器 ,输出 A、 B、 C、Z 四路幅值 5V 的数字信号 。用户也可设置 A、 B、 C 信号的偏移角度来模拟霍尔传感器信号相移。
霍尔传感器设置界面如下 , 用户可根据实际要求配置 A、 B、 C 信号的偏移角度。
负载模拟
电机模拟器可工作在转速和转矩两种负载模式下 , 并提供转速 、 转矩工况的设置。
转速模式
转速模式下,由电机模拟器控制转速,被测控制器控制转矩。转速模式配置界面如下 ,“设定转速 ”( rpm), “转速斜率 ”( rpm/s ) , “转速增量 ”等均能在可视化界面进行配置。
注:“增量 ” ,支持转速按设置步长变化 。如设置 100 ,点击“ + ”或“ - ”号 ,可实时改变运行转速 ,使 其在当前转速下变化 100rpm。
转矩模式
转矩模式下 , 由电机模拟器控制转矩 , 被测控制器控制转速 , 电机模拟器提供 5 种不同负载类型选择。
1、位能性负载
负载转矩具有固定的方向 ,不随转速的方向改变而改变 。不论重物被提升( n 为正) 或下放( n 为负) , 负载转矩始方向始终保持不变 。位能性负载模式下 ,可配置“ 恒转矩系数 a ”、“转距( N*m ) ”、 “变化斜 率( N*m/s ) ”及 “增量 ”等关键参数。
2 、反抗性负载
负载转矩的大小恒定不变,而负载转矩的方向总是与转速的方向相反 ,即转矩的性质是总起阻碍运动作用 的制动性转矩 。反抗性负载模式下 ,可配置“反抗负载系数 b ”、“ 转距( N*m ) ”、“变化斜率( N*m/s)” 及 “增量 ”等关键参数。
3 、恒功率负载
负载转速与转矩大致成反比 ,而且电机输出功率基本保持不变 。恒功率负载模式下 ,可配置“ 恒功率系数 c ” 、 “ 变化斜率 ( N*m/s ) ”及 “增量 ”等关键参数。
4 、黏滞性负载
负载转速与转矩大致成正比 ,转速越大时转矩也越大 。黏滞性负载模式下 ,可配置“黏滞系数 d” 、“ 变 化斜率( N*m/s ) ”及 “增量 ”等关键参数。
5、风机类负载
通风机 、水泵 、油泵和螺旋桨等风机类负载 ,即平方转矩负载 ,其转矩的大小与转速的平方成正比 。风机 类负载模式下 , 可配置 “风机负载系数 e ” 、 “ 变化斜率 ( N*m/s ) ”及 “增量 ”等关键参数。