田棟棟，王曉杰

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道動(dòng)力學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100000)

1 引言

三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，運(yùn)行性能好，價(jià)格便宜，因此得到了廣泛應(yīng)用。電機(jī)試驗(yàn)是利用儀器、儀表及有關(guān)設(shè)備，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)電機(jī)制造過(guò)程中形成的半成品和成品的電氣性能、力學(xué)性能、安全系數(shù)及可靠性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)[1，2]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)牽引和制動(dòng)性能快速檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一套電機(jī)牽引制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示并繪制特性曲線，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，最后打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)的采集、處理分析至最終試驗(yàn)報(bào)告的生成的自動(dòng)化檢測(cè)方法。

2 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及功能

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由2臺(tái)小功率異步電機(jī)、2臺(tái)變頻器、三相電源和控制系統(tǒng)組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主電路及測(cè)控子系統(tǒng)電路

試驗(yàn)機(jī)組由兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)組成，其中0#電機(jī)為被試機(jī)，1#電機(jī)為陪試機(jī)。

當(dāng)牽引逆變器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷特性可調(diào)節(jié)的作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的牽引工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

當(dāng)對(duì)交流牽引電機(jī)進(jìn)行電氣制動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)在牽引逆變器控制下按電氣制動(dòng)特性運(yùn)行時(shí)，可對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的再生制動(dòng)工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)[3]。

3 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)牽引及制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)主要由電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)電氣柜、試驗(yàn)機(jī)組、試驗(yàn)機(jī)組平臺(tái)、系統(tǒng)操縱控制柜等組成，通過(guò)對(duì)以上設(shè)備的有效控制，構(gòu)成了交流電機(jī)牽引、電氣制動(dòng)及模擬負(fù)載系統(tǒng)。

3.1 試驗(yàn)機(jī)組

為了便于試驗(yàn)平臺(tái)的建立，本設(shè)計(jì)采用低功率電機(jī)(圖2)。因此，交流牽引電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的主要指標(biāo)如下。

圖2 交流牽引電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)組

(1)直流環(huán)節(jié)電壓：DC700 V。

(2)牽引電機(jī)額定電壓：550 V。

(3)牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1176 r/min。

(4)牽引電機(jī)額定頻率：40 Hz。

(5)牽引電機(jī)額定電流：20 A。

(6)機(jī)組功率：15 kW。

(7)再生制動(dòng)功率：15 kW。

3.2 電源系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的電源采用交流380 V電壓，而試驗(yàn)機(jī)組所需電壓為交流550 V，本文采用變頻器進(jìn)行電壓變換，以適應(yīng)不同電機(jī)對(duì)電壓的需求。對(duì)于變頻器的選擇，通常從輸出容量、額定輸出電流和最大適用電機(jī)容量三方面考慮，其中額定輸出電流是最重要的因素，它應(yīng)大于電機(jī)可能出現(xiàn)的最大電流[4～6]。連續(xù)恒載運(yùn)行時(shí)，變頻器所需容量可如下式計(jì)算：

(1)

(2)

PCN≥kIM

(3)

式(1)～(3)中:PCN—負(fù)載所要求的電機(jī)的軸輸出功率；η—電機(jī)的效率，通常約0.85; cosφ—電機(jī)的功率因數(shù)，通常約0.75;UM—電機(jī)電壓;IM—工頻電源時(shí)的電機(jī)電流;k—電流波形的修正系數(shù)，PWM方式時(shí)取1.0～1.05;PCN—變頻器的額定容量;ICN—變頻器的額定電流。

本試驗(yàn)系統(tǒng)中，選擇安川重負(fù)載高性能變頻器H1000。該變頻器通過(guò)內(nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等。

3.3 加載系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)從操作簡(jiǎn)單、控制方便、精度高、成本低和能耗小等方面考慮，選擇2臺(tái)電機(jī)對(duì)拖加載回饋的方案。機(jī)組由2臺(tái)型號(hào)相同的異步電機(jī)組成，分別為被試機(jī)和陪試機(jī)。0#被試機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，1#陪試機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，因此被試機(jī)和陪試機(jī)變頻器的控制模式均選擇帶PG矢量控制模式。

在電機(jī)牽引試驗(yàn)過(guò)程中，0#被試機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)工況，1#陪試機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況。處于發(fā)電工況的1#陪試機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器直流環(huán)節(jié)反饋給處于電動(dòng)機(jī)工況的0#被試機(jī)從而構(gòu)成能量循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。

在電機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，0#被試機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況，1#陪試機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)工況。處于發(fā)電工況的0#被試機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器直流環(huán)節(jié)反饋給處于電動(dòng)機(jī)工況的1#陪試機(jī)從而構(gòu)成能量循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。

被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩給定與PI控制器輸出相疊加的混合式控制方式，如圖3所示。被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定不應(yīng)超過(guò)變頻器的最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器將被試電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩傳遞給PI控制器，從而完成PI控制器的輸出與給定轉(zhuǎn)矩值相疊加的混合式轉(zhuǎn)矩控制方式。此種控制方式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快[7]。

圖3 被試機(jī)轉(zhuǎn)矩控制框圖

被試機(jī)和陪試機(jī)的控制均采用模擬信號(hào)，即通過(guò)電壓實(shí)施控制。由S1、SG控制逆變器的運(yùn)行或停止。

3.4 試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，由電流傳感器、電壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集器組成。為了實(shí)現(xiàn)三相電壓和三相電流的同步采集，本系統(tǒng)采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換通道的P89LPC938。試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)RS-485接口將采集到的電流、電壓、頻率及速度、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并在組態(tài)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)結(jié)果。

由于檢測(cè)電路受周?chē)h(huán)境的影響，所以檢測(cè)電路要有必要的抗干擾設(shè)計(jì)來(lái)提高檢測(cè)電路的可靠性。對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)，首先將信號(hào)經(jīng)由射極跟隨器以提高信號(hào)輸入阻抗和抗干擾能力，然后再采用一階RC低通濾波電路濾除信號(hào)中的高頻成分，除去高頻干擾信號(hào)。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的矢量控制，將傳感器采集到的數(shù)字信號(hào)傳遞給變頻器的采集卡，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)被試機(jī)與陪試機(jī)的帶 PG 的矢量控制。

采用PCI 6010提供模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器I/O，使用37針D SUB連接器，可將設(shè)備連接到許多可用的D SUB組件。

控制系統(tǒng)由上位機(jī)(工控機(jī))、下位機(jī)和控制裝置組成。上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控；下位機(jī)采用三菱可編程序邏輯控制器PLC控制。上位機(jī)(工控機(jī))通過(guò)串行接口與下位機(jī)的控制器PLC相連，并通過(guò)PLC控制工作過(guò)程。整個(gè)工作構(gòu)成了一個(gè)智能化電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)[ 8～12](圖4)。

圖4 系統(tǒng)組成框圖

4 電機(jī)牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和測(cè)試程序設(shè)計(jì)。如圖5、圖6所示。

圖5 系統(tǒng)軟件主程序

圖6 系統(tǒng)軟件測(cè)試程序

5 牽引制動(dòng)試驗(yàn)

在交流牽引電機(jī)的牽引特性試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)組中0#電機(jī)為被試機(jī)，1#電機(jī)為陪試機(jī)，兩逆變器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)。0#被試機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)工況，1#陪試機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，處于發(fā)電工況電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器直流環(huán)節(jié)反饋給處于電動(dòng)機(jī)工況的電機(jī)從而構(gòu)成能量循環(huán)試驗(yàn)統(tǒng)。在交流牽引電機(jī)的制動(dòng)特性試驗(yàn)中， 0#被試機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況，1#陪試機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)工況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，處于發(fā)電工況電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器直流環(huán)節(jié)反饋給處于電動(dòng)機(jī)工況的電機(jī)從而構(gòu)成能量循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。

在交流牽引電機(jī)的試驗(yàn)中，系統(tǒng)會(huì)逐個(gè)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后在顯示屏上繪制出其不同的曲線軌跡。如圖7、圖8所示。

圖7 交流牽引電機(jī)牽引特性曲線

圖8 交流牽引電機(jī)制動(dòng)特性曲線

6 結(jié)論

通過(guò)電機(jī)牽引制動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)電機(jī)特性進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，以判斷電機(jī)性能的好壞。提高了效率，節(jié)約了時(shí)間，而且測(cè)試系統(tǒng)的能耗比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的能耗比，節(jié)約能量。該系統(tǒng)雖然以小功率電機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，但通過(guò)對(duì)變頻器參數(shù)和模式的設(shè)定，可對(duì)不同類(lèi)型的電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的試驗(yàn)，具有良好的通用性，降低了企業(yè)對(duì)不同電機(jī)牽引、制動(dòng)試驗(yàn)的成本。