包 波 林衛(wèi)國 李立強 任 煜 楊曉東

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007 3 機械工業(yè)起重機械輕量化技術重點實驗室 北京 100007 4 中國人民解放軍第六九一六工廠 廊坊 065000

0 引言

制動電動機是起重機械上必不可少的重要部件。根據(jù)構造方式而言，制動電動機通?？梢员环譃? 種截然不同的類型：一種是回旋線型轉子驅動裝置，而另一種則是在柱形電動機的尾部加裝電磁盤式制動器組成。其在起重機的使用過程中既是驅動裝置，又是制動裝置，故而其性能的好壞直接影響起重機的使用精度甚至壽命。

制動電動機的主要技術參數(shù)可以分為2 部分，一部分為體現(xiàn)工作特性的參數(shù)，包括啟動特性、制動性能、負載性能、溫升和空載損耗等。其中啟動特性、溫升試驗和負載試驗反映了在不同載荷情況下，制動電動機的工作效率、發(fā)熱情況。另一部分為體現(xiàn)制動性能的參數(shù)，包括的指標為制動力矩。起重機能否保持沉甸甸的物體不下落，取決于制動電動機所產(chǎn)生的靜態(tài)制動扭矩。而行動的時長和移動距離則由動態(tài)制動扭矩決定，確保了起重機的穩(wěn)定性和運動效果。

在這些參數(shù)的測量過程中，現(xiàn)有技術存在啟動特性曲線的繪制、負載特性自動閉環(huán)控制、嚴格按照工作制進行熱試驗、動態(tài)制動力矩的測量等難點。針對制動電動機在檢驗檢測技術中存在的難點，目前國內(nèi)外尚沒有能夠按照國標對制動電動機各項指標進行自動化的全面、精確測量的檢測設備。本文提出一種自主研發(fā)的制動電動機試驗臺（以下稱為BM19 型制動電動機測試系統(tǒng)）。其功能在滿足對制動電動機所有主要技術參數(shù)的測量的同時，原創(chuàng)性地提出并實踐了一種能夠快速、準確測量制動電動機動態(tài)制動力矩的方法。

1 系統(tǒng)構成

1.1 總體構成

BM19 型制動電動機的測試設備所需組件包括但不限于：1 臺工業(yè)級計算機、1 個變頻器、1 個ABB PLC控制器、多款傳感器和1 套三相異步驅動裝置。在該裝置中，采用1 臺安裝西門子相關功能軟件的計算機，實現(xiàn)依靠自動管理和人員與機器的協(xié)同監(jiān)控進行裝置的負載測試。可編程邏輯控制器（PLC）的運用實現(xiàn)了電動機負載測試系統(tǒng)的完全自動控制，新型實驗設備——頻率變換器操縱器與異步發(fā)動機結合在一起使用，形成了一種全新的交流異步功率評測裝置。在進行負載測試時，該裝置能夠向待測試電動機施加不同的負載，并通過調(diào)整頻率的差異來實現(xiàn)動態(tài)負載。圖1 展示了該系統(tǒng)的初始構造。

圖1 系統(tǒng)原理結構

系統(tǒng)的物理搭建包含了電力供應單元、監(jiān)控系統(tǒng)和可調(diào)頻負載單元，其中集中了下列要素：1 個計算機（上層設備），帶有電動機測試軟件的裝置，1 個自動化控制器（下層設備），1 個頻率調(diào)整儀，1 臺三階段電流異步動力機械，1 個電力調(diào)節(jié)器，幾個電路開關，1個轉動力矩和速度感應器，1 個24 V 直流電源以及220 V 和380 V 交流電源，還包含1 臺打印機。在系統(tǒng)的整個架構中，計算機被視為基礎構件，其職責不可或缺，對系統(tǒng)評估起著至關重要的作用。計算機能實現(xiàn)調(diào)整硬件配置、優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和存儲等多種功能。作為自動化控制試驗的重要組成部分，PLC 扮演了下位機的角色，以實現(xiàn)對整個流程的自動化控制。為了評估電動機的性能，本文采用了一種全新的方法，利用變頻器和異步電動機來構建一個創(chuàng)意的電力測量系統(tǒng)，這項技術能順利實施電動機負載檢驗。

首先，通過電感式三相電動機的穩(wěn)定化裝置和電磁開關，三相交流電將被引導進入變頻器的輸入端模塊，以實現(xiàn)預期的效果。AIM 模塊內(nèi)部采用了獨特的策略，將電感元件與電源電壓檢測電路無縫結合在一起，以有效地抑制外部電源波動對系統(tǒng)的干擾。接下來，ALM主動電力單元開始接收三相電源信號，經(jīng)歷一系列工藝，轉變?yōu)橐环N獨特的600 V 電力形態(tài)。ALM 采用先進調(diào)控技術，不僅能實施整流功能，還具備將此特殊電力優(yōu)化并傳送回電網(wǎng)的能力。另外，采用一種閉環(huán)控制系統(tǒng)管理直流主線電壓，經(jīng)過電動機模塊的處理，直流電流得以轉化，而該模塊實際由2 個反向變頻器構成，這些反向變頻器將直流電源轉換為適用于激活2 臺異步電動機的三相交流電信號。隨后，三相電源進入ALM 主動電力單元，經(jīng)歷一系列工藝轉變?yōu)橐环N獨特的600 V 電力形態(tài)，ALM 采用先進調(diào)控技術，不僅能實施整流功能，還具備將此特殊電力優(yōu)化并傳送回電網(wǎng)的能力。從變頻器的數(shù)據(jù)列表中提取電動機試驗參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)傳輸線路將其發(fā)送給計算機以展示和存儲。此外，經(jīng)過數(shù)據(jù)捕獲卡的精心處理，實時測量數(shù)據(jù)得以成功轉化，從而使扭矩和轉速傳感器能直接將信息傳遞給電腦。因此，監(jiān)控界面能實時地呈現(xiàn)和保存數(shù)據(jù)，達到了精準而高效的數(shù)據(jù)管理目的。

1.2 動態(tài)制動力矩測量

使用非傳統(tǒng)測試系統(tǒng)來測量BM19 型制動電動機的動態(tài)制動力矩，取代了傳統(tǒng)的旋轉扭矩傳感器，選擇了精度更高的三分力傳感器作為核心部件，通過力的傳導、杠桿原理和系統(tǒng)濾波等環(huán)節(jié)，以一種更直觀和高效的方式展示動態(tài)制動力矩，具體是指展示制動電動機的性能。動態(tài)制動力矩測量方法的原理如圖2 所示，將平臺連同待測試的制動電動機看成一個整體系統(tǒng)，在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下時，整個系統(tǒng)應該是穩(wěn)定的，當電動機制動時導致系統(tǒng)平衡被打破，產(chǎn)生力的變化，則該力就和制動電動機的動態(tài)制動力矩呈線性關系，三分力傳感器收集力的參數(shù)經(jīng)過進一步計算，能夠獲取有關電動機動態(tài)制動力矩的相關數(shù)據(jù)。

將電動機直接安裝于BM19 型制動電動機測試系統(tǒng)的可擺動平臺上，平臺下安裝三分力傳感器，三分力傳感器收集數(shù)據(jù)與顯示原理如圖2 所示，三分力傳感器的信號輸出后經(jīng)三通道放大器放大，變成標準模擬量（0 ～±10 V），電動機通電后空載轉動，電動機制動過程中由于慣性會帶動平臺發(fā)生轉動傾斜，經(jīng)后端數(shù)據(jù)采集板卡，通過個人電腦從采集板卡獲取三分力測試數(shù)據(jù)，并在計算機上展示，同時實現(xiàn)峰值顯示以及數(shù)據(jù)表格的存儲、導出以及計算制動力矩等功能。

為了便捷地測試各種制動電動機的動態(tài)制動力矩，BM19 型制動電動機測試系統(tǒng)設計有專用裝配平臺，測試動態(tài)制動力矩時，電動機的安裝如圖3 所示。有2 種方法可以安裝試驗電動機，一種是通過法蘭將無底座的電動機連接到電動機支架上，而電動機支架則被固定在工作平臺上；另一種是將有底座的電動機直接安裝到工作平臺上。不論選擇哪種方式，都會在工作平臺上劃出一個明顯的邊界線，安裝時支架中心要對齊安裝標線，工作平臺下有平臺支撐架，支撐架安裝在地面平臺的T形槽內(nèi)，支撐架高度可螺旋調(diào)節(jié)。

圖3 鋼結構平臺與制動電動機安裝形式

安裝電動機支架前將平臺支撐架高度調(diào)整至距離平臺高度5 ～10 mm，起到保證平臺不會翻轉的作用。電動機及支架安裝完畢后，調(diào)整工作平臺左右平衡，在輕的（高的）一側加上配重塊，配重塊固定在T 型螺栓上，T 型螺栓穿入工作平臺T 型螺栓槽內(nèi)，直到工作平臺平衡后，將傳感器支架與工作平臺連接緊固，使傳感器與工作平臺底部結合到一起。在如圖3 所示的控制臺面，點擊啟動開始實驗，在電動機轉速達到預設值時，點擊結束使電動機減速并停止運轉。電動機制動時帶動工作平臺形成轉動趨勢，傳感器支撐平臺抵消轉動趨勢，最終傳感器得出支撐力反饋給控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)計算得出制動力矩。

傳感器和控制系統(tǒng)要準確得到制動力矩，必須將制動時間應控制在1.5 s 左右。為了使得不同電動機均達到這一要求，本測試系統(tǒng)采用調(diào)整轉動慣量的方式來調(diào)整制動時間，系統(tǒng)設計有多種規(guī)格的飛輪，通過增減安裝在電動機上飛輪來調(diào)整轉動慣量以達到控制制動時間的目的。此外，本測試系統(tǒng)的傳感器可根據(jù)電動機的額定制動力矩進行自動調(diào)整，使得各種規(guī)格的制動電動機都可以通過本系統(tǒng)測得動態(tài)制動力矩。

2 技術優(yōu)勢

BM19 型制動電動機試驗臺解決了傳統(tǒng)制動試驗臺的3 項技術問題。1）采用了先進的加載方式。2）制動電動機的溫升試驗一般是使用等效半小時連續(xù)運行的方式進行，BM19 型制動電動機試驗臺增加了電動機按工作制運行的功能，使電動機的溫升性能更直觀地體現(xiàn)。3）提供了一種穩(wěn)定且準確的解決方案，來衡量制動電動機在動態(tài)制動過程中產(chǎn)生的力矩，克服了該行業(yè)技術的不足。

2.1 加載方式優(yōu)劣對比

2.1.1 直流電動機負載法

如圖4 所示，電動機負載法技術利用直流電動機模擬和測試交流電動機的負載情況。為了適應直流電動機和交流電動機在高度和轉速等方面的差異，需要使用多臺不同規(guī)格的直流電動機來完成相應的配置任務，此外，測試所涉及的電動機輸出軸的能量效率完全沒有被有效利用。

圖4 直流電動機負載法原理圖

直流電動機負載法的工作原理：輸入電壓線路采用880 V 電源。通過1 個控制單元該電源被分離成2 個獨立的回路，一個回路與三相調(diào)節(jié)裝置的底部接口相連，而另一個回路與整流和激勵控制單元相連。通過操縱調(diào)節(jié)單元來改變電流互感器的變壓比，并將評估數(shù)據(jù)傳遞給輔助測量設備。

在監(jiān)測中心，QW314 智能芯片能實時分析和監(jiān)測電力系統(tǒng)的各項指標，包括電流強度、電壓水平、功率效率以及頻率穩(wěn)定性。此外，采用PY999 型測試儀器可以精確測量直流電路的電阻值、旋轉速度以及溫度分布狀況，并且具備檢測潛在堵塞故障的功能。GC9300高性能芯片動力輸出檢測裝置可實時監(jiān)測轉速和扭矩，雖經(jīng)濟實惠，但能源效率不佳，安裝過程對軸不便，不能對非工頻的電動機進行負載試驗。

2.1.2 能耗制動法

如圖5 的原理所示，利用磁性粉末和電渦流制動器法是2 種實現(xiàn)剎車效果的技術。但是，因為試驗電動機中心高度與制動器中心高度存在不匹配的情況，引發(fā)了在軸向方面存在的諸多困難。此外，隨著時間的流逝，磁粉制動器易失去磁力，進而導致剎車效果減弱，負載不穩(wěn)定。其同樣存在浪費能源，安裝過程對軸不方便，不能對非工頻的電動機進行負載試驗的缺點。

圖5 能耗制動法原理圖

圖6 變頻發(fā)電動機組回饋法原理圖

2.1.3 變頻發(fā)電動機組回饋法

經(jīng)過實踐證明，一種全新的能源轉化技術已經(jīng)成功地應用于各行各業(yè)的能源轉換領域，取得了顯著的成果。該技術由一系列獨特的電子傳感器組件構成，能將機械能以一種非常獨特的方式轉化為電能，并向三相電源供應正弦波形的電力。同時，根據(jù)需求，該系統(tǒng)還能將電能再次轉化為機械能，并通過一個智能反饋回路將多余的電能重新注入到電網(wǎng)中，從而實現(xiàn)了能量的節(jié)約。

與之前的2 種方法相比，新途徑具備節(jié)約能源的優(yōu)勢，但可惜其節(jié)能成果受限。因為采用了4 臺電動機構成的設備，所以它本身的能源利用效率很難突破50%（4臺電動機發(fā)熱損耗等），能量的使用效率仍然非常差，此外，由于機械設備價格昂貴且無法適配各種規(guī)格，所以普遍出現(xiàn)了需要使用大馬拉小車的解決方案，對節(jié)電效率不利，導致其效果下降。因此，盡管這種方法提供了負載調(diào)節(jié)的便利性，但在節(jié)電方面并不能達到令人滿意的效果。

2.1.4 本系統(tǒng)的優(yōu)勢

通過對傳統(tǒng)電動機的深入研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)電動機試驗室方案存在一系列突出的難題，這些問題主要體現(xiàn)在能源消耗巨大、成本高昂以及使用不便等方面。本研究詳細介紹了一項使用變頻器的電動機負載測試方案，該方案以工業(yè)自動化計算機為核心控制設備，采用可編程邏輯控制器作為輔助設備，并利用變頻器作為推動工具，實現(xiàn)了高效率的頻率調(diào)節(jié)能力。通過PLC 編程，系統(tǒng)得以完成全面自動化操作，從而有效地提高設備間通信速度和穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)測試方式的多種限制，該系統(tǒng)能夠立刻展示、借助數(shù)據(jù)的存儲和處理，人工干預需求被大大削減，且人為因素對結果的影響被最小化，從而顯著增強了測量的準確性和數(shù)據(jù)的精確程度。透過運用頻率調(diào)變器內(nèi)的能源回饋裝置，該系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了電能的再生利用，發(fā)電機所創(chuàng)造的電力被重新注入直流主線路，從而極大地降低了供電需求，這種巧妙的能源循環(huán)設計在節(jié)能與環(huán)保方面邁向了重要一步，帶來了顯著的突破。

在進行電動機負載測試試驗時，必須確保對電動機進行全面監(jiān)測，包括但不限于電壓、頻率、轉速以及溫度等基本參數(shù)的監(jiān)控。利用扭矩感測器和速度測量裝置以及變頻裝置收集其他參數(shù)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)由可編程邏輯控制器（PLC）下達指令進行收集和處理，并通過ProfiBus 數(shù)據(jù)總線傳送，最后，在上位機的監(jiān)控界面上，可以清楚地看到實時數(shù)據(jù)和各參數(shù)變化曲線，獲取測試過程所需的所有信息。

2.2 動態(tài)制動力矩測量方式優(yōu)劣對比

2.2.1 計算法

計算法的測量原理為檢測和記錄制動器在制動過程中，能監(jiān)測和記錄制動器在執(zhí)行剎車操作時速度的變化情況（減速度），并且記錄下剎車持續(xù)的時間，通過使用先進的算法可以計算出剎車裝置產(chǎn)生的動態(tài)扭矩數(shù)值，圖7 展示了動態(tài)制動力矩測量裝置原理圖。

圖7 動態(tài)制動力矩測量裝置原理圖

在進行測量時，將使用1 臺先進的動態(tài)測試裝置來安裝待測制動器。該裝置能準確計算每次制動所需的功率，并模擬轉動慣量的特性，同時還會配備1 個慣量盤，以確保測量結果的準確性；一旦啟動序列完成，設備將自動觸發(fā)預設的加速程序，切斷制動器的電源，并激活非功能性裝置以引起設備減速。經(jīng)過一段特定的時間，設備將停止運行。在旋轉裝置的運動過程中，收集與時間和速度相關的信息，以便使用減速分析法來評估分段動態(tài)制動扭矩，如果獲取了時間-速度數(shù)據(jù)，就可以進行相應的計算。這種方法基于動量守恒定律，從而導出相應的結果

式中：Mds為記錄的動態(tài)扭矩觀測結果，ts為有效減速間隔，J為用于模擬測試的轉動慣量，n0為電動機的額定轉速。

由此可見，該測量方式主要存在的問題是測量結果是計算出動態(tài)轉動慣量的平均值，并不能將整個制動過程清楚詳細地反映出來。

2.2.2 本系統(tǒng)的優(yōu)勢

當應用該系統(tǒng)來計量動態(tài)制動扭矩時，可將電動機的轉子視為一個旋轉裝置，由于電動機定子、制動器和其他部件與試驗平臺被剛性連接在一起，故將這些部件視為一體，為方便描述統(tǒng)稱其為靜止部件。電動機制動過程即為靜止部件與電動機轉子相互作用并產(chǎn)生了一個與電動機轉子相反的轉矩，使其停轉。試驗平臺和支撐架的連接方式使得這個力矩需要由與試驗平臺剛性連接拉壓力傳感器及其支架處提供，故在制動過程中電動機動態(tài)制動力矩的變化便會被拉壓力傳感器測得（力矩=力×力臂，力臂大小只與試驗臺相關尺寸有關，可被視為一個固定系數(shù)）。

故而相較于傳統(tǒng)的測量動態(tài)制動力矩的方法，這種新的測試方法具有顯著優(yōu)勢。1）避免電動機轉子部分造成的轉動慣量無法被測量到的問題，由于電動機越大，電動機轉子體積與質量越大，轉動慣量也就越大，這部分引起的誤差也越大，本系統(tǒng)采用的方法避免了該問題。2）能將整個制動過程的力矩變化過程清楚詳細地反映出來。

2.3 技術成果與行業(yè)影響分析

BM19 型制動電動機試驗臺適用性廣泛，檢測數(shù)據(jù)精準，操作性好，且能完全滿足新的型式試驗規(guī)則要求，按該型式試驗規(guī)則需定期做型式試驗，該試驗臺能創(chuàng)造每年約100 萬的穩(wěn)定經(jīng)濟收入，為檢驗檢測業(yè)務打下了良好的基礎，增加了核心競爭力。

BM19 型制動電動機試驗臺的研制成功，從硬件環(huán)境上保障了TSG 7002—2019《起重機械型式試驗細則》的順利實施，完善了對制動電動機的性能測試方法，使生產(chǎn)單位能通過試驗數(shù)據(jù)更深入了解自己的產(chǎn)品，能更好地發(fā)現(xiàn)起重機械使用中的安全風險，并采用一系列創(chuàng)新而有效的方法來應對這些問題，從而成功地管理和減少起重設備發(fā)生事故的可能性。

3 結語

BM19 型制動電動機試驗臺是結合新的型式試驗規(guī)則，在進行了全面且深入的調(diào)研后，通過獨立研發(fā)獲得實驗設備，試驗方法完全符合國家相關法規(guī)標準要求，適用性廣泛，已完成包括日本某株式會社17 kW 制動電動機、南京某廠3 ～24 kW 防爆錐形轉子制動電動機、河南省某公司防爆錐形轉子制動電動機等多家國內(nèi)外知名企業(yè)的多項產(chǎn)品的型式試驗檢驗工作。得到行業(yè)普遍的認可及好評。