基于Lab VIEW平臺的能饋式異步電機測試系統

李 涵，龔麗麗，史利杰，周 楊，曾先光

（南車 南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031）

目前常見的交流傳動試驗系統分為能量消耗型和能量互饋型兩大類。其中能量互饋型試驗系統采用電動—發電機對的拖動測試方式，試驗時電動機的輸出功率絕大部分被發電機轉化為電能回饋至母線電源，因此在長期試驗時可以極大地節約電能。

文中的試驗系統基于Lab VIEW軟件平臺，監測系統的各項關鍵參數，并通過能量回饋方式，將被試電機的能量回饋至直流母線，電源只需要提供很小的一部分能量補充系統損耗即可，在長時間測試狀態下節能效果顯著。該試驗系統使用NI數據采集卡實時給定逆變器轉矩和轉速，通過對電機參數的測量實時繪制出參數曲線，可作為電傳動設備的靜態及動態測試平臺。

1 測試系統組成

該測試系統采用共直流母線的能量互饋方案，其結構如圖1所示。系統的主要設備是兩臺機械軸連的異步電機以及驅動相應電機的逆變器，系統通過有源整流器將三相AC380 V變換為DC550 V作為母線電源為兩臺逆變器供電，制動斬波器用于在異常情況下吸收回饋能量，以保證整個系統的正常運行。

圖1 試驗系統結構

系統工作原理圖如圖2所示。Lab VIEW測控系統包括NI數據采集卡和計算機；主動前端單元，將三相交流電轉為直流電；當直流電網網壓超過設定值時，將啟動斬波器降壓。系統按照如下方法來進行試驗：它包括主動前端單元、變流器、異步電機、聯軸器、傳感器和傳感器信號處理電路、Lab VIEW測控系統。兩臺電機通過聯軸器相連，在運行過程中其中一臺電機處于電動狀態，另一臺處于發電狀態，通過變流器控制將發電產生的能量回饋到直流電網，同時Lab VIEW測控系統監測系統中關鍵部位的電壓、電流及電機轉速、扭矩等參數，并根據測量值計算出控制參數并傳遞給變流器，使系統安全運行。

圖2 系統原理圖

系統所使用的三相交流異步電機，額定工作頻率為50 Hz，額定電壓為380 V，額定輸出扭矩為35 Nm，額定輸出功率為11 k W，定子繞組采用380 V△接法，額定電流為21.7 A，額定轉速為2 930 r／min。

2 測控系統軟件流程

測控系統的上位機軟件使用Lab VIE W，通過NI公司的數據采集卡USB－6211，進行數據的雙向高速傳輸。Lab VIE W是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，是虛擬儀器開發過程中最具代表性的圖形化編程語言（G語言），它用圖標、連線和框圖代替傳統的程序代碼，可以形象地觀察數據的傳輸過程。

試驗平臺主要通過Lab VIEW軟件來完成電機轉矩、轉速參數的給定以及反饋參數的動態顯示、保存等工作。圖3和圖4分別為軟件的數據給定流程和數據保存流程，經過該流程，采樣得到的轉矩和轉速數據將保存到TXT文本中用于后期分析。

圖3 數據給定流程

圖4 數據保存流程

3 試驗結果

為驗證能量回饋方案的可行性，試驗系統采用兩個11 k W的兩極異步電機分別作為電動機和發電機，并與兩臺矢量控制型逆變器相匹配進行測試。電動機側的逆變器為轉速控制方式，發電機側的逆變器為轉矩控制方式，用于產生負載轉矩。

試驗測試結果如圖5～圖8所示。通過空載和帶載測試結果可以看出，電動機可以按照給定的轉速曲線進行速度跟蹤，由于轉速是閉環控制，電機負載變化對轉速跟蹤的影響較小。

圖5 給定轉速曲線

圖6 空載輸出轉速曲線

圖7 負載5 Nm時輸出轉速曲線

圖8 負載15 Nm時輸出轉速曲線

圖9為閉環、15 Nm負載狀態下給定轉速與電機實際轉速的采樣對比圖，曲線0為給定轉速，曲線1為電機實際轉速采樣值，從圖9可以看出電機實際轉速跟蹤給定轉速，轉速曲線基本重合。

圖9 15 Nm負載輸出轉速對比曲線

轉速給定為2 500 r／min時，測量不同負載情況下的電機電流，如表1所示。由表中數據可知隨著負載的增大，回饋電流隨之增大。負載時，牽引電機處于電動狀態從電網吸收能量，而負載電機處于發電狀態將機械能轉換為電能回饋到公共直流母線，再通過有源前端逆向工作將能量回饋給電網。表1中的總電流為直流母線上實際流過的電流，也即直流母線上消耗掉的電流。在加載15 Nm、2 500 r／min時550 V的母線電流僅消耗3.2 A，功耗合計為1.76 k W。牽引電機輸入電能與負載電機輸出電能之差，并忽略電機的機械損耗以及定子鐵損和轉子銅耗造成的非線性功耗，可以認為該功率即為電網對整個系統輸入的能量。

表1 測試結果

4 結束語

本文介紹了能饋式交流電傳動試驗平臺的系統結構，并組建了相應的軟硬件平臺，驗證了雙機直流能量互饋方案的可行性，結果表明該種方案能夠明顯減少測試電能的消耗，節能效果明顯。

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