異步電機牽引及制動試驗平臺的設計

田棟棟，王曉杰

(1.陜西鐵路工程職業技術學院 鐵道動力學院，陜西 渭南 714000； 2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100000)

1 引言

三相異步電機結構簡單，制造方便，運行性能好，價格便宜，因此得到了廣泛應用。電機試驗是利用儀器、儀表及有關設備，按照相關標準的規定，對電機制造過程中形成的半成品和成品的電氣性能、力學性能、安全系數及可靠性等技術指標進行檢驗[1，2]。

為了實現對異步電機牽引和制動性能快速檢測，本文設計了一套電機牽引制動試驗測試系統，通過軟件設計實現對試驗的控制和測試數據的顯示并繪制特性曲線，將數據進行存儲和管理，最后打印實驗報告，實現了從數據的采集、處理分析至最終試驗報告的生成的自動化檢測方法。

2 電機試驗平臺的結構及功能

試驗系統主要由2臺小功率異步電機、2臺變頻器、三相電源和控制系統組成。如圖1所示。

圖1 系統主電路及測控子系統電路

試驗機組由兩臺三相異步電動機組成，其中0#電機為被試機，1#電機為陪試機。

當牽引逆變器控制的三相異步電動機拖動負荷特性可調節的作發電機運行的異步電動機運行時，系統可對電動車輛的牽引工況進行模擬試驗。

當對交流牽引電機進行電氣制動實驗時，作為發電機運行的異步電動機在牽引逆變器控制下按電氣制動特性運行時，可對電動車輛的再生制動工況進行模擬試驗[3]。

3 電機試驗平臺的硬件設計

電機牽引及制動試驗平臺主要由電機測試系統電氣柜、試驗機組、試驗機組平臺、系統操縱控制柜等組成，通過對以上設備的有效控制，構成了交流電機牽引、電氣制動及模擬負載系統。

3.1 試驗機組

為了便于試驗平臺的建立，本設計采用低功率電機(圖2)。因此，交流牽引電機性能測試系統的主要指標如下。

圖2 交流牽引電機測試實驗機組

(1)直流環節電壓：DC700 V。

(2)牽引電機額定電壓：550 V。

(3)牽引電機額定轉速：1176 r/min。

(4)牽引電機額定頻率：40 Hz。

(5)牽引電機額定電流：20 A。

(6)機組功率：15 kW。

(7)再生制動功率：15 kW。

3.2 電源系統

試驗系統的電源采用交流380 V電壓，而試驗機組所需電壓為交流550 V，本文采用變頻器進行電壓變換，以適應不同電機對電壓的需求。對于變頻器的選擇，通常從輸出容量、額定輸出電流和最大適用電機容量三方面考慮，其中額定輸出電流是最重要的因素，它應大于電機可能出現的最大電流[4～6]。連續恒載運行時，變頻器所需容量可如下式計算：

(1)

(2)

PCN≥kIM

(3)

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

本試驗系統中，選擇安川重負載高性能變頻器H1000。該變頻器通過內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

3.3 加載系統

本試驗系統從操作簡單、控制方便、精度高、成本低和能耗小等方面考慮，選擇2臺電機對拖加載回饋的方案。機組由2臺型號相同的異步電機組成，分別為被試機和陪試機。0#被試機采用轉矩控制，1#陪試機采用轉速控制，因此被試機和陪試機變頻器的控制模式均選擇帶PG矢量控制模式。

在電機牽引試驗過程中，0#被試機工作于電動機工況，1#陪試機工作于發電機工況。處于發電工況的1#陪試機產生的電能通過逆變器直流環節反饋給處于電動機工況的0#被試機從而構成能量循環試驗系統。

在電機制動試驗過程中，0#被試機工作于發電機工況，1#陪試機工作于電動機工況。處于發電工況的0#被試機產生的電能通過逆變器直流環節反饋給處于電動機工況的1#陪試機從而構成能量循環試驗系統。

被試電機的轉矩控制采用轉矩給定與PI控制器輸出相疊加的混合式控制方式，如圖3所示。被試電機的轉矩設定不應超過變頻器的最大轉矩，同時，通過轉矩傳感器將被試電機的實際轉矩傳遞給PI控制器，從而完成PI控制器的輸出與給定轉矩值相疊加的混合式轉矩控制方式。此種控制方式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快[7]。

圖3 被試機轉矩控制框圖

被試機和陪試機的控制均采用模擬信號，即通過電壓實施控制。由S1、SG控制逆變器的運行或停止。

3.4 試驗系統的數據采集與控制

試驗數據采集系統以計算機為核心，由電流傳感器、電壓傳感器、轉速傳感器及相應的信號調理系統以及數據采集器組成。為了實現三相電壓和三相電流的同步采集，本系統采用集成多路A/D轉換通道的P89LPC938。試驗的數據采集系統是通過RS-485接口將采集到的電流、電壓、頻率及速度、轉矩等數據上傳至上位機，并在組態界面實時監控試驗結果。

由于檢測電路受周圍環境的影響，所以檢測電路要有必要的抗干擾設計來提高檢測電路的可靠性。對傳感器輸出的模擬信號，首先將信號經由射極跟隨器以提高信號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中的高頻成分，除去高頻干擾信號。

同時，為了實現電機的矢量控制，將傳感器采集到的數字信號傳遞給變頻器的采集卡，通過變頻器實現被試機與陪試機的帶 PG 的矢量控制。

采用PCI 6010提供模擬輸入、模擬輸出、數字I/O和計數器/定時器I/O，使用37針D SUB連接器，可將設備連接到許多可用的D SUB組件。

控制系統由上位機(工控機)、下位機和控制裝置組成。上位機采用MCGS組態軟件進行現場監控；下位機采用三菱可編程序邏輯控制器PLC控制。上位機(工控機)通過串行接口與下位機的控制器PLC相連，并通過PLC控制工作過程。整個工作構成了一個智能化電機測試系統[ 8～12](圖4)。

圖4 系統組成框圖

4 電機牽引制動試驗平臺的軟件設計

試驗平臺的軟件設計包括主程序設計和測試程序設計。如圖5、圖6所示。

圖5 系統軟件主程序

圖6 系統軟件測試程序

5 牽引制動試驗

在交流牽引電機的牽引特性試驗中，試驗機組中0#電機為被試機，1#電機為陪試機，兩逆變器直流環節并聯。0#被試機工作于電動機工況，1#陪試機工作于發電機工況。在實驗過程中，處于發電工況電機產生的電能通過逆變器直流環節反饋給處于電動機工況的電機從而構成能量循環試驗統。在交流牽引電機的制動特性試驗中， 0#被試機工作于發電機工況，1#陪試機工作于電動機工況。在實驗過程中，處于發電工況電機產生的電能通過逆變器直流環節反饋給處于電動機工況的電機從而構成能量循環試驗系統。

在交流牽引電機的試驗中，系統會逐個狀態進行數據采集，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 交流牽引電機牽引特性曲線

圖8 交流牽引電機制動特性曲線

6 結論

通過電機牽引制動試驗系統可對電機特性進行快速、準確的檢測，以判斷電機性能的好壞。提高了效率，節約了時間，而且測試系統的能耗比遠遠低于傳統實驗系統的能耗比，節約能量。該系統雖然以小功率電機作為試驗對象，但通過對變頻器參數和模式的設定，可對不同類型的電機進行準確、有效的試驗，具有良好的通用性，降低了企業對不同電機牽引、制動試驗的成本。