變頻電機(jī)測試系統(tǒng)

1 引言

　　電機(jī)測試是利用儀器儀表對電機(jī)產(chǎn)品的電氣性能、力學(xué)性能、安全性能及可靠性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，主要分為型式試驗和檢查試驗兩大類。所謂型式試驗是一種全面的性能試驗，能夠準(zhǔn)確地得到電機(jī)的性能參數(shù)，確定電機(jī)是否全面達(dá)到技術(shù)要求，所以電機(jī)的型式試驗對衡量電機(jī)能否正常、安全運行是非常重要的。隨著變頻調(diào)速系統(tǒng)在動力牽引領(lǐng)域應(yīng)用的深入，對變頻電機(jī)測試系統(tǒng)的要求越來越高，尤其在以變頻器為電源的工作模式下，頻率變換及各頻率下電機(jī)運行參數(shù)的測試，諧波對電機(jī)的影響，對電機(jī)性能的分析和參數(shù)計算顯得尤為重要。

　　變頻電機(jī)測試系統(tǒng)就是針對變頻電源的工作特點，根據(jù)三相異步電機(jī)的試驗方法（gb／t1032-2005）和小型變頻變壓調(diào)速電動機(jī)及電源技術(shù)條件（jb/t7118－1993）中對電機(jī)試驗方法的要求，對變頻電機(jī)運行參數(shù)進(jìn)行測試。該系統(tǒng)利用最新sinamicss120驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制，使用三相籠型電機(jī)作為負(fù)載設(shè)備，普通三相籠型異步電動機(jī)作為可逆發(fā)電機(jī)控制，不需專門的勵磁及勵磁調(diào)節(jié)裝置，不耗費精力研制能量回饋裝置，利用最新的西門子硬件技術(shù)，在scout工程軟件下，使用simotion進(jìn)行編程，實現(xiàn)邏輯和運算功能、工藝控制、運動控制于一體的能量回饋節(jié)能技術(shù)。

2 變頻電機(jī)試驗特點

　　變頻電機(jī)在設(shè)計上與普通三相異步電機(jī)的區(qū)別主要是電磁方面，需要解決的關(guān)鍵問題是改善電動機(jī)對非正弦波電源的適應(yīng)能力，減小高次諧波和高頻電壓對電機(jī)的影響。基于這些方面的改進(jìn)，相應(yīng)的試驗方法也有所變化。普通三相異步電機(jī)試驗內(nèi)容主要包括：空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、負(fù)載試驗、耐壓試驗、溫升試驗等。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，變頻電機(jī)測試主要在負(fù)載試驗環(huán)節(jié)和溫升試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整，其他試驗方法仍按照標(biāo)準(zhǔn)gb／t1032-2005中的要求進(jìn)行。

　　變頻電機(jī)負(fù)載試驗和溫升試驗都要求測試電機(jī)在不同頻率下的性能參數(shù)，所以這對自動測試系統(tǒng)提出更高的要求。以負(fù)載試驗為例，需將電機(jī)調(diào)至5、15、30、50hz的頻率下測取電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、110%額定轉(zhuǎn)矩、80%額定轉(zhuǎn)矩各點處的轉(zhuǎn)矩，隨后分別在75、100hz的頻率下測取電動機(jī)的標(biāo)稱功率、110%標(biāo)稱功率、80%標(biāo)稱功率各點處的功率轉(zhuǎn)矩值。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

　　3.1 控制方案

　　現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的控制技術(shù)主要有3種：脈寬調(diào)制（pwm）、矢量控制（vc）和直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）。在電機(jī)測試應(yīng)用中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是其主要的控制對象和測量參數(shù)，因此適合采用具有優(yōu)異轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制特性的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。附表列出兩種控制技術(shù)的特點與性能比較。

　　矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都是已獲實際應(yīng)用的高性能控制技術(shù)，矢量控制技術(shù)在轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度上有所欠缺，但是能夠獲得較寬的調(diào)速范圍和連續(xù)控制，低頻段性能優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制。圖1為sinamicss120單軸驅(qū)動器典型配置，它的功率模塊采用矢量控制技術(shù)實現(xiàn)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。

　　3.2 能量回饋

　　電機(jī)測試的負(fù)載設(shè)備使用普通三相異步電機(jī)。傳統(tǒng)的機(jī)械測功機(jī)如水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)及磁粉制動測功機(jī)都是將所吸收的能量以強迫風(fēng)冷或循環(huán)水冷的方式消耗掉。這不僅白白浪費大量的能源，還使得整個測試系統(tǒng)非常復(fù)雜和笨重，動態(tài)特性也很差。sinamicss120多軸驅(qū)動器的主動型電源模塊（整流模塊）提供能量回饋功能，采用電機(jī)模塊（逆變器）控制普三相異步電機(jī)，能夠?qū)惒诫姍C(jī)上吸收的能量通過電源模塊直接返回到供電電網(wǎng)，且對直流母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。對于不允許回饋的供電電網(wǎng)，也可以接制動單元和制動電阻來實現(xiàn)制動。這不僅可以節(jié)約大量的能源和試驗測試費用，也大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和可靠性。

　　如圖2所示，電源通過pwm整流器整流后，經(jīng)逆變器為加載電機(jī)供電。當(dāng)加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時，電能被轉(zhuǎn)換到直流側(cè)，通過前端的pwm整流器（整流器工作在逆變狀態(tài)），將其變?yōu)榻涣鼽c，并回饋電網(wǎng)。

sinamicss120多軸驅(qū)動器能對多臺電機(jī)進(jìn)行變頻控制，由一套獨立的整流單元和若干逆變單元構(gòu)成。逆變單元連接異步電機(jī)作為加載電機(jī)，逆變單元連接到公共直流母線，如圖3所示。電機(jī)模塊采用矢量控制對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)被試電機(jī)靈活加載。

　　3.3 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)采用profibus-dp網(wǎng)絡(luò)連接各個控制器驅(qū)動模塊，與傳統(tǒng)電機(jī)測試系統(tǒng)相比減少了現(xiàn)場復(fù)雜接線、節(jié)省設(shè)備體積、提高了可靠性和精度。系統(tǒng)主要由三個部分組成：上微機(jī)（裝有wincc、step7和scout軟件的pc機(jī)）、邏輯控制單元（西門子s7-300/400plc）和運動控制單元（sinamicss120驅(qū)動控制器）。如圖4所示。

　　運動控制器的主控模塊（controlunit）采用cu320，它是驅(qū)動系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)甚至位置環(huán)的控制，并且同一塊cu320控制的各軸之間能相互交換數(shù)據(jù)。

　　alm（active linemodules），主動型電源模塊，為逆變器提供直流電壓。alm能夠?qū)χ绷髂妇€電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以即使電網(wǎng)電壓波動而alm也能保持整流母線電壓的穩(wěn)定。主控單元通過集成在alm上drive-cliq接口來對其進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用單軸電機(jī)模塊，用來控制加載電機(jī)，并將反饋的能量通過電源模塊回饋電網(wǎng)。它和主控單元之間通過drive-cliq接口，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。pm340單軸交流變頻器的功率模塊，內(nèi)部集成電源模塊和電機(jī)模塊，控制被試電機(jī)，完成精確轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)。

　　電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)經(jīng)各種測試儀表進(jìn)行采集，通過串口通訊交由pc機(jī)進(jìn)行處理。pc機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)制作各種參數(shù)曲線，并由打印機(jī)打印。

4 結(jié)束語

　　本文給出的測試系統(tǒng)對變頻電機(jī)測試的同時也能夠?qū)ζ胀ㄈ喈惒诫姍C(jī)和同步電機(jī)進(jìn)行型式試驗，測試系統(tǒng)操作方便、控制精度高、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。與以往的測試系統(tǒng)相比，省時、高效、節(jié)省空間。該系統(tǒng)為今后研制電力機(jī)車用大功率的變頻牽引電機(jī)測試系統(tǒng)提供測試資料。交流變頻牽引機(jī)車是未來的機(jī)車動力的趨勢，目前對于大功率變頻電機(jī)還沒有成型的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)，具體的標(biāo)準(zhǔn)和實驗方法需在今后的工作中研究加以完善。