變頻電機測試系統(tǒng)

1 引言

　　電機測試是利用儀器儀表對電機產(chǎn)品的電氣性能、力學性能、安全性能及可靠性等技術(shù)指標進行檢測，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，能夠準確地得到電機的性能參數(shù)，確定電機是否全面達到技術(shù)要求，所以電機的型式試驗對衡量電機能否正常、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運行參數(shù)的測試，諧波對電機的影響，對電機性能的分析和參數(shù)計算顯得尤為重要。

　　變頻電機測試系統(tǒng)就是針對變頻電源的工作特點，根據(jù)三相異步電機的試驗方法（gb／t1032-2005）和小型變頻變壓調(diào)速電動機及電源技術(shù)條件（jb/t7118－1993）中對電機試驗方法的要求，對變頻電機運行參數(shù)進行測試。該系統(tǒng)利用最新sinamicss120驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制，使用三相籠型電機作為負載設(shè)備，普通三相籠型異步電動機作為可逆發(fā)電機控制，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 變頻電機試驗特點

　　變頻電機在設(shè)計上與普通三相異步電機的區(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的影響。基于這些方面的改進，相應(yīng)的試驗方法也有所變化。普通三相異步電機試驗內(nèi)容主要包括：空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、負載試驗、耐壓試驗、溫升試驗等。根據(jù)國家標準的規(guī)定，變頻電機測試主要在負載試驗環(huán)節(jié)和溫升試驗環(huán)節(jié)進行了調(diào)整，其他試驗方法仍按照標準gb／t1032-2005中的要求進行。

　　變頻電機負載試驗和溫升試驗都要求測試電機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。以負載試驗為例，需將電機調(diào)至5、15、30、50hz的頻率下測取電動機的額定轉(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的標稱功率、110%標稱功率、80%標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）。在電機測試應(yīng)用中，電機的轉(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)異步電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。

　　3.2 能量回饋

　　電機測試的負載設(shè)備使用普通三相異步電機。傳統(tǒng)的機械測功機如水力測功機、電渦流測功機及磁粉制動測功機都是將所吸收的能量以強迫風冷或循環(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，采用電機模塊（逆變器）控制普三相異步電機，能夠?qū)惒诫姍C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)逆變器為加載電機供電。當加載電機工作在發(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)動器能對多臺電機進行變頻控制，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作為加載電機，逆變單元連接到公共直流母線，如圖3所示。電機模塊采用矢量控制對電機進行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)被試電機靈活加載。

　　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)電機測試系統(tǒng)相比減少了現(xiàn)場復雜接線、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（裝有wincc、step7和scout軟件的pc機）、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，負責控制和協(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接口來對其進行控制。系統(tǒng)采用單軸電機模塊，用來控制加載電機，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模塊，控制被試電機，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)各種測試儀表進行采集，通過串口通訊交由pc機進行處理。pc機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)制作各種參數(shù)曲線，并由打印機打印。

4 結(jié)束語

　　本文給出的測試系統(tǒng)對變頻電機測試的同時也能夠?qū)ζ胀ㄈ喈惒诫姍C和同步電機進行型式試驗，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)為今后研制電力機車用大功率的變頻牽引電機測試系統(tǒng)提供測試資料。交流變頻牽引機車是未來的機車動力的趨勢，目前對于大功率變頻電機還沒有成型的試驗方法和標準，具體的標準和實驗方法需在今后的工作中研究加以完善。