基于Lab VIEW平臺的能饋式異步電機(jī)測試系統(tǒng)

李 涵，龔麗麗，史利杰，周 楊，曾先光

（南車 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

目前常見的交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)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(yàn)系統(tǒng)采用電動—發(fā)電機(jī)對的拖動測試方式，試驗(yàn)時(shí)電動機(jī)的輸出功率絕大部分被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能回饋至母線電源，因此在長期試驗(yàn)時(shí)可以極大地節(jié)約電能。

文中的試驗(yàn)系統(tǒng)基于Lab VIEW軟件平臺，監(jiān)測系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，并通過能量回饋方式，將被試電機(jī)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(bǔ)充系統(tǒng)損耗即可，在長時(shí)間測試狀態(tài)下節(jié)能效果顯著。該試驗(yàn)系統(tǒng)使用NI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)給定逆變器轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，通過對電機(jī)參數(shù)的測量實(shí)時(shí)繪制出參數(shù)曲線，可作為電傳動設(shè)備的靜態(tài)及動態(tài)測試平臺。

1 測試系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)采用共直流母線的能量互饋方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主要設(shè)備是兩臺機(jī)械軸連的異步電機(jī)以及驅(qū)動相應(yīng)電機(jī)的逆變器，系統(tǒng)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(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。Lab VIEW測控系統(tǒng)包括NI數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；主動前端單元，將三相交流電轉(zhuǎn)為直流電；當(dāng)直流電網(wǎng)網(wǎng)壓超過設(shè)定值時(shí)，將啟動斬波器降壓。系統(tǒng)按照如下方法來進(jìn)行試驗(yàn)：它包括主動前端單元、變流器、異步電機(jī)、聯(lián)軸器、傳感器和傳感器信號處理電路、Lab VIEW測控系統(tǒng)。兩臺電機(jī)通過聯(lián)軸器相連，在運(yùn)行過程中其中一臺電機(jī)處于電動狀態(tài)，另一臺處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器控制將發(fā)電產(chǎn)生的能量回饋到直流電網(wǎng)，同時(shí)Lab VIEW測控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中關(guān)鍵部位的電壓、電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，并根據(jù)測量值計(jì)算出控制參數(shù)并傳遞給變流器，使系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)所使用的三相交流異步電機(jī)，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(zhuǎn)速為2 930 r／min。

2 測控系統(tǒng)軟件流程

測控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件使用Lab VIE W，通過NI公司的數(shù)據(jù)采集卡USB－6211，進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向高速傳輸。Lab VIE W是目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，是虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語言（G語言），它用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，可以形象地觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程。

試驗(yàn)平臺主要通過Lab VIEW軟件來完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)的給定以及反饋參數(shù)的動態(tài)顯示、保存等工作。圖3和圖4分別為軟件的數(shù)據(jù)給定流程和數(shù)據(jù)保存流程，經(jīng)過該流程，采樣得到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)將保存到TXT文本中用于后期分析。

圖3 數(shù)據(jù)給定流程

圖4 數(shù)據(jù)保存流程

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證能量回饋方案的可行性，試驗(yàn)系統(tǒng)采用兩個11 k W的兩極異步電機(jī)分別作為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)，并與兩臺矢量控制型逆變器相匹配進(jìn)行測試。電動機(jī)側(cè)的逆變器為轉(zhuǎn)速控制方式，發(fā)電機(jī)側(cè)的逆變器為轉(zhuǎn)矩控制方式，用于產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

試驗(yàn)測試結(jié)果如圖5～圖8所示。通過空載和帶載測試結(jié)果可以看出，電動機(jī)可以按照給定的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行速度跟蹤，由于轉(zhuǎn)速是閉環(huán)控制，電機(jī)負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速跟蹤的影響較小。

圖5 給定轉(zhuǎn)速曲線

圖6 空載輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖7 負(fù)載5 Nm時(shí)輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖8 負(fù)載15 Nm時(shí)輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖9為閉環(huán)、15 Nm負(fù)載狀態(tài)下給定轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的采樣對比圖，曲線0為給定轉(zhuǎn)速，曲線1為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣值，從圖9可以看出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速曲線基本重合。

圖9 15 Nm負(fù)載輸出轉(zhuǎn)速對比曲線

轉(zhuǎn)速給定為2 500 r／min時(shí)，測量不同負(fù)載情況下的電機(jī)電流，如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知隨著負(fù)載的增大，回饋電流隨之增大。負(fù)載時(shí)，牽引電機(jī)處于電動狀態(tài)從電網(wǎng)吸收能量，而負(fù)載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(wǎng)。表1中的總電流為直流母線上實(shí)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(shí)550 V的母線電流僅消耗3.2 A，功耗合計(jì)為1.76 k W。牽引電機(jī)輸入電能與負(fù)載電機(jī)輸出電能之差，并忽略電機(jī)的機(jī)械損耗以及定子鐵損和轉(zhuǎn)子銅耗造成的非線性功耗，可以認(rèn)為該功率即為電網(wǎng)對整個系統(tǒng)輸入的能量。

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了能饋式交流電傳動試驗(yàn)平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并組建了相應(yīng)的軟硬件平臺，驗(yàn)證了雙機(jī)直流能量互饋方案的可行性，結(jié)果表明該種方案能夠明顯減少測試電能的消耗，節(jié)能效果明顯。

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