基于Lab VIEW平台的能馈式异步电机测试系统

2012-08-03龚丽丽史利杰曾先光

铁道机车车辆 2012年5期

李涵，龚丽丽，史利杰，周杨，曾先光

（南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京210031）

目前常见的交流传动试验系统分为能量消耗型和能量互馈型两大类。其中能量互馈型试验系统采用电动—发电机对的拖动测试方式，试验时电动机的输出功率绝大部分被发电机转化为电能回馈至母线电源，因此在长期试验时可以极大地节约电能。

文中的试验系统基于Lab VIEW软件平台，监测系统的各项关键参数，并通过能量回馈方式，将被试电机的能量回馈至直流母线，电源只需要提供很小的一部分能量补充系统损耗即可，在长时间测试状态下节能效果显著。该试验系统使用NI数据采集卡实时给定逆变器转矩和转速，通过对电机参数的测量实时绘制出参数曲线，可作为电传动设备的静态及动态测试平台。

1 测试系统组成

该测试系统采用共直流母线的能量互馈方案，其结构如图1所示。系统的主要设备是两台机械轴连的异步电机以及驱动相应电机的逆变器，系统通过有源整流器将三相AC380 V变换为DC550 V作为母线电源为两台逆变器供电，制动斩波器用于在异常情况下吸收回馈能量，以保证整个系统的正常运行。

图1 试验系统结构

系统工作原理图如图2所示。Lab VIEW测控系统包括NI数据采集卡和计算机；主动前端单元，将三相交流电转为直流电；当直流电网网压超过设定值时，将启动斩波器降压。系统按照如下方法来进行试验：它包括主动前端单元、变流器、异步电机、联轴器、传感器和传感器信号处理电路、Lab VIEW测控系统。两台电机通过联轴器相连，在运行过程中其中一台电机处于电动状态，另一台处于发电状态，通过变流器控制将发电产生的能量回馈到直流电网，同时Lab VIEW测控系统监测系统中关键部位的电压、电流及电机转速、扭矩等参数，并根据测量值计算出控制参数并传递给变流器，使系统安全运行。

图2 系统原理图

系统所使用的三相交流异步电机，额定工作频率为50 Hz，额定电压为380 V，额定输出扭矩为35 Nm，额定输出功率为11 k W，定子绕组采用380 V△接法，额定电流为21.7 A，额定转速为2 930 r／min。

2 测控系统软件流程

测控系统的上位机软件使用Lab VIE W，通过NI公司的数据采集卡USB－6211，进行数据的双向高速传输。Lab VIE W是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言（G语言），它用图标、连线和框图代替传统的程序代码，可以形象地观察数据的传输过程。

试验平台主要通过Lab VIEW软件来完成电机转矩、转速参数的给定以及反馈参数的动态显示、保存等工作。图3和图4分别为软件的数据给定流程和数据保存流程，经过该流程，采样得到的转矩和转速数据将保存到TXT文本中用于后期分析。

图3 数据给定流程

图4 数据保存流程

3 试验结果

为验证能量回馈方案的可行性，试验系统采用两个11 k W的两极异步电机分别作为电动机和发电机，并与两台矢量控制型逆变器相匹配进行测试。电动机侧的逆变器为转速控制方式，发电机侧的逆变器为转矩控制方式，用于产生负载转矩。

试验测试结果如图5～图8所示。通过空载和带载测试结果可以看出，电动机可以按照给定的转速曲线进行速度跟踪，由于转速是闭环控制，电机负载变化对转速跟踪的影响较小。

图5 给定转速曲线

图6 空载输出转速曲线

图7 负载5 Nm时输出转速曲线

图8 负载15 Nm时输出转速曲线

图9为闭环、15 Nm负载状态下给定转速与电机实际转速的采样对比图，曲线0为给定转速，曲线1为电机实际转速采样值，从图9可以看出电机实际转速跟踪给定转速，转速曲线基本重合。

图9 15 Nm负载输出转速对比曲线

转速给定为2 500 r／min时，测量不同负载情况下的电机电流，如表1所示。由表中数据可知随着负载的增大，回馈电流随之增大。负载时，牵引电机处于电动状态从电网吸收能量，而负载电机处于发电状态将机械能转换为电能回馈到公共直流母线，再通过有源前端逆向工作将能量回馈给电网。表1中的总电流为直流母线上实际流过的电流，也即直流母线上消耗掉的电流。在加载15 Nm、2 500 r／min时550 V的母线电流仅消耗3.2 A，功耗合计为1.76 k W。牵引电机输入电能与负载电机输出电能之差，并忽略电机的机械损耗以及定子铁损和转子铜耗造成的非线性功耗，可以认为该功率即为电网对整个系统输入的能量。