交直流轮对电机跑合试验台控制系统设计

张春红

（江苏联合职业技术学院 常州铁道分院，江苏 常州 213011）

1 概述

轮对是车辆行走的重要部件。轮对电机总成作为机车转向架上最重要的组成部分,由车轴、轮对、牵引电机、齿轮箱、轴承等组成。其性能直接决定了机车以及机车后方运行列车的安全。在转向架总组装之前要对机车轮对电机总成进行跑合试验,跑合试验有以下功能：①轴箱匀脂；②齿轮箱齿轮磨合；③测试牵引电机轴承温升值、振动值；④测试轮对轴承温升值、振动值；⑤测试齿轮箱温升值、振动值；⑥测试轮对实时转速；

通过以上参数的采集测量,判断机车轮对内部齿轮以及轴承的安装是否正常，是否符合安装要求。

2 系统总体设计思路

试验台设计考虑到效率问题,将台位设计为三工位，可以进行单轴试验,也可同时三轴试验。系统框图如图1所示。三相交流电源经变频器和直流驱动器后，输出的电压驱动轮对电机旋转。轮对跑合过程中，采用工控机作为输入、输出控制和数据处理的核心单元。工控机采集的输入信号有转速信号（每轴1路）)、振动信号（(每轴6路）)、温度信号（每轴6路）。同时工控机输出模拟量调节信号，控制电机自动调速功能。

图1 系统框图

3 数据采集系统

数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。下面以振动信号采集系统为例进行介绍。

对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。该传感器最主要的权衡因素是重量、频率响应和灵敏度。选择内装微型IC放大器的LC0156T压电加速度传感器。内装IC需要恒流源供电，典型值为24VDC、4mA，并不是电子仪器通常具备的恒压源供电。需要对信号调理而设计，选择LC0212信号调理器，其电路如图2所示。

图2 LC0156T与LC0212原理图

调理后的振动模拟信号并不能直接通过仪表或通信接口被计算机所接受。需要对数据进行采集，这里采用数据采集模块方式。采集模块根据传感信号类型和传感器区域分布情况设置多个采集模块来实现不同数据的采集，各个采集模块通过主通信模块与计算机相连，组成分布式的数据采集系统。振动信号采集模块选用ADAM-4017+。ADAM-4017+是16位A/D 8通道的模拟量输入模块，可以采集电压、电流等模拟量输入信号。其方案电路如图3所示。

图3 振动数据采集模块方案

4 交直流传动系统

对于交直流传动系统设计，首要考虑的问题是空载跑合，元件功率的选择，既要求保证能够驱动设备达到稳定运行要求的水平，同时不造成功率浪费。总体技术参数如下。

工作电源：3相380V交流；工作环境温度：-10℃～43℃；抗震等级：Ⅵ；

输出直流电压DC0～300V；输出直流电流DC0～300A；3组；

输出交流电压AC0～400V；输出交流电流AC0～205A；输出交流输出功率110k W；频率0～180Hz；3组；

方案设计中交流传动系统采用变频器、直流传动系统采用直流调速装置，同时需要PLC配合控制两传动系统的手动和自动两种模式。

4.1 变频器设计

机车整个传动属于恒转矩负载。恒转矩负载就是在负载一定的情况下负载阻转矩不变，在负载变化时其转矩仍然是随负载变化的。从理想的角度来说，对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应采用具有转矩控制功能的高性能变频器6SE6440。

以HXN5牵引电机型号5GEB32B1为例，其额定电压626V（基波有效值），额定电流760A（基波有效值）。由于电机近似空载运行，实际工作中将它设在AC380V电压等级上。轮对电机空载运行时，定子三相绕组中通过的电流是空载电流。一般大中型电动机的空载电流约为额定电流的20%－40%。如空载电流选额定电流的40%，即I空=0.4×760A=304A,选300A。因此电机空载运行的功率是P=1.732×U×I×cosφ,其中cosφ为功率因数，是0到1之间的数值，电动机一般为0.75到0.85，即P=1.732×380×300×0.75=148086W。为了不浪费功率，推定变频器功率110k W可以满足。变频器作为交流牵引电机试验的电源,需要设置参数，涉及参数有命令参数组（CDS），以及与电机、负载相关的驱动参数组（DDS）。

4.2 直流调速装置设计

由于直流电气传动技术已比较成熟，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。特别是当前现场总线技术在工业领域的普及和发展，就更加确立了数字控制的主导地位。选择6RA70系列调速装置为三相交流电源直接供电的全数字晶闸管整流控制装置，由可控的电枢、励磁晶闸管整流模块及全数字调节系统组成。

由于直流牵引电机为串励电机，为了使跑合试验环境与实际环境更相近，试验中直流电机也采用串励供电方式。电机的正反向运转是通过接触器换向，改变励磁回路的正反极性。为了达到更高的精度，通过调节以下系统参数。由于直流牵引电机各自参数都不一样。所以在设这些参数的时候往往选大一点数值。6RA70主要参数设置如下：P083=2（速度实际值由脉冲编码器提供）；P140=1（脉冲编码器类型）；P141=1024（脉冲数/转）；P142=1（15V信号电压）；P143=3000最大运行速度（转/分）；P051=25（开始 电枢和励磁的预控制以及电流调节器的优化运行）；P051=26（开始 速度调节器的优化运行）。

5 智能测控系统

测控系统采用工控机IPC－610H，配上串口通讯卡PCI1622cu，可以采集来自现场的各路信号，包括电压、电流、转速、温度、振动加速度等。所有现场信号均通过RS485通讯方式，其优点是接线简单，信号线屏蔽抗干扰能力强。

5.1 测控系统工程组态

随着工业控制要求的不断提高，专门用于工业控制的组态软件应运而生。MCGS（Monitorand ControlGenerated System，监视与控制通用系统）是用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。

以运行策略为例，运行策略使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制各用户窗口的打开、关闭以及设备构件的工作状态，以及通过编程可达到较复杂的控制要求。数据采集循环脚本程序如下。

图4 DF11G机车电机编号1106E3090跑合数据

5.2 控制系统调试与运行

在完成软件组态、设备连接、PLC程序设计以后，可以进行试验的组态监控。利用MCGS强大的组态功能，可以进行数据显示、保存、计算处理，以及将数据转换为最为直观的曲线图。图4所示是DF11G机车电机编号是1106E3090跑合数据。

利用MCGS软件运行环境实现上下位机之间的数据传输，从而实现了管理层对设备层的实时监控。实践证明整个数据采集非常顺畅，能满足各种工况试验需求公司反映良好。

6 结束语

机车轮对电机跑合试验台交付运行已有半年多，运行状况正常。满足了DF系列内燃机车/SS系列电力机车/HXN5交流传动机车/DF8CJ等机车。本装置具有良好的人机交互界面，操作通用性好，节省了大量的人力物力，创造了良好经济效益。

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