小功率电梯曳引机试验系统设计

2023-08-09李怀珍

中国特种设备安全 2023年7期

李怀珍

（1.上海电科电机科技有限公司上海 200063）

（2.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司上海 200063）

1 问题的引出

原实验室有2 套采用“变频电源-变频调速电机-变速箱”结构的测功机台架，试验能力主要集中在功率段4 ～22 kW、扭矩500 ～2 000 N.m 范围内的外转子永磁同步无齿轮曳引机。随着公司新产品的开发，尤其是钢带曳引机等小功率曳引机的投入测试，原测功机台架试验能力矛盾凸显，主要表现有：

1）原台架采用了变速箱结构和固定式1 000 N.m、2 000 N.m 转矩转速传感器，致使试验过程中负载调整率较大，在进行小功率曳引机试验时转矩波动达10 ～20 N.m，严重影响采集测量数据的稳定性，致使进一步性能分析存在较大的偏差。

2）通过与型检机构试验对比分析，台架基于转速差的对拖测试法试验，在原理上采用连续工作制等效负载的方法试验[1]，在试验方法上与主机实际工作制有较大差异，数据对比也有一定出入。

3）原台架主要用于较大功率的主机试验，中心高偏高，在进行钢带曳引机试验时需要垫高很多，不仅安装不便，试验过程中也存在较大的安全隐患。

基于以上问题，实验室针对小功率曳引机的试验台架设计提出了改进意见：

1）采用加载电机直驱方式减小负载调整率，针对不同扭矩的曳引机试验可灵活选择转矩转速传感器测量。

2）能够模拟曳引机实际工况，且在数据存在异议时方便对等效负载方式和直接负载方式试验数据进行比对。

2 测试需求及设计分析

根据测试规划，本电梯曳引机试验系统主要用于0.75～5.5 kW功率范围内的小功率钢带曳引机的空载、负载、温升和反向电动势试验，试验曳引机主要技术参数见表1。

表1 试验曳引机主要技术参数

传统实验室内进行曳引机测试方法主要是采用磁粉制动器方案的能耗法和电功率闭环的对拖测试法。采用磁粉制动器适合低速加载试验，加载能量以发热的形式消耗，能够比较容易地模拟曳引机的工况[2]；对拖测试法能够进行高、低速的电机试验，加载能量通过电功率闭环的方式回收再利用，适用于连续工作制的电机试验，在大功率电机试验时节能效果明显，应用非常普遍，然而模拟曳引机工况则比较难以实现[3]。

基于测试需求，本试验系统既希望保留传统的对拖测试法的优点，如反拖试验方便，又希望能够较为真实地模拟曳引机的工况，因而在系统设计中进行了特殊的设计以兼容2 种试验方式，以下对本试验系统做详细介绍。

3 总体结构及原理

3.1 系统架构

电梯曳引机试验系统集控制单元、驱动单元、加载单元、测量单元和机械结构于一体，系统架构如图1 所示。

图1 系统架构

控制单元用于系统输出、保护等工况的控制；驱动单元用于驱动试验曳引机按照预设工况运行；加载单元用于对试验曳引机进行加载或反拖；测量单元用于试验过程中的电参数和非电参数的测量。

3.2 电气组成

基于试验需求，设计电梯曳引机试验系统电气原理图如图2 所示，包括断路器、驱动单元U1.0、变频电源U1.1、控制器U1.2、低压宽频测量单元CT、接线箱等部分。

图2 电气原理图

3.3 机械结构

电梯曳引机试验系统机械结构部分由试验电梯曳引机、转矩转速传感器、加载电机、磁粉制动器等部分组成，机械结构安装示意图如图3 所示，试验曳引机、转矩转速传感器、加载电机和磁粉制动器通过联轴器同轴连接，并通过机械工装固定安装在试验平台上。设计上采用转矩转速传感器和传感器底座分立式的方式，方便不同量程传感器的更换；采用加载电机直驱方式进行加载，从而避免应用变速箱导致的负载调整率过大和数据稳定性差的问题。

图3 机械结构安装示意图

4 系统硬件组成及选型

4.1 驱动单元

本试验系统主要用于小功率永磁同步无齿轮钢带曳引机试验，曳引机常用编码器规格有海德汉ERN1387、ECN1313。市场常用电梯变频器的编码器的接入均比较单一，如默纳克NICE3000 系列变频器支持ERN1387，不支持ECN1313[4]，富士FRENIC-LIFT 系列变频器支持ECN1313，而不支持ERN1387[5]，试验时需要反复替换驱动变频器或更换曳引机编码器。

通过检索和调研，台达VFD-ED 变频器支持多种主流编码器型式[6]，如ABZ、ABZ+UVW、SIN/COS、SIN/COS+Endat2.1，其通过1 块EMED-PGHSD-1 回授卡即可实现曳引主机常用编码器ERN1387、ECN1313 的兼容。

基于此，本试验系统设计中驱动单元采用台达VFD-ED 电梯变频器，其主要技术参数见表2。

表2 变频器主要技术参数

4.2 加载单元

●4.2.1 磁粉制动器

本试验系统采用FZ400Y 型磁粉制动器，其参数如下：额定转矩为400 N.m，滑差功率为5 kW，激励电压为24 V，激励电流为0 ～2.5 A，许用转速为1 000 r/min。

控制器采用SC-1D（3A），电压输出0 ～36 V，电流输出0 ～3 A。

●4.2.2 加载电机

本试验系统加载电机采用特殊设计的双轴伸变频调速电机YVF225M-8，电机额定功率为22 kW，额定转速为740 r/min，最高转速为1 500 r/min，额定扭矩为284 N.m，恒转矩频率范围为3 ～50 Hz，恒功率范围为50～100 Hz，能够满足试验曳引机直驱加载的试验需求。

●4.2.3 变频电源

本试验系统变频电源采用380 V 系列电机试验静止变频电源，主要技术参数见表3。

表3 变频电源主要技术参数

4.3 测量单元

●4.3.1 机械参数测量

电机输出机械功率参数的测量采用JN338-A 转矩转速传感器，基本精度为0.1 级，配置100 N.m、200 N.m 和500 N.m 3 个量程传感器，满足小扭矩测量的需求。

●4.3.2 电参数测量

功率分析仪用来检测被试电机的电压、电流、频率、功率因数等电参数。系统设计选用FLUKE NORMA 4 000 功率分析仪，基本精度为0.1 级，电压测量范围为0.3 ～1 000 V，电流测量范围为0 ～20 A，测量带宽达10 MHz，能够满足曳引机低频率测量的需求。

4.4 控制单元

系统设计选用IPC-810E 工业控制计算机和西门子S7-200 系列可编程逻辑控制器（PLC）构成上、下位机系统结构。应用PLC 实现回路控制、逻辑运算、安全联锁以及输出控制等功能，是控制单元的核心部件。IPC-810E 工业控制计算机自带4 个串口，其中COM1、COM2 工作于RS-485 模式，分别与S7-200 PLC、变频静止电源进行Modbus 通信；COM3、COM4 工作于RS-232 模式，分别与转矩转速仪、功率分析仪通信采集机械参数和电参数。

5 主要工作模式和功能实现

1）试验曳引机电动状态+加载单元不工作模式。电网电源经过断路器后输入至驱动单元，驱动单元通过测量单元和接线箱后驱动试验电梯曳引机旋转，试验曳引机与加载单元断开机械连接。本工作模式下，试验曳引机工作在电动状态，加载单元断开，适用于试验曳引机的空载试验。

2）试验曳引机电动状态+加载电机发电状态+磁粉制动器不工作模式。电网电源经过断路器后输入至驱动单元，驱动单元通过测量单元和接线箱后驱动试验电梯曳引机旋转，继而带动加载电机，加载电机能量经四象限变频电源后回馈至电网，从而构成电功率闭环。本工作模式下，磁粉制动器加载回路断开，试验电梯曳引机通过转矩转速传感器与加载电机连接，试验曳引机工作在电动状态，加载电机工作在发电状态，对拖机组通过转速差的方式并机工作，能量通过交流电网回馈，适用于试验曳引机的连续工作温升试验和负载试验。

3）试验曳引机不工作+加载电机电动+磁粉制动器不工作模式。电网电源经过断路器后输入至变频电源，变频电源直接驱动负载电机旋转，继而带动试验曳引机旋转。本工作模式下，磁粉制动器加载回路断开，加载电机工作在电动状态，试验曳引机工作在发电状态，适用于试验曳引机的反向电动势试验。

4）试验曳引机电动状态+磁粉制动器加载+加载电机不工作模式。电网电源经过断路器后输入至驱动单元，驱动单元通过测量单元和接线箱后驱动试验电梯曳引机旋转，继而带动加载电机和磁粉制动器旋转，通过调节磁粉制动器励磁电流进行加载试验，加载能量通过磁粉制动器冷却系统消耗掉。本工作模式下，加载电机回路断开，试验电梯曳引机通过转矩转速传感器与加载电机连接，试验曳引机工作在电动状态，加载电机不工作，适用于试验曳引机的断续工作模拟温升试验和负载试验。

6 试验验证

系统建成后对多台产品进行了性能测试，试验系统现场见图4。选用某钢带机作为样机进行试验，样机主要参数如下：额定功率为2.2 kW，额定电压为400 V，额定电流为7.8 A，额定转速为201 r/min，额定频率为23.5 Hz，极对数为7，工作制为S3-40%。主要试验数据对比情况见表4，对比可见，试验数据与设计数据较好吻合，解决了原测功机台架测试数据偏差过大的问题，能够满足小功率曳引机的试验需求。

图4 试验系统现场图

通过本系统对该钢带机采用S1工作等效负载（63.2%PN）的方式进行了温升试验，试验结果见表5，比较表4、表5 两种试验方式的温升试验数据可见，采用S3（40%）试验方式温升试验结果略高于S1工作等效负载温升试验结果，除试验条件等不可控因素外，试验过程中钢带曳引机启动次数频繁、加减速时间长短等因素也会导致温升试验结果偏高。