變頻電機測試系統

1 引言

　　電機測試是利用儀器儀表對電機產品的電氣性能、力學性能、安全性能及可靠性等技術指標進行檢測，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，確定電機是否全面達到技術要求，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。隨著變頻調速系統在動力牽引領域應用的深入，對變頻電機測試系統的要求越來越高，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的測試，諧波對電機的影響，對電機性能的分析和參數計算顯得尤為重要。

　　變頻電機測試系統就是針對變頻電源的工作特點，根據三相異步電機的試驗方法（gb／t1032-2005）和小型變頻變壓調速電動機及電源技術條件（jb/t7118－1993）中對電機試驗方法的要求，對變頻電機運行參數進行測試。該系統利用最新sinamicss120驅動控制系統實現運動控制，使用三相籠型電機作為負載設備，普通三相籠型異步電動機作為可逆發電機控制，不需專門的勵磁及勵磁調節裝置，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，在scout工程軟件下，使用simotion進行編程，實現邏輯和運算功能、工藝控制、運動控制于一體的能量回饋節能技術。

2 變頻電機試驗特點

　　變頻電機在設計上與普通三相異步電機的區別主要是電磁方面，需要解決的關鍵問題是改善電動機對非正弦波電源的適應能力，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，相應的試驗方法也有所變化。普通三相異步電機試驗內容主要包括：空載試驗、堵轉試驗、負載試驗、耐壓試驗、溫升試驗等。根據國家標準的規定，變頻電機測試主要在負載試驗環節和溫升試驗環節進行了調整，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，所以這對自動測試系統提出更高的要求。以負載試驗為例，需將電機調至5、15、30、50hz的頻率下測取電動機的額定轉矩、110%額定轉矩、80%額定轉矩各點處的轉矩，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矩值。

3 系統構成

　　3.1 控制方案

　　現代變頻器產品的控制技術主要有3種：脈寬調制（pwm）、矢量控制（vc）和直接轉矩控制（dtc）。在電機測試應用中，電機的轉矩和轉速是其主要的控制對象和測量參數，因此適合采用具有優異轉矩和轉速控制特性的矢量控制和直接轉矩控制變頻器。附表列出兩種控制技術的特點與性能比較。

　　矢量控制和直接轉矩控制都是已獲實際應用的高性能控制技術，矢量控制技術在轉矩動態響應速度上有所欠缺，但是能夠獲得較寬的調速范圍和連續控制，低頻段性能優于直接轉矩控制。圖1為sinamicss120單軸驅動器典型配置，它的功率模塊采用矢量控制技術實現異步電機的轉速和轉矩的精確控制。

　　3.2 能量回饋

　　電機測試的負載設備使用普通三相異步電機。傳統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非常復雜和笨重，動態特性也很差。sinamicss120多軸驅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，能夠將異步電機上吸收的能量通過電源模塊直接返回到供電電網，且對直流母線電壓進行閉環控制。對于不允許回饋的供電電網，也可以接制動單元和制動電阻來實現制動。這不僅可以節約大量的能源和試驗測試費用，也大大簡化了系統結構，提高了系統的動態響應和可靠性。

　　如圖2所示，電源通過pwm整流器整流后，經逆變器為加載電機供電。當加載電機工作在發電狀態時，電能被轉換到直流側，通過前端的pwm整流器（整流器工作在逆變狀態），將其變為交流點，并回饋電網。

sinamicss120多軸驅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矩轉速控制，實現被試電機靈活加載。

　　3.3 系統構成

　　該系統采用profibus-dp網絡連接各個控制器驅動模塊，與傳統電機測試系統相比減少了現場復雜接線、節省設備體積、提高了可靠性和精度。系統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，它是驅動系統的大腦，負責控制和協調整個驅動系統中的所有模塊，完成各軸的電流環、速度環甚至位置環的控制，并且同一塊cu320控制的各軸之間能相互交換數據。

　　alm（active linemodules），主動型電源模塊，為逆變器提供直流電壓。alm能夠對直流母線電壓進行調節，所以即使電網電壓波動而alm也能保持整流母線電壓的穩定。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。它和主控單元之間通過drive-cliq接口，進行快速數據交換。pm340單軸交流變頻器的功率模塊，內部集成電源模塊和電機模塊，控制被試電機，完成精確轉矩、速度調節。

　　電壓、電流、功率、轉矩、轉速等參數經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機根據采集的數據制作各種參數曲線，并由打印機打印。

4 結束語

　　本文給出的測試系統對變頻電機測試的同時也能夠對普通三相異步電機和同步電機進行型式試驗，測試系統操作方便、控制精度高、測量數據準確。與以往的測試系統相比，省時、高效、節省空間。該系統為今后研制電力機車用大功率的變頻牽引電機測試系統提供測試資料。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。