变频电机测试系统

1 引言

　　电机测试是利用仪器仪表对电机产品的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性等技术指标进行检测，主要分为型式试验和检查试验两大类。所谓型式试验是一种全面的性能试验，能够准确地得到电机的性能参数，确定电机是否全面达到技术要求，所以电机的型式试验对衡量电机能否正常、安全运行是非常重要的。随着变频调速系统在动力牵引领域应用的深入，对变频电机测试系统的要求越来越高，尤其在以变频器为电源的工作模式下，频率变换及各频率下电机运行参数的测试，谐波对电机的影响，对电机性能的分析和参数计算显得尤为重要。

　　变频电机测试系统就是针对变频电源的工作特点，根据三相异步电机的试验方法（gb／t1032-2005）和小型变频变压调速电动机及电源技术条件（jb/t7118－1993）中对电机试验方法的要求，对变频电机运行参数进行测试。该系统利用最新sinamicss120驱动控制系统实现运动控制，使用三相笼型电机作为负载设备，普通三相笼型异步电动机作为可逆发电机控制，不需专门的励磁及励磁调节装置，不耗费精力研制能量回馈装置，利用最新的西门子硬件技术，在scout工程软件下，使用simotion进行编程，实现逻辑和运算功能、工艺控制、运动控制于一体的能量回馈节能技术。

2 变频电机试验特点

　　变频电机在设计上与普通三相异步电机的区别主要是电磁方面，需要解决的关键问题是改善电动机对非正弦波电源的适应能力，减小高次谐波和高频电压对电机的影响。基于这些方面的改进，相应的试验方法也有所变化。普通三相异步电机试验内容主要包括：空载试验、堵转试验、负载试验、耐压试验、温升试验等。根据国家标准的规定，变频电机测试主要在负载试验环节和温升试验环节进行了调整，其他试验方法仍按照标准gb／t1032-2005中的要求进行。

　　变频电机负载试验和温升试验都要求测试电机在不同频率下的性能参数，所以这对自动测试系统提出更高的要求。以负载试验为例，需将电机调至5、15、30、50hz的频率下测取电动机的额定转矩、110%额定转矩、80%额定转矩各点处的转矩，随后分别在75、100hz的频率下测取电动机的标称功率、110%标称功率、80%标称功率各点处的功率转矩值。

3 系统构成

　　3.1 控制方案

　　现代变频器产品的控制技术主要有3种：脉宽调制（pwm）、矢量控制（vc）和直接转矩控制（dtc）。在电机测试应用中，电机的转矩和转速是其主要的控制对象和测量参数，因此适合采用具有优异转矩和转速控制特性的矢量控制和直接转矩控制变频器。附表列出两种控制技术的特点与性能比较。

　　矢量控制和直接转矩控制都是已获实际应用的高性能控制技术，矢量控制技术在转矩动态响应速度上有所欠缺，但是能够获得较宽的调速范围和连续控制，低频段性能优于直接转矩控制。图1为sinamicss120单轴驱动器典型配置，它的功率模块采用矢量控制技术实现异步电机的转速和转矩的精确控制。

　　3.2 能量回馈

　　电机测试的负载设备使用普通三相异步电机。传统的机械测功机如水力测功机、电涡流测功机及磁粉制动测功机都是将所吸收的能量以强迫风冷或循环水冷的方式消耗掉。这不仅白白浪费大量的能源，还使得整个测试系统非常复杂和笨重，动态特性也很差。sinamicss120多轴驱动器的主动型电源模块（整流模块）提供能量回馈功能，采用电机模块（逆变器）控制普三相异步电机，能够将异步电机上吸收的能量通过电源模块直接返回到供电电网，且对直流母线电压进行闭环控制。对于不允许回馈的供电电网，也可以接制动单元和制动电阻来实现制动。这不仅可以节约大量的能源和试验测试费用，也大大简化了系统结构，提高了系统的动态响应和可靠性。

　　如图2所示，电源通过pwm整流器整流后，经逆变器为加载电机供电。当加载电机工作在发电状态时，电能被转换到直流侧，通过前端的pwm整流器（整流器工作在逆变状态），将其变为交流点，并回馈电网。

sinamicss120多轴驱动器能对多台电机进行变频控制，由一套独立的整流单元和若干逆变单元构成。逆变单元连接异步电机作为加载电机，逆变单元连接到公共直流母线，如图3所示。电机模块采用矢量控制对电机进行转矩转速控制，实现被试电机灵活加载。

　　3.3 系统构成

　　该系统采用profibus-dp网络连接各个控制器驱动模块，与传统电机测试系统相比减少了现场复杂接线、节省设备体积、提高了可靠性和精度。系统主要由三个部分组成：上微机（装有wincc、step7和scout软件的pc机）、逻辑控制单元（西门子s7-300/400plc）和运动控制单元（sinamicss120驱动控制器）。如图4所示。

　　运动控制器的主控模块（controlunit）采用cu320，它是驱动系统的大脑，负责控制和协调整个驱动系统中的所有模块，完成各轴的电流环、速度环甚至位置环的控制，并且同一块cu320控制的各轴之间能相互交换数据。

　　alm（active linemodules），主动型电源模块，为逆变器提供直流电压。alm能够对直流母线电压进行调节，所以即使电网电压波动而alm也能保持整流母线电压的稳定。主控单元通过集成在alm上drive-cliq接口来对其进行控制。系统采用单轴电机模块，用来控制加载电机，并将反馈的能量通过电源模块回馈电网。它和主控单元之间通过drive-cliq接口，进行快速数据交换。pm340单轴交流变频器的功率模块，内部集成电源模块和电机模块，控制被试电机，完成精确转矩、速度调节。

　　电压、电流、功率、转矩、转速等参数经各种测试仪表进行采集，通过串口通讯交由pc机进行处理。pc机根据采集的数据制作各种参数曲线，并由打印机打印。

4 结束语

　　本文给出的测试系统对变频电机测试的同时也能够对普通三相异步电机和同步电机进行型式试验，测试系统操作方便、控制精度高、测量数据准确。与以往的测试系统相比，省时、高效、节省空间。该系统为今后研制电力机车用大功率的变频牵引电机测试系统提供测试资料。交流变频牵引机车是未来的机车动力的趋势，目前对于大功率变频电机还没有成型的试验方法和标准，具体的标准和实验方法需在今后的工作中研究加以完善。