CN102494820B - 一种电力测功机 - Google Patents

Abstract

一种电力测功机，包括机械传动系统和变频控制系统；所述机械传动系统包括对称布置，且同向旋转连接，正、反互相拖动两组传动子系统；每个传动子系统包括变频电机、减速机或增速机；两组传动子系统的减速机或增速机分别连接被测试旋转件和陪测试旋转件；所述被测试旋转件和陪测试旋转件柔性连接，同步转动；所述变频控制系统包括两个变频器，两个所述变频器分别与两组传动子系统的变频电机相连，两个所述变频器之间通过直流母线相连；所述变频控制系统通过所述变频器对所述变频电机进行闭环控制。本发明提供一种电力测功机，用于解决现有技术中成本高，无法实现正反拖动，能量利用率低等问题。

Description

一种电力测功机

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别涉及一种电力测功机。

背景技术

目前国际上控制旋转机械扭矩和速度的加载设备通常选用测功机，我国测功机行业制造技术水平低，性能不稳定，处于产品模仿阶段。并且动力和加载均需耗能，尤其对于载荷大、试验时间长的试验，耗能产生的费用成为企业的沉重负担。

测功机一般分为水力测功机、涡流测功机、电力测功机。

水力测功机具有低速低转矩、高速高转矩的动力特性，不适用于低速大转矩的旋转机械的试验加载，并且在转速低于一定值时会产生振动不稳定加载性能变差的缺陷。而且水力测功机不能作为反拖设备无法双向加载。另外，水力测功机由水冷却和能量转化时都要耗费能量，能量不能回收，耗能大。

涡流测功机低速加载性能较水力测功机差，不能作为反拖设备无法双向加载，水冷却和能量转化时都要耗费能量，能量不能回收，耗能大。

参见图1，现有电力测功机是电动机和发电机的组合体，启动时是电动机，消耗电能带动发动机(旋转机械)开始运转；发动机(旋转机械)运转后就转变成发电机，可以将发动机(旋转机械)的机械能转化成电能，电能还可以馈入电网加以利用。电力测功机加载虽然具有节能、低高速范围内良好的双向加载及拖动特性、瞬态加载快速响应特性、反拖特性、基建费用低等优点。但是电力测功机加载具有以下缺点：

大功率电力测功机价格昂贵一次性投入大。电力测功机是单轴输出，加载两个旋转试件时需要两个电力测功机，相当两个电动机和两个发电机。体积大并且价格高。

能量与电网组成外循环，受电网波动影响加载不稳定，能量回馈至电网冲击和污染电网，能量利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电力测功机，用于解决现有技术中成本高，无法实现正反拖动，能量利用率低等问题。

本发明提供一种电力测功机，包括机械传动系统和变频控制系统；

所述机械传动系统包括对称布置，且同向旋转连接，正、反互相拖动两组传动子系统；

每个传动子系统包括变频电机、减速机或增速机；

两组传动子系统的减速机或增速机分别连接被测试旋转件和陪测试旋转件；所述被测试旋转件和陪测试旋转件柔性连接，同步转动；

所述变频控制系统包括两个变频器，两个所述变频器分别与两组传动子系统的变频电机相连，两个所述变频器之间通过直流母线相连；

所述变频控制系统通过所述变频器对所述变频电机进行闭环控制。

优选地，与两组传动子系统相连的变频器采用同功率变频器，分别直接驱动两组传动子系统的同容量变频电机。

优选地，所述变频控制系统包括与变频器相连的可编程控制器、与所述可编程控制器相连的上位机。

优选地，所述变频控制系统包括动力驱动系统和加载控制系统；

动力驱动系统和加载控制系统均采用变频器直接驱动变频电机。

优选地，所述被测试旋转件的输出轴安装有转速传感器；所述变频器为直接转矩控制变频器；

所述变频器包括PID比较控制器，所述PID比较控制器对给定速度值及所述转速传感器采集的转速偏差信号值进行比较和差分，所述变频器根据PID比较控制器的反馈结果，控制所述变频电机的输出频率。

优选地，安装有所述陪测试旋转件的传动子系统的变频电机的轴头安装有转矩传感器；所述变频器包括PID比较控制器；

当实际速度达到给定速度值的预定比例时，加载用的变频电机给定转矩；所述PID比较控制器对所述变频电机给定的转矩给定值及所述转矩传感器采集的转矩偏差信号值进行比较和差分，所述变频器根据PID比较控制器的反馈结果控制所述变频电机的输出电流和电压。

优选地，所述给定速度值和/或，转矩给定值通过所述上位机设定。

优选地，两个所述变频器与电网之间均连接有滤波电路。

优选地，所述变频电机采用伺服电机替代，所述变频器采用伺服控制器替代。

优选地，所述直流母线并联有制动单元，用于按照预设定的时间，将所述机械传动系统制动到零速。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的电力测功机，包括机械传动系统和变频控制系统；所述机械传动系统包括对称布置，且同向旋转连接，正、反互相拖动两组传动子系统；每个传动子系统包括变频电机、减速机或增速机；两组传动子系统的减速机或增速机分别连接被测试旋转件和陪测试旋转件；所述变频控制系统包括两个变频器，两个所述变频器分别与两组传动子系统的变频电机相连，两个所述变频器之间通过直流母线相连；所述变频控制系统通过所述变频器对所述变频电机进行闭环控制。

本发明提供的电力测功机的两组传动子系统其中一台变频电机(第一台变频电机)作电动机运行，驱动被测试旋转件的运转，另一台变频电机(第二台变频电机)以发电机方式运行，作被测试旋转件的负载，产生的交流电经变频器逆变为直流电至所述直流母线，回馈机械能量至第一台变频电机。这样就组成了能量闭环。当反拖时共直流母线电能供给第二台变频电机作电动机运行，通过减速机等机械传动系统，带动被测试旋转件反转运行，第一台变频电机以发电机方式运行，作被测试旋转件的负载，产生的交流电经变频器逆变为反向的直流电，电能在闭环内循环。因此，本发明实施例提供的电力测功机可以实现正反拖动，双向加载。另外由于对称布置，使得安装尺寸较小，结构紧凑。

附图说明

图1是现有电力测功机示意图；

图2是本发明实施例所述电力测功机结构示意图；

图3是本发明实施例所述变频控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种电力测功机，用于解决现有技术中成本高，无法实现正反拖动，能量利用率低等问题。

本发明实施例所述电力测功机，包括机械传动系统和变频控制系统。

所述机械传动系统包括对称布置，且同向旋转连接，正、反互相拖动两组传动子系统——第一传动子系统和第二传动子系统。

第一传动子系统包括第一变频电机21、第一减速机31。第一减速机31也可以采用第一增速机。第一变频电机21与第一减速机31之间可以通过联轴器相连。

第二传动子系统包括第二变频电机22、第二减速机32。第二减速机32也可以采用第一增速机。第二变频电机22与第二减速机32之间可以通过联轴器相连。

两组传动子系统——第一传动子系统和第二传动子系统的第一、第二减速机31、32或第一、第二增速机分别连接被测试旋转件41和陪测试旋转件42。

第一、第二减速机31、32或第一、第二增速机分别可以通过联轴器连接被测试旋转件41和陪测试旋转件42。

所述被测试旋转件41和陪测试旋转件42之间可以柔性连接，实现同步转动。

所述被测试旋转件41和陪测试旋转件42具体可以通过钢丝绳或链条或皮带实现柔性连接。

所述变频控制系统包括两个变频器——第一变频器11和第二变频器12，两个所述变频器——第一变频器11和第二变频器12分别与两组传动子系统的第一、第二变频电机21、22相连，两个所述变频器——第一变频器11和第二变频器12之间通过直流母线1相连。

所述变频控制系统通过所述变频器——第一变频器11或第二变频器12对所述变频电机第一或第二变频电机21、22进行闭环控制。

本发明实施例提供的电力测功机的两组传动子系统其中一台变频电机(例如第一变频电机21)作电动机运行，驱动被测试旋转件的运转，另一台变频电机(例如第二变频电机22)以发电机方式运行，作被测试旋转件41的负载，产生的交流电经第一变频器11逆变为直流电至所述直流母线1，回馈机械能量至第一变频电机21，这样就组成了能量闭环。当反拖时共直流母线1电能供给第二台变频电机22作电动机运行，通过第二减速机32或第二加速机等机械传动系统，带动被测试旋转件41反转运行，第一台变频电机21以发电机方式运行，作被测试旋转件41的负载，产生的交流电经第二变频器21逆变为反向的直流电，电能在闭环内循环。因此，本发明实施例提供的电力测功机可以实现正反拖动，双向加载。另外由于对称布置，使得安装尺寸较小，结构紧凑。

所述第一、第二变频器11、12可以采用同功率变频器，分别直接驱动两组传动子系统的同容量的第一、第二变频电机21、22。

第一、第二变频电机21、22配备相同功率，每台变频电机的工作状况可以独立控制，因此无论电动和发电还是转速和转矩控制，可自由设定和转换，实现不同的扭矩、不同的扭矩脉冲、不同的转速、不同的转速脉冲，能够满足复杂的高精度的响应快的试验控制要求。

所述变频控制系统具体可以包括与第一变频器11和第二变频器12相连的可编程控制器2、与所述可编程控制器2相连的上位机3。

所述变频控制系统在具体控制时，可分为动力驱动系统和加载控制系统。

动力驱动系统和加载控制系统均可以采用变频器直接驱动变频电机，具体可以采用同功率变频器直接驱动同容量变频电机。

变频器的整流单元通过公共直流母线5向逆变器供电，电流再通过变频器驱动变频电机，每次试验2台变频电机同时工作，1台电机作电动运行，作为旋转部件的动力，另外1台变频电机反拖地工作(处在发电状态)用作旋转部件的负载，能量通过直流母线5(DC-BUS)传递机械能量回馈至驱动系统，机械能和电能的能量回收率高达80％，回馈至电网的能量很小，只有少部分能量需从电网补充。由控制的两变频器和正反拖的两变频电机通过试验旋转部件和陪试旋转部件的连接组成了能量闭环，提高了能量利用率。

所述变频控制系统作为动力驱动系统时，所述被测试旋转件41的输出轴可以安装有第一转速传感器51。所述第一变频器11具体可以为直接转矩控制变频器。第一转速传感器51具体可以采用转速转矩传感器。

所述第一变频器11，包括PID比较控制器，所述PID比较控制器对上位机3设置的给定速度值及第一转速传感器51采集的转速偏差信号值进行比较和差分，所述第一变频器11根据PID比较控制器的反馈结果，控制所述第一变频电机21的输出频率。所述第一变频器11具体用于控制转速精度，优选可以控制转速精度不超过额定转速的±0.10％。

所述变频控制系统作为加载控制系统时，安装有所述陪测试旋转件42的第二传动子系统的第二变频电机22的轴头安装有第二转矩传感器52。所述变频器包括PID比较控制器。第二转速传感器52具体可以采用转速转矩传感器。

当实际速度达到给定速度值的预定比例，优选为95％时，加载用的第二变频电机22给定转矩；所述PID比较控制器对所述第二变频电机22给定的转矩给定值及所述第二转矩传感器52采集的转矩偏差信号值进行比较和差分，所述变频器根据PID比较控制器的反馈结果控制所述第二变频电机22的输出电流和电压。所述第二变频器21用于控制转矩误差，优选使得转矩误差控制在最大输出转矩的±0.25％。

所述转矩给定值具体可以通过所述上位机3进行设定。

两个所述变频器——第一、第二变频器11、12与电网4之间均可以连接有滤波电路。滤波电路用于隔离上述闭环控制(能量闭环)中的能量馈入电网4，减少能量损失，同时阻止了电网4的波动对能量闭环的冲击。

所述直流母线1并联有制动单元5，用于按照预设定的时间，将所述机械传动系统制动到零速。

在机械传动系统进行急速停车时，这时存在再生能量不能在系统消化，可使制动单元5实现斩波放电，能量用电阻消耗掉，这部分消耗的能量很小。

组成对称封闭的驱动和加载的机械传动系统，结构紧凑。第一、第二变频电机21、22为四象限运转，当一个变频电机作电动机使用，另一个变频电机作为发电机使用，反向拖动亦然。第一或第二变频器11、12调节第一或第二变频电机21、22的电流控制驱动第一或第二变频电机21、22的转矩和转速，从而实现被测试旋转件41的正反向拖动试验。

现有电力测功机不能双轴输出，若实现被测试旋转件正反向旋转和正反拖动，需要两个电力测功机。本发明实施例所述电力测功机相比现有电力测功机具有更小的体积和投入。

第一、第二变频器11、12是基于快速转矩控制性能的变频器，所述变频器四象限传动模块的整流器允许以电动模式和发电模式的转换时间仅需要几ms，且转换过程连续无滞后。每台变频电机21、22的工作状况可以独立控制，因此无论电动和发电还是转速和转矩控制，根据不同实验内容，可自由设定和转换，能够实现高精度和快速响应的试验要求。

第一变频电机21(驱动电机)与第一减速机31或第一加速机的输入轴相连驱动试验旋转部件——被测试旋转件41，通过第一变频器11控制第一变频电机21的速度达到试验部件的额定转速，加载第一变频电机21与试验旋转部件——被测试旋转件41的输出轴相连，通过转矩控制给试验旋转部件——被测试旋转件41加载。第一、第二变频器11、12的控制和数据采集交换具体可以通过总线网络通讯完成。

本发明实施例所述变频控制系统具体是以PLC为主站、上位机作监控、变频器用于调速，由总线通讯的三级网络，对第一、第二变频电机21、22实现闭环控制。上位机3通过PLC 2与变频器11、12之间的数据传输来实现控制。本发明实施例所述变频控制系统采用交流矢量控制技术，可以实现对大功率的交流电机的转矩、转速精确控制。第一、第二变频器11、12的传动模块可以内置有谐波滤波器和EMC滤波器。

本发明实施例所述变频控制系统以及转矩转速传感器能够提供不同的扭矩、扭矩脉冲、转速、转速脉冲、防止旋转试件的过卷过放保护等功能。

本发明实施例所述变频控制系统具体可以包括测控系统和监控系统。

在PLC程序中调用和调节PID的参数，处理结果做为加载电机转矩限幅。在1∶1000的速度控制范围内实现从零速到200％转速的高转矩运转。即使负载发生快速变化也可以保持一定速度运转。具有50Hz的快速响应，实现拉力脉冲和速度脉冲的试验，扩展性强，改变PLC程序即可满足其它高精度、高要求的试验要求。

参见图3，测控系统和监控系统采用PLC控制器和组态软件以及上位机完成，上位机除具有动力控制系统监控功能外，还具有加载控制的人机接口，并具有整个控制系统的监控功能、故障诊断功能。

所述变频控制系统具体可以形成以PLC为主站既与上位机又与传动装置、远程终端之间采用CC-LINK协议带CC-LINK总线的三级网络通讯，并可以采用触模方式进行控制。所述变频控制系统能实现试验数据的采集、存储，试验过程的顺序控制和连续调节控制，操作人员通过人机接口可进行人机对话，修改过程参量和改变设备的运行状态，监视整个试验过程。采用总线通讯信息传递迅速，数据量大大增加，传输的可靠性提高，导线布局清晰简化，方便了施工和维护。

本发明实施例所述变频控制系统具有充分的过载能力、空载、短路和接地故障保护。

本发明实施例所述电力测功机的设备安装尺寸较小，结构紧凑，初期投资低；节能，能量回馈，能量回收率80％以上；从低速至高速的加载特性，与大多数动力机械的动力特性匹配性好。本发明实施例所述电力测功机可以实现正反拖动，双向加载。正反拖动转换响应快，变频器控制系统可以满足各种复杂和高精度的实验要求。

前文所述第一、第二变频电机21、22具体可以采用伺服电机，前文所述第一、第二变频器11、12具体可以采用伺服控制器，控制方式与前文所述相同，具体不再详述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电力测功机，其特征在于，包括机械传动系统和变频控制系统；

所述机械传动系统包括对称布置，且同向旋转连接，正、反互相拖动两组传动子系统；

每个传动子系统包括变频电机、减速机或增速机；

两组传动子系统的减速机或增速机分别连接被测试旋转件和陪测试旋转件；所述被测试旋转件和陪测试旋转件柔性连接，同步转动；

所述变频控制系统包括两个变频器，两个所述变频器分别与两组传动子系统的变频电机相连，两个所述变频器之间通过直流母线相连；

所述变频控制系统通过所述变频器对所述变频电机进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的电力测功机，其特征在于，与两组传动子系统相连的变频器采用同功率变频器，分别直接驱动两组传动子系统的同容量变频电机。

3.根据权利要求2所述的电力测功机，其特征在于，所述变频控制系统包括与变频器相连的可编程控制器、与所述可编程控制器相连的上位机。

4.根据权利要求3所述的电力测功机，其特征在于，所述变频控制系统包括动力驱动系统和加载控制系统；

动力驱动系统和加载控制系统均采用变频器直接驱动变频电机。

5.根据权利要求4所述的电力测功机，其特征在于，所述被测试旋转件的输出轴安装有转速传感器；所述变频器为直接转矩控制变频器；

所述变频器包括PID比较控制器，所述PID比较控制器对给定速度值及所述转速传感器采集的转速偏差信号值进行比较和差分，所述变频器根据PID比较控制器的反馈结果，控制所述变频电机的输出频率。

6.根据权利要求5所述的电力测功机，其特征在于，安装有所述陪测试旋转件的传动子系统的变频电机的轴头安装有转矩传感器；所述变频器包括PID比较控制器；

当实际速度达到给定速度值的预定比例时，加载用的变频电机给定转矩；所述PID比较控制器对所述变频电机给定的转矩给定值及所述转矩传感器采集的转矩偏差信号值进行比较和差分，所述变频器根据PID比较控制器的反馈结果控制所述变频电机的输出电流和电压。

7.根据权利要求6所述的电力测功机，其特征在于，所述给定速度值和/或，转矩给定值通过所述上位机设定。

8.根据权利要求1所述的电力测功机，其特征在于，两个所述变频器与电网之间均连接有滤波电路。

9.根据权利要求1至8任一所述的电力测功机，其特征在于，所述变频电机采用伺服电机替代，所述变频器采用伺服控制器替代。

10.根据权利要求1至8任一所述的电力测功机，其特征在于，所述直流母线并联有制动单元，用于按照预设定的时间，将所述机械传动系统制动到零速。