CN102721495A - 一种滑差式扭矩测试台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滑差式扭矩测试台，其特征在于：包括设于底座上的滑差调速器，与滑差调速器的输入轴端连接的平衡梁式称重传感器通过力矩均衡器设于底座上；滑差调速器的输出轴端上设有测速装置，输出轴端通过联轴器与设有变频器的测试电机连接，测试电机通过机座设于底座上；专用调节器与称重传感器和测速装置连接。本发明提供的装置克服了现有技术的不足，采用滑差调速器和串级调节系统的专用调节器，可高精度、快速地测试变频器的扭矩和转速，结构简单、成本低且易于维护和普及。

Description

一种滑差式扭矩测试台

技术领域

本发明涉及一种滑差式扭矩测试台，用于测试变频器的扭矩和转速特性，属于变频器测试技术领域。

背景技术

目前，随着国内变频器技术的飞速发展，变频器生产厂家迅速崛起，变频器的应用大户、制造厂家迫切需要对变频器进行性能测试以优化加载设备。

常用的变频器性能测试方法及加载设备主要有以下几种：

(1)单台滑差电机堵转法。即直接采用单台滑差电机，将滑差电机主轴输出，机械与机座硬连接，通过在励磁线圈上加载直流电压来调节励磁电流和输出扭矩大小，从而调节负载的大小。由于通过励磁不能够实现快速的加卸载，故该方法不能实现动态性能的测试，也不能实现发电状态的性能测试；此外，由于低速时滑差电机滑差头相对运行速度低，所以不能够实现低速加载。

(2)两台异步电机通过滑差电机对拖法。即采用一台滑差电机与一台异步电机同轴连接，两台电机通过两台变频器分别驱动。由于滑差电机加载采用电磁感应和滑差实现，加载响应速度慢，不能够实现快速加载，因此该方法不能用于高精度、快速的性能测试。

(3)两个交流电机对拖法。即采用两台同功率的异步电机同轴连接，两台电机通过两台变频器分别驱动，其中一台电机通过测试变频器驱动，另一台电机通过具有精确扭矩控制功能的闭环矢量控制变频器驱动。由于电机连接为机械硬连接，异步电机的扭矩响应相比滑差电机较快，加载响应速度较快，可以满足大多数场合的测试要求，但是对于高精度、快速的性能测试还不能够完全满足。

(4)交直流机组对拖法。即采用一台直流电机和一台异步电机同轴连接，其中异步交流电机通过被测变频器驱动，直流电机通过一台可以四象限运行的直流调速器驱动。由于电机连接为机械硬连接，直流电机的扭矩响应快，加载响应速度就快，基本可以满足绝大多数场合的测试要求，是目前最理想的测试方法，但此方法设备投资非常大，且测试机组的容量越大，价格越高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可高精度、快速地测试变频器的扭矩和转速、结构简单、成本低且易于维护和普及的滑差式扭矩测试台。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种滑差式扭矩测试台，其特征在于：包括设于底座上的滑差调速器，与滑差调速器的输入轴端连接的平衡梁式称重传感器通过力矩均衡器设于底座上；滑差调速器的输出轴端上设有测速装置，输出轴端通过联轴器与设有变频器的测试电机连接，测试电机通过机座设于底座上；专用调节器与称重传感器和测速装置连接。

优选地，所述专用调节器包括与测试电机的励磁线圈输入端依次串联的励磁电流调节器、脉宽调制器和功率放大器，励磁电流调节器还与调制波发生器、主控器连接；测试电机的励磁线圈输出端与主控器、励磁电流调节器之间的线路连接构成电流负反馈，测试电机的励磁线圈输出端还与主控器输入端连接构成负反馈。

本发明提供的一种滑差式扭矩测试台对变频器的扭矩和转速的测定是通过测试电机反应出来的。由于滑差调速器的输入轴端通过平衡梁式称重传感器及力矩均衡器固定于底座上，输入轴端转速一直为零，所以转速差只由测试电机的转速决定，测速装置可实时、准确地输出测试电机的实时转速；滑差调速器提供的阻力矩同测试电机的输出扭矩相等，平衡梁式称重传感器测得的即为测试电机的实时扭矩。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，采用滑差调速器和串级调节系统的专用调节器，可高精度、快速地测试变频器的扭矩和转速，结构简单、成本低且易于维护和普及。

附图说明

图1为本发明提供的一种滑差式扭矩测试台示意图；

图2为本实施例中专用调节器的控制系统框图；

图3为本实施例中专用调节器的控制系统内回路的传递函数图；

附图标记说明

1-平衡梁式称重传感器；2-力矩均衡器；3-底座；4-滑差调速器；5-专用调节器；6-输出轴端；7-联轴器；8-机座；9-测试电机；10-变频器；11-测速装置。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的一种滑差式扭矩测试台示意图，所述的一种滑差式扭矩测试台包括固定于底座3上的滑差调速器4，平衡梁式称重传感器1与滑差调速器4的输入轴端13连接，平衡梁式称重传感器1通过力矩均衡器2固定于底座3上；滑差调速器4的输出轴端6上装有测速装置11，输出轴端6通过联轴器7与测试电机9连接，测试电机9上装有变频器10，测试电机9通过机座8固定于底座3上；专用调节器5与称重传感器1和测速装置11连接。

结合图2，专用调节器5为一个串级调节系统，包括与测试电机9的励磁线圈输入端依次串联的励磁电流调节器、脉宽调制器和功率放大器，励磁电流调节器还与调制波发生器、主控器连接；测试电机9的励磁线圈输出端与主控器、励磁电流调节器之间的线路连接构成电流负反馈，测试电机9的励磁线圈输出端还与主控器输入端连接构成负反馈。

利用本发明提供的一种滑差式扭矩测试台进行变频器的转速和扭矩测试时，由于滑差调速器4的输入轴端13通过平衡梁式称重传感器1及力矩均衡器2固定于底座3上，输入轴端13转速一直为零，所以转速差只由测试电机9的转速决定，测速装置11包含测速及辨向双重功能，可实时、准确地输出测试电机的实时转速和方向；滑差调速器4提供的阻力矩同测试电机9的输出扭矩相等，平衡梁式称重传感器1测得的即为测试电机9的实时扭矩。

本发明提供的一种滑差式扭矩测试台的实现原理如下：

滑差调速器4是一种利用直流电磁滑差恒转矩控制的交流无级变速电动机，它具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点。滑差调速器4的电磁滑差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示：

n＝n₀-KT²/I_f ⁴

其中：n₀为离合器主动部分的转速；n为离合器从动部分的转速；I_f为励磁电流；K为与离合器结构有关的系数；T为离合器的电磁转矩。

当滑差调速器4稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。由上述公式可知：

(1)当负载一定时，励磁电流I_f的大小决定从动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高；反之，励磁电流愈小，转速就愈低。根据这一特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速。

(2)当励磁电流一定时，从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低。

(3)当电磁滑差离合器的输入输出轴转速差一定时，输出扭矩与励磁电流呈正相关的变化趋势。

(4)电磁滑差离合器的实际使用经验显示，其机械特性经验公式中的系数K并非恒值，励磁线圈的工作温度能影响此系数，即仅仅依靠上述经验公式只能得到输出转矩的粗略值，要想得到输出转矩的精确值，还需引入反馈。

故专用调节器5采用图2所示的串级调节系统，系统控制的对象是测试电机9的励磁线圈，励磁线圈输出量是励磁电流，系统控制的目标输出是输出轴端的转矩或测试电机9的转速，输入量是转矩或转速给定值，系统主要的干扰因素有：输入轴端的转速变化、励磁绕组的温度变化(系数K改变)。

采用PWM波控制励磁线圈，PWM载波频率f由下式确定：

$f=0.332*\sqrt[3]{t_r+t_f}\frac{{\mathrm{\α}}_s}{{T_e}^2}$

f*10＜T_e

其中：f为开关频率；Te为励磁线圈的电磁时间常数；α_s为过流系数；t_r、t_f分别为开关管电流的上升、下降时间。

根据脉宽调制器的工作原理，当系统输入量设定值改变时，开关放大器的输出电压要到下一个周期才能改变，因此脉宽调制器和开关放大器可看成一个惯性环节，其延时最大不会超过一个开关周期T_k，其传递函数为：

$G_k\left(s\right)=\frac{K_k}{T_{k}s+1}$

$K_k=\frac{U_f}{U_g}$

其中：K_k为电压放大系数；U_f为开关放大器输出电压；U_g为脉宽调制器输入端控制电压。

由于励磁回路电阻较大，且电源电压是由最大励磁电流确定的，故无需通过调节器来限制励磁电流，引入电流负反馈的目的是增加对于电源电压波动的抗干扰能力，图3为控制系统内回路的传递函数图，Ug1为主控制器输出，I_f为励磁线圈输出的励磁电流，α为电流负反馈系数，选择电流调节器的传递函数为：

$G_L\left(s\right)=\frac{K_L(T_{e}s+1)}{T_{e}s}$

其中，K_L为电流调节放大系数。

为使系统在诸多干扰下无静差，一般将主控器设计成PI调节器，即

$G_s\left(s\right)=\frac{K_s(T_{s}s+1)}{T_{s}s}$

为使系统稳定，令T_s＝h*2T∑i，T∑i为励磁线圈的电磁时间常数和，h为对数幅频特性中频段长度。若要求超调量Q不超过10％，则根据超调量Q与闭环频率特性谐振峰值Mr关系的经验公式

$Q=\left\{\begin{array}{cc}100(M_r-1)& M_r\≤1.25\\ 50\sqrt{M_r-1}& M_r>1.25\end{array}\right\}$

可以得出Mr＝1.10，相角γ储备要求为

$\mathrm{\γ}>{\sin }^{-1}\frac{1}{M_r}={65.4}^{\′}$

对数幅频特性中频段长度h为

$h=\frac{M_r+1}{M_r-1}=21$

本发明提供的装置可直接对变频器进行性能测试及加载试验，能准确显示被测电机实时转速及输出扭矩，能够直接设定负载扭矩或负载转速，能方便地无级平滑加减载，可模拟不同类型的负载特性，如恒转矩负载特性、位能负载特性、恒转速负载等，而且结构简单、成本低、易维护，适用面广。

Claims (2)

1.一种滑差式扭矩测试台，其特征在于：包括设于底座(3)上的滑差调速器(4)，与滑差调速器(4)的输入轴端(13)连接的平衡梁式称重传感器(1)通过力矩均衡器(2)设于底座(3)上；滑差调速器(4)的输出轴端(6)上设有测速装置(11)，输出轴端(6)通过联轴器(7)与设有变频器(10)的测试电机(9)连接，测试电机(9)通过机座(8)设于底座(3)上；专用调节器(5)与称重传感器(1)和测速装置(11)连接。

2.如权利要求1所述的一种滑差式扭矩测试台，其特征在于：所述专用调节器(5)包括与测试电机(9)的励磁线圈输入端依次串联的励磁电流调节器、脉宽调制器和功率放大器，励磁电流调节器还与调制波发生器、主控器连接；测试电机(9)的励磁线圈输出端与主控器、励磁电流调节器之间的线路连接构成电流负反馈，测试电机(9)的励磁线圈输出端还与主控器输入端连接构成负反馈。

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