CN105203956A - 一种交流电机控制性能自动化测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流电机控制性能自动化测试系统，包括连轴的交流电机和直流电机；交流电机控制系统由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路构成，功率电路包括通过开关选取其中之一的非可控整流电路和可控整流电路，交流电源通过功率电路与交流电机的逆变器连接，检测电路检测交流电机的电流、电压和转速并传递给控制电路，控制电路发送控制指令通过驱动电路控制逆变器从而驱动交流电机；直流电机控制系统采用逻辑无环流可逆直流调速系统；还包括上位机系统和通讯系统。当交流电机作为直流电机负载，电能通过可控整流电路实现能量回馈电网，当直流电机给交流电机加减载，电能通过直流调速器回馈到电网，节约能量。

Description

一种交流电机控制性能自动化测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种交流电机控制性能自动化测试系统及测试方法。

背景技术

近二十年来，随着我国工业的高速发展，冶金、能源、化工、制造业、交通等行业对交流电机的需求量日益增加，因此对其提出了越来越高的性能和质量指标。对交流电机及其电气传动控制系统的相关性能（包括转速、转矩、功率、效率等指标）进行测试，寻求相应的测试系统来完成其机械及电气性能的测试具有十分重要的意义，因此开发一种采用先进的工业控制技术以及信息技术的电机自动测试系统势在必行。

目前，国内外一些单位研制的电机自动化测试系统通常由两大部分组成：数据采集与控制部分、人机界面部分。系统结构复杂，并且价格昂贵，数据通讯、处理可靠性和可扩展性不高。被试电机（交流电动机）普遍采用的负载类型有两种：直流发电机一电阻组，磁粉制动器。此种类型将造成能量的浪费、设计不合理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种交流电机控制性能自动化测试系统及测试方法，能够节约能量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种交流电机控制性能自动化测试系统，其特征在于：它包括：

相互连轴的交流电机和直流电机；

交流电机控制系统，由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路构成，其中功率电路包括通过开关选取其中之一的非可控整流电路和可控整流电路，交流电源通过功率电路与交流电机的逆变器连接，检测电路检测交流电机的电流、电压和转速并传递给控制电路，控制电路发送控制指令通过驱动电路控制逆变器从而驱动交流电机，可控整流电路由控制电路控制；

直流电机控制系统，由直流调速器及其外围控制电路构成，并采用逻辑无环流可逆直流调速系统；

上位机系统，用于实现整个测试系统的过程控制和数据管理与显示；

通讯系统，用于上位机系统分别与交流电机控制系统中的控制电路和直流电机控制系统中的直流调速器之间的通讯。

按上述系统，所述的上位机系统包括计算机和PLC，其中PLC用于执行计算机的命令，完成数据的上传和下载；通讯系统采用Profibus总线协议转串口通讯协议及DSP的串口通信模块。

一种利用上述交流电机控制性能自动化测试系统实现的测试方法，其特征在于：它包括：

直流电机作为交流电机负载时，直流调速器采用转矩单闭环方式控制，交流电机拖动直流电机，直流电机给交流电机加减载，此时直流电机处于发电状态，电能通过直流调速器回馈到电网；

直流电机作为原动机拖动交流电机运行时，直流电机在转速、转矩双闭环控制下运行，实现交流电机的四象限运行，此时交流电机处于发电状态，电能通过可控整流电路回馈到电网；

操作人员通过上位机监控并修改直流电机和/或交流电机的运行参数，从而改变直流电机和/或交流电机的运行状态。

本发明的有益效果为：将交流电动机和直流电动机连轴，用直流电动机模拟交流机的负载，通过修改直流调速器的运行参数就能达到改变交流电机负载的效果，也可利用直流电动机作为原动机带动交流电机运转，实现交流电机的四象限运行；当交流电机作为原动机拖动直流电机，交流电机运行于一、三象限。当直流电机拖动交流电机，交流电机作为直流电机负载，交流电机的电能可通过可控整流电路实现能量回馈电网，节约了能量；当交流电机拖动直流电机时，直流电机给交流电机加减载，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器回馈到电网，节约了能量。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明一实施例中交流电机控制系统的电路框图。

图3为本发明一实施例的电机四象限运行示意图。

图4为本发明一实施例的通讯系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

一种交流电机控制性能自动化测试系统，如图1所示，它包括：

相互连轴的交流电机和直流电机。

交流电机控制系统，如图2所示，由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路构成，其中功率电路包括通过开关选取（根据测试需要任意选取）其中之一的非可控整流电路和可控整流电路，交流电源通过功率电路与交流电机的逆变器连接，检测电路检测交流电机的电流、电压和转速并传递给控制电路，控制电路发送控制指令通过驱动电路控制逆变器从而驱动交流电机，可控整流电路由控制电路控制。在功率电路中，当DZ2和KM2开通，KM1断开（投入可控整流电路工作可根据具体试验需求来定），此时可控整流电路投入工作。当交流电机作为原动机拖动直流电机，交流电机运行于一、三象限。当直流电机拖动交流电机，交流电机作为直流电机负载，交流电机的电能可通过可控整流电路实现能量回馈电网（可控整流电路为交流电机和电网的中间媒介），传统的方式是通过泵升电路的电阻消耗，此种方式节约了能量，交流电机运行于二、四象限。

直流电机控制系统，由直流调速器及其外围控制电路构成，并采用逻辑无环流可逆直流调速系统。本实施例中，直流电机控制系统是由西门子型号为6RA7031-6DS22-0125A10A的直流调速器及其外围控制电路构成，它对直流电机的控制一方面可模拟交流电机负载，在测试中可实现能量回馈电网，另一方面控制直流电机作为原动机带动交流电机运转。其中西门子直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A采用了可逆的逻辑无环流的直流调速系统（控制方案都是现有的，具体控制方式要根据具体试验来选定）。直流电机在做交流电机负载时，通过改变直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A双闭环控制为转矩单闭环方式控制。当交流电机拖动直流电机时，直流电机给交流电机加减载，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A回馈到电网。而传统的加减载是直流发电机-电阻组或磁粉制动器，这样会造成能量的浪费，而此种则节约了能量。

由于直流调速器被连接在Profibus总线上，所以上位机可与直流调速器直接通过总线实现通讯，也就是说操作者可以从上位机直接监控并修改直流调速器运行参数从而改变交流机的模拟负载参数。

其中西门子直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A运用了可逆的逻辑无环流的直流调速系统，可实现电机的四象限运行。无环流控制逻辑与电流调节回路共同完成转矩改变符号时的逻辑控制。正组桥工作时与反组桥工作时电枢电流的方向是不同的，这样通过正反组桥的切换也就改变了直流电机转矩方向。其中逻辑无环流控制环节主要完成以下三点任务：

（1）任何时候只允许一组整流桥有触发脉冲。

（2）工作中的整流桥只有断流后才能封锁其脉冲，以防止在逆变工作时因触发脉冲的消失而导致逆变失败。

（3）只有当原先工作的整流桥完全关断且延时后才开放另一组，以防环流出现。

当一组晶闸管工作时另一组触发脉冲被封锁处于阻断状态，这样就从根本上消除在正组桥和反组桥之间的环流，使得系统无故障运行。另外，直流调速器还加有电机参数优化、转矩限幅等的附加功能，实现直流电机转速、转矩双闭环控制和转矩单闭环的稳定控制。

在交流电机与直流电机连轴后，直流电动机在转速、转矩双闭环控制下运行时，控制直流电机拖动交流电机运行，交流电机作为发电机，电能通过可控整流电路回馈到电网。

在做负载实验时，通过直流调速器去掉转速、转矩双闭环控制的外环-速度环，使控制方式变成转矩单闭环方式控制。其中的电流调节器ACR是PI调节器，电流调节器将电流给定值与内部电枢电流实际值进行比较处理，输出为触发装置的控制角，经触发角限幅后送电枢触发单元。触发脉冲在时间上由电流调节器和预控制器的输出值决定，通过参数可设定控制角极限。同时作用于触发装置的还有预控制器。电流调节回路的预控制器用于改善调节系统的动态响应。预控制器与电流给定值和电机的反电动势有关，并确保在电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的触发角的快速变化。触发装置形成与电源电压同步的功率部分晶闸管控制触发脉冲。同步信号取自功率部分，因此与旋转磁场和电子板供电无关。触发脉冲在时间上由电流调节器和预控制器的输出值决定，通过参数可设定控制角极限。触发装置能自动适应频率为45-65Hz的电源。触发装置输出调制电压至电枢，从而改变电枢电流，实现电枢电流闭环控制。

在实验前的参数设置时，令直流电机转矩方向与交流电机转速方向相反，模拟交流电机的负载。当交流机拖动直流电机在第二象限运行时，实现直流电机的正向回馈制动，直流电能可以安全地通过直流电机电枢绕组经过直流调速器的反组桥逆变为三相交流电能，再回馈到电网；当交流机拖动直流电机在第四象限运行时，实现直流电机的反向回馈制动，交流电能可以安全地通过直流电机电枢绕组经过直流调速器的正组桥逆变为三相交流电能，再回馈到电网（如图3所示）。

上位机系统，用于实现整个测试系统的过程控制和数据管理与显示。上位机系统由PC机和可编程控制器（PLC）组成，用于实现整个测试系统的过程控制和数据管理与显示。PC机的人机界面的操作系统由WinCC实现。可编程控制器采用西门子S7-300/400,它具有可靠、易于编程、抗干扰能力强，可网络优化控制等特点。它主要执行PC机的命令，完成数据的上传和下载。

在上位机操作主界面中，一共有操作用户登录、交流电机及其控制器参数设置、空载试验、负载试验、试验操作系统帮助五个链接。操作界面的链接通过按钮设置来完成。

在整个试验运行之前操作者需要在主界面登陆，否则无法在界面进行实验操作。在WinCC操作系统中可以对用户权限进行分级设置。而在本系统中登陆权限由两个级别：操作用户和系统维护人员。操作用户登陆主要进行实验操作，而系统维护人员登陆主要对上位机子系统进行维护操作。

在整个试验运行之前，操作者需要在交流电机及其控制器参数设置界面中设置相关参数。其中包括交流电机转动惯量、粘性摩擦系数，控制器比例环节增益、积分环节增益等。

在负载操作系链接界面中，操作者可以通过在上位机界面修改电机运行参数（如起、停电机，电机转速等）来改变电机的运行状态。由下位机上传到上位机的电机实际运行参数（如定子电压、电流、电机转速），经过PC机上的WinCC操作系统中的图形运行系统处理后可以以表格、趋势图等图形形式反映给操作者，使得操作者很容易监控电机实际运行的状态。另外，通过在WinCC中报警记录运行系统的设置，使得超过警戒值的电机参数以红颜色的形式显示来提示操作者。这样整个上位机子系统实现了整个交流电机控制性能自动化测试系统的可视化操作和控制。

通讯系统，用于上位机系统分别与交流电机控制系统中的控制电路和直流电机控制系统中的直流调速器之间的通讯。由于PC机和PLC通过通讯系统直接连接到Profibus总线上，因此可以把WinCC中的电机及其控制器参数变量和PLC中的地址联系起来，使得下位机（DSP28337控制板和直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A）中的数据可以通过通讯模块上传到上位机。

通讯系统实现整个系统数据传送的功能。它由三个部分构成：第一部分实现PC机与PLC的通讯，第二部分实现上位机与直流电机控制子系统通讯的功能，第三部分实现上位机与交流电机控制子系统通讯功能。设置PLC为一类主站，PC机为二类主站。系统如图4所示。

在上位机操作系统修改之后的电机或控制器参数值通过通讯系统下传到下位机来改变电机运行状态或控制器的控制性能。与此同时，下位机也可以把电机运行状态相关的一些参数通过该系统的通讯子系统的上传到上位机，使操作人员能够实时监控电机在各个实验中运行的状态和性能。在这里，通讯的性能关系到实验操作人员对电机状态把握的真实性和可靠性，是该自动化测试系统重要部分之一。采用现场总线通讯技术,可以使现场控制器与监督计算机相互协调,既体现了PLC高可靠性的特性,保证了试验的稳定运行,又充分发挥了监督计算机复杂运算处理能力强的特点，有效实现了监督优化控制。

在上位机中PC机与PLC的通讯中，使用的西门子PLC的CPU314C-2DP包含两个DP口，其中一个为Profibus总线接口，因此采用通用接口连接就可以把PLC连接到总线上。另一方面，通过插在PC的PCI插槽中CP5613通讯卡将PC机连接到Profibus总线上。在PC机的操作系统WinCC中，添加了WinCC通讯驱动程序SIMATICS7ProtocolSuite,其中就包含Profibus通道单元，只要在通道内设置需要通讯的变量，并把变量地址与PLC中的实际地址连接起来，就可以通过PLC实现变量值的上载与下传。

在上位机与直流电机控制子系统通讯部分中，采用的是Profibus总线通讯。西门子直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A通过固有的通讯接口就可以连接到总线上，当通讯板CBP2的红、黄、绿等一起闪烁时表示与总线通讯正常。在西门子的PLC硬件组态中，对直流调速器6RA7031-6DS22-0125A10A采用PPO1的通讯格式，它包含了两个控制字PZD_1和PZD_2，其中把PZD_1设置为读控制字，把PZD_2设置为写控制字，并把它们的地址定义到PLC数据块单元中。通过这两个字的通讯可以在转速、转矩双闭环中实现对转速的读和写或者在转矩单闭环中实现对转矩的读和写的功能。在程序实现中，采用西门子PLC通讯专用模块SFC14、SFC15来完成通讯功能。

而在上位机与交流电机控制子系统通讯部分中，采用了Profibus总线协议转串口通讯协议RS422/RS-232/RS485及DSP的串口通信模块实现交流电机及其控制器参数上传监控和下传修改的功能。

1）硬件上，采用了Profibus总线转串口通讯协议RS422/RS-232/RS485的转接桥设备，其接口为RS422/RS-232/RS485扁口9针，而下位机DSP之RS422/RS-232/RS485的通讯接口为圆口8针。这里，用特制的8针接口-9针接口的串口通讯线将两个设备接口相连，实现上位机和下位机硬件上的通讯功能。在通讯的实现中，Profibus总线的数据传输速度最快可达12M/s，而用来实现Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备发送/接收频率最快可达200HZ。这样就保证了数据的实时性传输的要求，可以使得操作者能够快速准确地把握交流电机的运行状态。

2）软件上，通过上位机PLC的编程及DSP28337控制板的程序实现通信。DSP28337控制板软件采用中断方式实现了与下位机的半双工通信，在DSP软件程序中实现了对上位机下传通信数据的校验，针对不同情况如通讯故障处理模块、通讯正常处理模块，分别处理，确保可靠安全通信。

通过以上介绍可以看出该交流电动机自动化测试系统以下几方面优点：

1）由于将人机界面、逻辑控制、网络、数据处理等多种功能集成在了一台PC机中，使得原来复杂的网络结构变得更加清晰化，可以大大节省安装空间以及成本费用。

2）采用基于PC的控制时，硬件系统可以与最先进的技术保持同步。而且采用基于PC的控制时，它是完全分享PC机的内存资源的，所以相比传统的PLC可以说是内存无限大。在CPU、内存等方面具有明显优势，当进行数据处理任务的时候，尤其是执行模拟量运算或用户算法时，PC在运算性能通常可以达到PLC的几十倍以上。

3）现在的控制系统中，普遍要求网络通讯功能或连接以太网。而PLC连接以太网时通常会需要添额外硬件，从而造成系统价格的升高。相比之下，一台PC集成了各种网络接口，如Profibus-DP、以太网等接口；所以在整个系统的网络通讯方面就具有了成本低，连接方便，技术开放等特点。本系统采用Profibus网。

4）系统具有良好的扩充机制和扩充接口。一方面在确保系统兼容性的前提下可以安全、快速的加入对新设备的支持；另一方面允许用户根据实际情况对系统进行二次开发、升级，迅速适应新的应用需求，不断完善已有功能。

5）系统具有节约能源的优势。良好的硬软件条件，使得能量可以安全可靠回馈到电网，达到节能的效果。

一种利用上述交流电机控制性能自动化测试系统实现的测试方法，它包括：

直流电机作为交流电机负载时，直流调速器采用转矩单闭环方式控制，交流电机拖动直流电机，直流电机给交流电机加减载，此时直流电机处于发电状态，电能通过直流调速器回馈到电网；

直流电机作为原动机拖动交流电机运行时，直流电机在转速、转矩双闭环控制下运行，实现交流电机的四象限运行，此时交流电机处于发电状态，电能通过可控整流电路回馈到电网；

操作人员通过上位机监控并修改直流电机和/或交流电机的运行参数，从而改变直流电机和/或交流电机的运行状态。

交流电机自动化测试系统的负载实验操作

该自动化测试系统可完成交流电机的空载、负载和堵转等实验。下面以负载实验为例介绍该系统的基本操作步骤。

实验采用的交流电机基本参数：额定功率22KW，额定电压340V，额定电流43.8A，额定转速1500r/min，额定转矩140N·m，极对数2。

实验采用的直流电机基本参数：额定功率18.5KW，额定电压400V，额定电流52.5A，额定转速2610r/min，励磁电压180V，励磁电流2.79A，额定转矩：68N·m

实验操作步骤：

1.在上位机操作系统中，打开交流电机及其控制器参数设置界面，设置相关参数。

2.打开负载实验操作界面，设置交流机转速。

3．确定转动正方向。可认为在交流电机侧顺时针转动为正方向，而另一方向则应该为直流电机所加转矩方向。方法如下，先令交流电机转动，如果其逆时针转动，则停机并在上位机修改其转动方向；如果其顺时针转动则停机即可。

4.在上位机操作界面设定直流机控制方式为转矩单闭环，并设定直流机的转矩。令直流机转动，如果其顺时针转动则停机，修改设定转矩的方向；如果其逆时针转动则停机即可。

5.给直流调速器通电。首先在直流负载柜按下接触器按钮，再按下合分闸按钮，然后按下激活按钮，最后按下直流电机速度清零按钮。

6.给交流电机控制器通电，并令交流电机顺时针转动。

7．待交流电机启动后，给其加载即按下直流电机运行按钮，令交流电机运行。

8.在负载实验操作界面中，按下查看电机电流、电压曲线按钮可以观看交流电机定子实际电压、电流变化曲线；按下查看电机转速曲线可以观看交流电机实际转速变化曲线。

9.在负载实验操作界面中，可以改变交流电机的转速再观察交流电机定子实际电压、电流变化曲线。

10.在负载实验操作界面中，可以改变直流电机的转矩即改变交流电机负载，再观察交流电机定子实际电压、电流变化曲线。

11.停机。先在负载操作界面令直流电机停止运行，然后再通过交流电机控制器，令交流电机停止运行。在交流电机控制子系统中设有急停按钮，如果出现紧急故障，可以立即按下此按钮令交流电机停机；同样，在直流负载柜上也有急停按钮如出现紧急故障，可以立即按下此按钮令直流机停机。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种交流电机控制性能自动化测试系统，其特征在于：它包括：

相互连轴的交流电机和直流电机；

交流电机控制系统，由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路构成，其中功率电路包括通过开关选取其中之一的非可控整流电路和可控整流电路，交流电源通过功率电路与交流电机的逆变器连接，检测电路检测交流电机的电流、电压和转速并传递给控制电路，控制电路发送控制指令通过驱动电路控制逆变器从而驱动交流电机，可控整流电路由控制电路控制；

直流电机控制系统，由直流调速器及其外围控制电路构成，并采用逻辑无环流可逆直流调速系统；

上位机系统，用于实现整个测试系统的过程控制和数据管理与显示；

通讯系统，用于上位机系统分别与交流电机控制系统中的控制电路和直流电机控制系统中的直流调速器之间的通讯。

2.根据权利要求1所述的交流电机控制性能自动化测试系统，其特征在于：所述的上位机系统包括计算机和PLC，其中PLC用于执行计算机的命令，完成数据的上传和下载；通讯系统采用Profibus总线协议转串口通讯协议及DSP的串口通信模块。

3.一种利用权利要求1所述的交流电机控制性能自动化测试系统实现的测试方法，其特征在于：它包括：

直流电机作为交流电机负载时，直流调速器采用转矩单闭环方式控制，交流电机拖动直流电机，直流电机给交流电机加减载，此时直流电机处于发电状态，电能通过直流调速器回馈到电网；

直流电机作为原动机拖动交流电机运行时，直流电机在转速、转矩双闭环控制下运行，实现交流电机的四象限运行，此时交流电机处于发电状态，电能通过可控整流电路回馈到电网；

操作人员通过上位机监控并修改直流电机和/或交流电机的运行参数，从而改变直流电机和/或交流电机的运行状态。