CN111551854B - 一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法，解决现有再生制动能力测试缺乏有效全面测试手段的技术问题。包括：测试设备，用于形成再生制动状态仿真环境，模拟交流电机驱动系统工况；控制设备，用于形成采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程，在所述测试控制过程中根据采集数据形成所述测试控制过程中所述交流电机驱动系统和所述测试设备的控制数据；测量设备，用于建立采集拓扑结构形成所述交流电机驱动系统工况时各类型物理特征的数据采集。形成再生制动能力的通用测试结构。实现针对性的再生制动状态再现或实现，实现采集点和采集类型的良好扩展性。使得再生制动能力测试过程数据质量和测试效率得以保证。

Description

一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法

技术领域

本发明涉及交流电测试技术领域，具体涉及一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法。

背景技术

现有技术中，变频器的工作原理是将发电机组提供的三相交流电首先变为直流电，然后再将直流电变换为所需频率的交流电，驱动交流变频电机工作。在电机工作过程中，在电机减速或受外界因素影响时(比如顺风、下坡、轨道颠簸等)，电机实际运行速度会大于变频器输出控制速度，这个偏差速度会使电机处于再生制动状态，再生制动的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流回路。由于直流回路的电能无法通过整流桥回馈电网，仅能依靠制动电阻和变频器自身吸收，在驱动系统制动能力不足时，制动能量无法及时释放，会出现短时间的电荷堆积，形成泵升电压，使直流母线电压升高。当直流母线电压超过规定值(一般为800V)时，为了保护制动电阻与变频器本身安全，变频器会自动切断输出，终止电机工作，同时发出报警信息。

在设计基于三相异步交流电机的驱动控制系统时，设计者往往只关注驱动系统的驱动能力，而忽视驱动系统的再生制动能力。设计者一般根据使用场合计算电机及变频器额定功率，然后选用此额定功率变频器推荐匹配的制动电阻，并按照变频器推荐的参数设置制动电阻使用率。在正常工况下，这种设计方法并无问题，但是若驱动系统会长时间工作在再生制动状态下或工作过程不允许停机，就必须对驱动系统的再生制动能力进行全面校验以保证系统安全性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法，解决现有再生制动能力测试缺乏有效全面测试手段的技术问题。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，包括：

测试设备，用于形成再生制动状态仿真环境，模拟交流电机驱动系统工况；

控制设备，用于形成采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程，在所述测试控制过程中根据采集数据形成所述测试控制过程中所述交流电机驱动系统和所述测试设备的控制数据；

测量设备，用于建立采集拓扑结构形成所述交流电机驱动系统工况时各类型物理特征的数据采集。

本发明一实施例中，所述测试设备包括：

扭矩电机控制器，用于根据控制数据形成驱动功率信号驱动扭矩电机受控转动；

扭矩电机，用于受控形成输出轴的确定转速和确定扭矩。

防护断路器，用于根据所述扭矩电机电压承受阈值进行电路通断。

本发明一实施例中，所述控制设备包括：

测试计算机，用于按需建立测试控制过程，接收所述测试控制过程中的反馈数据，形成所述测试控制过程中变频器和扭矩电机的控制数据；

上位总线适配器，用于在所述变频器与所述测试计算机间建立交互数据通道，通过所述交互数据通道所述测试计算机获取所述变频器输出状态数据，通过所述交互数据通道所述测试计算机向所述变频器输出控制数据；

下位总线适配器，用于建立连接所述测试计算机的并行数据通道，通过所述并行数据通道实时接收采集数据和传输控制数据。

本发明一实施例中，所述上位总线适配器采用RS485-USB总线适配器。

本发明一实施例中，所述下位总线适配器采用CAN-USB总线适配器。

本发明一实施例中，所述测量设备包括：

信号采集器，用于与下位总线适配器适配形成多路数据通道的汇聚；

电压传感器，用于采集所述交流电机驱动系统中直流母线的电压变化；

温度传感器，用于采集所述交流电机驱动系统中制动电阻的温度变化；

扭矩测试仪，用于采集被测电机输出轴与扭矩电机输出轴间的扭矩变化。

旋转编码器，用于采集所述被测电机输出轴的转速变化。

联轴器，用于将所述扭矩测试仪串接在所述被测电机输出轴与所述扭矩电机输出轴间。

本发明一实施例中，所述信号采集器包括至少4路4-20mA模拟量信号接口。

本发明实施例的再生制动能力测试方法，其特征在于，利用上述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，包括：

步骤一：将温度传感器测试点贴在制动电阻表面，将电压传感器连接变频器直流母线接线端子，通过联轴器将扭矩测试仪和旋转编码器安装到位，建立与测试计算机连接的数据通道；

步骤二：测试计算机通过交互界面设定数据通道及数据速率，接通保护断路器和防护断路器，变频器与扭矩电机控制器上电；

步骤三：测试计算机设定被测电机旋向和转速，启动后被测电机达到目标转速后匀速转动；

步骤四：测试计算机设定扭矩电机旋向和输出扭矩值，启动后扭矩电机施加扭矩；

步骤五：按照试验要求测试计算机不断增加扭矩电机的输出扭矩值，测试计算机通过传感器的采集数据和变频器的反馈数据监测交流电机驱动系统状态；

步骤六：试验数据自动保存为格式数据文件，并绘制扭矩-时间试验曲线图。

本发明一实施例中，所述数据速率中RS485通信速率设置为115200bps，CAN总线通信速率设置为250Kbps。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，所述测试计算机包括：

存储器，用于存储上述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置中测试控制过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置和方法形成再生制动能力的通用测试结构，通过控制设备建立采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程使得测试过程的测试方案可以灵活适应交流电机驱动系统的技术特点，实现可规划和定制的测试方案。通过测试设备建立再生制动状态仿真环境可以真实反映实际工况，实现针对性的再生制动状态再现或实现，提高测试质量。通过测量设备可以形成多类型物理特征采集结构统一规划，实现采集点和采集类型的良好扩展性。使得再生制动能力测试过程数据质量和测试效率得以保证。

附图说明

图1所示为本发明一实施例交流电机驱动系统再生制动能力测试装置的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例利用交流电机驱动系统再生制动能力测试装置进行测试形成的实验曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员可以理解，现有交流电机驱动系统通常包括：

变频器，用于根据交流控制参数进行交直流转换和直交流转换形成交流驱动功率信号；

被测电机，用于接收交流驱动功率信号受控做功；

制动电阻，用于作为被测电机生成再生制动电能时的的负载；

保护断路器，用于根据变频器电压承受阈值进行电路通断。

本发明一实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置包括：

测试设备，用于形成再生制动状态仿真环境，模拟交流电机驱动系统工况。

控制设备，用于形成采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程，在测试控制过程中根据采集数据形成测试控制过程中交流电机驱动系统和测试设备控制数据。

测量设备，用于建立采集拓扑结构形成交流电机驱动系统工况时各类型物理特征的数据采集。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置针对交流电机驱动系统形成再生制动能力的通用测试结构，通过控制设备建立采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程使得测试过程的测试方案可以灵活适应交流电机驱动系统的技术特点，实现可规划和定制的测试方案。通过测试设备建立再生制动状态仿真环境可以真实反映实际工况，实现针对性的再生制动状态再现或实现，提高测试质量。通过测量设备可以形成多类型物理特征采集结构统一规划，实现采集点和采集类型的良好扩展性。使得再生制动能力测试过程数据质量和测试效率得以保证。

本发明一实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置如图1所示。在图1中，本实施例的测试设备包括：

扭矩电机控制器，用于根据控制数据形成驱动功率信号驱动扭矩电机受控转动。

扭矩电机，用于受控形成输出轴的确定转速和确定扭矩。

防护断路器，用于根据扭矩电机电压承受阈值进行电路通断。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置利用对扭矩电机的有效控制形成交流电机驱动系统工况仿真，可以实现各种受控的极限工况，提供充分的工况数据状态。

如图1所示，在本发明一实施例中，控制设备包括：

测试计算机，用于按需建立测试控制过程，接收测试控制过程中的反馈数据，形成测试控制过程中变频器和扭矩电机的控制数据。

上位总线适配器，用于在变频器与测试计算机间建立交互数据通道，通过交互数据通道测试计算机获取变频器输出状态数据，通过交互数据通道测试计算机向变频器输出控制数据。

本发明一实施例中，上位总线适配器可以采用RS485-USB总线适配器，利用USB总线实现测试计算机对多个交流电机驱动系统的测试控制。

下位总线适配器，用于建立连接测试计算机的并行数据通道，通过并行数据通道实时接收采集数据和传输控制数据。

本发明一实施例中，下位总线适配器可以采用CAN-USB总线适配器建立并行数据通道。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置利用两种总线适配器将交流电机驱动系统的反馈-控制过程与测试过程的反馈-控制过程的数据交换有效分离，使得两个过程中的数据适配和数据通道适配可以根据需要灵活配置，单一过程调整不造成相互影响。

如图1所示，在本发明一实施例中，测量设备包括：

信号采集器，用于与下位总线适配器适配形成多路数据通道的汇聚。

本发明一实施例中，采用具有CAN数据通信接口的交换机，交换机包括模数转换编码器接口模块，能够采集至少4路4-20mA模拟量信号。

电压传感器，用于采集交流电机驱动系统中直流母线的电压变化。

温度传感器，用于采集交流电机驱动系统中制动电阻的温度变化。

联轴器，用于将扭矩测试仪串接在被测电机输出轴与扭矩电机输出轴间。

扭矩测试仪，用于采集被测电机输出轴与扭矩电机输出轴间的扭矩变化。

旋转编码器，用于采集被测电机输出轴的转速变化。

在本发明一实施例中，可以采用具有转速测量功能的扭矩测试仪。

本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置通过传感器的多样性和数据通道的汇聚形成面向众多传感器和周边系统的可扩展性。使得数据采集过程和数据交换具有必有得灵活性和独立性，偏于针对交流电机驱动系统差异进行配置和维护。

在实际测试过程中，被测电机通过变频器控制，变频器通过上位总线适配器形成的MODBUS(RS485)总线与测试计算机通信，接收测试计算机的旋向及转速控制指令，同时向测试计算机反馈变频器输出电压、电流和频率信号。

扭矩电机通过扭矩电机控制器控制，扭矩电机控制器通过下位总线适配器形成的CAN总线与计算机通信，接收计算机的旋向及扭矩控制指令。

通过温度传感器测试制动电阻温度，通过电压传感器测试直流母线电压，通过扭矩测试仪和旋转编码器采集被测电机转速和传动轴上的扭矩，这些传感器均输出4-20mA电流信号。信号采集器采集这些信号，并将其转换为CAN总线信号发送给测试计算机。

测试计算机将被测电机控制指令、扭矩电机控制指令，变频器反馈的输出电压、输出电流、输出频率以及信号采集器上传的制动电阻温度、直流母线电压、被测电机转速、被测电机扭矩信号进行整合进行数据存储，后期根据需求绘制曲线。

利用本发明实施例的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置进行再生制动能力测试的方法包括：

步骤一：将温度传感器测试点贴在制动电阻表面，将电压传感器连接变频器直流母线接线端子，通过联轴器将扭矩测试仪和旋转编码器安装到位，建立与测试计算机连接的数据通道；

步骤二：测试计算机通过交互界面设定数据通道及数据速率(本实施例中RS485通信速率设置为115200bps,CAN总线通信速率设置为250Kbps)，接通保护断路器和防护断路器，变频器(已经存储预置参数)与扭矩电机控制器上电；

步骤三：测试计算机设定被测电机旋向和转速，启动后被测电机达到目标转速后匀速转动；

步骤四：测试计算机设定扭矩电机旋向和输出扭矩值，启动后扭矩电机施加扭矩；

步骤五：按照试验要求测试计算机不断增加扭矩电机的输出扭矩值，测试计算机通过传感器的采集数据和变频器的反馈数据监测交流电机驱动系统状态；

步骤六：试验数据自动保存为格式数据文件，并绘制扭矩-时间试验曲线图。

本发明实施例的进行再生制动能力测试的方法可以自动形成交流电机驱动系统中被测电机在不同转速下的再生能量抑制性能的测量并将测量数据有序存储，形成相应的试验曲线图，使得交流电机驱动系统可以进行全面的再生制动能力测试，使得再生制动能力测试规范化和通用化。

利用交流电机驱动系统再生制动能力测试装置进行测试形成的一种实验曲线图如图2所示。在图2中横轴为实测扭矩值，纵轴为持续时间轴，途中实验曲线反映的是1500r/min条件下实测扭矩变化的对应关系。与实验曲线对应的部分测量过程数据如下列自动形成的格式表格所示：

在本发明一实施例中，测试计算机包括：

存储器，用于存储测试控制过程对应的程序代码；

处理器，用于执行测试控制过程对应的程序代码。

处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，其特征在于，包括：

测试设备，用于形成再生制动状态仿真环境，模拟交流电机驱动系统工况；所述测试设备包括：

扭矩电机控制器，用于根据控制数据形成驱动功率信号驱动扭矩电机受控转动；

扭矩电机，用于受控形成输出轴的确定转速和确定扭矩；

防护断路器，用于根据所述扭矩电机电压承受阈值进行电路通断；

控制设备，用于形成采集数据传输链路、控制数据传输链路和测试控制过程，在所述测试控制过程中根据采集数据形成所述测试控制过程中所述交流电机驱动系统和所述测试设备的控制数据；所述控制设备包括：

测试计算机，用于按需建立测试控制过程，接收所述测试控制过程中的反馈数据，形成所述测试控制过程中变频器和扭矩电机的控制数据；

上位总线适配器，用于在所述变频器与所述测试计算机间建立交互数据通道，通过所述交互数据通道所述测试计算机获取所述变频器输出状态数据，通过所述交互数据通道所述测试计算机向所述变频器输出控制数据；

下位总线适配器，用于建立连接所述测试计算机的并行数据通道，通过所述并行数据通道实时接收采集数据和传输控制数据；

测量设备，用于建立采集拓扑结构形成所述交流电机驱动系统工况时各类型物理特征的数据采集；所述测量设备包括：

信号采集器，用于与下位总线适配器适配形成多路数据通道的汇聚；

电压传感器，用于采集所述交流电机驱动系统中直流母线的电压变化；

温度传感器，用于采集所述交流电机驱动系统中制动电阻的温度变化；

扭矩测试仪，用于采集被测电机输出轴与扭矩电机输出轴间的扭矩变化；

旋转编码器，用于采集所述被测电机输出轴的转速变化；

联轴器，用于将所述扭矩测试仪串接在所述被测电机输出轴与所述扭矩电机输出轴间。

2.如权利要求1所述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，其特征在于，所述上位总线适配器采用RS485-USB总线适配器。

3.如权利要求1所述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，其特征在于，所述下位总线适配器采用CAN-USB总线适配器。

4.如权利要求1所述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，其特征在于，所述信号采集器包括至少4路4-20mA模拟量信号接口。

5.一种再生制动能力测试方法，其特征在于，利用如权利要求1至4任一所述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，包括：

步骤一：将温度传感器测试点贴在制动电阻表面，将电压传感器连接变频器直流母线接线端子，通过联轴器将扭矩测试仪和旋转编码器安装到位，建立与测试计算机连接的数据通道；

步骤二：测试计算机通过交互界面设定数据通道及数据速率，接通保护断路器和防护断路器，变频器与扭矩电机控制器上电；

步骤三：测试计算机设定被测电机旋向和转速，启动后被测电机达到目标转速后匀速转动；

步骤四：测试计算机设定扭矩电机旋向和输出扭矩值，启动后扭矩电机施加扭矩；

步骤五：按照试验要求测试计算机不断增加扭矩电机的输出扭矩值，测试计算机通过传感器的采集数据和变频器的反馈数据监测交流电机驱动系统状态；

步骤六：试验数据自动保存为格式数据文件，并绘制扭矩-时间试验曲线图。

6.如权利要求5 所述的再生制动能力测试方法，其特征在于，所述数据速率中RS485通信速率设置为115200bps，CAN总线通信速率设置为250Kbps。

7.一种交流电机驱动系统再生制动能力测试装置，其特征在于，所述测试计算机包括：

存储器，用于存储如权利要求1至4任一所述的交流电机驱动系统再生制动能力测试装置中测试控制过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

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