一种三相交流牵引电机控制器加载测试平台及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相交流牵引电机控制器加载测试平台及其控制方法；变压器采用可调变压器，调压范围200VAC到1500VAC，可以适应各种三相电机电压等级，提高平台通用性。电机控制器和被测电机为被测对象，电机控制器用于控制被测电机，可实现转速与转矩控制。扭矩传感器用于测量加载扭矩。所述加载电机可以通用380VAC三相交流变频电机，易于采购，维护和保养；四象限变频器和有源滤波器构成能量回馈方式，在加载电机做发电方式运行时，可将能量反馈至380VAC电网，并具有基本无线电干扰抑制的净化滤波功能，符合国家标准。测试主机通过通讯总线连接到电机控制器和四象限变频器上，并采集转矩转速传感器数值，通过设置控制流程，实现对电机控制器加载特性的自动测试。
【专利说明】一种三相交流牵引电机控制器加载测试平台及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电动轮矿用车三相交流牵引电机控制器测试领域，更具体地，涉及一 种三相交流牵引电机控制器加载测试平台及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 电动轮矿用车所采用的电机一般为特殊制造的大功率交流牵引电机，功率均在 100KW以上，工作电压一般为660VAC或1040VAC。车载电机控制器在装配上车前，必须要在 地面对其进行加载性能测试。地面加载测试包括在几个特征交流电压输入情况下，在不同 负载情况下的转矩和转速曲线，以及转矩和速度控制精度。另外，为满足设备一次投入后， 能够满足多种型号规格的电机控制器的性能测试要求，地面测试平台还具有通用性的要 求。
[0003] 测试平台系统中，由电机控制器和其控制的牵引电机组成一个被测电机控制系 统。由加载电机和控制加载电机的变频器组成加载电机系统。在对电机控制器进行加载测 试时，必须满足节能要求，测试平台系统具有能量回馈式设计，实现电封闭。另外，加载测试 平台系统具有自动测试功能，采用计算机进行集成控制，自动完成测试项目。根据测试项 目和测试流程，通过通讯口控制电机控制器和加载电机变频系统，配置电压、电流、转矩、温 度、速度等传感器组合，实施绘制测试曲线和保存数据的功能。
[0004] 在电机加载测试领域，通常是按380VAC交流电网进行配置，不具有适应不同电压 调整的能力。电机加载均采用同型号同电压的电机进行，采取直流共母线的能量回馈方式， 不能满足测试不同电压电机的需求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相交流牵引电机控制器加载 测试平台，旨在解决现有技术中不能满足测试不同电压的电机的需求的技术问题。
[0006] 本发明提供了一种三相交流牵引电机控制器加载测试平台，包括：可调变压器，整 流器、电机控制器、被测电机、加载电机、四象限变频器、有源滤波器、第一联轴器、第二联轴 器、转矩转速传感器和测试主机；所述可调变压器的输入端连接交流电网；所述整流器的 输入端连接所述可调变压器的输出端；所述电机控制器的直流输入端连接所述整流器的输 出端；所述电机控制器的三相输出端连接所述被测电机；所述被测电机还依次通过所述第 一联轴器、所述转矩转速传感器和所述第二联轴器连接至所述加载电机；所述加载电机还 与所述四象限变频器相连；所述四象限变频器与所述有源滤波器相连；所述有源滤波器与 所述交流电网相连；所述测试主机通过CAN总线与所述电机控制器相连，所述测试主机通 过RS422串行通信接口与所述四象限变频器相连，所述测试主机通过RS232串行通信接口 与所述转矩转速传感器相连。
[0007] 其中，所述被测电机的功率和电压与所述电机控制器的功率和电压相匹配。
[0008] 其中，所述加载电机的功率具有10% -20%的余量。
[0009] 其中，所述可调变压器的电压调整范围为200VAC至1500VAC。
[0010] 其中，所述第一联轴器与所述第二联轴器的结构相同，包括第一半联轴器、十字 轴、第二半联轴器和万向节；所述第一半联轴器为花键，用于与所述被测电机和所述加载电 机连接，所述第二半联轴器为法兰盘，用于与所述转矩转速传感器相连，所述十字轴和所述 万向节连接所述花键和所述法兰盘。
[0011] 本发明还提供了一种如上述的三相交流牵引电机控制器加载测试平台的控制方 法，包括下述步骤：
[0012] (1)通过测试主机分别控制所述电机控制器和所述四象限变频器工作在力矩控制 方式，且被测电机和加载电机的旋转方向相反；并控制两台电机的最高转速为η以避免电 机出现超速状态；
[0013] (2)通过调节可调变压器使得所述可调变压器输出的交流电压为测试所需电压 V，并输出三相交流电压；通过所述测试主机控制所述四象限变频器输出力矩为0. 05Τ，并 启动其工作；
[0014] (3)通过测试主机控制所述电机控制器的输出力矩为0. 1Τ，并启动其工作；
[0015] (4)通过被测电机带动加载电机逐步加速至额定转速η ;在此过程中，通过测试主 机实时获取所述转矩转速传感器测试的转速和转矩数据；
[0016] (5)测试主机判断此时转矩是否在0. 05Τ和0. 1Τ之间，转速与额定转速η之差是 否在±2%η之间；若同时满足上述两个条件，则测试主机继续进行后续加载试验；若不是， 测试主机判断加载测试平台存在故障，中断测试；
[0017] (6)通过所述测试主机控制所述四象限变频器的输出转矩为T/m ;并通过所述测 试主机控制所述电机控制器输出力矩略大于T/m，加载力矩T被分成m等份;m为大于等于 2的正整数；
[0018] (7)通过所述测试主机实时采集所述转矩转速传感器测试的转速和转矩数据，并 比较转矩是否为T/m，转速是否为n，若同时满足，则进入步骤（8)，否则测试主机控制所述 电机控制器和四象限变频器停机；
[0019] (8)通过测试主机增大用于控制电机控制器4和四象限变频器10的输出力矩，增 大量为T/m，并重复步骤（6)和步骤（7)直至加载力矩达到T时进入步骤（9);
[0020] (9)测试主机获取并记录电机控制器的输出电流、电压波形，电机控制器内部工作 温度和被测电机内部工作温度。
[0021] 其中，所述控制方法还包括加载停止步骤（10):测试主机先降低电机控制器的输 出力矩至T/3,待转速下降到n/10时，再降低加载电机的输出力矩至T/3 ;最后停止电机控 制器工作，随后停止四象限变频器工作。
[0022] 其中，步骤（6)中，所述电机控制器的输出力矩超过T/m的超出比例范围在5%以 内。
[0023] 其中，步骤（8)中所述增大量T/m不超过500牛.米。
[0024] 本发明的特点体现在：
[0025] (1)本发明的变压器采用可调变压器，可以针对电动轮矿用车电机控制器的测试 需求，设置不同的三相输出电压，以考核电机控制器在不同电压情况下的性能。
[0026] (2)本发明构建的电机控制器加载测试平台系统，电机控制器和被测电机可以兼 容不同电压级别的电机型号，如380VAC到1140VAC，通用性、适用性好。
[0027] (3)本发明可以通用380VAC三相异步交流电机作为加载电机，选择面广，易于采 购，维护和保养；
[0028] (4)本发明采用四象限变频器和有源滤波器构成能量回馈方式，在加载电机做发 电方式运行时，将能量反馈至380VAC电网，并具有基本无线电干扰抑制的净化滤波功能， 符合国家标准。
[0029] (5)本发明设置一台测试主机，通过通讯总线连接到电机控制器和四象限变频器 上，并实时采集转矩转速传感器数值，采集频率不低于10Hz。测试主机通过设置控制流程， 由测试软件实现对电机控制器加载特性的自动测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施例提供的三相交流牵引电机控制器加载测试平台的原理框图；
[0031] 其中，1为三相380V交流电网，2为可调变压器，3为整流器，4为电机控制器，5为 被测电机，6为第一联轴器，7为转矩转速传感器，8为第二联轴器，9为加载电机，10为四象 限变频器，11为有源滤波器，12为测试主机。
[0032] 图2是本发明实施例提供的测试主机电路图：
[0033] 其中，12-1为一台工控机，12-2为CAN总线通信电路，12-3为RS422串行通信电 路，12-4为RS232串行通信电路。
[0034] 图3是本发明实施例提供的连轴器结构图：
[0035] 其中，6-1为半联轴器（内花键），连接电机输出轴端5和9,6_2为十字轴，6-3为 半联轴器（法兰盘），连接转矩转速传感器7,6-4为万向节。
【具体实施方式】
[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0037] 本发明提供了一种电机控制器的加载测试平台系统，实现不同电压情况的电机加 载测试要求，并能实现能量回馈，降低能耗。
[0038] 本发明提供的电动轮矿用车三相交流牵引电机控制器加载测试平台包括：可调变 压器2,整流器3、电机控制器4、被测电机5、加载电机9、四象限变频器10、有源滤波器11、 第一联轴器6、第二联轴器8、转矩转速传感器7和测试主机12。被测电机和加载电机通过 连轴器和转矩转速传感器互联。
[0039] 可调变压器2输入端接380V交流电网1 ;整流器3输入端接可调变压器2的输出 端；电机控制器4的直流输入端接整流器3的输出端；电机控制器4的三相输出端接被测电 机5 ;被测电机5依次通过第一联轴器6、转矩转速传感器7和第二联轴器8连接到加载电 机9 ;加载电机9和四象限变频器10相连；四象限变频器10与有源滤波器11相连；有源滤 波器11与三相380V交流电网1相连。
[0040] 本发明中，测试主机12与电机控制器4通过CAN总线通信电路相连、与四象限变 频器10通过RS422串行通信电路相连、转矩转速传感器7通过RS232串行通信电路相连； 被测电机5可以采用具有不同电压的三相交流异步电机，加载电机9用于提供加载力矩，可 以采用额定电压为380VAC三相交流异步电机。被测电机5的功率和电压需与电机控制器 4的功率和电压匹配。加载电机9可以选取380VAC的电机，加载电机9的功率应该具有一 定的余量，一般可以为10% -20%的余量。电机控制器4具有转矩速度控制功能；电机控制 器4具有通讯口；可调变压器2具有一次端接380V交流电网，二次端输出电压可以调整；调 整范围为200VAC至1500VAC。
[0041] 本发明的特点体现在：
[0042] (1)本发明的变压器采用可调变压器，可以针对电动轮矿用车电机控制器的测试 需求，设置不同的三相输出电压，以考核电机控制器在不同电压情况下的性能。
[0043] (2)本发明构建的电机控制器加载测试平台系统，电机控制器和被测电机可以兼 容不同电压级别的电机型号，如380VAC到1140VAC，通用性、适用性好。
[0044] (3)本发明可以通用380VAC三相异步交流电机作为加载电机，选择面广，易于采 购，维护和保养；
[0045] (4)本发明采用四象限变频器和有源滤波器构成能量回馈方式，在加载电机做发 电方式运行时，将能量反馈至380VAC电网，并具有基本无线电干扰抑制的净化滤波功能， 符合国家标准。
[0046] (5)本发明设置一台测试主机，通过通讯总线连接到电机控制器和四象限变频器 上，并实时采集转矩转速传感器数值，采集频率不低于10Hz。测试主机通过设置控制流程， 由测试软件实现对电机控制器加载特性的自动测试。
[0047] 对电机进行额定负载加载的情况，控制流程描述如下，其它负载情况可参照执 行：
[0048] 测试条件为交流电压V、加载力矩T，额定转速η。根据加载试验力矩实际大小，将 Τ分成m等份，逐次递增施加的负载力矩，T/m不超过500Ν. m。
[0049] 1.通过测试主机分别设置电机控制器4和四象限变频器10工作在力矩控制方式， 控制方法可以采用矢量控制技术或直接力矩控制技术，被测电机5和加载电机9旋转方向 应相反。并设置两台电机的最高转速为η以避免电机出现超速状态。
[0050] 2.将可调变压器1输出的交流电压设置为测试所需电压V，并输出三相交流电压； 测试主机12设置四象限变频器10输出力矩为0. 05Τ，并启动其工作。
[0051] 3.测试主机12通过CAN总线设置电机控制器4输出力矩为0. 1Τ，并启动其工作。
[0052] 4.被测电机5带动加载电机9逐步加速至额定转速η。在此过程中，测试主机12 不停读取转矩转速传感器7测试的转速和转矩实时数据，并在测试主机12的显示器上绘制 以时间为横坐标，转矩转速为纵坐标的实时曲线。
[0053] 5.步骤2至步骤4为小力矩试运行，测试主机12判断此时转矩是否在(λ 05Τ和 0. 1Τ之间，转速与额定转速η之差是否在±2% η之间。若是，测试主机12继续进行后续 加载试验。若不是，测试主机12判断加载测试平台的某一设备存在故障，中断测试。
[0054] 6.测试主机12设置四象限变频器10的输出转矩为T/m。测试主机12设置电机 控制器4输出力矩应略超过T/m，超出比例范围在5%以内。
[0055] 7.测试主机12实时采集转矩转速传感器7测试的转速和转矩实时数据，并在测试 主机12的显示器上绘制以时间为横坐标，转矩转速为纵坐标的实时曲线。测试主机12测 试软件比较转矩是否为T/m，转速是否n，测试误差取±2%。满足条件进行下一步，否则测 试主机12对电机控制器4和四象限变频器10发出停机命令。
[0056] 8.测试主机12增大设置给电机控制器4和四象限变频器10的输出力矩，增大量 为T/m，重复步骤6和步骤7,直至加载力矩达到T。
[0057] 9.此时本发明的加载测试平台已完成测试条件的加载。测试主机12通过CAN总 线获取并记录电机控制器4的输出电流、电压波形，电机控制器内部工作温度和被测电机 内部工作温度等参数。
[0058] 10.加载测试停机时，应保证能量逐步下降到较低水平，转速也要降调至较低水 平。停机采用下面步骤：测试主机12先降低电机控制器4的输出力矩至T/3,待转速下降 到n/10时，再降低加载电机9的输出力矩至T/3 ;最后停止电机控制器4工作，随后停止四 象限变频器10工作。
[0059] 如图1，电动轮矿用车电机控制器地面加载测试平台系统包括：可调变压器、整流 器、电机控制器、被试电机、联轴器、转矩转速传感器、加载电机、四象限变频器、有源滤波 器、测试主机。
[0060] 可调变压器一次端接380V交流电网；整流器输入接可调变压器二次输出端；电机 控制器的直流输入端接整流器的输出端；电机控制器的三相输出端接到被测电机；电机控 制器具有转矩速度控制功能；电机控制器具有通讯口；被测电机通过联轴器和转矩转速传 感器连接到加载电机；加载电机和四象限变频器相连；四象限变频器与滤波器相连；滤波 器与三相380V交流电网相连；测试主机与电机控制器、四象限变频器通过通讯口相连；测 试主机还与转矩转速传感器相连；被测电机和加载电机均为安装有转速编码器的交流异步 电机。
[0061] 可调变压器按加载测试电压要求，将380V交流电压变换至电机控制器及被测电 机所需电压；变压器输出的三相交流电输出至整流器，由整流器变换为直流电压。整流器内 部包含6只二极管和一只电容构成无控全波整流电路。电机控制器根据测试主机通过通讯 口发送的控制指令，将整流器输入的直流电逆变为三相交流电，控制被测电机转动；
[0062] 加载电机由四象限变频器进行驱动控制。所述四象限变频器具有通讯口，该通讯 口连接到测试主机上；测试主机通过通讯口发送指令给四象限变频器，由四象限变频器对 加载电机进行转矩控制，实现对加载转矩的控制。
[0063] 被测电机通过联轴器带动加载电机转动，加载电机工作在发电状态；所述四象限 变频器具备能量回馈功能。
[0064] 四象限变频器通过一个有源滤波器与380V交流电网相连。
[0065] 有源滤波器具备无线电子干扰和电网净化过滤功能，确保反馈电网的能量能被完 整吸收。
[0066] 加载电机产生的能量经四象限变频器输出至有源滤波器，经有源滤波器整形净化 后输出至三相交流电网；该能量又经可调变压器后输出给电机控制器使用，实现了交流能 量反馈。
[0067] 加载测试平台系统在加载测试时，电机控制器和被测电机从交流电网吸收能量， 加载电机将该机械能转换为电能，回馈给交流电网，从而形成了一个能量循环利用通道，大 大降低了工作能耗。
[0068] 在本发明实施例中，被测电机和加载电机为具有转速编码器的三相交流异步电 机。被测电机型号规格与电动轮矿用车电机控制器实际被控对象一样。加载电机可以选取 380VAC的电机，功率规格需要稍大于被测电机的功率；所采用的联轴器应设计为带有万向 节的结构形式，避免2个电机刚性连接对准精度不够时对电机的损坏。
[0069] 如图2所示，测试主机包括工控机12-1、CAN总线通信电路12-2、RS422通信电路 12-3、RS232通信电路12-4。工控机12-1上运行测试软件，按照控制流程工作，并记录测试 数据。工控机12-1通过CAN总线通信电路12-2与电机控制器4连接，并与之信息传递。工 控机通过RS422通信电路12-3与四象限变频器10相连，进行参数设置。工控机通过RS232 通信电路12-4与转矩转速传感器7相连，实时采集测试数据。
[0070] 如图3所示，第一联轴器6和第二联轴器9主要构成为：第一半联轴器（花 键）6-1、十字轴6-2、第二半联轴器（法兰盘）6-3、万向节6-4。其中，半联轴器（花键）6-1 与被测电机5和加载电机9连接，（法兰盘）6-3与转矩转速传感器7相连，十字轴6-2和 万向节6-4连接两个半联轴器。此种结构形式的联轴器在对接旋转时允许在一定的角度范 围内转动，能够避免直接对接式联轴器安装精度不够高时对电机轴产生的损坏。特别适用 于本发明涉及的较大功率的电机加载测试平台领域。
[0071] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种三相交流牵引电机控制器加载测试平台，其特征在于，包括：可调变压器（2)， 整流器（3)、电机控制器（4)、被测电机（5)、加载电机（9)、四象限变频器（10)、有源滤波器 (11)、第一联轴器（6)、第二联轴器（8)、转矩转速传感器（7)和测试主机（12); 所述可调变压器（2)的输入端连接交流电网（1);所述整流器（3)的输入端连接所述 可调变压器（2)的输出端；所述电机控制器（4)的直流输入端连接所述整流器（4)的输出 端；所述电机控制器⑷的三相输出端连接所述被测电机（5);所述被测电机（5)还依次通 过所述第一联轴器（6)、所述转矩转速传感器（7)和所述第二联轴器（8)连接至所述加载电 机（9);所述加载电机（9)还与所述四象限变频器（10)相连；所述四象限变频器（10)与所 述有源滤波器（11)相连；所述有源滤波器（11)与所述交流电网（1)相连； 所述测试主机（12)通过CAN总线与所述电机控制器（4)相连，所述测试主机（12)通 过RS422串行通信接口与所述四象限变频器（10)相连，所述测试主机（12)通过RS232串 行通信接口与所述转矩转速传感器（7)相连。
2. 如权利要求1所述的加载测试平台，其特征在于，所述被测电机（5)的功率和电压与 所述电机控制器（4)的功率和电压相匹配。
3. 如权利要求1所述的加载测试平台，其特征在于，所述加载电机（9)的功率具有 10% -20%的余量。
4. 如权利要求1所述的加载测试平台，其特征在于，所述可调变压器（2)的电压调整范 围为 200VAC 至 1500VAC。
5. 如权利要求1所述的加载测试平台，其特征在于，所述第一联轴器（6)与所述第二联 轴器（8)的结构相同，包括第一半联轴器、十字轴、第二半联轴器和万向节； 所述第一半联轴器为花键，用于与所述被测电机（5)和所述加载电机（9)连接，所述第 二半联轴器为法兰盘，用于与所述转矩转速传感器（7)相连，所述十字轴和所述万向节连 接所述花键和所述法兰盘。
6. -种如权利要求1所述的三相交流牵引电机控制器加载测试平台的控制方法，其特 征在于，包括下述步骤： (1) 通过测试主机分别控制所述电机控制器和所述四象限变频器工作在力矩控制方 式，且被测电机和加载电机的旋转方向相反；并控制两台电机的最高转速为η以避免电机 出现超速状态； (2) 通过调节可调变压器使得所述可调变压器输出的交流电压为测试所需电压V，并 输出三相交流电压；通过所述测试主机控制所述四象限变频器输出力矩为0. 05Τ，并启动 其工作； (3) 通过测试主机控制所述电机控制器的输出力矩为0. 1Τ，并启动其工作； (4) 通过被测电机带动加载电机逐步加速至额定转速η ;在此过程中，通过测试主机实 时获取所述转矩转速传感器测试的转速和转矩数据； (5) 测试主机判断此时转矩是否在0. 05Τ和0. 1Τ之间，转速与额定转速η之差是否在 ±2% η之间；若同时满足上述两个条件，则测试主机继续进行后续加载试验；若不是，测试 主机判断加载测试平台存在故障，中断测试； (6) 通过所述测试主机控制所述四象限变频器的输出转矩为T/m ;并通过所述测试主 机控制所述电机控制器输出力矩略大于T/m，加载力矩T被分成m等份;m为大于等于2的 正整数； (7) 通过所述测试主机实时采集所述转矩转速传感器测试的转速和转矩数据，并比较 转矩是否为T/m，转速是否为额定转速n，若同时满足，则进入步骤（8)，否则测试主机控制 所述电机控制器和四象限变频器停机； (8) 通过测试主机增大用于控制电机控制器4和四象限变频器10的输出力矩，增大量 为T/m，并重复步骤（6)和步骤（7)直至加载力矩达到T时进入步骤（9); (9) 测试主机获取并记录电机控制器的输出电流、电压波形，电机控制器内部工作温度 和被测电机内部工作温度。
7. 如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括加载停止步骤 (10)： 测试主机先降低电机控制器的输出力矩至T/3,待转速下降到n/10时，再降低加载电 机的输出力矩至T/3 ;最后停止电机控制器工作，随后停止四象限变频器工作。
8. 如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤（6)中，所述电机控制器的输出力 矩超过T/m的超出比例范围在5%以内。
9. 如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤⑶中所述增大量T/m不超过500 牛.米。
【文档编号】G05B23/02GK104122887SQ201410367945
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】陈公仆, 但春华, 杨双俊, 邱耀明 申请人:湖北三江航天红峰控制有限公司