虛實對拖教學(xué)實驗平臺設(shè)計與分析

王 兵， 劉 凱， 顏偉平， 余 鑫， 李江坪

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412008)

0 引言

電機(jī)生產(chǎn)廠家在電機(jī)出廠過程中需對電機(jī)性能進(jìn)行測試，較為經(jīng)濟(jì)的測試方法是將兩臺電機(jī)同軸連接，互為負(fù)載，構(gòu)成對拖測試平臺[1]。在電機(jī)對拖測試平臺上，可通過一些加載方式模擬負(fù)載，檢測電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器性能、參數(shù)，驗證電機(jī)驅(qū)動控制算法。

在“電機(jī)控制技術(shù)”及相關(guān)課程實驗教學(xué)過程中，矢量控制、多工況運行時電機(jī)動態(tài)過程的分析是關(guān)鍵[2]。在傳統(tǒng)變頻器和教儀的電機(jī)調(diào)速監(jiān)控設(shè)備上，通過簡單設(shè)置參數(shù)進(jìn)行功能調(diào)試和波形觀測，很難將課堂理論的重點和難點在實驗中加以分析驗證[3,4]。本文基于Matlab/Simulink仿真軟件搭建了永磁同步電動機(jī)(PMSM)和交流異步電動機(jī)(ACIM)共直流母線對拖仿真平臺；基于英威騰公司的伺服驅(qū)動器、變頻器、PLC、HMI等工業(yè)自動化控制器件，設(shè)計了一種2.2 kW的PMSM和ACIM對拖實驗平臺。在仿真、實物對拖實驗教學(xué)平臺上交互完成恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載實驗、恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速實驗、對拖能量回饋等實驗。通過多工況仿真與實物對拖運行對比的實驗，能提高學(xué)生的分析觀測能力和對拖平臺的調(diào)試操作能力，能加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，虛、實對拖實驗平臺實驗也拓寬了“電機(jī)控制技術(shù)”實驗教學(xué)內(nèi)容。

1 電機(jī)對拖平臺框架及原理

1.1 對拖教學(xué)平臺基本框架

對拖平臺的負(fù)載電機(jī)選用永磁同步電機(jī)，采用id=0的矢量控制方法，處于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過控制q軸電流的大小來改變負(fù)載電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，模擬被測電動機(jī)的負(fù)載變化；被測電機(jī)為一臺三相異步電動機(jī)，采用矢量變頻調(diào)速控制方式控制，處于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來控制對拖平臺的轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)在減速或者制動過程中，會產(chǎn)生再生能量回饋使直流側(cè)電容電壓泵升，將導(dǎo)致控制系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。為消除再生能量對直流側(cè)的影響，同時提高電源的利用率，吸收回饋能量，對拖平臺采用共直流母線的方式[5]。兩臺電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器連接實現(xiàn)對拖，對拖平臺仿真控制框架如圖1所示。

圖1 對拖平臺仿真控制框架圖

1.2 電機(jī)對拖工作原理

對拖平臺通過負(fù)載電機(jī)給被測電機(jī)進(jìn)行加載，模擬不同工況運行。為了使對拖平臺穩(wěn)定運行，必須確保雙電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡。忽略對拖系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)彈性，電機(jī)對拖時的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(1)

其中，Te1、Te2分別為被測電機(jī)與負(fù)載電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；J1、J2，Pn1、Pn2為被測電機(jī)與負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和極對數(shù)；D為被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比的阻尼系數(shù)；B為負(fù)載電機(jī)的摩擦系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子角速度。定義TL為負(fù)載電機(jī)作用被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(2)

負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(3)

當(dāng)Te1>0、Te2>0，則TL<0,此時被測電機(jī)處于電動狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生的再生能量將回饋至直流母線循環(huán)利用。

當(dāng)Te1<0、Te2<0，則TL>0，此時被測電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)工作在電動狀態(tài)，被測電機(jī)產(chǎn)生再生能量回饋至直流母線使用。

2 仿真對拖平臺實驗設(shè)計分析

電機(jī)對拖教學(xué)平臺Matlab/Simulik仿真如圖2所示。其主要由ACIM控制部分、PMSM控制部分、機(jī)械軸和直流母線四部分組成。ACIM控制部分主要完成被測電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定，PMSM控制部分完成被測電機(jī)的加載模擬工況運行；機(jī)械軸使雙電機(jī)同軸連接，為電機(jī)模擬負(fù)載，進(jìn)行加載實驗；兩電機(jī)控制器的直流母線并聯(lián)，能量將在兩電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部互饋，能節(jié)省電能，提高電能利用率。被測電機(jī)選用額定功率為2.2 kW的三相異步電動機(jī)，參數(shù)如表1所示；負(fù)載電機(jī)選用額定功率為2.2 kW的永磁同步電動機(jī)，參數(shù)如表2所示。

表1 三相異步電動機(jī)參數(shù)

表2 永磁同步電動機(jī)參數(shù)

圖2 對拖教學(xué)平臺Matlab/Simulink仿真圖

2.1 恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載仿真實驗

恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載實驗是將被測電機(jī)運行在給定的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，由負(fù)載電機(jī)為被測電機(jī)提供不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對被測電機(jī)在啟動、運行過程中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析。給定被測電機(jī)1400 r/min恒定轉(zhuǎn)速，帶載10 N·m起動；系統(tǒng)穩(wěn)定后，在0.8 s、1.2 s、1.6 s時，負(fù)載電機(jī)分別加載36 N·m、8 N·m、24 N·m轉(zhuǎn)矩，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形如圖3所示。由圖3可見，被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩跟隨負(fù)載電機(jī)力矩的變化而變化，且與負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向相反；無論負(fù)載電機(jī)所給的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如何變化，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。

圖3 恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載時被測電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形

恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載時被測電機(jī)轉(zhuǎn)矩與直流母線波形如圖4所示。在帶載起動階段，直流母線為被測電機(jī)加速和負(fù)載電機(jī)加載轉(zhuǎn)矩提供電能，此時系統(tǒng)還未達(dá)到穩(wěn)定，因此，母線電容端電壓出現(xiàn)大幅度跌落現(xiàn)象；當(dāng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定后，母線端電壓恢復(fù)穩(wěn)定值；在0.8 s-1.2 s階段，負(fù)載力矩加大，輸出電流增加，直流母線電壓降低；在1.2 s時，由于負(fù)載力矩突降，電磁力矩大于負(fù)載力矩，有一升速趨勢，導(dǎo)致直流母線端產(chǎn)生一尖峰回饋電壓，隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的平衡，母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定；在1.6 s～1.8 s階段，由于加載轉(zhuǎn)矩沒有0.8 s～1.2 s階段大，母線電壓跌落值略小。

圖4 恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載時被測電機(jī)轉(zhuǎn)矩與直流母線電壓波形

2.2 恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速仿真實驗

恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速實驗是由負(fù)載電機(jī)為被測電機(jī)提供一個恒定的負(fù)載，被測電機(jī)給定不同轉(zhuǎn)速，對被測電機(jī)在啟動、運行過程中動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析。系統(tǒng)帶載10 N·m啟動，在0 s、0.8 s、1.2 s、1.6 s時分別給定被測電機(jī)1400 r/min、1200 r/min、800 r/min、1000 r/min的轉(zhuǎn)速，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示。在0.8 s、1.2 s處，由于給定轉(zhuǎn)速的突降，被測電機(jī)開始處于減速工況狀態(tài)，被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由于受到負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響而減?。划?dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩恢復(fù)恒定狀態(tài)；在1.6 s處，系統(tǒng)開始加速，此時被測電機(jī)處于加速工況狀態(tài)，被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩受負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響而增大，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)時被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩恢復(fù)給定值。

恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速時被測電機(jī)轉(zhuǎn)速與直流母線電壓波形如圖6所示。在帶載起動階段，啟動電流較大，被測電機(jī)處于加速啟動狀態(tài)，直流母線端電容電壓為電機(jī)供電，因此直流母線電壓降低；當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，被測電機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)速1400 r/min，此時母線端電壓穩(wěn)定；在0.8 s、1.2 s，由于給定轉(zhuǎn)速突降，瞬間慣性轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速，被測電機(jī)有一回饋制動過程，在制動期間產(chǎn)生再生能量回饋至直流母線，直流母線端電壓升高，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，母線電壓恢復(fù)初始值；從母線電壓上還可看出隨著運行速度的降低，回饋至直流母線的再生能量也隨之減少；在1.6 s～2 s階段，因給定轉(zhuǎn)速增加，輸出功率，直流母線電壓降低，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來后，直流母線電壓恢復(fù)初始值。

圖5 恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速時被測電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形

圖6 恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速時被測電機(jī)轉(zhuǎn)速與直流母線電壓波形

恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載運行控制為電磁響應(yīng)過程，恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速運行控制屬于機(jī)械響應(yīng)過程，從圖4～圖6曲線上可見，恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載控制的響應(yīng)速度要快于恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速控制，電磁量和機(jī)械量的沖擊幅度也較小些。

3 實物對拖平臺實驗設(shè)計與分析

根據(jù)“電機(jī)控制技術(shù)”、“電氣控制與PLC技術(shù)”教學(xué)需求，以充分利用實驗臺完成教學(xué)實驗、進(jìn)行工程實訓(xùn)為目標(biāo)，與深圳市英威騰電氣股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了一款對拖實驗平臺。平臺硬件包括工控計算機(jī)、變頻器、觸摸屏、PLC、各類傳感器、繼電器、伺服永磁同步電機(jī)、三相異步電機(jī)等，主要器件如表3所示，實物對拖平臺框架如圖7所示，外形如圖8所示。被測電機(jī)為2.2 kW三相異步電動機(jī)，采用矢量變頻調(diào)速的控制方法；負(fù)載電機(jī)為2 kW伺服永磁同步電動機(jī)。其中，上位機(jī)采用裝有監(jiān)控、仿真軟件的計算機(jī)和HMI來對系統(tǒng)的加載測試流程進(jìn)行自動控制和人機(jī)監(jiān)控，下位機(jī)采用PLC作為主控制器完成電機(jī)加載測試系統(tǒng)的自動控制。PLC通過Modbus協(xié)議采集變頻器地址中的數(shù)據(jù)，通過模擬量輸入/輸出端口采與伺服驅(qū)動器交換數(shù)據(jù)；HMI程序中按鈕、數(shù)據(jù)趨勢圖等與PLC中輔助寄存器、數(shù)據(jù)采集寄存器進(jìn)行綁定，顯示變頻器相應(yīng)地址中數(shù)據(jù)變化情況，完成自動化操控與數(shù)據(jù)采集顯示功能。再生能量吸收回饋方式連接圖如圖9所示，設(shè)計兩種方式回饋和吸收再生能量：共直流母線、制動電阻；當(dāng)QS1斷開QS2閉合時，變頻器的“ 、 ”端口連接伺服驅(qū)動器的“ 、 ”端口，實現(xiàn)共直流母線連接，再生回饋能量循環(huán)利用，提高電源利用效率；當(dāng)QS1閉合 QS2斷開時，變頻器“ 、PB”端口與伺服驅(qū)動器的“ 、B2”端口連接制動電阻，再生回饋能量通過電阻吸收，防止直流側(cè)泵升電壓過高，危害系統(tǒng)安全。

表3 主要器件表

圖7 實物對拖實驗平臺框架圖

圖8 對拖實驗平臺外形圖

圖9 再生能量吸收回饋方式連接圖

3.1 恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載實驗

采用共直流母線的工作方式，設(shè)定變頻器頻率為24 Hz，被測電機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為686 r/min。PLC采用定時控制方式，在0 s～10 s、10 s～25 s、25 s～45 s、45 s～60 s分別給負(fù)載電機(jī)加20%、60%、16%、48%額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，上位機(jī)HMI上的恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載實驗監(jiān)控界面如圖10所示。由圖10可見，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，但轉(zhuǎn)速不隨被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化而改變，與仿真實驗現(xiàn)象一致，體現(xiàn)了系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

圖10 恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載HMI監(jiān)控界面

3.2 恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速實驗

采用共直流母線的工作方式，給定伺服負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的10%。PLC采用定時自動控制方式，在0 s～10 s、10 s～25 s、25 s～45 s、45 s～60 s分別設(shè)定被測電機(jī)運行頻率為30 Hz、20 Hz、10 Hz、15 Hz，上位機(jī)HMI設(shè)備上的恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速實驗監(jiān)控界面如圖11所示。由圖11可見，在加減速時，被測電機(jī)瞬間電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的突變而波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，被測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本不變，與恒轉(zhuǎn)速變負(fù)載仿真實驗現(xiàn)象一致，體現(xiàn)了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性，驗證了恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速仿真實驗的正確性。

由于將變頻器和伺服驅(qū)動器的直流母線并接在一起，對拖運行時被測電機(jī)主要工作在電動狀態(tài)，拖動負(fù)載電機(jī)運行，負(fù)載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，并將電能回饋到直流母線端直接供系統(tǒng)使用，從而提高了電源利用率；在轉(zhuǎn)矩和速度突變時的回饋能量，也回饋至直流母線端，因此，直流母線端電壓有波動但不明顯。若斷開QS2合上QS1，回饋能量將直接消耗在制動電阻上，工況運行時制動電阻發(fā)熱嚴(yán)重。

圖11 恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速HMI監(jiān)控界面

4 結(jié)語

對拖虛實教學(xué)實驗平臺能分別通過對被測電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的控制，模擬出各種運行工況，使得測試多樣化。仿真平臺可供學(xué)生課前、課后模擬對拖工況調(diào)試運行，觀測負(fù)載、轉(zhuǎn)速突變時的波形，加深對課程知識點的理解；2.2 kW實物對拖平臺能讓學(xué)生模擬生產(chǎn)中電機(jī)性能測試流程，設(shè)計電機(jī)測試方案，同時能利用PLC、觸摸屏對永磁伺服電機(jī)和異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

設(shè)計的虛實結(jié)合的平臺及配套的實驗?zāi)苡行в糜谡n程實驗教學(xué)和工程實訓(xùn)教學(xué)，利于學(xué)生加強對電機(jī)矢量控制、電機(jī)工況運行時的動態(tài)過程的認(rèn)識，利于電機(jī)控制算法的驗證，能有效鍛煉學(xué)生電機(jī)試驗的工程能力以及創(chuàng)新設(shè)計能力，教學(xué)實踐中收效良好。