小功率電梯曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李懷珍

（1.上海電科電機(jī)科技有限公司 上海 200063）

（2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司 上海 200063）

1 問(wèn)題的引出

原實(shí)驗(yàn)室有2 套采用“變頻電源-變頻調(diào)速電機(jī)-變速箱”結(jié)構(gòu)的測(cè)功機(jī)臺(tái)架，試驗(yàn)?zāi)芰χ饕性诠β识? ～22 kW、扭矩500 ～2 000 N.m 范圍內(nèi)的外轉(zhuǎn)子永磁同步無(wú)齒輪曳引機(jī)。隨著公司新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，尤其是鋼帶曳引機(jī)等小功率曳引機(jī)的投入測(cè)試，原測(cè)功機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)芰γ芡癸@，主要表現(xiàn)有：

1）原臺(tái)架采用了變速箱結(jié)構(gòu)和固定式1 000 N.m、2 000 N.m 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，致使試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)載調(diào)整率較大，在進(jìn)行小功率曳引機(jī)試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)達(dá)10 ～20 N.m，嚴(yán)重影響采集測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，致使進(jìn)一步性能分析存在較大的偏差。

2）通過(guò)與型檢機(jī)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)比分析，臺(tái)架基于轉(zhuǎn)速差的對(duì)拖測(cè)試法試驗(yàn)，在原理上采用連續(xù)工作制等效負(fù)載的方法試驗(yàn)[1]，在試驗(yàn)方法上與主機(jī)實(shí)際工作制有較大差異，數(shù)據(jù)對(duì)比也有一定出入。

3）原臺(tái)架主要用于較大功率的主機(jī)試驗(yàn)，中心高偏高，在進(jìn)行鋼帶曳引機(jī)試驗(yàn)時(shí)需要墊高很多，不僅安裝不便，試驗(yàn)過(guò)程中也存在較大的安全隱患。

基于以上問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室針對(duì)小功率曳引機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)意見(jiàn)：

1）采用加載電機(jī)直驅(qū)方式減小負(fù)載調(diào)整率，針對(duì)不同扭矩的曳引機(jī)試驗(yàn)可靈活選擇轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。

2）能夠模擬曳引機(jī)實(shí)際工況，且在數(shù)據(jù)存在異議時(shí)方便對(duì)等效負(fù)載方式和直接負(fù)載方式試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

2 測(cè)試需求及設(shè)計(jì)分析

根據(jù)測(cè)試規(guī)劃，本電梯曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于0.75～5.5 kW功率范圍內(nèi)的小功率鋼帶曳引機(jī)的空載、負(fù)載、溫升和反向電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)，試驗(yàn)曳引機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)曳引機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行曳引機(jī)測(cè)試方法主要是采用磁粉制動(dòng)器方案的能耗法和電功率閉環(huán)的對(duì)拖測(cè)試法。采用磁粉制動(dòng)器適合低速加載試驗(yàn)，加載能量以發(fā)熱的形式消耗，能夠比較容易地模擬曳引機(jī)的工況[2]；對(duì)拖測(cè)試法能夠進(jìn)行高、低速的電機(jī)試驗(yàn)，加載能量通過(guò)電功率閉環(huán)的方式回收再利用，適用于連續(xù)工作制的電機(jī)試驗(yàn)，在大功率電機(jī)試驗(yàn)時(shí)節(jié)能效果明顯，應(yīng)用非常普遍，然而模擬曳引機(jī)工況則比較難以實(shí)現(xiàn)[3]。

基于測(cè)試需求，本試驗(yàn)系統(tǒng)既希望保留傳統(tǒng)的對(duì)拖測(cè)試法的優(yōu)點(diǎn)，如反拖試驗(yàn)方便，又希望能夠較為真實(shí)地模擬曳引機(jī)的工況，因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)以兼容2 種試驗(yàn)方式，以下對(duì)本試驗(yàn)系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

3 總體結(jié)構(gòu)及原理

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電梯曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)集控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、加載單元、測(cè)量單元和機(jī)械結(jié)構(gòu)于一體，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

控制單元用于系統(tǒng)輸出、保護(hù)等工況的控制；驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)曳引機(jī)按照預(yù)設(shè)工況運(yùn)行；加載單元用于對(duì)試驗(yàn)曳引機(jī)進(jìn)行加載或反拖；測(cè)量單元用于試驗(yàn)過(guò)程中的電參數(shù)和非電參數(shù)的測(cè)量。

3.2 電氣組成

基于試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)電梯曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電氣原理圖如圖2 所示，包括斷路器、驅(qū)動(dòng)單元U1.0、變頻電源U1.1、控制器U1.2、低壓寬頻測(cè)量單元CT、接線箱等部分。

圖2 電氣原理圖

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

電梯曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由試驗(yàn)電梯曳引機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、加載電機(jī)、磁粉制動(dòng)器等部分組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝示意圖如圖3 所示，試驗(yàn)曳引機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、加載電機(jī)和磁粉制動(dòng)器通過(guò)聯(lián)軸器同軸連接，并通過(guò)機(jī)械工裝固定安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上。設(shè)計(jì)上采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和傳感器底座分立式的方式，方便不同量程傳感器的更換；采用加載電機(jī)直驅(qū)方式進(jìn)行加載，從而避免應(yīng)用變速箱導(dǎo)致的負(fù)載調(diào)整率過(guò)大和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝示意圖

4 系統(tǒng)硬件組成及選型

4.1 驅(qū)動(dòng)單元

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于小功率永磁同步無(wú)齒輪鋼帶曳引機(jī)試驗(yàn)，曳引機(jī)常用編碼器規(guī)格有海德漢ERN1387、ECN1313。市場(chǎng)常用電梯變頻器的編碼器的接入均比較單一，如默納克NICE3000 系列變頻器支持ERN1387，不支持ECN1313[4]，富士FRENIC-LIFT 系列變頻器支持ECN1313，而不支持ERN1387[5]，試驗(yàn)時(shí)需要反復(fù)替換驅(qū)動(dòng)變頻器或更換曳引機(jī)編碼器。

通過(guò)檢索和調(diào)研，臺(tái)達(dá)VFD-ED 變頻器支持多種主流編碼器型式[6]，如ABZ、ABZ+UVW、SIN/COS、SIN/COS+Endat2.1，其通過(guò)1 塊EMED-PGHSD-1 回授卡即可實(shí)現(xiàn)曳引主機(jī)常用編碼器ERN1387、ECN1313 的兼容。

基于此，本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)單元采用臺(tái)達(dá)VFD-ED 電梯變頻器，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 變頻器主要技術(shù)參數(shù)

4.2 加載單元

●4.2.1 磁粉制動(dòng)器

本試驗(yàn)系統(tǒng)采用FZ400Y 型磁粉制動(dòng)器，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩為400 N.m，滑差功率為5 kW，激勵(lì)電壓為24 V，激勵(lì)電流為0 ～2.5 A，許用轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

控制器采用SC-1D（3A），電壓輸出0 ～36 V，電流輸出0 ～3 A。

●4.2.2 加載電機(jī)

本試驗(yàn)系統(tǒng)加載電機(jī)采用特殊設(shè)計(jì)的雙軸伸變頻調(diào)速電機(jī)YVF225M-8，電機(jī)額定功率為22 kW，額定轉(zhuǎn)速為740 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定扭矩為284 N.m，恒轉(zhuǎn)矩頻率范圍為3 ～50 Hz，恒功率范圍為50～100 Hz，能夠滿足試驗(yàn)曳引機(jī)直驅(qū)加載的試驗(yàn)需求。

●4.2.3 變頻電源

本試驗(yàn)系統(tǒng)變頻電源采用380 V 系列電機(jī)試驗(yàn)靜止變頻電源，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 變頻電源主要技術(shù)參數(shù)

4.3 測(cè)量單元

●4.3.1 機(jī)械參數(shù)測(cè)量

電機(jī)輸出機(jī)械功率參數(shù)的測(cè)量采用JN338-A 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，基本精度為0.1 級(jí)，配置100 N.m、200 N.m 和500 N.m 3 個(gè)量程傳感器，滿足小扭矩測(cè)量的需求。

●4.3.2 電參數(shù)測(cè)量

功率分析儀用來(lái)檢測(cè)被試電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等電參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用FLUKE NORMA 4 000 功率分析儀，基本精度為0.1 級(jí)，電壓測(cè)量范圍為0.3 ～1 000 V，電流測(cè)量范圍為0 ～20 A，測(cè)量帶寬達(dá)10 MHz，能夠滿足曳引機(jī)低頻率測(cè)量的需求。

4.4 控制單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用IPC-810E 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和西門(mén)子S7-200 系列可編程邏輯控制器（PLC）構(gòu)成上、下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用PLC 實(shí)現(xiàn)回路控制、邏輯運(yùn)算、安全聯(lián)鎖以及輸出控制等功能，是控制單元的核心部件。IPC-810E 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自帶4 個(gè)串口，其中COM1、COM2 工作于RS-485 模式，分別與S7-200 PLC、變頻靜止電源進(jìn)行Modbus 通信；COM3、COM4 工作于RS-232 模式，分別與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、功率分析儀通信采集機(jī)械參數(shù)和電參數(shù)。

5 主要工作模式和功能實(shí)現(xiàn)

1）試驗(yàn)曳引機(jī)電動(dòng)狀態(tài)+加載單元不工作模式。電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)斷路器后輸入至驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)測(cè)量單元和接線箱后驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電梯曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)曳引機(jī)與加載單元斷開(kāi)機(jī)械連接。本工作模式下，試驗(yàn)曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，加載單元斷開(kāi)，適用于試驗(yàn)曳引機(jī)的空載試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)曳引機(jī)電動(dòng)狀態(tài)+加載電機(jī)發(fā)電狀態(tài)+磁粉制動(dòng)器不工作模式。電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)斷路器后輸入至驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)測(cè)量單元和接線箱后驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電梯曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)加載電機(jī)，加載電機(jī)能量經(jīng)四象限變頻電源后回饋至電網(wǎng)，從而構(gòu)成電功率閉環(huán)。本工作模式下，磁粉制動(dòng)器加載回路斷開(kāi)，試驗(yàn)電梯曳引機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與加載電機(jī)連接，試驗(yàn)曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，對(duì)拖機(jī)組通過(guò)轉(zhuǎn)速差的方式并機(jī)工作，能量通過(guò)交流電網(wǎng)回饋，適用于試驗(yàn)曳引機(jī)的連續(xù)工作溫升試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)曳引機(jī)不工作+加載電機(jī)電動(dòng)+磁粉制動(dòng)器不工作模式。電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)斷路器后輸入至變頻電源，變頻電源直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)試驗(yàn)曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)。本工作模式下，磁粉制動(dòng)器加載回路斷開(kāi)，加載電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，適用于試驗(yàn)曳引機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)。

4）試驗(yàn)曳引機(jī)電動(dòng)狀態(tài)+磁粉制動(dòng)器加載+加載電機(jī)不工作模式。電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)斷路器后輸入至驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)測(cè)量單元和接線箱后驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電梯曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)加載電機(jī)和磁粉制動(dòng)器旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器勵(lì)磁電流進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載能量通過(guò)磁粉制動(dòng)器冷卻系統(tǒng)消耗掉。本工作模式下，加載電機(jī)回路斷開(kāi)，試驗(yàn)電梯曳引機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與加載電機(jī)連接，試驗(yàn)曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，加載電機(jī)不工作，適用于試驗(yàn)曳引機(jī)的斷續(xù)工作模擬溫升試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)建成后對(duì)多臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行了性能測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。選用某鋼帶機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)主要參數(shù)如下：額定功率為2.2 kW，額定電壓為400 V，額定電流為7.8 A，額定轉(zhuǎn)速為201 r/min，額定頻率為23.5 Hz，極對(duì)數(shù)為7，工作制為S3-40%。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況見(jiàn)表4，對(duì)比可見(jiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)較好吻合，解決了原測(cè)功機(jī)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)偏差過(guò)大的問(wèn)題，能夠滿足小功率曳引機(jī)的試驗(yàn)需求。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)本系統(tǒng)對(duì)該鋼帶機(jī)采用S1工作等效負(fù)載（63.2%PN）的方式進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，比較表4、表5 兩種試驗(yàn)方式的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，采用S3（40%）試驗(yàn)方式溫升試驗(yàn)結(jié)果略高于S1工作等效負(fù)載溫升試驗(yàn)結(jié)果，除試驗(yàn)條件等不可控因素外，試驗(yàn)過(guò)程中鋼帶曳引機(jī)啟動(dòng)次數(shù)頻繁、加減速時(shí)間長(zhǎng)短等因素也會(huì)導(dǎo)致溫升試驗(yàn)結(jié)果偏高。

表4 主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

表5 S1 工作等效負(fù)載溫升試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)系統(tǒng)能夠兼容斷續(xù)工作直接負(fù)載和連續(xù)工作等效負(fù)載的方式試驗(yàn)，方便了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)試驗(yàn)，很好地滿足了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理的需求，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于小功率曳引機(jī)試驗(yàn)的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的曳引機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，在保留了饋能法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又能夠模擬曳引機(jī)工作制工況，解決了實(shí)驗(yàn)室小功率曳引機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰η啡钡膯?wèn)題，尤其是鋼帶曳引機(jī)的試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫矫黠@提高，為小功率曳引機(jī)試驗(yàn)提供了參考。