虛實對拖教學實驗平臺設計與分析

王 兵， 劉 凱， 顏偉平， 余 鑫， 李江坪

(湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412008)

0 引言

電機生產廠家在電機出廠過程中需對電機性能進行測試，較為經濟的測試方法是將兩臺電機同軸連接，互為負載，構成對拖測試平臺[1]。在電機對拖測試平臺上，可通過一些加載方式模擬負載，檢測電機及電機驅動器性能、參數，驗證電機驅動控制算法。

在“電機控制技術”及相關課程實驗教學過程中，矢量控制、多工況運行時電機動態過程的分析是關鍵[2]。在傳統變頻器和教儀的電機調速監控設備上，通過簡單設置參數進行功能調試和波形觀測，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(PMSM)和交流異步電動機(ACIM)共直流母線對拖仿真平臺；基于英威騰公司的伺服驅動器、變頻器、PLC、HMI等工業自動化控制器件，設計了一種2.2 kW的PMSM和ACIM對拖實驗平臺。在仿真、實物對拖實驗教學平臺上交互完成恒轉速變負載實驗、恒負載變轉速實驗、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，能提高學生的分析觀測能力和對拖平臺的調試操作能力，能加深學生對理論知識的理解，提高學習興趣，虛、實對拖實驗平臺實驗也拓寬了“電機控制技術”實驗教學內容。

1 電機對拖平臺框架及原理

1.1 對拖教學平臺基本框架

對拖平臺的負載電機選用永磁同步電機，采用id=0的矢量控制方法，處于轉矩閉環狀態，通過控制q軸電流的大小來改變負載電動機的轉矩，模擬被測電動機的負載變化；被測電機為一臺三相異步電動機，采用矢量變頻調速控制方式控制，處于速度閉環狀態，用來控制對拖平臺的轉速。由于電機在減速或者制動過程中，會產生再生能量回饋使直流側電容電壓泵升，將導致控制系統運行不穩定。為消除再生能量對直流側的影響，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]。兩臺電機輸出軸通過聯軸器連接實現對拖，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 電機對拖工作原理

對拖平臺通過負載電機給被測電機進行加載，模擬不同工況運行。為了使對拖平臺穩定運行，必須確保雙電機達到轉矩平衡。忽略對拖系統的扭轉彈性，電機對拖時的轉矩平衡方程為：

(1)

其中，Te1、Te2分別為被測電機與負載電機的電磁轉矩；J1、J2，Pn1、Pn2為被測電機與負載電機的轉動慣量和極對數；D為被測電機的轉速成正比的阻尼系數；B為負載電機的摩擦系數；ω為轉子角速度。定義TL為負載電機作用被測電機的轉矩，被測電機的轉矩平衡方程為：

(2)

負載電機的轉矩平衡方程為：

(3)

當Te1>0、Te2>0，則TL<0,此時被測電機處于電動狀態，負載電機處于發電狀態，負載電機產生的再生能量將回饋至直流母線循環利用。

當Te1<0、Te2<0，則TL>0，此時被測電機工作在發電狀態，負載電機工作在電動狀態，被測電機產生再生能量回饋至直流母線使用。

2 仿真對拖平臺實驗設計分析

電機對拖教學平臺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轉速的給定，PMSM控制部分完成被測電機的加載模擬工況運行；機械軸使雙電機同軸連接，為電機模擬負載，進行加載實驗；兩電機控制器的直流母線并聯，能量將在兩電機控制系統內部互饋，能節省電能，提高電能利用率。被測電機選用額定功率為2.2 kW的三相異步電動機，參數如表1所示；負載電機選用額定功率為2.2 kW的永磁同步電動機，參數如表2所示。

表1 三相異步電動機參數

表2 永磁同步電動機參數

圖2 對拖教學平臺Matlab/Simulink仿真圖

2.1 恒轉速變負載仿真實驗

恒轉速變負載實驗是將被測電機運行在給定的轉速狀態下，由負載電機為被測電機提供不同的負載轉矩，對被測電機在啟動、運行過程中轉速和轉矩動態響應情況進行分析。給定被測電機1400 r/min恒定轉速，帶載10 N·m起動；系統穩定后，在0.8 s、1.2 s、1.6 s時，負載電機分別加載36 N·m、8 N·m、24 N·m轉矩，被測電機的轉矩和轉速波形如圖3所示。由圖3可見，被測電機的電磁轉矩跟隨負載電機力矩的變化而變化，且與負載電機電磁轉矩方向相反；無論負載電機所給的負載轉矩如何變化，被測電機的轉速不變。

圖3 恒轉速變負載時被測電機轉速、轉矩波形

恒轉速變負載時被測電機轉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加速和負載電機加載轉矩提供電能，此時系統還未達到穩定，因此，母線電容端電壓出現大幅度跌落現象；當電機達到穩定后，母線端電壓恢復穩定值；在0.8 s-1.2 s階段，負載力矩加大，輸出電流增加，直流母線電壓降低；在1.2 s時，由于負載力矩突降，電磁力矩大于負載力矩，有一升速趨勢，導致直流母線端產生一尖峰回饋電壓，隨著系統轉矩的平衡，母線電壓恢復穩定；在1.6 s～1.8 s階段，由于加載轉矩沒有0.8 s～1.2 s階段大，母線電壓跌落值略小。

圖4 恒轉速變負載時被測電機轉矩與直流母線電壓波形

2.2 恒負載變轉速仿真實驗

恒負載變轉速實驗是由負載電機為被測電機提供一個恒定的負載，被測電機給定不同轉速，對被測電機在啟動、運行過程中動態響應情況進行分析。系統帶載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1400 r/min、1200 r/min、800 r/min、1000 r/min的轉速，被測電機的轉速、轉矩波形如圖5所示。在0.8 s、1.2 s處，由于給定轉速的突降，被測電機開始處于減速工況狀態，被測電機的電磁轉矩由于受到負載電機電磁轉矩的影響而減??；當系統穩定后，被測電機的電磁轉矩恢復恒定狀態；在1.6 s處，系統開始加速，此時被測電機處于加速工況狀態，被測電機的電磁轉矩受負載電機電磁轉矩的影響而增大，當系統達到穩速狀態時被測電機的電磁轉矩恢復給定值。

恒負載變轉速時被測電機轉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，被測電機處于加速啟動狀態，直流母線端電容電壓為電機供電，因此直流母線電壓降低；當系統穩定后，被測電機工作在恒定轉速1400 r/min，此時母線端電壓穩定；在0.8 s、1.2 s，由于給定轉速突降，瞬間慣性轉速大于給定轉速，被測電機有一回饋制動過程，在制動期間產生再生能量回饋至直流母線，直流母線端電壓升高，在轉速穩定后，母線電壓恢復初始值；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，因給定轉速增加，輸出功率，直流母線電壓降低，在轉速穩定下來后，直流母線電壓恢復初始值。

圖5 恒負載變轉速時被測電機轉速、轉矩波形

圖6 恒負載變轉速時被測電機轉速與直流母線電壓波形

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

3 實物對拖平臺實驗設計與分析

根據“電機控制技術”、“電氣控制與PLC技術”教學需求，以充分利用實驗臺完成教學實驗、進行工程實訓為目標，與深圳市英威騰電氣股份有限公司聯合開發了一款對拖實驗平臺。平臺硬件包括工控計算機、變頻器、觸摸屏、PLC、各類傳感器、繼電器、伺服永磁同步電機、三相異步電機等，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。被測電機為2.2 kW三相異步電動機，采用矢量變頻調速的控制方法；負載電機為2 kW伺服永磁同步電動機。其中，上位機采用裝有監控、仿真軟件的計算機和HMI來對系統的加載測試流程進行自動控制和人機監控，下位機采用PLC作為主控制器完成電機加載測試系統的自動控制。PLC通過Modbus協議采集變頻器地址中的數據，通過模擬量輸入/輸出端口采與伺服驅動器交換數據；HMI程序中按鈕、數據趨勢圖等與PLC中輔助寄存器、數據采集寄存器進行綁定，顯示變頻器相應地址中數據變化情況，完成自動化操控與數據采集顯示功能。再生能量吸收回饋方式連接圖如圖9所示，設計兩種方式回饋和吸收再生能量：共直流母線、制動電阻；當QS1斷開QS2閉合時，變頻器的“ 、 ”端口連接伺服驅動器的“ 、 ”端口，實現共直流母線連接，再生回饋能量循環利用，提高電源利用效率；當QS1閉合 QS2斷開時，變頻器“ 、PB”端口與伺服驅動器的“ 、B2”端口連接制動電阻，再生回饋能量通過電阻吸收，防止直流側泵升電壓過高，危害系統安全。

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 恒轉速變負載實驗

采用共直流母線的工作方式，設定變頻器頻率為24 Hz，被測電機對應的轉速為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分別給負載電機加20%、60%、16%、48%額定轉矩的負載，上位機HMI上的恒轉速變負載實驗監控界面如圖10所示。由圖10可見，被測電機的轉矩跟隨負載轉矩的變化而變化，但轉速不隨被測電機的電磁轉矩變化而改變，與仿真實驗現象一致，體現了系統具有良好的抗干擾能力。

圖10 恒轉速變負載HMI監控界面

3.2 恒負載變轉速實驗

采用共直流母線的工作方式，給定伺服負載電機電磁轉矩為額定轉矩的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分別設定被測電機運行頻率為30 Hz、20 Hz、10 Hz、15 Hz，上位機HMI設備上的恒負載變轉速實驗監控界面如圖11所示。由圖11可見，在加減速時，被測電機瞬間電磁轉矩隨轉速的突變而波動，當轉速穩定后，被測電機的電磁轉矩基本不變，與恒轉速變負載仿真實驗現象一致，體現了電機在不同轉速下的穩定性，驗證了恒負載變轉速仿真實驗的正確性。

由于將變頻器和伺服驅動器的直流母線并接在一起，對拖運行時被測電機主要工作在電動狀態，拖動負載電機運行，負載電機處于發電狀態，并將電能回饋到直流母線端直接供系統使用，從而提高了電源利用率；在轉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熱嚴重。

圖11 恒負載變轉速HMI監控界面

4 結語

對拖虛實教學實驗平臺能分別通過對被測電機和負載電機的控制，模擬出各種運行工況，使得測試多樣化。仿真平臺可供學生課前、課后模擬對拖工況調試運行，觀測負載、轉速突變時的波形，加深對課程知識點的理解；2.2 kW實物對拖平臺能讓學生模擬生產中電機性能測試流程，設計電機測試方案，同時能利用PLC、觸摸屏對永磁伺服電機和異步電動機進行調速控制。

設計的虛實結合的平臺及配套的實驗能有效用于課程實驗教學和工程實訓教學，利于學生加強對電機矢量控制、電機工況運行時的動態過程的認識，利于電機控制算法的驗證，能有效鍛煉學生電機試驗的工程能力以及創新設計能力，教學實踐中收效良好。