30kW交流電機(jī)城市軌道車輛牽引模擬系統(tǒng)

1、30kW交流電機(jī)城市軌道車輛牽引模擬系統(tǒng)宋瑞剛1，2 楊儉2 黃厚明1，2 堯輝明2 方宇2（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620）摘 要：提出一種基于30kW小功率交流電機(jī)的城市軌道車輛牽引模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功率條件下的軌道車輛牽引與電制動(dòng)工況模擬，同時(shí)可以對(duì)牽引電機(jī)特性參數(shù)進(jìn)行很好的實(shí)時(shí)采集與分析。本文從系統(tǒng)構(gòu)成和硬件實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)過程，以及工作原理上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)在試運(yùn)行階段取得良好效果。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；牽引電機(jī)；LabVIEW；The Stimulant System of the Tr

2、action of Mass Transit Vehicle Based on 30kW AC MotorSONG Rui-gang1, 2, YANG Jian2, HUANG Hou-ming1, 2, YAO Hui-ming2, FANG Yu2 (1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2. College of Automobile Engineering, Shanghai University of Engineering Scienc

3、e, Shanghai, China)Abstract: The thesis proposed a stimulant system of the traction of mass transit vehicle which based on 30kW low-power AC motor. The stimulant of traction status and electric braking status of the orbital vehicle under low-power conditions can be realized, and the characteristic p

4、arameters of traction electromotor of orbital vehicle can be well processed and analyzed. The system structure, hardware, the key steps of program and working principle are particularly described. The system achieved good results in the trial operation stage.Key words: virtual instruments; traction

5、electromotor; LabVIEW 城市軌道車輛的運(yùn)行特點(diǎn)是交通區(qū)間短，牽引、制動(dòng)等工況轉(zhuǎn)換頻繁，起動(dòng)、制動(dòng)性能要求嚴(yán)格，于是牽引和制動(dòng)性能的精確控制就顯得尤為重要。而在城市軌道車輛的牽引/制動(dòng)狀態(tài)檢測方面，我國還處于起步階段，尚未能實(shí)現(xiàn)隨車檢測和精確的計(jì)算與模擬。所以對(duì)于牽引和制動(dòng)控制來說，往往缺乏足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本文提出一種城市軌道車輛牽引模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)有的交流牽引控制技術(shù)，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，自動(dòng)模擬軌道車輛的牽引和電制動(dòng)特性，并對(duì)牽引電機(jī)特性參數(shù)進(jìn)行很好的采集和分析。且本試驗(yàn)系統(tǒng)采取30kW的小功率電機(jī)來模擬實(shí)際工況中的牽引電機(jī)運(yùn)行，對(duì)所測得數(shù)據(jù)的分析可用于指導(dǎo)實(shí)際工

6、況中的牽引制動(dòng)控制研究，這也就突破了普通實(shí)驗(yàn)室功率容量的限制，大大降低了模擬系統(tǒng)的建設(shè)成本?；谛」β式涣麟姍C(jī)的城軌車輛牽引模擬系統(tǒng)，通過圖形化編程（G語言）軟件Lab- VIEW對(duì)模擬行駛阻力進(jìn)行計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號(hào)，再通過信號(hào)處理和DC/AC電路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生勵(lì)磁電流，并通過交流測功機(jī)模擬車輛運(yùn)行所受到阻力進(jìn)行逆扭矩加載，對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，對(duì)電壓、電流等動(dòng)態(tài)參數(shù)以實(shí)時(shí)變化的圖形來直觀顯示，并詳細(xì)記錄存儲(chǔ)，為牽引電機(jī)特性分析提供數(shù)據(jù)支持。整個(gè)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序根據(jù)不同任務(wù)的設(shè)定更改量小，測試采集量和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的顯示通過PC機(jī)顯示器完成，是一個(gè)理想的城市軌道車輛牽引運(yùn)

7、行模擬平臺(tái)。1系統(tǒng)總體介紹 本系統(tǒng)采用將380V工頻交流電經(jīng)過整流逆變單元的調(diào)壓、濾波、整流后模擬軌道車輛直流母線供電，再分別經(jīng)過牽引和制動(dòng)逆變電路將直流電逆變成頻率和幅值可調(diào)的交流電，供給三相交流異步電機(jī)和測功機(jī),如圖1所示。圖1 交流牽引模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖制動(dòng)電阻整流、濾波、調(diào)壓主電路工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)采集卡牽引電機(jī)負(fù)載電機(jī)牽引控制負(fù)載控制傳感器牽引逆變器主電路制動(dòng)逆變器主電路慣量飛輪電網(wǎng)在牽引模擬系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)主電路循環(huán)系統(tǒng)，牽引工況時(shí)交流電機(jī)和測功機(jī)分別處于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)，能量互為消耗，對(duì)電能耗費(fèi)量小，只需少許控制電能和機(jī)械摩擦耗能。交流電機(jī)用于模擬城市軌道車輛中的牽

8、引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引和電制動(dòng)工況。交流測功機(jī)用于模擬車輛行使過程中遇到的動(dòng)態(tài)阻力。二者通過聯(lián)軸器連接在一起，在牽引電機(jī)輸出軸上裝有轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器，以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。三級(jí)飛輪通過牙嵌式離合器結(jié)合在一起，通過機(jī)械手柄調(diào)節(jié)加載的飛輪數(shù)，用于模擬城市軌道車輛的空載、滿載、超載三種載客工況。空氣制動(dòng)不作為本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，故系統(tǒng)未加載空氣制動(dòng)機(jī)。牽引模擬平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下兩種工況：（1）在牽引工況下，受牽引逆變器控制的異步交流電動(dòng)機(jī)按照速度閉環(huán)控制，其輸出功率經(jīng)減速器傳遞給處于發(fā)電工況的異步交流測功機(jī)，受制動(dòng)逆變器控制的交流測功機(jī)則按照轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，模擬列車的阻力負(fù)載。（2）在電制動(dòng)工況下，由制動(dòng)逆變

9、器控制的測功機(jī)繼續(xù)模擬列車在制動(dòng)過程中的阻力變化，而牽引逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)則在飛輪的慣性旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下處于發(fā)電工況，模擬實(shí)現(xiàn)列車再生能量的電阻消耗或者反饋。2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于虛擬儀器的城市軌道車輛交流牽引模擬系統(tǒng)的測控系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)計(jì)算機(jī)和圖形化編程語言LabVIEW的程序構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖2所示。圖2 基于LabVIEW的牽引運(yùn)行測控系統(tǒng)簡圖牽引信號(hào)調(diào)理電路傳感器傳感器LabVIEW圖形化程序多路開關(guān)放大器工業(yè)計(jì)算機(jī)模擬輸出量信號(hào)處理及電路轉(zhuǎn)換A/D保持器采樣/保持器系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集板是NI公司的PCI-6225數(shù)據(jù)采集板，PCI-6225是一種基于計(jì)算機(jī)PCI總線的數(shù)據(jù)

10、采集卡，可直接插在計(jì)算機(jī)的PCI插槽上使用，PCI-6225板上裝有16bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。為用戶提供了80路單端/40路差分的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。其中在采集卡的D/A通道中進(jìn)行的是D/A轉(zhuǎn)換，采用PID控制，將運(yùn)算輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為控制電壓，送入驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大后，作為交流電機(jī)的輸入電壓。在采集卡的A/D通道中進(jìn)行的是A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測得的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，基于LabVIEW 的PID控制模塊對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行處理，計(jì)算出給定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓值與實(shí)際轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的電壓值之間的偏差，并根據(jù)數(shù)字PID控制算法計(jì)算出控制量以調(diào)節(jié)交流電機(jī)

11、的轉(zhuǎn)速?；贚abVIEW軟件編程，通過數(shù)據(jù)采集卡可以準(zhǔn)確、快速地檢測到交流異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，得到電流、電壓等基本參數(shù)，為分析研究列車運(yùn)行在不同工況下的牽引電機(jī)特性做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。3 牽引電機(jī)及其控制 系統(tǒng)采用德國德驅(qū)馳公司生產(chǎn)的30KW交流變頻異步電機(jī)，按照19：3的功率比例，用以模擬上海地鐵2號(hào)線190KW牽引電機(jī)的功率輸出，輸入軸轉(zhuǎn)速采取和實(shí)際工況牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速相同，最高達(dá)到3352r/min（折算至實(shí)際車速80km/h）,在速度量綱上對(duì)車輛牽引系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)模擬表。變頻器對(duì)大功率交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了精確控制，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中變頻器數(shù)量不多、數(shù)據(jù)傳輸量不大，采用RS485總線來實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變

12、頻器之間的通訊，滿足了實(shí)時(shí)性要求。在本系統(tǒng)內(nèi)采用通信接口與工控機(jī)通信，工控機(jī)按通信協(xié)議USS向變頻器發(fā)送轉(zhuǎn)速值。由于變頻器通信口采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，與工控機(jī)的RS232標(biāo)準(zhǔn)之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此，在變頻器與工控機(jī)間用RS485/232 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行連接1。 扭矩傳感器采用德國Dr. Staiger Mohilo 0170DM傳感器，量程01500Nm，最高轉(zhuǎn)速12,000 rpm，完全滿足軌道車輛扭矩參數(shù)變化范圍的要求。采用非接觸式，滿量程時(shí)精度0.2%，轉(zhuǎn)速信號(hào)360p/r，也滿足實(shí)時(shí)測試的精度要求。牽引電機(jī)采用速度閉環(huán)控制，依次實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒力矩、恒轉(zhuǎn)速和自然特性，以及軌道交通車輛的牽引加速

13、、惰行和制動(dòng)減速三個(gè)過程。在LabVIEW編程操作的牽引控制和負(fù)載控制共同作用下，實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)行速度曲線圖，如圖3所示。速度(Km/h)恒功率 自然特性 自然特性 恒力矩恒功率 制動(dòng)減速區(qū)惰行區(qū)牽引加速區(qū)牽引制動(dòng)時(shí)間(s)20A406080恒力矩BCDEF0G 圖3 城市軌道車輛運(yùn)行速度曲線圖4 負(fù)載電機(jī)及其控制4.1 模擬阻力加載原理本系統(tǒng)中的負(fù)載電機(jī)采用ABB公司生產(chǎn)的33kW異步交流測功機(jī)來實(shí)現(xiàn)，附帶高性能可編程測功機(jī)控制器，通過編程實(shí)現(xiàn)城市軌道列車運(yùn)行中受到的阻力負(fù)載。城市軌道車輛由于其編組車輛少，列車長度較短，在模擬系統(tǒng)中，可將整個(gè)列車看作一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，忽略各節(jié)車廂在運(yùn)行過

14、程中受到各種力在大小和方向上的不同，將列車阻力平均分配至每節(jié)車廂，再進(jìn)一步折算至每臺(tái)牽引電機(jī)軸的輸出軸，由測功機(jī)來實(shí)現(xiàn)。軌道車輛的運(yùn)行阻力包括基本阻力和線路阻力2。基本阻力和機(jī)車運(yùn)行速度有關(guān)，參考我國既有的城軌車輛資料以及國外資料，采用以下典型阻力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，即： 式中：為列車基本阻力，KN；為列車行車速度，km/h；為列車總質(zhì)量，t。線路阻力主要決定于列車運(yùn)行的具體線路條件。它綜合了坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加空氣阻力三種阻力情況，并且通常用一個(gè)加算的坡道附加阻力代替。加算坡道阻力 式中：為列車線路阻力，KN；為加算坡度；為列車總重量，KN。 此外，還有列車的起動(dòng)阻力，列車的起動(dòng)阻

15、力情況比較復(fù)雜，不能應(yīng)用一般的阻力計(jì)算公式。列車在實(shí)際運(yùn)行中，一旦起動(dòng)，列車阻力就起動(dòng)阻力回落到運(yùn)行阻力，維持時(shí)問極短， 是靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的瞬變過程3。參照國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，并考慮到程序中計(jì)算步長的限制， 在本系統(tǒng)中阻力加載可以忽略這一瞬變過程。 4.2 負(fù)載電機(jī)控制變頻能量回收系統(tǒng)控制交流測功機(jī)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，使其在向被測試件加載的同時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量閉環(huán)回收。系統(tǒng)加載控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制，通訊模式采用串口RS485總線實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與系統(tǒng)之間的通訊。多種模擬與數(shù)字I/O接口和通訊適配器，高性能可編程測功機(jī)控制器。內(nèi)置測功機(jī)應(yīng)用宏，滿足多種應(yīng)用，減少程序設(shè)計(jì)量和培訓(xùn)費(fèi)用，

16、提高可靠性。豐富的PC工具軟件，全面支持系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測，編程、調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)靜態(tài)精度即轉(zhuǎn)矩的控制精度為±0.1%(FS)，轉(zhuǎn)速的控制精度為±0.5%(FS)，完全滿足城市軌道車輛牽引模擬的精度要求4。5 慣量的設(shè)計(jì)原理飛輪系統(tǒng)的作用是：利用其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬軌道車輛加速阻力，來實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引加速能力的測試；儲(chǔ)存車輛行駛時(shí)的動(dòng)能來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工況的測試。車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模擬方式一般有兩種，一是機(jī)械模擬，二是電模擬。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在一些汽車的底盤測功機(jī)上已配備有電模擬慣量系統(tǒng)，但我國電模擬慣量系統(tǒng)還不成熟，且價(jià)格昂貴，所以大部分測功機(jī)系統(tǒng)仍配備飛輪系統(tǒng)5。在本模擬系統(tǒng)中，我

17、們設(shè)計(jì)三級(jí)飛輪來模擬城市軌道列車的空載、滿載和超載三種不同工況。因?yàn)檩d客量每日波動(dòng)較大，所以對(duì)慣量的精確度要求不高，三級(jí)飛輪采用逐級(jí)加載、手動(dòng)離合換擋的方式，飛輪之間用牙嵌式離合器聯(lián)結(jié)。列車旋轉(zhuǎn)慣量的折算，可以簡化為工作機(jī)構(gòu)做水平運(yùn)動(dòng)的情況。折算原則是保持折算前后動(dòng)能不變。依據(jù)公式如下：平動(dòng)情況下， （1） 轉(zhuǎn)動(dòng)情況下， （2）聯(lián)立（1）（2）式，可得 （3）代入公式換算后，可得 其中：為機(jī)車質(zhì)量；為機(jī)車行使速度；為機(jī)車重量；為電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；為折算至電動(dòng)機(jī)軸端的飛輪矩；為飛輪直徑；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；為機(jī)車折算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 依據(jù)車輛編組方式、減速器減速比、傳動(dòng)效率系數(shù)等參

18、數(shù)，將總體慣量折算至單臺(tái)牽引電機(jī)輸出軸端，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架具體條件，設(shè)計(jì)出慣量可調(diào)的三級(jí)飛輪。6 牽引模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言G語言(Graphics Language)的虛擬軟件開發(fā)工具。它不同于基于文本編程語言之處，在于它是一種圖形編程語言，其編程過程就是通過圖形符號(hào)描述程序的行為，從而構(gòu)成用戶需要的虛擬儀器6。在虛擬儀器中，使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測量儀器。對(duì)于交流牽引測試的多功能測試要求，用戶可以將具有一種或多種功能的通用模塊相結(jié)合，并且調(diào)用不同功能的軟件模塊，就能完成不同的測試任務(wù)7。LabVIE

19、W軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制面板如圖4所示。牽引模擬系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。圖4 城市軌道車輛牽引模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制前面板圖5 牽引模擬系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖是是是是否否報(bào)警開始參數(shù)設(shè)置牽引電機(jī)啟動(dòng)負(fù)載電機(jī)加載試驗(yàn)過程正常？路段全程試驗(yàn)完畢？試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)完畢？試驗(yàn)結(jié)束，數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)打印牽引電機(jī)停止負(fù)載電機(jī)停止否7 結(jié)語本模擬系統(tǒng)采用交流電封閉方案，能源利用好，回收效率高。同時(shí)系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引電機(jī)、測功機(jī)等的計(jì)算機(jī)控制，以及對(duì)牽引電機(jī)的輸入、輸出軸的扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，操作簡單，界面友好。表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩 牽引電流 制動(dòng)電流

20、(s) （r·min-1） (N·m) （A） （A）5 404 98.5 65.2 5.410 944 98.9 66.1 6.915 1473 61.3 24.2 5.920 1491 4.4 3.4 4.625 1492 4.7 3.6 5.330 1486 4.8 3.7 5.235 1487 4.7 3.6 5.340 1486 4.5 3.4 6.945 1491 4.6 3.5 5.850 1490 4.6 3.5 5.155 1482 -23.7 -15.6 6.160 905 -99.8 -64.3 166.1 65 792.8 3.4 2.3 5.370 793.2 3.3 2.3 5.3雖然系統(tǒng)在空電聯(lián)合制動(dòng)方面的模擬還有所欠缺，但是牽引電機(jī)特性和電制動(dòng)過程作為本課題的重點(diǎn)還是得到了很好的研究。實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)成功后運(yùn)轉(zhuǎn)良好，結(jié)合上海地鐵2號(hào)線資料，有效模擬了城市軌道車輛牽引加速、惰行和電制動(dòng)的過程。表1為實(shí)驗(yàn)過程中測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從中可以看出牽引及制動(dòng)過程中電機(jī)的各種特性符合實(shí)際工況中軌道車輛牽引電機(jī)運(yùn)行特性，這就為研究城市軌道車輛的牽引