（机械制造及其自动化专业论文）轻轨牵引电机性能试验台的研究与设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 轻轨交通在我国快速发展的同时，对轻轨机车的安全性提出了更高更加严格 的要求。牵引电机是是电传动机车车辆的主要部件之一。做为驱动机车动轮轴的 主电动机，它的运行性能直接影响着机车车辆的牵引性能，其质量好坏直接影响 机车的正常运行。 根据机车的检修规程，牵引电机在检修后，需在试验台上做各种性能试验。 原有试验台在操作性、界面友好性等方面存在着许多不足，如实验数据无法及时 存储，系统功能较单一，需要用不同仪器进行多次测试，所有试验无法在同一试 验台上一次性完成等。 随着现代工业控制的发展，p l c 和触摸屏技术更加成熟，成本不断降低，广 泛应用在电力、冶金、交通等场合。编程直观、模块化程度高、网络通信功能不 断完善；触摸屏具有易于操作、接口直观、占用空间少、编程方法灵活等优点， 已经逐渐取代键盘成为计算机系统的输入设备。为此，采用p l c 、触摸屏、变频 器等技术设计开发的全新试验台，既能使用手动功能可选择地完成牵引电机某个 单项性能的试验，又能采用自动方式一次性地在触摸屏上完成牵引电机的所有性 能试验。它的投入使用可以使牵引电机检修的效率更高、准确度更佳、过程更直 观，从而进一步确保了机车运行的安全。 论文以重庆轻轨三号线轻轨机车牵引电机试验台的研制为背景，系统地阐述 了以与p l c 为核心的牵引电机性能测试系统的设计方法。文章从硬件的选型，电 路的设计，程序的编写，通信的设计，系统的组态，界面的设计等方面，详尽地 叙述了整个系统的设计开发过程。本文首先简要介绍了试验台的总体设计方案， 包括设计要求及原则，试验项目的分析及计算；接着重点分析了试验台的硬件设 计和软件设计，包括不同部分的结构组成，及相应的功能，设备间的通信，以及 整个系统的工作流程。软件设计包含的程序结构，用户操作组态软件的开发等。 文章最后介绍了现场的试验台的抗干扰设计，以及具体的操作方法。 关键词：轻轨；牵引电机；p l c ；变频器；上位机；组态软件 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fl i g h tr a i lt r a n s i to fo u r c o u n t r ya r o u s e sm o r ed e m a n d f o rt h es e c u r i t yo fl i g h tr a i lv e h i c l e s t r a c t i o nm o t o ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so f l i g h tr a i lv e h i c l e a st h em a i nm o t o rw h i c hd r i v i n gm o t o r w h e e la x i s ，t h ec a p a b i l i t yo f t h et r a c t i o nm o t o rd i r e c t l ya f f e c t st h et r a c t i o np e r f o r m a n c eo fl i g h tr a i lv e h i c l e s ，a n dt h e q u a l i t yo fi td i r e c t l ya f f e c t sn o r m a lo p e r a t i o no fl i g h tr a i lv e h i c l e s a c c o r d i n gt ot h ee x a m i n i n ga n dr e p a i r i n gr u l e so fl o c o m o t i v e ，w eh a v et od os o m e p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t si nt r a c t i o n m o t o rt e s t b e d t h eo l dt e s t - b e dh a sm a n y s h o r t a g e s ，s u c ha s ：t h ed a t ao fe x p e r i m e n tc a n tr e s t o r ei nt i m e ，t h ef u n c t i o no fs y s t e mi s s i n g l e n e s s ，i tn e e d sal o to fi n s t r u m e n t st ot e s ta tm a n yt i m e s ，a n dt h ew h o l e e x p e r i m e n t sc a n n o tf i n i s hi no n e t e s t - b e da to n et i m e ，e t c w i n lt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mc o n t r o l ，p l ca n dt o u c h s c r e e n st e c h n o l o g yi s c o m i n gt om a t u r i t ya n di t sp r i c ei sl o w e r f o rt h i s ，p l ca n dt o u c h - s c r e e na r ew i d e l y u s e di nm a n yk i n d so fs i t u a t i o n , s u c ha se l e c t r i c ，m e t a l l u r g y , t r a n s p o r t a t i o n ，e t c p l c c a nb ep r o g r a m m e de a s i l y , a n di th a sh i g hd e g r e eo fm o d u l a r i z a t i o n ，a l s oi t sf u n c t i o no f n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nc o n s u m m a t e si n c r e a s i n g l y t o u c h s c t e e nh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha se a s yt oo p e r a t e ，h a v i n gd i r e c ti n t e r f a c e s ，s a v i n gs p a c e ，a n di t sm e t h o do f p r o g r a m m i n gi sf l e x i b l e ，s oi t i sb e c o m i n gm a i n 哪u n i tu s e di nc o m p u t e rs y s t e m i n s t e a do fk e y b o a r d w ei n t e n dt od e s i g nan e wt e s t - b e du s i n gp l c ，t o u c h s c r e e n ， t r a n s d u c e r , c t c i tc a n sn o to n l yu s i n gm a n u a lf u n c t i o nt od oo n es t e po ft h ee x p e r i m e n t o ft r a c t i o nm o t o r , b u ta l s ou s i n ga u t o m a t i cf u n c t i o nt of i n i s ha l lt h es t e p so ft h e e x p e r i m e n ta to n et i m e t h eu s i n go ft h i st e s t - b e dm a k e se x a m i n i n ga n dr e p a i r i n go f t r a c t i o nm o t o r sa c c u r a c ya n de f f i c i e n c yh i g h e r a c c o r d i n g l ym o r ei n s u r e st h es e c u r i t yo f l o c o m o t i v e so p e r a t i o n t h i sp a p e r sb a c k g r o u n di so nt h ep r o j e c to fd e s i g n i n gan e ws u p e r v i s i o na n d c o n t r o ls y s t e mf o rt r a c t i o nm o t o ro fc h o n g q i n gl i g h t r a i ll i n e3 i nt h i sp a p e r , w r i t e r h a se x h a u s t i v e l yi l l u s t r a t et h ei n t e g e rp r o c e s so fd e s i g n i n gf r o ms e v e r a lf a c t o r s ，s u c ha s ： c h o o s i n gt h ef i th a r d w a r e ，d e s i g n i n gt h ec i r c u i t , p r o g r a m m i n go fp l c ，d e s i g n i n gt h e c o m m u n i c a t i o n , t h es y s t e mo fc o n f i g u r a t i o n ，d e s i g n i n gt h ef r i e n d l yi n t e r f a c e ，e t c w e f i r s ti n t r o d u c et h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft r a c t i o nm o t o rt e s t - b e d , w h i c hi n c l u d e r e q u i r e m e n t sa n dp r i n c i p l e sf o rd e s i g n , a n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o no ft e s ti t e m s ，t h e n w ea n a l y z ew i mf o c u so nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft r a c t i o nm o t o r 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t e s t - b e d t h eh a r d w a r ec o n t a i n st h ef o r mo ft e s t - b e d sp a r t sa n dt h e i rf u n c t i o n ，t h e c o m m u n i c a t i o no fd i f f e r e n te q u i p m e n t s ，a n dt h ew o r k i n gf l o wo ft h ew h o l es y s t e m t h e s o f t w a r ec o n t a i n st h es 缸1 l c t l 】r eo fp l cp r o g r a m ，t h ee x p l o i t a t i o no fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e i nt h ee n d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e ma n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g no ft e s t b e d , a sw e l la st h eo p e r a t i o n m e t h o d k e y w o r d s l l i g h tr a i l w a y ；t r a c t i o nm o t o r ；p l c ；t r a n s d u c e r ；u p p e rc o m p u t e r ； c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e m 学位论文独创性声明 、本人声明所呈交的虹士学位论文整塑堂! 皇垫坚璺兰塞坠垒塑q 婆曼塑：i 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 学位论文作者签名： 导师签名： 予哟 签字日期：哆伊莎矿乡 辩醐一p 。 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中 下简称“章程 ) ，愿意将本人 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博 、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题背景 随着城市化进程的加快、城市人口的剧增，传统的城市公共交通系统已经无 法满足城市居民对公共交通系统快速、便捷、舒适的要求，大力发展城市轨道交 通系统是解决这一矛盾的最佳途径卜。城市轨道交通( u r b a nr a i lt r a n s i t ) 包括地 铁、轻轨、磁悬浮等交通运输方式，具有快速、便捷、舒适、环保、运量大等优 点。相对而言轻轨的载客量较小，能适应的单向最大高峰小时客流量为1 3 万人次。 轻轨是一种城市公用快速轨道交通工具，是在有轨电车的基础上发展起来的现代 化技术含量很高的客运系统，它介于地铁和公用汽车交通之间，具有客运量大、 投资省、建设周期短、适应性强及利于保护环境景观等优点，在国内外发展异常 迅速【3 】。 在国外，轨道交通发展异常迅速，尤其是在日本、欧洲、北美等国家和地区。 东京拥有轨道交通线路近2 0 0 0 公里，是世界大城市中最多的。伦敦早已实现了客 运以轨道交通为主的目标；巴黎的轨道交通工具包括地铁、轻轨铁路和市郊铁路， 轨道交通承担巴黎公共交通7 0 运量；纽约市公共交通占总交通量的5 3 ，到内 城的客运8 0 采用大容量交通工具，主要有地铁、市郊铁路和公共汽车，市区地 铁共有2 7 条，长4 4 3 公里。莫斯科拥有一个跨及全市的立体交叉轨道交通网，总 长2 4 3 公里r 。目前，我国城市轨道交通网络规划总里程达5 0 0 0 k m ，已建成地铁 和轻轨共达6 0 2 3 k m ，并准备投资5 0 0 0 亿，汇聚1 5 城市“备战”轨道交通建设。在 国内，轻轨交通也进入快速发展阶段，主要城市均在建设或规划自己的城市轻轨 交通，先后有厦门市区轻轨、上海轻轨明珠线、上海明珠线二期、长春轻轨环线、 北京轻轨1 3 号线、大连轻轨试验线、天津津滨轻轨、武汉轻轨一号线、重庆轻轨 较新线、上海莘闵轻轨、大连轻轨二期等已经建成。预计到2 0 5 0 年前，我国将有 线路3 0 0 余条，将建成约4 5 0 0 公里的轻轨线路h 。城市轻轨铁路将与地下铁道、 市郊铁路及其它轨道交通构成一个城市的快速轨道交通体系，它们互联互通，乘 客在不同规模的综合换乘枢纽可方便换乘不同车次，乘客将感到乘坐轨道交通极 其方便。轨道交通完成的运量可达到城市公共交通运量的5 0 - - - 8 0 一1 。在重庆迎 来直辖十周年之际，市政府第9 9 次常务会议通过了重庆市主城区轨道交通线网 控制性详细规划，确定了未来主城区2 7 3 7 k m 2 内将铺设总长5 1 3 k i n 的十条轨道 线路，呈“九线一环”布局，以渝中半岛和江北区为中心，将两江切割形成的三大块 城市核心区连为一体。预计到2 0 1 3 年，重庆轻轨线路将承担主城区约2 3 的城市 公交出行量，日客流量将达到5 7 5 万人次。2 0 2 0 年内，重庆将建成3 0 0 k m 以上的 重庚大学硕士学位论文1 绪论 轨道交通线网，形成覆盖中心城区衔接各外围组团的快速轨道交通网络。沿线 车站周边的市民，步行1 0 分钟可到达车站，一小时内可由轨道交通环线车站到达 1 小时经济圈内全部重要的交通枢纽。基本线网“六线一环”线路总长3 6 35 k m ，其 中地下线1 6 9 6 k m ，高架线( 含地面线) 1 9 39 1 a n 。主城区轨道交通基本线网密度 为0 4 6 k i n k i n 2 ，远景线网密度为06 5 b 龇。 图1 1 单轨跨坐式轻孰图 f 追1 1 t h es i x i d e m o n o r a i lv e h i c l e 重庆轻轨大胆引进国外先进技术在建的轻轨运输系统是单轨跨坐式运输系 统，这一系统在国内尚属首例。该系统中的轻轨列车如图1 1 所示。重庆轻轨建设 工程是国家西部大开发重点建设工程，轻轨2 号线已经通车投入使用，地铁1 号 地铁线和轻轨3 号线也己动工。重庆轻轨3 号线仍然采用跨座式单轨制式，南起 巴南区鱼洞，北至江北国际机场、渝北空港开发区，横跨两江，贯穿主城南北， 将分三期建设。其中，一期工程起于南岸区= 塘，终于龙头寺。途径学府大道、 南坪南路、南坪北踌、规划工铜路、过长江到菜园坝、两路1 ：3 、牛角沱、过嘉陵 江到建新南路、建新北路、红锦大道、新溉路、规范中央打道西侧的规划路、江 北客站、江北客运北广场。一期工程线路全长2 1 1 6 k m ，其中高架线路1 40 6 k m ， 地下线路7 l k m ；车站1 8 座，其中高架车站1 3 座，地下车站5 座，车辆段及综台 重庆大学硕士学位论文1 绪论 基地和控制中心各一座；1 1 0 k v 3 5 k v 主变电站2 座，总投资5 3 1 3 亿元人民币，总 工期4 年。重庆轻轨3 号线所采用跨座式单轨交通系统具有占地少、爬坡能力强、 噪音低、污染小等优点，轨道平面最小弯曲半径1 0 0 m ，最大横坡1 2 ，最大纵坡 6 0 ，非常适合重庆当地的地理特点，它的建成可大大改善居民出行条件和城市 的环境面貌，提高沿线土地的开发价值，迅速推动片区的建设和发展，有利于重 庆市的对外开放和经济建设，具有深远的经济效益和社会效益。 轻轨交通快速发展的同时，也带来了一个问题，那就是众多与轻轨相关配套 设备的设计和制造。我国轻轨建设刚刚起步，众多配套设备尚未形成标准化、系 列化，缺乏相关设备的技术资料，已建或正在建的轻轨交通又是多样化，如上海、 武汉的轻轨采用的是高架式铁轨，重庆采用的是跨座式单轨胶轮。轻轨交通发达 的欧美日国家，这些配套设备也因其批量小、品种多、用户要求以及具体地理条 件的不同，市场上的现成设备几乎没有。因此，借鉴国内外已有的相似设备的设 计制造经验，自行设计符合自己要求和特点的轻轨配套设备是比较经济有效的方 法1 。本论文所研究的牵引电机性能试验台就是重庆轻轨建设中众多专用设备中的 一种，它的主要功能是对轻轨机车牵引电机检修前后的性能进行测试。 1 2 自动控制的发展 最早期自动控制可以追溯到几千年前，人类就用一些复杂的机械机构，经过 传动实现自动控制，如水轮机、自动投石机等。自从电发明以后，它取代了原来 的手动或机械控制方式，机械与电的结合使得自动化控制迈上一个新的台阶。在 2 0 世纪7 0 年代前，自动控制的任务基本上都由继电接触式控制系统完成。系统主 要由继电器、接触器和按钮等组成，由于这种控制系统具有结构简单、价格低廉、 抗干扰能力强等优点，所以在当时用得十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备 中应用。但这种控制系统的缺点也是十分明显，主要表现在两点： 第一它采用固定的硬接线方式来完成各种逻辑控制，实现系统的各种控制功 能，所以灵活性差；第二由于机械式的触点工作频率问题，易损坏，因此可靠性 低。社会的发展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。机械加工企业为了提 高生产效率和市场竞争力，采用了机械化流水作业的生产方式。机电产品的不断 更新换代，也同时要求相应的控制系统随之改变。在这种情况下，硬件连接方式 的继电接触式控制方式就不能满足经常更新的要求了。后来出现的矩阵式顺序控 制器和晶体管逻辑控制系统取代过继电接触式控制系统，虽然提高了控制系统的 通用性和灵活性，但由于这些装置仍是硬连接，装置体积大，功能少，本身存在 某些不足，最终未得到广泛的应用。 随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，自动控制才得以深远发展， 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在这短短的三十几年，自动控制技术可以说是飞跃前进，形成了单片机、微型计 算机、可编程序逻辑控制器三大控制方式，它们具有功能完备、通用性好、灵活 性好、操作方便、简单易懂、价格低廉等一系列优点，既可适用于工业环境的通 用控制装置，也可完成大型而复杂的控制任务，现已被广泛应用于各行各业，极 大地提高了生产效率和社会生产力p 1 。 总之，控制技术是随着科学技术的不断发展及生产工艺不断提出新的要求而 得到飞速发展的。在控制方法上，主要是从手动控制到功能实现的自动控制再到 拟人化的自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在 操作方式上，由笨重到轻松；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到 以计算机为核心的“软”控制系统。 1 3 国内外研究现状 由于轻轨列车所用牵引电机与铁路列车所用基本相似，工作原理也基本相同， 而且铁路列车所用的牵引电机性能试验台的设计与制造技术已经比较成熟，所以 本论文所要研究和设计的轻轨牵引电机性能试验台完全可以参考和借鉴铁路列车 所用的牵引电机性能试验台的试验标准、先进成熟的试验技术和经验。 中国电力机车的研制开始于1 9 5 8 年，1 9 6 9 年开始批量生产，到1 9 8 8 年，共 生产8 2 6 台，到1 9 9 7 年末，机车保有量达到2 8 7 0 台。每年都有大量的牵引电机 需要进行大修。1 9 8 5 年，国家标准化管理委员会发布了三相异步电动机试验方 法，2 0 0 5 年又发布了修订本，为牵引电机检修提供了标准与依据。 以前，我国对电机的试验一直是非智能化的，一般采用人工单机控制，时效 性较差，误差也较大，很难满足测试的要求。采用微机的电机自动测试系统在测 试功能、测量精度等各项指标上都远远超过了传统的试验方法。 近几年来，我国对电机的智能检测有了很大的发展，国内电机行业的检测装 备和检测技术有了较快的发展，各种检测传感器、检测仪器已比较齐备，而且性 能也较稳定，为电机检测系统的研制提供了有利的条件。株洲电力机车有限公司 开发的“交流变频牵引电机性能试验台”，是我国目前第一台全能型电机试验台，能 满足各标准的机车交流变频牵引电机、地铁交流变频牵引电机、民用交流电机、 风力发电机等不同电压等级、不同频率范围、不同功率等级的交流电机例行试验 和型式试验。采用直流电机拖动同步电机发电的方式，为试验电机提供变频电源， 具有较宽的频率调节范围，是国内频率范围最宽、容量最大的交流变频牵引电机 试验台。 国外微电机行业现在基本上都采用计算机控制的自动测试系统。最著名的生 产企业有美国的m a g t r o l 公司，日本管源、横河和国际计测器公司。最近m a g t r o l 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 公司开发出最新的采用d s p 的测功机系统，自动加载速度不到l o s ，高速采样， 采样过程自动计算惯量。因为d s p 是高速采样，并及时进行惯性量补偿，达到电 机的高精度，高速自动测试。在操作界面上由d o s 界面，发展到w i n d o w s 界面。 另外，国外也有全虚拟仪器的电机测试系统，设有显示仪，控制器和功率仪，用 软件代替大部分硬件，实现计算机全虚拟化测试。 1 4 课题研究的目的和意义 轻轨在我国快速发展的同时，也带来了一个问题，那就是众多与轻轨相关配 套设备的设计和制造。由于轻轨交通的多样化，以及当下市场现成维护设备的缺 乏，借鉴国内外已有的相似设备的设计制造经验，自行设计符合要求和特点的轻 轨配套设备是比较经济有效的方法。因此，本论文所要研究的牵引电机性能试验 台就是重庆轻轨机车众多专用维修设备中的一种，它的主要功能是对轻轨机车牵 引电机检修前后的性能进行测试。 异步电动机就是转子转速异于旋转磁场同步转速的交流电动机异步电动机 作为一种机电能量转换的装置，主要作为电动机使用。因为它的结构简单、制造 方便、坚固耐用、成本低、运行可靠、效率高等一系列优点，而得到了十分广泛 的应用。据统计，在电网的负荷中，动力负载约占6 0 ，而异步电动机则占动力 负荷的8 5 。而且随着交流电动机调速问题的逐步解决，它的应用还将逐步得到 扩大。轻轨牵引电机为三相鼠笼式异步电机。 牵引电机是电传动机车车辆( 如电力机车、电传动内燃机车、电动车组、地铁 动车及城市电车等) 的主要部件之一p 。做为驱动机车动轮轴的主电动机，它的运 行性能直接影响着机车车辆的牵引性能，其质量好坏直接影响机车的正常运行。 牵引电机的使用环境恶劣，它挂在车体下面，很容易受潮、受污，经常受到温度 湿度变化的影响，重庆地区的特殊地理位置使得这些现象尤为严重。所有上述这 些因素都恶化了列车电力机组的运行条件，使得列车电力机组的故障率比较高。 因此，必须对列车牵引电机进行定期检修，以保证牵引电机的正常运行，防止能 源和财力的浪费。铁道部颁布的最新铁路电力机车设计构造运行与检修维护技 术手册规定：机组从车厢上拆下经全面清理后，先在性能试验台上进行性能测 试，若达到运行要求，则不分解规定进行检修；否则，需分解检修，检修后再次 进行性能试验。由此可见，电机性能试验台是电力机组检修用的重要试验设备， 试验台测试精度的高低，会直接影响电力机组的检修质量。因此设计出结构简单 可靠、试验效率高、投资少的牵引电机性能试验台具有重要意义。本课题研究的 目的就是结合重庆轻轨列车所用牵引电机以及车场的具体情况，按照相关要求及 国家标准完成牵引电机性能试验台的设计开发工作。本课题的完成将解决重庆轻 重庆大学硕士学位论文1 绪论 轨建设的实际问题，实现轻轨配套设备的国产化，在实际应用中具有现实意义和 一定的经济效益。 1 5 本论文主要研究的内容 本文主要讲述了轻轨列车牵引电机性能试验台测控系统的结构组成以及工作 原理。讲述了试验台的硬件组成以及软件组成，分析了其控制原理，以及数据采 集方式。本文的主要章节如下： 第一章：绪论。简要介绍了牵引电机性能试验台课题提出的背景、国内外的 研究发展现状与趋势以及课题的研究的目的和意义，对全文的主要内容进行了概 括总结。 第二章：设计要求及计算。提出了试验台的设计要求以及设计原则，列出了 试验台的设计依据及待测电机的主要参数。并依据提出的标准设计了测定项目， 选定了测试方法，并列出了测量数据的计算公式。 第三章：计算机测控系统总体设计。比较并确定了测控系统方案。陈述了测 控系统的总体结构，概述了其硬件组成和软件组成。 第四章：系统硬件设计。详细说明了试验台的硬件组成，完成了p l c 的硬件 设计，包括其i o 输入输出配置以及相关的接线，确定了数据采集的方法，选定了 主要测量电气元件的类型及参数，并对电机的安装固定进行了设计说明。 第五章：系统软件设计。介绍了p l c 编程的几种方法，并选择出适当的方式， 完成了p l c 程序的编写。说明了上位机的开发软件为组态软件，并简要介绍了操 作程序界面。 第六章：调试与抗干扰以及操作方法。介绍的试验台的调试，以及抗干扰的 方法，并详细叙述了测试项目的操作方法。 第七章：总结和展望。总结了本文的主要内容，并提出了未来研究工作的设 想。 6 重庆大学硕士学位论文2 总体方案设计 2 试验台总体方案 系统方案选择是否正确往往是整个项目成功与否的关键，在进行方案的选择、 论证时，以下四个方面需要重点考虑n o 】： 可靠性、安全性。即要求系统单元部件采用先进技术和优良部件。 最优的性价比。性能包括技术性能、操作性能、可靠性等。 系统简单方便。表现为系统集成简便，使用维护方便。 下面分析牵引电机性能试验台的结构、工作原理，对其总体方案作出选择 并进行论证。 2 1 牵引电机性能试验台的总体要求及设计原则 2 1 1 待测牵引电动机的主要技术参数 三相鼠笼式异步电机 额定功率：1 0 5 k w 额定电压：1 1 0 0 v a c 额定电流：7 5 a 左右 额定转速：1 2 9 4 r m i n 级数：4 级 频率：4 4 h z 2 1 2 试验台的用途 本设备用于列车牵引电机检修前后进行性能试验。本技术方案对牵引电动机 的试验包括电阻测试、空载试验、短路试验、空载运行试验、振动测试以及温度 测试。试验的手动方式可分为就地控制和计算机控制，也具备全自动试验的功能。 试验的数据由p l c 现场就地采集计算，通过通讯方式与后台计算机联接后，计算 分析试验结果并输出报表。 2 1 3 工作条件 室内使用 海拔高度： 2 5 k c 频率响应：2 5 h z 5 z 过载能力：持续2 倍，瞬时2 0 倍5 s 响应时间：直流输出 3 0 0 m s ；跟踪输出 l k f 2 、电流输出 5 5 0 。或由用户协定 功耗： 3 k v a c 频率响应：2 5 i - i z 5 z 过载能力：持续2 倍，瞬时2 0 倍5 s 响应时间：直流输出 3 0 0 m s ；跟踪输出 i k q 、电流输出 5 5 0 0 或由用户协定 功耗： o 5 w 工作环境：温度：( 1 0 - - + 5 5 ) c ；湿度：( 2 0 - 9 0 ) r h 4 2 4 旋转编码器 本实验采用旋转编码器测量其转速，其测量范围宽，精度高，响应快，抗干 扰能力强，性能稳定可靠且安装方便。 旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字 信号( 高速脉冲信号) 。因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给p l c ，利 用p l c 的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转 编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出a 、b 、z 三相脉冲，有 的只有a 、b 相两相，最简单的只有a 相。 图4 3 是输出两相脉冲的旋转编码器与f x 系列p l c 的连接示意图。编码器有 4 条引线，其中2 条是脉冲输出线，1 条是c o m 端线，1 条是电源线。编码器的 电源可以是外接电源，也可直接使用p l c 的d c 2 4 v 电源。电源“”端要与编码器 的c o m 端连接，+ ”与编码器的电源端连接。编码器的c o m 端与p l c 输入c o m 端连接，a 、b 两相脉冲输出线直接与p l c 的输入端连接，连接时要注意p l c 输 入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地卜“。 重庆大学硕士学位论文4 具体的硬件设计 图4 3 旋转编码器与p l c 的连接 f i g 4 3t h em e t h o do f c o n n e c t i n gr o t a t i n ge n c o d e rw i t hp l c 4 2 5 变频器 变频器的调速原理： 牵引电机为交流异步电动机。异步电机定子三相对称绕组空间相隔1 2 0 度角， 当通过三相对称电流后，便产生了旋转磁场。其旋转磁场的转速亦称( 同步转速) ： ：盟( 胁) p 式中f 1 一定子绕组电源频率； p l 磁极对数 异步电机转差率： s ：生竺 强 因此 刀：m ( 1 一s ) = 6 0 f ( 1 一s ) p 式中：卜转差率； i 卜异步电机转子转速( r r a i n ) 由式可知，异步电动机转子转速的调节方法可以有如下几种： 3 7 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) 重庆大学硕士学位论文 4 具体的硬件设计 改变电动机的磁极对数 异步电动机调速 改变转差率调速 调压调速( 定子电压) 调阻调速( 电阻) ；适用于绕线式电动机 串级调速：适用于绕线式电动机 电磁离合器调速 改变供电电源频率调速 变频器调速的原理就是改变供电电源的频率实现对电机的速度调节3 0 1 。 本课题中选择西门子变频器。按照待测电机额定功率的5 0 选择空载运行试 验时的变频器功率，考虑到一定的余量，选择功率为7 5 k w 的变频器。 4 3 主电路设计 电气控制线路一般分为两部分，即主电路和控制线路。主电路即被控对象所 在电路，为大功率、强电流的电路。除被控对象外，主电路还有电源开关，空气 开关，接触器的常开主触头以及保护元件( 如熔断器、热继电器等) 。控制电路即 控制元件的线圈所在电路，此外还有各种控制元件的触头、按钮、转换开关以及 指示灯等。牵引电机性能试验台主电路原理图如图4 4 主电路原理图所示p up 。 系统的总电源为三相电网电源。主电路图共有四个支路，以满足不同的试验 要求。各自均有不同的特点，如下： 短路试验：使用单相电源法来进行。采取单相电源法进行牵引电机的短路测 试具有设备简单、便于现场应用、便于分析查找故障相别、便于判断绕组的局部 故障的优点。它无需制动转子，大大简化了试验过程。相应的，本试验中，选择 单相调压器和单相变压器提供所需的高压试验电源。 空载试验：由于空载实验中所需测定的空载损耗与电压输入的正弦波的谐波 成分关系较为密切，因此为了能比较准确的反映电机的空载损耗，输入电源不可 以采用变频电源，而应该采用升压变压电源，如上图所示。空载试验中，异步电 机没有调速要求，可以增加软启动器，以实现降压启动。根据电机的标称功率选 择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流，还应考虑保护功能是否完 备。 空载运行试验：不仅需要获得试验所需的高电压，同时还需要对电机进行调 速。将变频器接入电机的电源中，将恒压恒频的电源转换成电压和频率均可以改 变的的电源，如图4 4 。 3 8 重庆大学硕士学位论文4 具体的硬件设计 i t i l 图4 4 主电路原理图 f i g 4 4m a i nc i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m t 4 j 4 4 安装平台以及地基 4 4 1 电机安装 电机振动测试时，为了避免外界振动源的干扰，需要将电机固定在刚性基础 上，且基础的质量应大于被测电机的十倍。铸铁平台生产简便，成本较低，具有 耐磨减振的性能，能很好的满足试验要求，因此该试验台选用铸铁平台作为电机 安装平台，材料为高强度铸铁h t 2 0 0 ，并在铸铁平台上开设t 型槽，通过螺栓将 电机固定在安装平台上如图4 5 所示。 3 9 一、山口j 妒 删 ， 重庆大学硕士学位论文4 具体的硬件设计 图4 5 电机与平台的安装 f k 4 5 t h e m e t h o d o f c o r m e c t i n g n “o n m o l o r w i t h t h e 丑盛f o r m 4 4 2 地基9 3 1 电机运行时地基受力计算如下： 转矩的计算： 牵引电动机主要技术参数暂按下列数据设计： 三相鼠笼式异步电机： 额定功率：1 0 5 k w ： 额定电压：i 1 0 0 v a c ； 额定电流：7 5 a 左右； 额定转速：1 2 9 4 r l m i a ： 极数：4 极： 额定频率：4 4 h z ： 牵引电机重量；7 5 0 k g ； 平台重量：2 5 吨。 鳓腊矩；9 5 5 0 三；9 5 5 0 嵩嵩：7 7 5 n m = 。= = 。m ( 44 ) 启动转矩一般为额定转矩的17 2 2 倍 所以启动转矩： 重庆大学硕士学位论文 4 具体的硬件设计 m 启动= m 额2 2 = 7 7 5 2 2 = 1 7 0 5 m 动载荷的计算 额定动载荷： = m 额l = 7 7 5 o 4 2 = 1 8 5 0n = o 1 8 5 吨 启动时的载荷 名= m n l = 4 0 7 0 n = 0 4 0 7 ( t ) 作用于基座的最大载荷f o f o = 0 4 0 7 + 2 5 + 0 7 5 = 3 6 5 7 ( t ) 经计算得出电机安装基础采用二次灌浆的方式，如图4 。6 所示： 室内地面 a a b 再 脚 一n 1 ：2 i i j 隔5 0 0 r a m 图4 6 地基图 f i g 4 6f o u n d a t i o nd r a w i l l g 4 1 b ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 重庆大学硕士学位论文4 具体的硬件设计 二次灌浆法即用细碎石混凝土或水泥浆将设备底坐与基础表面空间的空隙填 满并将垫铁埋在混凝土里，以固定垫铁和承受设备的负荷。二次灌浆法是浇灌基 础时预先在基础内留出地脚螺栓的预留孔。在设备安装时再把地脚螺栓安装在预 留孔内浇灌混凝土或水泥砂浆使地脚螺栓牢固。它的优点是地脚螺栓便于调整和 便于设备安装。缺点是现浇的混凝土与原基础的结合不如一次灌浇牢固3 4 1 。 4 5 控制柜 控制柜的作用是用来放置试验系统的各电气元件，p l c 等。在设计中控制柜 的尺寸为1 0 8 0 ( 长) x 5 0 0 ( 宽) x 1 8 0 0 ( 高) 。控制柜由薄钢板加工的结构件组成， 钢板材料选用4 5 号钢，表面作防锈、涂覆处理，颜色为计算机灰。全部金属结构 之间可靠联结，具有良好的保护接地。在控制柜设有元件散热的通风百叶窗。控 制柜内元件安装板采用表面镀锌处理。 4 6 本章小结 本章主要说明了牵引电机性能实验台硬件组成。介绍了测试系统的主要控制 元件p l c 的硬件设计、系统的关键电气元件选型以及电机安装固定方式，同时还 计算了地基的受力情况，并对电机安装基础进行了设计。重点介绍了p l c 的选型 以及其i 0 输入输出配置，并画出了p l c 接线图以及主电路原理图。 4 2 重庆大学硕士学位论文 5 试验台软件设计 5 试验台软件设计 5 1p l c 软件设计 在第四章中，已经确定p l c 选用三菱公司产品，其型号为f x 2 n 8 0 m r 。在 新建一个工程时，只需要选择好相对应的型号，就可以很方便地开始编程，该软 件提供了顺序功能图、梯形图、功能模块图、语句表和结构文本共五种编程方式， 可以通过软件左上角地菜单进行选择p 州儿“1 。由于梯形图具有直观、快捷、易于 进行逻辑判断等优点，所以选择用梯形图进行编程，部分程序如下p ： 4 3 o 7 塔 琵 为 重庆大学硕士学位论文5 试验台软件设计 5 0 7 2 1 0 0 x 0 0 7y 0 0 1x 0 0 5x 0 0 6 i ，i ， r，r 二i 丁l h 一叫卞 、 i矗i y 0 0 2 i i x 0 1 2y 0 0 2x 0 1 3x 0 1 4 ij ，i , i t ii 、 i i y 0 1 6 i 。一 x 0 1 2x 0 1 1y 0 0 2x 0 1 3x 0 1 4 li ，i ， 刊。l 川川 iilrrl y o l 3 i x 0 1 3x 0 1 1y 0 0 2x 0 1 2x 0 1 4 ll li j ， i ， ititiirir l x 0 1 4y 0 0 2x 0 1 2x 0 1 3 iij ， j ，1 iiirir y 0 1 7 il x 0 1 4x 0 1 1y 0 0 2x 0 1 2x 0 1 3 ilil ，ij ，1 刊| | 川川 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 重庆大学硕士学位论文5 试验台软件设计 程序代码如下： x 0 0 1 y 0 0 1 y 0 0 2 y 0 0 3 y 0 0 4 y 0 0 1 y 0 2 7 x 0 0 5 y 0 0 6 y 0 0 1 x 0 0 6 x 0 0 7 y 0 0 7 y 0 0 6 y 0 1 0 x 0 0 5 y o l 2 x 0 0 4 y 0 0 1 x 0 0 6 x 0 0 7 y o l 2 x 0 0 5 y 0 0 5 y 0 0 1 x 0 0 5 x 0 0 7 y 0 0 5 y o i o y o i i x 0 0 6 y o l 4 x 0 0 4 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 6 0 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 y 0 0 1 x 0 0 5 x 0 0 7 y o l 4 x 0 0 7 y 0 0 1 x 0 0 5 x 0 0 6 y 0 0 7 y o i i x 0 0 7 y o l