（机械电子工程专业论文）电封闭同步带疲劳寿命试验台控制系统.pdf

摘要 本文研究了电封闭同步带疲劳寿命试验台测试系统的基本原理，对同步带疲劳寿 命试验台的发展情况和趋势进行了概述，详细阐述了电机变频调速、转矩控制技术、 直流共母线能量反馈原理等。 本文采用爱默生公司的矢量型变频器e v 3 0 0 0 ，森力玛公司生产变频调速电机组成 电封闭同步带疲劳寿命试验台测试系统，驱动电机和加载电机由被测同步带相连，使 用美国n i 公司的l a b v i e w 编写测试系统控制软件，实现了同步带疲劳寿命的自动测 试过程，通过变频器控制驱动电机转速和加载电机转矩，在测试软件中实时显示和计 算相关参数，将测试数据存入测试文件中，绘制同步带转矩、功率曲线。 实验结果表明，采用矢量型变频器和变频调速电机组成的电封闭同步带疲劳寿命 试验台，具有较好的控制精度，系统组成简单。通过虚拟仪器技术，可以快速、高效 地开发出模块化、智能化、集成度高的同步带疲劳寿命测试系统。 关键词：同步带电封闭疲劳寿命能量反馈 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h ee l e c t r i cs y n c h r o n i z i n gt y p eb e l tc l o s e df a t i g u el i f et e s tb e d t ot e s tt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h es y s t e m ，a n ds t a t e sc l o s e do nt h ee l e c t r i c a ls y n c h r o n i z i n g t y p eb e l to nt h ef a t i g u el i f et e s tb e dd e v e l o p m e n t sa n dt r e n d s ，a n dt h ea b o v em e t h o di sa l l i d e a ll o a d i n gp l a na n di sg o i n gt ob e c o m eat e n d e n c yo fs t u d yo nl o a d i n gt e c h n o l o g y i nt h i sw es t u d yt h ep r i n c i p l eo ft h es y n c h r o n i z i n gt y p eb e l tt e s ts y s t e ma n ds u m m a r i z e t h ed e v e l o p m e n ta n dt h et e n d e n c yo ft h i sk i n do ft e s ts y s t e ma n ds p e c i f yt h et h e o r yo n s p w ma n dt o r q u ec o n t r o l l i n g , w eo r g a n i z ee v 3 0 0 0 ( m a d eb ye p s o nc o m p a n y ) w h i c hi sa n i n s t r u m e n tu s e dt oc o n v e r tf r e q u e n c ya n dm o t o rw h i c hc a l lc h a n g es p e e da c c o r d i n gt ot h e c h a n g eo ff r e q u e n c yi n t oas y n c h r o n i z i n gt y p eb e l tt e s ts y s t e m ，a n dd r i v i n gm o t o ra n d l o a d i n gm o t o ra r ec o n n e c t e db ys y n c h r o n i z i n gt y p e u s i n gl a b v i e ww ec a nw r i t ea p r o g r a mt ot e s tt h i ss y s t e ms oa st oa c c o m p l i s ht h et e s to fs y n c h r o n i z i n gt y p e t h r o u g h c o n t r o l l i n gt h et o r q u eo fd r i v i n gm o t o ra n dl o a d i n gm o t o rb yc o n v e r tf r e q u e n c yi n s t r u m e n t w ec a nd i s p l a ya n dc o m p u t er e l e v a n tp a r a m e t e r so nl i n e ，f u r t h e r w ec a nd r a wc u r v e so n t o r q u ea n dp o w e ro fs y n c h r o n i z i n gt y p e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，w ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tw ec a nd e v e l o pad e n s e i n t e g r a t e da n di n t e l l e c t u a ls y n c h r o n i z i n gt y p eb e l tt e s ts y s t e mo ne x h a u s t i n gl i f ef a s ta n d e f f e c t i v e l yt h r o u g hl a b v i e wt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n gm o t o rm e n t i o n e d a b o v e ，f u r t h e rm o r e ，c 勰a c h i e v eas a t i s f i e dr e s u l to fc o n t r o l l i n ga c c u r a c ya n ds p e e d k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z i n gt y p eb e l t e l e c t r i c i t ys e a lf a t i g u el i f ee n e r g yf e e d b a c k 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，电封闭同步带疲劳寿命试验台控 制系统是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者繇奄岫年土月趔r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：乏蚴一碎一年王月丛同 指导导师签名：蔓遮丝2 年三月丝同 第一章绪论弟一早瑁比 1 1 课题研究背景 1 1 1 汽车同步带发展现状 同步带是1 9 4 6 年美国u n i r o y a l 公司( 传动带部分1 9 9 0 年并入盖茨) 发明的，最 早是梯形齿，7 0 年代初该公司又推出圆弧齿同步带( h t d ) ，固特异几乎同时开发出双 圆弧同步带( s t p d ) ，8 0 年代初意大利p e i l l i 又推出抛物线齿同步带，德国o p t i b e l t 同时期也开发了“q 圆弧齿同步带( 能用于不同齿形带轮，被称为万能同步带) ，9 0 年代盖茨又推出h t d 2 ( h t d 改进型即g t 或y u ) 同步带，古特异上世纪9 0 年代末 “人字齿同步带的开发成功，并于“e n g l e 标识推向市场。至此同步带技术日臻 完美，在许多领域替代了原齿轮传动和链传动，如汽车正时传动等n 一。 近年来，由于全球气候变暖、环境保护和对汽车舒适性要求，节能、排放和n v h ( 噪 音、振动和平稳) 是汽车工业主要话题。如何提高燃料利用率和减少废气排放、提高维 修周期一直是汽车工业研究目标，这些技术包括多气门( m u l t i v a l v ee n g i n e s ，m v e s ) 和可变门( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ，w t ) 技术、催化转换器、4 2 v 发电起动集成电机 ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r ，i s a ) 、直喷式柴油发动机和2 4 0 0 0 0k m 甚至3 0 0 0 0 0 k m 维修周期等。这些技术进步对汽车零部件的性能要求也相应提高和苛刻，汽车同步 带也不例外。为了适应这些变化，国外一些著名同步带厂家对汽车同步带进行了许多 改进和性能提高。 汽车同步带是汽车发动机重要的零部件，也是同步带重要的组成部分。可以说， 同步带的许多技术进步和发明都与汽车工业的发展息息相关，如v 带发明，切边v 带、 多楔带和同步带的快速发展，氢化丁腈橡胶( h n b r ) 应用于同步带、三元乙丙橡胶( e p d m ) 应用于多楔带等，都是为了适应汽车工业最新技术要求而获得迅速发展的。 同步带传动综合了带传动与链条传动、齿轮传动的诸多优点，是一种传动比精度 高的传动带。其传动原理是带上的凸齿与带轮上的齿槽强制啮合而工作。即当主动带 轮转动时能够依靠带齿与带轮的依次啮合将运动与动力传给从动轮。因此，传动中不 存在滑差现象，即主动轮和从动轮线速度相同，可实现了主、从动轮的线速度同步。 带轮角速度保持稳定，不产生冲击。吸振性能好，噪音小；传动装置重量轻，热量积 累少，强制啮合不打滑，因此传动比较准确，可以获得9 8 以上的高效率；变速范围 大，一般可达1 0 ，最高线速度可达5 0 m s ；功率范围可从几w 到几百k w ；带的张紧 力小，轴上的压力轻，轴的弯曲变形减小，可延长轴承的使用寿命；结构简单、紧凑， 适宜于多轴传动及中心距较大的传动。由于它兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些 优点，因而当两轴中心距较大，要求速比恒定，机械周围不允许润滑油污染，要求运 转平稳无噪声，使用维护方便时，同步带传动往往是最为理想的传动方式。 汽车同步带应用有齿形多楔带、植绒多楔带、弹性多楔带、e p d m 多楔带、短纤维 补强同步带、有背布同步带、耐油同步带、“人 字齿同步带、非圆带轮同步技术、模 块式和集成化同步系统、c v t 用复合v 带等。 1 1 2 汽车同步带疲劳寿命试验台的发展现状 由于同步带在机械传动中的巨大优势，使其在汽车、机床、化纤、纺织、卷烟、 食品、造纸、钢铁、医疗、仪器、办公室设备等各类机械设备中广泛的应用。如何模 拟实况使用一直是传动带生产厂家和传动带研究的重要课题】。 我国同步带起步较晚，7 0 年代上海胶带厂生产聚氨酯同步带，节距采用原苏联标 准为模数制。8 0 年代初随着我国引进设备的增多，备品备件问题日益突出，慈溪同步 带厂( 现宁波伏龙) 和无锡橡胶二厂开始研制橡胶型同步带。8 0 年代后期青岛橡胶工 业研究所( 后转让给青岛同步带厂) 、无锡贝尔特、上海胶带和贵州大众相继弓l 进了德国 s c h o l z 技术和装备生产同步带，期间青岛橡胶工业研究所与哈尔滨工业大学合作研 究s t p d 齿形汽车同步带；无锡贝尔特与一汽技术中心联合开发4 8 8 发动机用同步带， 性能指标达到克莱斯勒标准；上海胶带厂为大众开发桑塔纳用同步带。其后宁波裕江、 贵州大众和辽阳奔马相继开发成功汽车同步带，为国内发动机厂配套。汽车同步带开 发成功标志着我国同步带制造技术达到国际水平。无锡贝尔特还与一汽技术中心合作 于1 9 9 6 年在国内率先开发成功氢化丁腈橡胶( h n b r l 同步带并申请了专利( c n 1 4 9 1 9 7 8 a ) 。 我国同步带主要生产产地有浙江宁波、台州、上海、江苏无锡、泰州等地，较大 厂家有宁波伏龙、慈溪慧鑫、余姚凯茨、宁海捷豹、上海五同等。 与国外比较从整体上看，我国带传动技术水平仍比发达国家落后，传动带生产工 艺装备除少数引进和吸收消化外，大部分企业生产能力很大，但设备陈旧，管理水平 低，职工素质不高，产品质量同发达国家相比，竞争能力明显处于劣势。在保证质量 的测试手段方面，2 0 世纪8 0 年代时，日本三星公司一家胶带专业生产公司就有近3 0 0 台试验设备【2 j 。相对我国，拥有检测设备的厂家为数不多且一般比较落后，这与我国拥 有的生产规模和市场规模很不相称。我国同步带生产过程中动力消耗、原材料消耗都 很大，半成品质量差，生产环境急待改善，劳动生产率低，产品使用寿命短。 同步带疲劳寿命试验机在我国应用较少，贵阳曾从德国引进过一台，宁波裕江特 种传动带有限公司自主开发了汽车同步带模拟工况疲劳寿命装置，南京汽车厂为该厂 生产的s o f i m 发动机专门设计一套模拟工况疲劳寿命装置，原石油天然气总公司江汉 机械研究所高级工程师王洁民，最近为辽阳机带厂设计一台汽车同步带疲劳寿命试验 机，按照g b t 1 8 1 8 3 2 0 0 0 e q v l s o l 0 9 1 7 ：1 9 9 5 汽车同步带疲劳试验方法的标准要 求，同时也适用于日本汽车标准j a s o e l l 0 9 2 汽车发动机用同步带试验方法的要 求，可进行高温疲劳寿命试验和喷水疲劳寿命试验1 8 i 。 2 同步带的寿命检验在我国一直以来都是处于一种比较低端的状况，这种现状无法 满足现代工业对同步带产品质量的要求。一种产品如果要保证质量的要求，则检测手 段一定要跟得上，而我国试验检测手段落后，国外大型传动带厂家非常重视传动带性 能研究和产品质量控制，某些项目己做到在线检测。我们也要不断提高我们的检测质 量，才能给我们传动带行业带来长足的发展。 1 1 3 变频调速技术的发展 采用变频调速技术可以节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量，因而在 应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。其中应用得最为广泛是通用变频器， 通用变频器大都为电压型交直交变频器睁m 1 。三相交流电首先通过二极管不可 控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率 可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽， 所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁 正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构 张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、 制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不可控整流 器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。特别 是对快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，短时间内有很大的能量回馈，导致电 容上产生很高的泵升电压，若不及时释放这部分能量，则势必会引起变频器过压保护 动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。工程上对这种泵升能量的多种处理方法如 前所述，基本上分为两类： ( 1 ) 以热能或其它形式消耗； ( 2 ) 通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它储能装置中。 显然，前一类方法比较简单，但如前所述，这类方法不仅浪费了能源，有时也会 产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；后一类能量回馈制动技术虽然结构较 为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或长期带势能性负载下放的 系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相应的能量回送到电网中。目前 有些变频器已经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片机控制，如5 1 系列单片机。这些单片机的性能不能满足实时信号处理的需要，因此这些制动单元的 功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造成硬件电路复杂、维护工作量大、 输出电能质量不够高等缺点。d s p 芯片( 数字信号处理器) 和a r m ( 嵌入式技术) 的出现 将完善和解决这些工程问题提到议事日程之上，为应用于能量回馈电路新技术发展提 供了广阔的前景。 下面介绍一下变频调速技术的优势。 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。它分成不调 速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供 电，但随着电力电子技术的发展，这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节 3 约电能( 节约1 5 - - 2 0 或更多) ，改善产品质量，提高产量。近年来交流调速中最活跃、 发展最快的就是交频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。变频调速主 要有如下一些优点： ( 1 ) 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速； ( 2 ) 启动电流小，而启动转矩大； ( 3 ) 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； ( 4 ) 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； ( 5 ) 具有显著的节电效果； ( 6 ) 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速。 1 1 4 能量再生制动 在很多场合，要求电机能准确地制动。这使得在交流传动系统的研究和实践中， 必然聚焦于- - f l 关键技术一一再生制动技术。目前广为人们所知的几种制动方法( 如反 接制动、能耗制动等) 都有一个共同缺点，就是没有将制动产生的能量有效地加以利用， 甚至有些方法还要另外消耗电源能量。综观当今局势，能源日益紧缺，如何高效节能 已成为当务之急。此时一种制动方法蕴孕而生，能量回馈制动可将再生制动能量有效 地回馈到电网，可在一定程度上缓解能源危机。电机运行过程中，如果外力使电机转 子加速，或人为控制定子频率降低，使转子频率高于定子频率，滑差小于5 0 ，电机输 出转矩与旋转方向相反，进入再生制动状态。这时能量回馈制动就将再生制动能量反 馈给电网或给蓄电池充电。众所周知，逆变器是把直流电转换为所要求的不同频率和 电压的交流电的变流装置，直流电经过逆变把能量供给负载使用时称为无源逆变；直 流电经过逆变向交流电源供电时称为有源逆变。能量回馈制动将制动产生的能量由逆 变器输出，返回电网，因此属有源逆变。应当指出，通过控制逆变器的驱动信号，还 可以调节输出电压或电流的幅值和相位，这样，就有可能实现输出电压和电源同步， 输出“纯净 、无污染的电能。概括说来，能量回馈制动的优点有： ( 1 ) 真正实现了变频调速系统的四象限运行； ( 2 ) 制动产生的能量得到回收利用，系统的效率大大提高，与此同时，电网品质 不受影响； ( 3 ) 系统发热量降低，安全性提高，维护工作量减少； ( 4 ) 完善制动效果，适应快速制动和频繁制动的工程需求。 1 1 5 虚拟仪器技术 近年来，面向仪器的软件开发平台，如美国n i 公司l a b v i e w 的成熟和商业化， 使用者在配有专用或通用插卡式硬件和软件开发平台的个人计算机上，可按自己的需 求，设计和组建各种测试分析仪器和测控系统。由于l a b v i e w 提供的是一种适应工程 技术人员思维习惯的图形化编程语言，图形界面丰富，内含大量分处理子程序，使用 十分方便，使个人仪器发展到了使用者也能设计，开发的新阶段。鉴于是工程技术人员 自己编制，调用软件来开发仪器功能，软件便成了仪器的关键。故人们也称这类个人 4 仪器为虚拟仪器，称这种主要由使用者自己设计、制造仪器的技术为虚拟仪器技术 ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y ) 。使用虚拟仪器技术，开发周期短、仪器成本低、 界面友好、使用方便、可靠性高，可赋予检测仪器初步智能，能共享p c 机丰富的软硬 件资源，是当前仪器业发展的一个重要方面。 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环 境。得到工业界和学术界的普遍认可和好评【l l - 1 4 1 。它可以把复杂、繁琐、费时的语言 编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能图形，用线条将各种功能图形连接起来 的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、 完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。 l a b v i e w 是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代 码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实 际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。 而且l a b v i e w 与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点是：其它计算机 语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而l a b v i e w 采用图形化编程语言一一g 语 言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、 生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别 是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来 说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人 员们学习l a b v i e w 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用l a b v i e w 。也不必 去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 l a b v i e w 的功能十分强大。像c 或c + + 等其它计算机高级语言一样，l a b v i e w 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、g p i b 、 串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 l a b v i e w 也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。l a b v i e w 的动态连 续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发 环境更方便、更有效。 1 2 课题的研究目的及意义 本课题以“电封闭同步带疲劳寿命试验台 为背景，为满足当今社会对性能好又 节能的同步带疲劳寿命试验台的迫切需求而提出的课题。 节能是当今社会发展与科技进步的一大主题。在国民经济快速增长的拉动下，我 国能源需求和能源生产增长迅猛，据统计我国综合能源利用效率约为3 3 ，比发达国 家低1 0 个百分点；单位产值能耗是世界平均水平的两倍多；主要产品单位能耗平均比 国外先进水平高4 0 。我国是人口众多、资源相对不足、环境承载能力较弱的基本国 情，然而就是在这样的国情之下，却对本来就不充裕的资源大肆浪费，这实在是一个 5 极不和谐的音符。眼下又值用电高峰，国内缺电频频告急，“节能”成为我们不容回避、 不能不谈的话题。我国的技术水平、管理水平和经济结构方面还比较粗放，存在着巨 大的节能潜力，能源效率低是制约我国经济社会发展的突出矛盾。不节约能源、提高 能效，单纯依靠加大能源建设力度的办法无法从根本上解决能源问题。 为此我们国家的“十一五计划 提出：要努力促进科技进步，加强自主创新能力， 带动装备工业的发展，也就要坚定不移地坚持开发与节约并举，把节约放在首位，要 把节约能源和资源作为优化电力结构的重要目标。电力行业要大力倡导发展循环经济 的思想，努力发展绿色能源、可再生能源、加强需求管理、坚持节能降耗、推广普及 节能技术，制定严格的电力行业节能、节材、节水标准，走清洁生产之路。并且需要 我们不断的实现能源创新，努力为构建节约型的产业结构、节约型企业、节约型社会 做出积极的贡献，走出一条具有中国特色的节约型发展道路。 同步带是单面或双面具有等距齿的环形传动带，优点是严格同步无滑差、传动效 率高、传动准确、节能效果好、传动速度范围大，兼有带传动、链传动、齿轮传动的 特点和长处，发展较快。在汽车、纺织、烟草机械等行业有较大市场，其它方面如粮 食食品机械、石化机械、家用电器、办公机械等，也有广泛应用。近年来，数控机床 中，同步带传动的应用呈显著增长趋势。 本课题的研究目的是要在g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 汽车同步带疲劳试验方法的基 础上，研究出一套基于电封闭的、先进的、节能的同步带疲劳寿命检测设备的控制系 统。要求尽可能的模拟实际工作情况，并对被试对象加载，这样才能可以更好的模拟 出被测试带的工作环境，评估和验证其综合性能，但是许多能量被加载器吸收或通过 不同途径白白的浪费掉。对于系统实验、长时间的寿命实验来说，势必产生能量的大 量浪费，是极不合理的。为了节约能源、降低成本，设计开发一种性能好且又节能的 电封闭同步带疲劳寿命试验台具有特别重要的意义。而本课题研究的试验台正是在节 能方面有了较大的改进，在电力节能方面具有一定的现实意义。其意义在于使它可以 完善国内同步带带生产线的完整性，满足国内同步带生产测试设备的更新换代的需要， 又能节约大量能源。随着疲劳寿命试验机在胶带生产厂家的普及，必将提高同步带行 业的生产水平、大幅度提高同步带产品质量，缩短我国同步带产品与先进国家的差距， 增加国际竞争力。 1 3 本文的主要研究内容 本课题的主要研究内容是要在g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 汽车同步带疲劳试验方法 的基础上，研制出一套基于电封闭、先进的、节能的同步带疲劳寿命检测设备的控制 系统。 ( 1 ) 内容 开发一套基于工控计算机的同步带寿命试验台测试、控制和数据处理系统，并达 到用户提出的全部要求。 6 ( 2 ) 实施方案 配置由高精度转矩速度传感器、工控机、变频器、变频调速电机和接口电路等组 成的测试装置和硬件系统。 ( 3 ) 指标要求 试验功率：4 1 8 k w 试验带长：3 m 转矩范围：o 1 0 0 n m 主轴转速：6 0 0 0 1 2 0 r m i n 高温：1 2 0 - - 1 3 0 水量：1 5 - 2 0 c m 3 m i n ( 4 ) 试验报告内容 试验依据的国标试验台号 被试同步带的型号、节线长度试验期间的平均温度 试验转矩及张紧力满足规定条件的运转小时数或疲劳寿命 终止试验的理由偶然情况 试验日期、试验人员及试验单位等。 7 第二章同步带疲劳寿命试验台总体设计 2 1 同步带疲劳寿命试验台方案论证 本课题采用的新型节能同步带疲劳寿命试验台是从节能效果，并在课题的特定要 求，通过对各类试验台方案的比较分析后最终确定的方案。下面将对几种典型方案的 优缺点进行比较分析，最终确立本课题的电封闭同步带疲劳寿命试验台的方案n 眺1 。 当前国内的带加载试验台可分为两大类：一类为开放式，另一类为封闭式，封闭 式又分机械封闭式和电封闭式两类。下面就这几种方式进行比较。 方案一 本系统属于开放式的方案，能量的传动方向是单向的。由可控硅提供电源，三相 进电经过整流器送给电动机，经过变速箱或其他的待试验装置连接到发电机，发电机 发出的电送往电阻箱耗能，或者直接连接水泵或风机，由水泵或风机直接耗能，其系 统结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1方案一系统框图 可以看出，开放式试验台系统结构简单，但是系统输入的试验功率全部被浪费掉 了，耗能大，特别是在进行大功率加载试验时，运行费用较高。因此这个方案造成了 能源的大量浪费，在带疲劳寿命试验台中已经不再被采用。 方案二 本系统属于机械封闭式系统，“v 带全功能动态性能试验装置 ( 专利申请号： 9 9 2 5 8 4 4 1 ) 利用现有v 带机械封闭试验机的原理，并以其基本组成封闭试验系统的主 动轴总成进行简化，并以此轴为对称轴，在其反方向再增加一套同样的封闭试验系统， 使两个封闭试验系统共用一个主动轴总成。这两个封闭试验系统组合后形成了两个各 自独立的封闭力流，而两试验系统又组成了相互影响的整体，该装置可进行各种v 带 的有转矩和无转矩的全部动态性能试验。如图2 - 2 所示。 8 图2 - 2 方案二结构简图 i i 罐动电机 m 2 - 步进电机 f 驱动传动带 d i 一主动加戢带轮 b 辅助带 阳被动加戢i 芾轮 - 卜万向轴 t 2 _ 名走动哇式验芾轮 a - - 被试同步带 t l 一童亏机戈验带轮 n 酵e 鞭走传感器 k 一利主力施加机构 i 主动轴总成 l l 吱动轴成 系统有能量回送的优点，但是机械式试验台加工量大，传动效率低，能量损耗大， 且在运转中改变载荷不易实现，转矩不易控制、试验性能不够稳定、通用性较差。有 试验结果与工程应用不符的现象。 工程上还提出了以下几种电封闭式方案，并存在回馈能量流经电网循环的大封闭 式和回馈能量只在疲劳寿命试验台内部循环的小封闭式试验台两种。 方案三 该系统是采用电封闭式的能量回送方案，且属于回馈能量流经电网循环的大封闭 式系统。其系统结构图如图2 3 所示。 图2 - 3方案三系统框图 对图2 - 3 进行分析，可以看出，该方案的动力和加载系统由两套直流电机和可控 硅装置所组成。直流电机和可控硅配套，可作两个象限运行。当电机作动力用时，可 控硅处于整流状态。当电机作加载用时，可控硅处于逆变状态。也就是说该方案是由 两套三相桥式晶闸管可控整流装置组成的直流双闭环调速系统，当调速系统a 以触发 延迟角口a 控制，使调速系统a 工作在整流状态时，直流电动机a 以转速1 3 作电动运 行，调速系统b 以触发超前角口b 控制，使直流电动机b 工作在发电状态，三相整流桥 处在逆变状态。反之，当调速系统b 以口b 控制使电动机b 工作在电动状态运行时，调 9 速系统a 应以纵控制使电动机a 工作在发电状态，则系统处在反方向运行。在节能 方面，该方案是由可控硅设备和直流电机组成的系统。如果是在液力变矩和变速箱试 验中，当其处于整流状态时，电动机的转速是比较高的，一般都已进入到弱磁调速区， 故此时的功率因数己接近额定值，可达到0 9 左右。但是如果同样是在液力变矩和变速 箱试验中，作为加载的直流电机处于发电状态，往往在低速大转矩工况下运行。此时 用可控硅做逆变装置，功率因数最高才o 4 5 。所以转速越低，功率因数越低，功率因 数越低，电流的无功分量越大。这时，必须用并联电容来补偿。此时从试验室到变电 站之间会有一定的无功电流引起的线路损失。可控硅逆变返回到电网的有功功率，减 去这部分线路上的有功损耗和补偿电容的功耗，就是逆变后节约的电能。该方案实现 了传动方向的可逆，相对于开放式的试验台来说，有一定的节能效果，调速系统b 将 电能回馈给电网，最后流经调速系统a 并被循环利用，实现了回送能量经由电网的大 封闭循环，回馈了一定的电能。由于回馈能量流经电网，因此对电网的影响和污染是 很大的，调速系统a 的动力晶闸管整流使功率因数降低，并且为了保持电路中的电流 连续，使系统串入平波电抗器，因此本方案对电能的利用不是很充分，浪费了很多能 源。因此节能效果不太理想。故工程上引出了不经由电网而直接回馈给电动机的小封 闭式能量回送方案。 方案四 本系统属于电封闭式系统，并且该系统是不经由电网，只在传动系统本身实现能 量回送的小封闭式系统。直流电动机拖动同步发电机，发电机发出的电整流滤波，再 送回电动机作为动力。可控硅为整个系统提供电源，补偿系统所消耗的能量，其系统 结构如图2 - 4 所示。 图2 - 4 方案四系统框图 可以看出大部分能量经过整流滤波又回馈给电动机。但是本方案要求在系统运行 的任何时刻，a 点的电压值都要高于b 点的电压值，才能够实现能量的回馈。因此与 前面的方案比较，方案四实现时比较困难，控制系统也相对复杂，运行时载荷有波动。 为了能够提供大范围的负载，对同步发电机要求转速范围大，同时对同步发电机的要 1 0 求有局限性。下面介绍另一种小封闭式系统。 方案五 该系统也属于电封闭式系统，并且该系统是不经由电网，只在传动系统本身实现 能量回送的小封闭式系统。系统的主电路采用可控硅三相桥式全控整流电路供给主拖 动电机d ，主拖动电机d 通过被测装置拖动负载发电机f ，发电机f 的电流，f 是起制动 作用的，斥即为负载电流，改变电机f 的电流昂，也就改变主拖动电机d 的电流而， 使电动机的负载转矩也相应变化。因此调节负载发电机的电压去改变发电机电流斥， 通过被测试装置传到主拖动电机轴上。也就是说改变发电机f 的端电压，可以进行连 续加载。在节能方面，可以分析一下，方案五这种电封闭系统的能量关系。分别从空 载、加载两种情况进行分析。空载时，负载发电机f 不加激磁，即斥= o ，这时电动机 d 通过被测试装置拖动着负载发电机空转，被测试装置承受空载转矩，一般是很小的。 图2 - 5 方案五系统框图 其电流关系是： i t , = i o ( 2 1 ) 式中：，d 一一主拖动电机的电流； 而一一主拖动电机从电源吸收的电流。 功率关系是： p o o = p o ( 2 2 ) 式中： ，广主拖动电机的空载功率； p o 一一主拖动电机从电源吸收的功率。 由上式可见，空载时，主拖动电机仅从电源吸收空载电流而、空载功率p 0 。 负载时，当主拖动电机起动以后，增加负载发电机f 的激磁，使u r u o ，导通二 极管z 导通，便产生了负载电流，所以，增加发电机f 的激磁，便给发电机加载，也 就是给被试同步带加载，这时它们的电流关系是： 如= i o + 厶 ( 2 - 3 ) 式中：i o 一一主拖动电机的电流： 厶负载发电机的电流即负载电流； ，o 主拖动电机从电源吸收的电流。 由式2 3 可以看出，主拖动电机的电流是由两部分合成的，即一部分是从电源吸 收的电流局，另一部分是负载发电机回馈的电流后。还可以列出它们的功率关系： pd=po+pr ( 2 4 ) 式中：p d 主拖动电机实际功率； 斥负载发电机回馈的功率； p o 主拖动电机从电源吸收的功率。 从式2 4 中看出，方案五这种电封闭系统的主拖动电动机仅从电网中吸取一部分 功率，另一部分功率是由负载发电机回馈的，所以能够节约大量的能量，这样大大减 轻了电网的负担。从上述分析可以看出，方案五的节能效果是比较理想的，特别是在 大功率试验台中，利用负载发电机发出的电能回馈给主拖动电机，组成电封闭系统。 这样，大大减轻了电网的负担，而且加载方便，可以在试验中不停车任意加载( 从空 载到最大负载范围内) ，但是该系统实现时比较困难，且不能实现可逆。而且要求有反 馈电流后出现的条件是： u p u n ( 2 5 ) 所以这种方案对电机的选择具有很强的局限性。针对方案三、四、五存在的优缺 点，提出了一种利用矢量变频器共直流母线、变频调速电机相结合的节能方法，来实 现的电封闭式同步带疲劳寿命试验台的方案，即方案六回馈能量系统内部循环的 电封闭式系统。 方案六 采用双变频器共直流母线方案其结构如图2 - 6 所示： 电网 图2 - 6方案六系统框图 交流电动机和直流电动机一样都能可逆使用。在提供交流电动机无功电流的情况 下，当转子由于外力的作用运转频率高于定子的供电电源频率时电动机将工作在发电 1 2 状态。向供电电源返送电能。交流电机的回馈制动就是利用了这个原理，生产实践中 像工地上的塔机等。本文论述的电封闭同步带疲劳寿命试验台也是利用此原理实现加 载：电机m 1 驱动同步带按规定转速运转，电机m 2 被动运行，变频器2 提供电机m 2 无功 电流并调节再生能量，供电机m 1 再使用，实现加载。 综合以上六种方案的优缺点： ( 1 ) 开放式方案与封闭方案比较。开放式试验台虽然系统结构简单，但是系统输 入的试验功率几乎全部被加载装置消耗，耗能大，不宜进行大功率加载试验，决定采 用能量回送的封闭式方案。 ( 2 ) 机械封闭功率流方案与电能回送方案比较。机械封闭功率流式试验台加工量 大，机械结构非常复杂，机械传动效率低，能量损耗大，在运转中改变载荷不易实现， 力矩不易控制。试验性能不够稳定，通用性较差，故决定采用电能回送方案。 ( 3 ) 交流电能反馈方案与直流电能反馈方案比较。交流电能反馈方案是由电动机 拖动传动装置带动发电机发电，发出的电能回输电网，完成能量封闭。直流能量回送 方案是由直流电动机拖动传动装置带动发电机发电，发出的电不回电网，而是回送到 作为驱动源的直流电动机，完成能量封闭。交流电能反馈方案中电能要返回电网，并 网发电，对电气设备运行的同步、同相的要求较高，导致电气设备复杂，工作可靠性 差。而直流能量回送方案不存在这个问题，电气设备简单，工作可靠性高，为此选择 直流能量回送方案。 ( 4 ) 直流能量反馈的直接与间接方案比较。直接直流能量反馈就是直流发电机作 为加载设备，发出的直流电直接反馈到直流电动机；而间接直流能量反馈是交流发电 机作为加载设备，发出的交流电经整流桥整流为直流电回送到直流电动机。一方面， 同功率的交流发电机具有低转速大转矩加载的特点；另一方面，直流发电机的价格高， 维护要求较高，在工作现场条件差的情况下，宜采用交流发电机作为加载装置。为此 我们采用间接能量反馈。因此，回馈能量在同步带疲劳寿命试验台内部实现循环的小 封闭的电封闭式系统，更有易于节约大量的能量，而且不存在对电网的污染问题，共 母线节能方法的引入使系统对电机的选择没有特殊要求。综上所述，提出了节能效果 较好的方案六，即为本课题研究的新型电封闭同步带疲劳寿命试验台方案。 2 2 公共直流母线技术研究 在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动，有时会发生从电机端发电得到的能 量反馈到传动的变频器中来，这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电机被 拖着走的时候( 也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候) ，或者是当传动电 机发生制动以提供足够的张力的时候( 如放卷系统中的传动电机) 。 传统意义上的p w m 变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所 有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中，最终导致变频器中的母线电压升 高。如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电 1 3 能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到 制动电阻上的额定功率就可以来设计合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最 终能够保持母线电压的平衡。2 4 1 。这种制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种。 如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话，一个或多个电机产生的再生能量 就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。这是一种非常有效的工作方式，即使有 多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。 在这种方式下，如果还需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话，那就需要再加上一 个一定容量的制动单元和制动电阻以便在非常时刻起作用，当然采用能量回馈装置就 可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。 对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在上电时必须充分考 虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路保护等。图2 - 7 所示为在其中 一种应用比较广泛的方案。该方案包括3 相进线( 保持同一相位) 、直流母线、通用变 频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件 该方案有以下特点： ( 1 ) 使用一个完整的变频器，而不是单纯使用传统意义上的整流桥加多个逆变器 方案； ( 2 ) 不需要有分离的整流桥、充电单元、电容组和逆变器； ( 3 ) 每一个变频器都可以单独从直流母线中分离出来而不影响其他系统； ( 4 ) 通过连锁接触器来控制变频器的d c 到共用母线的联络； ( 5 ) 快熔来保护挂在直流母线上的变频器的电容单元； ( 6 ) 所有挂在母线上的变频器必须使用同一个三相电源。 在图2 7 中，q f 是每个变频器的进线保护装置，它应该采用带辅助触点的空气开 关，这主要是因为直流接触器m c 的接通必须同时满足q f 的辅助触点闭合和变频器运 行状态正常这两个条件，否则m c 就断开。l r 为进线电抗器，由于实际工作现场的复 杂环境往往会导致电网的波动并产生高次谐波，使用进线电抗器就能有效地避免这些 因素对变频器的影响，也可用于增加电源阻抗并帮助吸收附近设备投入工作时产生的 浪涌电压和主电源的电压尖峰，从而最终保护变频器的整流单元。l r 的选型原则可选 用与变频器同功率的即可。 为确保变频器上电后顺利地挂上d c 母线，或是在变频器故障后快速地与d c 母线 断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该场合的变频器必须要有信号2 4 v d c 或干 触点信号输出，其输出信号至少包括： ( 1 ) r e a d y 信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以 接受启动命令； ( 2 ) f a u l t 信号：该信号输出表示变频器故障。 1 4 图2 - 7 通用变频器共直流母线方案 f u 为半导体快速熔断器，额定电压通常可选7 0 0 v d c ，如b u s s m a n 的f w p 系列 或g o u l d s h a w m u t 的a 7 0 p 系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最大 能量，一般情况下可以额定负载的1 2 5 电流即可。m c 为2 p 直流接触器，如a b b 的 e h d b 系列，额定电压6 5 0 v d c ，其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流 来定，一般情况下可以选额定负载的1 2 0 电流。通用变频器的共用直流母线方案目前 已经在工业领域的很多机械设备上得到广泛应用，不仅整机( 设备加电气) 故障率低， 而且能最大程度地节能，更具有环保的意义。 基于公共直流母线电机传动变频方案具有投资省、电