（机械电子工程专业论文）kdf11型机车辅助电机试验台的研制.pdf

摘要 随着我国经济的迅速发展，铁路运输面临着巨大的挑战。机车检修质量的 高低直接影响着铁路运输的效率和安全。辅助电机是驱动机车辅助装置的动力 源，各机务段都非常重视其检修质量。机车辅助电机试验台正是对检修后的电 机进行测试的重要设备。本文结台实际项目需要对机车辅助电机自动测试系统 进行了研究，研制出基于计算机控制的k d f l l 1 1 0 1 0 0 型试验台。 首先对电机试验的指标要求进行分析，制定了试验台的整体设计方案。试 验台由主控制台和计算机测控系统组成，可实现手动和自动控制。试验台的主 要功能有两个：一是对电机试验工况的自动控制，二是对电机参数的试验数据 进行自动采集与处理。 从技术角度看，控制电机运行就是一个对电机调速的问题。系统采用晶闸 管相控整流方式，将交流电变成电压可调的直流电，从而对电机进行调压调速。 调速系统主电路由变压器隔离降压，三相桥式全控整流，平波电抗器滤波组成。 控制电路中，单片机产生的数字脉冲串对晶闸管触发移相，通过改变晶闸管的 控制角来改变输出电压的大小；并且引入了电压负反馈，由单片机程序作p i 运 算来计算控制角，提高调速精度和机械特性硬度。为了产生同步脉冲信号，采 用了锁相环技术，使触发脉冲与电源电压之间保持频率和相位的协调关系。 试验台测控系统采用单片机、计算机相结合构成实时测控与管理的一级分 布式系统。单片机接收计算机发出的控制信号对测试过程进行控制，并采集试 验数据送入计算机进行处理。计算机程序采用c + + b u i l d e r 编写，实现数据通 信、数据运算、数据显示、曲线绘制、报告生成等。试验结束，可根据需要保 存或打印试验报告。两机之间通信使用r s 一2 3 2 串行通信接口，由m a x 2 3 2 完成 t t l 电平与r s 2 3 2 电平之间的转换。 可靠性是试验台设计的一个重要环节。文中结合系统设计过程中采用的抗 干扰措旎，从硬件和软件两方面探讨了可靠性设计问题。 本文介绍的试验台对机车辅助电机自动测试具有实用价值，并在生产现场 得到成功应用。文中对于设计中的不足之处已经提出了改进措施。相信随着电 机测试技术的发展，电机试验台的研制会再上一个新台阶。 关键词：辅助电机，自动控制，可控整流，单片机，串行通信 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l ye c o n o m i cd e v e l o p m e n to fc h i n a , t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni s c o n f r o n t e d 谢mt h eg r e a tc h a l l e n g e 。n l eo v e r h a u lq u a l i t yd i r e c t l yi n f l u e n c e st h e e f f i c i e n c ya n dt h es e c u r i t yo ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h ea u x i l i a r ym o t o ri st h e d r i v i n gs u p p l yf o rl o c o m o t i v ea u x i l i a r yu n i t s ，h e n c ea l ld e p o t ss h o u l dp a ya t t e n t i o nt o i t so v e r h a u lq u a l i t y t h et e s td e v i c ef o rl o c o m o t i v ea u x i l i a r ym o t o ri se x a c t l yt h e i m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c ht e s t st h eo v e r h a u l e dm o t o r s t h i sp a p e ri n t e g r a t e dw i t h t h ea c t u a lp r o j e c th a sar e s e a r c ho nt h ea u t o m a t e dt e s ts y s t e mo f l o c o m o t i v ea u x i l i a r y m o t o r , a n dd e v e l o p e dt h et e s td e v i c ew h i c hi sc o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e r i nt h ep a p e lw ea n a l y s et h et a r g e tr e q u e s to ft h em o t o rt e s t ，a n dt h e nc o n f i r m s t h eo v e r a l ld e s i g np l a no f t h em o t o rt e s td e v i c e t h et e s td e v i c ew h i c hc a nr e a l i z et h e s w i t c hb e t w e e nm a n u a la n da u t o m a t i cc o n t r o l ，i sc o m p o s e do ft h em a i nc o n s o l ea n d t h ec o m p u t e rm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m t h et e s td e v i c eh a st w om a i nf u n c t i o n s ： o n ei st oa u t o m a t i c a l l yc o n t r o lo p e r a t i n gm o d eo ft h em o t o rt e s t ，a n dt h eo t h e r a u t o m a t i c a l l yg a t h e ra n dp r o c e s st e n t a t i v ed a t ao f t h em o t o r sp a r a m e t e r s t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi nt e r m so ft e c h n o l o g yi st r a n s f o r m e dt ot h e q u e s t i o no f m o t o rv e l o c i t yr e g u l a t i o n s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e ri su s e di nt h es y s t e m t ot r a n s f o r mt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ti n t ot h ev o l t a g e a d j u s t a b l ed i r e c tc u r r e n ts o 髂t o a d j u s tv o l t a g e - v e l o c i t yr e g u l a t i o n t h em a i nc i r c u i to ft h ev e l o c i t yr e g u l a t i o ns y s t e m i sc o m p o s e do ft h et r a n s f o r n l e r ，t h et h r e e p h a s eb r i d g ec o n t r o l l e dc i r c u i ta n dt h ef l a t w a v er e a c t o r i nt h ec o n t r o lc i r c u i t , t h ed i g i t a lp u l s es t r i n g sp r o d u c e db yt h em c u t r i g g e rt h e 也y r i s t o r st os h i rp h a s e s ，t h r o u g hc h a n g i n gt h ec o n t r o la n g l eo ft h e t h y r i s t o r s ，t h ev o l t a g eo u t p u tc a nc h a n g e d s i m u l t a n e o u s l yt h ev o l t a g en e g a t i v e f e e d b a c ki su s e d ，a n dt h ep r o g r a m so fm c u o p e r a t i n gp ic o m p u t et h ec o n t r o la n g l e t oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fv e l o c i t y r e g u l a t i o na n dt h er i g i d i t yo fp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt op r o d u c et h ep u l s es i g n a l si n - p h a s e ，t h ep h a s e l o c kl i n k t e c h n o l o g yi sa d o p t e dt ok e e pi n - p h a s eb e t w e e nt h et r i g g e rp u l s ea n dt h es u p p l y v o l t a g e t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s td e v i c ei st h em o n o 1 e v e l d i s t r i b u t e ds y s t e mw h i c hc o m b i n e st h ec o m p u t e rw i t ht h em c ut oc & t r yo nr e a l t i m e l i m e a s u r e m e m c o n t r o la n dm a n a g e m e n t 1 1 把m c ur e c e i v e st h ec o n t r o ls i g n a l sf r o m t h ec o m p m e rt oc o n t r o lt h et e s tp r o g r e s s ，a n dc o l l e c t st h et e s t i n gd a t at os e n dt ot h e c o m p u t e li nt h ec o m p u t e r , c 卜十b u i l d e ri su s e dt op r o g r a ms o a st or e a l i z ed a t a c o m m u n i c a t i o n ，d a t ao p e r a t i o n ，d a t ad i s p l a y , c u r v ed r a w i n g ，r e p o r tc r e a t i o na n ds oo n w h e nt h et e s te n d i n g t h et e s tr e p o r ti ss a v e do rp r i n t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t a t e t h er s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a d o ni n t e r f a c ec i r c u i ti su s e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n t h ec o m p m c ra n dt h em c u t h ec o n v e r s i o no f v o l t a g el e v e lb e t w e e nt t la n dr s 2 3 2 i sa c c o m p l i s h e db ym a x 2 3 2 1 1 l er e l i a b i l i t yi sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h ep r o g r e s so fd e s i g n i nt h ep a p e r , t h e r e l i a b i l i t yd e s i g ni sd i s c u s s e d h a r d w a r ea n ds o r w a r et h e s et w oa s p e c t sa n d c o m b i n i n gt h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa d o p t e di nt h es y s t e md e s i g n t h et e s td e v i c ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e rh a st h ep r a c t i c a lv a l u et ot h ea u t o m a t i c t e s to fl o c o m o t i v ea u x i l i a r ym o t o r , a n di ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h es c e n e i nt h e p a p e r , t h ei m p r o v e dm e a s u r e sh a v ea l r e a d yb e e np u tf o r w a r di nt h ed e f i c i e n c yo f d e s i g n i ti sb e l i c v e dt h a tt h ed e v e l o p m e n to f m o t o rt e s td e v i c ei so nt h eu p g r a d ew i t h t h ed e v e l o p m e n to f m o t o rt e s t i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d ：a u x i l i a r ym o t o r , a u t o m a t i cc o n t r o l ，c o n t r o l l a b l er e c t i f i c a t i o n ，m c u s e r i a l c o m m u n i c a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 内燃机车上的辅助电机是驱动机车辅助装置的动力源，是机车结构中的重 要部件。辅助电机运行状态的好坏直接影响着行车安全与质量，就全路而言， 机车辅助电机途中故障引发机破事故一直是机务系统带有普遍性的问题【l 】，所以 各机务段都非常重视辅机的检修质量。辅助电机检修后要对其性能、参数等进 行必要的测试，以检验电机是否满足有关技术要求的规定，有效保证机车的运 行安全。机车辅助电机试验台正是实现这一检测功能的重要设备。 随着铁路提速和运营生产的市场化，机车运行负荷逐年增加，机车检修正 从定期维修向状态维修转变，实现检修自动化、数字化，以期提高机车检修的 速度和质量，降低机车检修成本。同时对机车检修数据进行有效的记录管理， 建立机车关键设备的状态参数数据库，实现对机车状态的有效控制吼这就对用 于辅助电机检修的试验台也提出了较高的要求，它除了满足基本的电机测试功 能外，还必须具备自动化和数字化的特点，从而与机车检修整体发展水平同步。 而目前的辅助电机试验台多为传统的模拟接触式设备，主要采用手动调节、 开关控制，故障率高、可靠性差、自动化程度低，难以建立完备的机车检修的 数据信息库，已经成为制约检修生产数字化和信息化的瓶颈。本项目的合作单 位枝江机务段的辅助电机试验台就属于这类设备，已经与机务段的数字化改造 不相适应。针对这一情况，我们结合电机测试技术的发展现状，研制了自动控 制的机车辅助电机试验台，改变传统的电机测试方法，把计算机强大的计算处 理能力和仪器设备硬件的测量、控制能力结合在一起，实现电机测试系统的高 精度、速应性、实时性和高抗干扰能力；同时大大减轻测试人员的劳动强度， 大幅度提高工作效率。 1 2 电机测试技术的现状 随着电子技术、信息传感技术、自动化技术和计算机技术的发展，从2 0 世 纪7 0 年代起，仪器仪表业发生了历史性的变革，仪器仪表产品的数字化和智能 化，也使电机测试技术获得长足的进步嗍。 目前，电机自动澳4 试技术已获得广泛应用，但有很多企业，特别是一些小 武汉理工大学硕士学位论文 型企业仍采用传统测试方法【3 】，即采用普通的指针式仪表，手工调节、人工读数、 人工记录，然后由人工整理数据并绘制曲线或编写实验报告。由于某些原因， 如电源电压波动、频率波动、负载波动等因素会使仪表的指针摆动。为了能比 较准确的读出某一瞬间的各项被测参数，往往需要几个人同时读表。不仅如此， 由于读表的不同时性以及读数、记录、计算中的各种人为误差，还使试验数据 分散性大，试验结果准确度低。这种人工测试方法不仅工作效率低、劳动强度 大，而且要求测试人员工作时精力高度集中并具有丰富的试验经验，即使这样， 测试精度也往往难以保证【) j 。 另外一种测量方式是使用各种电子测量仪表，如多功能电参数测试仪用来 测量三相电压、电流、功率、功率因素、频率等参数；又如利用转矩转速测试 仅可以测量电机在各种状况下的转矩、转速、输出功率等。这类仪器一般由单 片机构成，测量精度高，采用数字显示，功能比较完备，提高了自动化程度， 但是对数据的处理、试验过程中的读数同步等问题，仍然不够理想。 随着微机技术的发展，微机的性能越来越强大，软件的发展也使控制变得 极为方便、灵活，所以现在很多系统都把控制逻辑由微机实现，通过通讯口对 设备进行控制，因为运行在微机上的软件编写非常灵活，很多功能非常容易实 现，能够进行复杂逻辑运算、判断，而且运算速度非常快，系统灵活性大大增 加。这种方式常常称为p cb a s e 。在数字仪表基础上发展起来的数字式自动测试 系统可以控制测量过程，处理测试数据，记录与显示测量结果。采用微机的电 机自动测试系统具有以下的特点【4 】i s ： 1 、能自动控制被铡电机的起、停，自动采集测试数据，自动进行数据处理 及参数计算，以及自动打印试验报告，绘制特性曲线。整个试验过程可全部自 动进行，试验现场可立即得到试验报告及曲线。 2 、由于整个试验过程可由计算机的程序控制，故只要改变计算机的程序， 就可改变各项目的试验，也可以根据不同的试验要求进行各种研究性试验。 3 、由于数据采集速度快，保证被测数据采样的同时性，消除了人工读表的 不同时所引起的各种误差。 4 、测量准确度高，而且重复性好。采用各种高精度的传感器、数字仪表， 而且计算机能进行高精度的运算。 5 、能自动进行故障检测及诊断，自动声光报警或在计算机屏幕上显示故障 原因，并采取适当的保护步骤，防止造成危险和损害。 6 、工作可靠，操作简便。为了保证系统的可靠性，在系统中采用有效的连 武汉理工大学硕士学位论文 锁、隔离、抗干扰等措施。操作时实验人员只需设置试验环境和发出启动命令， 系统可自动完成各种特性实验。 7 、节省时间，节约人力，大大提高试验效率，减轻劳动强度。 国际上，八十年代初出现了以微型计算机为核心的电机试验综合装置，可 以对被试电机进行快速数据采集，并能自动处理数据、绘制和打印各种曲线与 试验报告等，大大提高了测试精度和效率 4 1 。如西门子公司为慕尼黑大学电机实 验室制造了3 0 0 型过程控制计算机，在电机试验中大大简化了各种参数的测量。 日本国际检测公司生产的m d p1 0 1 ，1 0 2 型电机性能综合测试机，可以自动测试 电压、电流、转矩：转速、功率、效率、功率因素等项目，并可进行数据处理。 法国的c e m 公司也研制了自动测试台，主要适用于0 5 k w - - 8 0 0 k w 三相异步 电动机的测试。八十年代中，出现了对电机试验进行自动诊断的专家系统。如 美国西屋公司设有“诊断和人工智能发展部”，“机组故障诊断”计算机。日本 的富士电机公司也开发出用于大型同步电机绝缘试验的专家系统。 采用新理论、新技术、新材料，与计算机和自动控制相结合的测试系统是 现代电机测试技术的发展方向。研制的设备具有集成化、数字化和智能化的特 点，保证测试精度高、重复性好，同时操作简单可靠、成本低，在各项指标上 都远远超过了传统的试验方法，使电机测试步入了新的时代。 1 3 研究的目的与意义 研制自动控制的机车辅助电机试验台，实现对各种直流辅助电机检修后的 例行试验，测试其性能、参数等，以检验电机是否满足有关技术要求的规定。 本试验台的试验数据通过单片机进行采集处理，用数字仪表显示，并将检测数 据通过串行口送往上位机进行分析处理和显示，实现数据网络化。计算机可以 通过程序对测试过程进行自动控制。试验结束，将试验内容、数据、特性曲线、 状态分析等试验结果通过报表打印输出。实现电机测试系统的高精度、速应性、 实时性和高抗干扰能力。 本试验台的研制改变了传统的电机测试方法，大幅度提高工作效率，从而 提高了机车辅机检修的速度和质量，降低检修成本，实现检修自动化和数字化。 系统可以完成对检修过程的有效记录管理，建立机车关键设备的状态参数数据 库，为机车检修由定期维修向状态维修转变提供一定的设备基础，提高机车检 修管理水平，从而实现对机车状态的有效控制。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的技术背景 论文的技术背景是与电机测试技术相关的电力电子技术、自动控制技术、 单片机技术和计算机技术的综合应用。 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴学科。因 而，电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，并伴随着变换技术和控制 技术的发展而发展的【6 】。电力电子技术可以看成弱电控制强电的技术，而控制理 论是实现这种功能的一条强有力的纽带。随着科学技术的发展，电力电子技术 与现代控制理论、微电子技术、计算机技术以及电机工程等领域有着更加密切 的关系。 电力电子技术研究的内容包括三个方面：电力电子器件、变流电路和控制 电路。在工程应用中，主要了解如何合理地选择和使用电力电子器件来构成各 种变流装最。变流技术是电力电子技术应用的理论基础，它包括用电力电子器 件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术。以电力半导体器件为 核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制就是变流电 路。控制电路的主要功能是为变换器拓扑中功率器件提供控制极驱动信号。特 定应用的驱动信号是根据控制指令的比较综合，通过某种调节规律( 控制策略 或控制算法) 及控制方式来获得的。这就需要将现代控制理论应用于电力电子 技术。 电力电子技术真正的开始是由于1 9 5 7 1 9 5 8 年第一个反向阻断型可控硅 s c r 的诞生，后称晶闸管。它在电力电子学的发展中起了非常重要的作用。目 前为止，晶闸管仍然是功率最大的电力电子器件，在高电压、大电流的应用场 合依然是无可替代的【6 】。晶闸管是通过对门极的控制使其导通而不能使其自行关 断的器件，因而属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相控技术， 即控制触发信号与主电路之间的相移角。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外 部条件来实现。 电力电子学作为- f l 活跃的新型学科，有着广泛的发展前景。电力电子技 术广泛应用于一般工业、交道运输、电力系统、电子装置用电源、家用电器及 其他各个领域，几乎涵盖到社会的各个方面。就机车辅助电机试验台而言，电 力电子学提供的理论基础和技术手段正符合其研制要求，即实现电力变流，对 直流电机进行控制。 单片机和计算机技术在本论文中也得到应用。单片机控制功能强，有优异 4 武汉理工大学硕士学位论文 的性价比，很高的可靠性【饥。对于复杂的变流电路控制系统，通常采用微处理器， 由单片机及少量外围芯片构成的控制电路，具有硬件成本低，可消除漂移并具 有较强抗干扰能力，便于运行监控及故障诊断【”。单片机和计算机相结合，广泛 地应用于过程控制，计算机作为主控机，单片机作为分布式控制系统的前端机， 对现场的信息进行实时的测量和控制。计算机具有强大的数字处理功能，为仪 器设备提供了方便直观的人机交互方式，同时可以对工作过程进行自动控制。 1 5 本论文的主要工作 研究目标：实现机车辅助电机性能试验过程的手动和自动两种方式控制， 以及试验数据的自动采集和分析处理。 主要研究的内容和解决的问题： 1 ) 试验台的整体结构设计。 2 ) 可控硅直流电源装置即电机调速系统的设计。 3 ) 数据采集系统硬件电路及计算机接口电路的设计。 4 ) 试验台测控程序的流程设计和源程序编写。 5 ) c + + b u i l d e r 对计算机数据库、数据处理、显示及报表程序的编制。 6 ) 系统的可靠性设计。 采取的研究方法和技术路线： 1 ) 电机调速主电路采用变压器隔离降压，三相桥式全控整流，平波电抗器 滤波等技术；设有三相电源相序鉴别、三相电源断相、励磁回路失压、直流输 出过载等保护电路。 2 ) 控制电路采用微处理器产生的触发脉冲对可控硅触发移相。引入了电压 负反馈进行闭环控制，使电路构成自动稳速的无级调速系统。 3 ) 采用单片机实现对被测信号的采集和控制信号的处理。利用r s - - 2 3 2 总 线实现p c 机与单片机串行通信。 4 ) 采用软件工程的思想规划控制程序。 5 ) 把计算机强大的计算处理能力和仪器设备硬件的测量、控制能力结合在 一起，通过软件实现对试验的控制和数据的运算、分析、处理、显示、打印及 存储。 亟坚望三查堂堡主堂焦堡兰 一一一 第2 章系统总体结构及工作原理 2 1 机车辅助电机试验参数指标 机车辅助电机试验台是对辅助电机进行测试的设备，检修后的电机必须满 足电机测试标准规定的参数指标。 本试验台系统按照d r 内燃机车检修工艺一电机的有关规定【8 】，结合使 用单位枝江机务段的生产实际，实现对d f , 型机车各种直流辅助电机( 功率小于 8 0 k w ) 的性能测试，即空载、负载及超载条件下运行检查试验。电机的技术参 数如表2 - 1 所示。 表2 1d r 型机车辅助电机技术参数表 电机 直流直流直流 电动发电直流电动机电扇 性质 机机电机 电机d y f 型号 z 2 4 1z 2 1 2z 2 。1 2z k l 3 11 1 0 s z 5 9$ 6 6 1 z j az d p 一1 2 3 0 0 润滑 燃料测速 预热锅预热锅预热锅炉车体通 风扇、 用途 泵、滑 发电 热风 油泵炉水泵炉风泵燃料泵风机 油泵机机 、功率 4 5o 6o 60 80 4o 0 21 o0 0 3 3 k w 电流 5 7 87 6 87 6 81 05 52 61 2 9 a 电压 v 9 61 1 01 1 01 1 09 61 1 01 l o 1 1 0 励磁 方式 复激复激他激并激他激 并激并激 转速 2 2 0 01 5 0 02 6 8 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0 3 0 0 0 r m l n 1 3 5 0 本系统进行的主要试验项目如下： 1 ) 空载启动电流的测定：电源电压缓慢上升过程中，电机刚刚开始转动时的电 流表的读数即为电动机启动电流值。 2 ) 空载试验：将电机接入电源和励磁，在最高转速下正反转各3 0 分钟，不得 有异音、甩油、轴承温升不得大于4 0 。c ，并检查电机的振动情况。初步鉴 定电机的接线、装配和修理的质量是否合格。 3 ) 负载试验：目的是检查电机在工作条件下的输出是否稳定。测量电机带负载 后电压、电流或转速、转矩等参数。电机至少运转十分钟，应没有机械损伤、 闪络、环火和永久变形。 4 ) 超速试验：目的是考核电机的机械强度及承受能力。一般在空载条件下进行， 以1 2 倍的最高转速运转二分钟，不得发生损坏和影响电机运行的机械损伤 及永久变形。 5 ) 匝问过压试验：以i 1 倍的额定电压进行5 分钟的过压试验，不得发生击穿、 闪络现象。 2 2 机车辅助电机试验台要求 对d f , 型机车辅助电机试验的要求进行分析可知，要研制的机车辅助电机试 验台需满足如下功能： 1 在3 8 0 v 5 0 h z 的额定输入电压下工作，能够输出直流o 一1l o v 连续可调 的电压和o i o o a 随电压连续调节的电流。能够为辅助电机和负载电机的励磁 以及系统中用到的元器件和芯片提供直流开关电源。 2 能够对试验要求的各种参数及系统状态进行实时监测，并动态显示试验 数据和系统状态，包括电枢电压和电流、励磁电压和电流、转速、温升、电机 运转时间、故障信息等。 3 对试验数据进行分析处理，将试验内容、试验数据、特性曲线、状态分 析等试验结果以试验报告形式自动存储或打印输出。 4 具有自动保护功能和抗干扰能力。包括三相电源相序鉴别，三相电源断 相、励磁回路失压、直流输出过载等保护电路；能够对生产现场的主要电磁干 扰具有抵抗能力。 5 计算机联网后，可通过程序设计将试验数据送入数据库进行管理分析， 实现网络化测试，为机车检修质量分析提供有效的数据。 5 试验台具有自动和手动切换功能。可利用计算机测控系统对测试过程进 行自动控制，亦可通过主控制台上的硬件按钮来控制电机运转，两种方式能够 根据需要进行切换。 2 3 试验台系统结构和工作原理 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 总体设计构想 电机是一种实现机电能量转换的电磁装置。机车辅助电机用于驱动机车上 的辅助装置，如风扇、水泵、油泵等，本系统涉及的是直流电机。对电机进行 测试就是在空载和负载情况下检测其性能，因此需要模拟电机运行的实际工况。 一般的电机传动系统结构如图2 一l 所示捌。由图中可见，在电机运行过程中， 由电源和电气控制设备对其进行控制，工作负载也是影响因素之一。在测试过 程中，主要是通过这三个方面控制电机运行，以检测其在各种工况下的性能。 图2 1电机传动系统结构图 本试验台主要完成辅助电机自动测试功能，所以设计的核心是构建一个电 机自动测试系统，能够进行空载和负载试验，要求测试自动化程度高，安全可 靠，测量准确度高。电机自动测试系统的主要功能有两个：一是对电机试验工 况的自动控制，二是对电机参数的试验数据进行自动采集与处理。 目前电机自动测试系统的主要组成很相似，主要有：测试硬件平台、各种 数字测试仪器、微机系统及其外部设备。在试验的控制方式上主要有两种类型： 一种是试验的过程控制由测试硬件平台来实现，微机系统只是进行数据处理、 曲线绘制等。另一种是计算机作为整个测试系统的核心，通过程序控制整个试 验过程，逻辑的实现由测试硬件平台的下位机和继电器组来完成。比如对调压 器的控制、切合电源、电机起停、加减负载的实现等等，这些都是通过p c 机给 下位机发指令来实现的。各种数字仪器的数据采集主要通过通讯接口受p c 机的 控制进行工作。前一种自动控制程度不够高，浪费了微机系统资源：而后一种 则完全依赖于微机系统，测试过程脱离微机就无法进行。 基于以上情况，本试验台控制系统采用手动和自动两大部分。手动控制时 操作人员通过硬件平台上的按钮、可调电位器等来控制整个试验。自动控制时 通过运行计算机上的远控程序，进入试验界面进行操作即可。这样保证在微机 系统出现故障的情况下。试验台仍可完成测试功能。两种方式可以结合使用， 试验过程更加方便快捷。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 系统总体结构 基于试验现场状况和采用的技术路线，试验台系统由主控制台和计算机测 控系统两大部分组成。电机自动测试系统的结构框图如图2 2 所示。 图2 2 电机自动测试系统结构框图 主控制台包括试验电源、继电接触控制组、传感器、变压器、控截开关、 数字显示仪表等。利用电力电子器件和单片机控制电路，将工频电网的交流电 变换成可谓的直流电，提供辅助电机的电枢和励磁( 励磁i ) 电源，驱动辅助 电机，实现电机调速；由传感器测得电机运行中的各种电量和非电量，变换成 电压或电流这样的模拟信号；数字仪表可显示经过处理的各种被测参数；试验 台整机和电机起停及保护功能可通过继电器组及控制开关实现：同时控制台能 够提供负载电机的励磁( 励磁1 1 ) 电源和集成电路所需要的二次电源。这样， 电机测试系统的手动控制功能完全可以在主控制台上实现。试验台设有计算机 通信接口，科甩计算机溅控系统实现测试过程的自动控制。 计算机测控系统需要计算枧的硬件和软件技术，计算机担负着系统的管理、 控制和运算等，是电机自动澳d 试系统的核心。电机自动测试时，需要对电机中 的多种电量和非电量进行检铡，根据这些检测量就可以计算出被试电机的各种 特性，有些量还要用于系统的控制。检测电量和非电量需要使用各种传感器。 传感器输出的一般是电压或电流这样的模拟量信号，而计算机只能处理数字量， 因此还需要把检测到的模拟量变换成数字量，才能送给计算机处理和计算，为 此必须配备相应的数据采集系统。电机自动测试时，常常需要对电源的频率、 9 武汉理工大学硕士学位论文 电压和被试电机的负载进行调节，因此还需要配备相应的硬件以及控制软件， 以便满足试验条件和电源、负载调节的需要，准确测得电机的各种特性并使整 个测试过程自动完成。 要全面准确地完成电机的自动测试，该试验系统的硬件主要有： 1 试验电源设备：可控硅直流电源。 2 控制台：继电器组、传感器、变压器、数字仪表、单片机系统、风机等 辅助设备。 3 微型计算机：用于实验过程中的控制，数据采集、处理，以及结果输出。 4 负载：直流发电机负载。 2 。3 3 系统工作原理 系统中三相电源采用工频电网供电，整流模块为三相可控整流。控制台主 电路实现相控整流功能，为被试电机提供电压连续可调的直流电源，从而用调 压调速方法完成直流电机调速。控制电路采用单片机编程控制的微处理器，形 成数字脉冲串，对可控硅触发移相。为了提高设备的调速精度和机械特性硬度， 引入了电压负反馈，使电路构成自动稳速的无级调速系统，以确保设备的性能 稳定。传感器检测试验电机性能参数，用于数字仪表显示和单片机数据采集系 统。由单片机及其外围电路组成的下位机系统完成电机模拟量的a d 转换，与 上位机通信，并输出上位机发出的控制信号以控制电机的运行。计算机对试验 数据进行计算、处理和分析，动态显示测试结果，并打印输出试验报告。试验 数据还可进入网络服务器，以形成数据库进行管理分析。 在辅助电机测试时，按电机工作原理接好电机的电枢及励磁回路；进行负 载试验时，发电机励磁采用励磁i i ，同时用联轴器将试验电机与发电机接好， 并接上发电机负载( 电炉) 。开启计算机系统，确定给定调节旋钮在零位，将设 备送电，电枢停止、励磁i 停止、励磁i i 停止三个指示灯亮；转换输入电压转 换开关，输入电压表显示相应的相电压，可检查相电压是否正常。电枢定时用 于设定操作时间，当达到设定的工作时间时，系统自动停机；如果不需设定时 间，可将电机定时时间设为最大。将欠流继电器开关o n o f f 拨向o f f ，电枢将 受励磁i 电流的保护( 限制) 。按励磁i 启动按钮，励磁i 回路得电，对应的指 示灯亮、电流及电压表有显示。如果励磁i 电流过小，电枢不能启动，将o n 0 f f 拨向o n 。按电枢启动按钮，主回路得电，运行指示灯亮，风机运转。顺时针调 i d 武汉理工大学硕士学位论文 整绘定溅节旋镪，电机撼动，并工作予给定转速状态；控制台上浆数字仪表会 显示试验数罐。这就是试验台豹手动控制过狂，主控制台面扳示意图如鞠2 3 掰示。如果要避行岛动控制。可以在计算机上运行运控嚣统狂序，避入操捧界 西，按照系统提示进行操作。 本试验螽主要技术参数： i 交流输入：额定输入电压3 8 0 v 5 0 h z 。 2 ，直流输出： 电枢：1 1 0 i o o a ；菇5 磁i ( 辘驹氡钒的瓣磁) ：l l o v t o a 脯磁i i ( 负载电枫盼励磁) ：0 - 1 i o v 可调l 鼢 3 保护藏定 4 。撩律环境 5 搬体尺寸 6 设备甏母 避电压保护点1 3 5 v ；过电流保护点t 2 0 a 。 温度o c 一4 0 澄度2 0 - 8 0 。 1 2 0 9 ( 长) x 9 s om ( 宽) 1 3 0 0 m ( 高) k d f i i - - i i o 1 0 0 。x 一可按硅，d 一赢流电视，f 一风冷，l 一垒 拄耩，i - - 蜒宝赫磁，i l o 一额定输出电疆，l 一额定输出电流。 2 。4 小缝 圈2 3 生控制台蔼板示意鞠 零蠢辗攒枫枣辅助毫辊试狳参数指标确定了试验台的设计螫求，然餍比较 嚣静电机爨动铡试系统的优缺点，援爨了本试验台的设计构憋。试验套系统盎 蔓控制静鞫 算辊铡控系统蜀太部分维成，致褥实蠛电枫测试的手动和囊动磁 种控剿方式。文中生簧对试验台的系统缀成拥互作琢理徽了夯绍，另外给出了 试验爵的主要技术参数；试验蠹实秘照片照附录一。 l l 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电机调速控制系统设计 本试验台用于机车直流辅助电机检修后的检测，即控制电机的运行。以检 测运行过程中的各种参数。所以从技术的角度看，对控制系统的设计就转化成 了一个对电机调速的问题，这也是一个核心问题。控制系统的主要任务就是对 直流电机进行调速，这样才能使被试电机按照测试要求运行。 3 1 直流电机调速方式选择 直流电机的定子通常有励磁绕组，当励磁绕组通以直流电时产生磁场。转 子又称为电枢，它的作用是产生电磁转矩和电势，实现机电能量变换。加在直 流电机上的直流电源，通过换向器和电刷，在电枢线圈中流过的电流方向是交 变的，而每一极性下的导体中的电流方向始终不变，因而产生单方向的电磁转 矩，使电枢向一个方向旋转n o i h i 。 3 1 1 调速方法比较 根据直流电动机的转速公式【1 1 j ： n = 丽u c 一赤cr = 赤c ( u 一饯)f mf 中c r 西目由、 4 ” ( 3 一1 ) u 一电枢电压；l 一电枢电流；r 。一电枢电阻；励磁磁通： c ，一电机的电势系数； g 一电机的转矩系数 可知，当电枢电流不变时，只要电枢回路电阻、励磁磁通和电枢电压三个 量中，任一个发生变化，都会引起转速变化。因此，他励直流电动机有三种调 速方法：电枢串电阻调速、减弱磁通调速和降低电枢电压调速【1 1 1 。 1 电枢串电阻调速 保持电源电压和励磁磁通为额定值不变。在电枢回路串入不同的电阻时， 电动机将以不同的转速运行。其电路连接方式和机械特性如图3 - - 1 所示。电枢 回路所串电阻越大，稳定运行时转速越低。这种调速方法设备简单，但串入电 阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) l 叫 图3 1串电阻调速的电路和机械特性 2 减弱磁通谓速 保持电枢电压不变，电枢回路不串电阻，减小电动机的励磁电流使励磁磁 通降低，可使电动机的转速升高。弱磁调速的机械特性如图3 2 所示。在正常 的工作范围内，励磁磁通越弱，电动机的转速越高。弱磁调速只能在高于额定 转速的范围内调节，但是电动机的最高转速不能升得太高。弱磁调速是在励磁 回路进行调节，所用设备容量小，损耗也小；同时控制方便。可实现无级调速， 平滑性好。这种调速方法的缺点是机械特性软，当磁通减弱相当多时，运行将 不稳定。 + ! ：- 一 v ( a ) 图3 2 弱磁调速的电路和机械特性 3 降低电枢电压调速 保持励磁磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢电压时，电动 机将以较低的转速运行，其机械特性如图3 3 所示。降低电枢电压调速需要有 单独的可调压的直流电源，加在电枢上的电压不能超过额定电压，所以调速也 、 一 ；f m 厂。 武汉理工大学硕士学位论文 只能在低于额定转速的范围内调节。 降低电枢电压时，电动机机械特性 的硬度不变，因此运行在低速范围 的稳定性较好。电压连续可调时， 可进行无级调速，调速平滑性好， 工作效率高。这种方法适用于对调 速性能要求较高的场合。 3 1 2 调速系统的性能指标 n 玎2 图3 3 调压调速的机械特性 为了能定量评价调速系统的性能，以及生产过程对调速系统的需要，均需对 调速系统的指标进行量化处理。电动机调速性能的好坏，常用下列各项指标来 衡量1 1 1 1 。 1 ) 调速范围：是指电动机调速系统所能提供的最高转速和最低转速之比。 通常希望在大范围内调速。 2 ) 静差率：是指电动机带负载运行时，由理想空载增加到额定负载所对应 的转速降落与理想空载转速之比。调速系统的静差率越小，表明系统在带负载 后的转速降越小，转速的稳定性越好。它与系统的机械特性的硬度有关，特性 越硬，静差率越小，转速的稳定性越高。 3 ) 调速的平滑性：在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两 级转速之比称为平滑系数夺。耷值越接近1 ，财平滑性越好。当中= 1 时，称为 无级调速，即转速连续可调。 4 ) 调速的经济性：是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。 5 ) 调速时电动机的容许输出：是指在电动机得到充分利用的情况下，在调 速过程中所能输出的最大功率和转矩。 3 1 3 本系统的调速方法 为了提高电动机调速的性能，人们在不断寻求更好的调速方法，特别是能够 直接改变电动机轴旋转速度的方法【9 】。通过以上的分析可