30kW交流电机城市轨道车辆牵引模拟系统

1、30kW交流电机城市轨道车辆牵引模拟系统宋瑞刚1，2 杨俭2 黄厚明1，2 尧辉明2 方宇2（1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240；2.上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620）摘 要：提出一种基于30kW小功率交流电机的城市轨道车辆牵引模拟系统，该系统实现了低功率条件下的轨道车辆牵引与电制动工况模拟，同时可以对牵引电机特性参数进行很好的实时采集与分析。本文从系统构成和硬件实现、软件设计过程，以及工作原理上对整个系统进行了详细介绍。该系统在试运行阶段取得良好效果。关键词：虚拟仪器；牵引电机；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 城市轨道车辆的运行特点是交通区间短，牵引、制动等工况转换频繁，起动、制动性能要求严格，于是牵引和制动性能的精确控制就显得尤为重要。而在城市轨道车辆的牵引/制动状态检测方面，我国还处于起步阶段，尚未能实现随车检测和精确的计算与模拟。所以对于牵引和制动控制来说，往往缺乏足够的数据进行研究。本文提出一种城市轨道车辆牵引模拟系统，该系统依据现有的交流牵引控制技术，结合虚拟仪器技术，自动模拟轨道车辆的牵引和电制动特性，并对牵引电机特性参数进行很好的采集和分析。且本试验系统采取30kW的小功率电机来模拟实际工况中的牵引电机运行，对所测得数据的分析可用于指导实际工

6、况中的牵引制动控制研究，这也就突破了普通实验室功率容量的限制，大大降低了模拟系统的建设成本。基于小功率交流电机的城轨车辆牵引模拟系统，通过图形化编程（G语言）软件Lab- VIEW对模拟行驶阻力进行计算，通过数据采集卡输出模拟信号，再通过信号处理和DC/AC电路转换产生励磁电流，并通过交流测功机模拟车辆运行所受到阻力进行逆扭矩加载，对转速、转矩等参数实现精确控制，对电压、电流等动态参数以实时变化的图形来直观显示，并详细记录存储，为牵引电机特性分析提供数据支持。整个测控系统结构简单，程序根据不同任务的设定更改量小，测试采集量和数据计算结果的显示通过PC机显示器完成，是一个理想的城市轨道车辆牵引运

7、行模拟平台。1系统总体介绍 本系统采用将380V工频交流电经过整流逆变单元的调压、滤波、整流后模拟轨道车辆直流母线供电，再分别经过牵引和制动逆变电路将直流电逆变成频率和幅值可调的交流电，供给三相交流异步电机和测功机,如图1所示。图1 交流牵引模拟平台结构简图制动电阻整流、滤波、调压主电路工业控制计算机 数据采集卡牵引电机负载电机牵引控制负载控制传感器牵引逆变器主电路制动逆变器主电路惯量飞轮电网在牵引模拟系统中两台电机构成了一个闭环主电路循环系统，牵引工况时交流电机和测功机分别处于电动机和发电机状态，能量互为消耗，对电能耗费量小，只需少许控制电能和机械摩擦耗能。交流电机用于模拟城市轨道车辆中的牵

8、引电机，实现牵引和电制动工况。交流测功机用于模拟车辆行使过程中遇到的动态阻力。二者通过联轴器连接在一起，在牵引电机输出轴上装有转速/转矩传感器，以测量电机的转速和转矩。三级飞轮通过牙嵌式离合器结合在一起，通过机械手柄调节加载的飞轮数，用于模拟城市轨道车辆的空载、满载、超载三种载客工况。空气制动不作为本系统研究的重点，故系统未加载空气制动机。牵引模拟平台可以实现以下两种工况：（1）在牵引工况下，受牵引逆变器控制的异步交流电动机按照速度闭环控制，其输出功率经减速器传递给处于发电工况的异步交流测功机，受制动逆变器控制的交流测功机则按照转矩闭环控制，模拟列车的阻力负载。（2）在电制动工况下，由制动逆变

9、器控制的测功机继续模拟列车在制动过程中的阻力变化，而牵引逆变器驱动的电机则在飞轮的惯性旋转带动下处于发电工况，模拟实现列车再生能量的电阻消耗或者反馈。2 数据采集系统基于虚拟仪器的城市轨道车辆交流牵引模拟系统的测控系统由传感器、数据采集卡、工业计算机和图形化编程语言LabVIEW的程序构成，其系统结构总图如图2所示。图2 基于LabVIEW的牵引运行测控系统简图牵引信号调理电路传感器传感器LabVIEW图形化程序多路开关放大器工业计算机模拟输出量信号处理及电路转换A/D保持器采样/保持器系统采用的数据采集板是NI公司的PCI-6225数据采集板，PCI-6225是一种基于计算机PCI总线的数据

10、采集卡，可直接插在计算机的PCI插槽上使用，PCI-6225板上装有16bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器。为用户提供了80路单端/40路差分的模拟输入通道和2路模拟输出通道。其中在采集卡的D/A通道中进行的是D/A转换，采用PID控制，将运算输出的数字量转化为控制电压，送入驱动电路，经过驱动电路的放大后，作为交流电机的输入电压。在采集卡的A/D通道中进行的是A/D转换，把转速转矩传感器测得的信号转换为数字量送入计算机，基于LabVIEW 的PID控制模块对这些数字量进行处理，计算出给定转速对应的电压值与实际转速所对应的电压值之间的偏差，并根据数字PID控制算法计算出控制量以调节交流电机

11、的转速。基于LabVIEW软件编程，通过数据采集卡可以准确、快速地检测到交流异步电机的运行状态，得到电流、电压等基本参数，为分析研究列车运行在不同工况下的牵引电机特性做好数据准备工作。3 牵引电机及其控制 系统采用德国德驱驰公司生产的30KW交流变频异步电机，按照19：3的功率比例，用以模拟上海地铁2号线190KW牵引电机的功率输出，输入轴转速采取和实际工况牵引电机转轴转速相同，最高达到3352r/min（折算至实际车速80km/h）,在速度量纲上对车辆牵引系统进行真实模拟表。变频器对大功率交流电动机实现了精确控制，因为该系统中变频器数量不多、数据传输量不大，采用RS485总线来实现工控机与变

12、频器之间的通讯，满足了实时性要求。在本系统内采用通信接口与工控机通信，工控机按通信协议USS向变频器发送转速值。由于变频器通信口采用RS485标准，与工控机的RS232标准之间需要进行转换，因此，在变频器与工控机间用RS485/232 转换模块进行连接1。 扭矩传感器采用德国Dr. Staiger Mohilo 0170DM传感器，量程01500Nm，最高转速12,000 rpm，完全满足轨道车辆扭矩参数变化范围的要求。采用非接触式，满量程时精度0.2%，转速信号360p/r，也满足实时测试的精度要求。牵引电机采用速度闭环控制，依次实现电机的恒力矩、恒转速和自然特性，以及轨道交通车辆的牵引加速

13、、惰行和制动减速三个过程。在LabVIEW编程操作的牵引控制和负载控制共同作用下，实现车辆的运行速度曲线图，如图3所示。速度(Km/h)恒功率 自然特性 自然特性 恒力矩恒功率 制动减速区惰行区牵引加速区牵引制动时间(s)20A406080恒力矩BCDEF0G 图3 城市轨道车辆运行速度曲线图4 负载电机及其控制4.1 模拟阻力加载原理本系统中的负载电机采用ABB公司生产的33kW异步交流测功机来实现，附带高性能可编程测功机控制器，通过编程实现城市轨道列车运行中受到的阻力负载。城市轨道车辆由于其编组车辆少，列车长度较短，在模拟系统中，可将整个列车看作一个单质点的动力学系统，忽略各节车厢在运行过

14、程中受到各种力在大小和方向上的不同，将列车阻力平均分配至每节车厢，再进一步折算至每台牵引电机轴的输出轴，由测功机来实现。轨道车辆的运行阻力包括基本阻力和线路阻力2。基本阻力和机车运行速度有关，参考我国既有的城轨车辆资料以及国外资料，采用以下典型阻力计算经验公式，即： 式中：为列车基本阻力，KN；为列车行车速度，km/h；为列车总质量，t。线路阻力主要决定于列车运行的具体线路条件。它综合了坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加空气阻力三种阻力情况，并且通常用一个加算的坡道附加阻力代替。加算坡道阻力 式中：为列车线路阻力，KN；为加算坡度；为列车总重量，KN。 此外，还有列车的起动阻力，列车的起动阻

15、力情况比较复杂，不能应用一般的阻力计算公式。列车在实际运行中，一旦起动，列车阻力就起动阻力回落到运行阻力，维持时问极短， 是静态向动态的瞬变过程3。参照国内外相关技术资料，并考虑到程序中计算步长的限制， 在本系统中阻力加载可以忽略这一瞬变过程。 4.2 负载电机控制变频能量回收系统控制交流测功机以发电机状态运行，使其在向被测试件加载的同时将机械能转换成电能回馈回电网，实现能量闭环回收。系统加载控制方式为直接转矩控制，通讯模式采用串口RS485总线实现工控机与系统之间的通讯。多种模拟与数字I/O接口和通讯适配器，高性能可编程测功机控制器。内置测功机应用宏，满足多种应用，减少程序设计量和培训费用，

16、提高可靠性。丰富的PC工具软件，全面支持系统的工程设计，动态监测，编程、调试和维护。系统静态精度即转矩的控制精度为±0.1%(FS)，转速的控制精度为±0.5%(FS)，完全满足城市轨道车辆牵引模拟的精度要求4。5 惯量的设计原理飞轮系统的作用是：利用其转动惯量模拟轨道车辆加速阻力，来实现对牵引加速能力的测试；储存车辆行驶时的动能来实现制动工况的测试。车辆转动惯量的模拟方式一般有两种，一是机械模拟，二是电模拟。随着电子技术的发展，在一些汽车的底盘测功机上已配备有电模拟惯量系统，但我国电模拟惯量系统还不成熟，且价格昂贵，所以大部分测功机系统仍配备飞轮系统5。在本模拟系统中，我

17、们设计三级飞轮来模拟城市轨道列车的空载、满载和超载三种不同工况。因为载客量每日波动较大，所以对惯量的精确度要求不高，三级飞轮采用逐级加载、手动离合换挡的方式，飞轮之间用牙嵌式离合器联结。列车旋转惯量的折算，可以简化为工作机构做水平运动的情况。折算原则是保持折算前后动能不变。依据公式如下：平动情况下， （1） 转动情况下， （2）联立（1）（2）式，可得 （3）代入公式换算后，可得 其中：为机车质量；为机车行使速度；为机车重量；为电动机轴的转动惯量；为电动机的转动角速度；为折算至电动机轴端的飞轮矩；为飞轮直径；为电动机转速；为机车折算的转动惯量。 依据车辆编组方式、减速器减速比、传动效率系数等参

18、数，将总体惯量折算至单台牵引电机输出轴端，再根据实验台架具体条件，设计出惯量可调的三级飞轮。6 牵引模拟系统软件设计 LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言G语言(Graphics Language)的虚拟软件开发工具。它不同于基于文本编程语言之处，在于它是一种图形编程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为，从而构成用户需要的虚拟仪器6。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。对于交流牵引测试的多功能测试要求，用户可以将具有一种或多种功能的通用模块相结合，并且调用不同功能的软件模块，就能完成不同的测试任务7。LabVIE

19、W软件设计的实验台控制面板如图4所示。牵引模拟系统程序设计框图如图5所示。图4 城市轨道车辆牵引模拟实验台控制前面板图5 牵引模拟系统程序设计框图是是是是否否报警开始参数设置牵引电机启动负载电机加载试验过程正常？路段全程试验完毕？试验循环次数完毕？试验结束，数据处理，存储打印牵引电机停止负载电机停止否7 结语本模拟系统采用交流电封闭方案，能源利用好，回收效率高。同时系统采用虚拟仪器技术作为开发平台，实现了对牵引电机、测功机等的计算机控制，以及对牵引电机的输入、输出轴的扭矩、转速、电压、电流等参数进行实时测量，操作简单，界面友好。表1 试验数据时间 牵引电机转速 牵引电机转矩 牵引电流 制动电流

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虽然系统在空电联合制动方面的模拟还有所欠缺，但是牵引电机特性和电制动过程作为本课题的重点还是得到了很好的研究。实验台建设成功后运转良好，结合上海地铁2号线资料，有效模拟了城市轨道车辆牵引加速、惰行和电制动的过程。表1为实验过程中测得的部分数据，从中可以看出牵引及制动过程中电机的各种特性符合实际工况中轨道车辆牵引电机运行特性，这就为研究城市轨道车辆的牵引