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1、中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 变频调速电机测试系统研究 姜新生1 周文祥2 高永军1 1) 西安永电电气有限责任公司，西安 710016 2) 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031 摘 要 牵引电机是现代轨道动力车辆的关键部件，测试技术是保证其质量的基础。本文对变频调速电机测试系统的设计进行了分析，并研究了一种变频电信号的频谱分析方法。最后，对变频调速电机的实际低频与中频电压、电流信号进行了分析，得出了正确结果，验证了该方法的有效性。 关键词 变频调速电机，测试系统，电信号，频谱分析1引言 目前国际、国内变频调速系统的控制一般都是矢 量控制和直接转矩控制，
2、重点放在电机变频控制理论 的实现和完善上，而对变频调速系统的输出波形、功 率因数， 以及谐波污染等问题并没有引起足够的重视。 最近10多年来，国外在这一领域己有较深入的研究1，2，有的针对功率因数，有的强调输出波形。本文在对变频调速电机测试系统设计进行研究的基础上，提出 了一种电信号的频谱分析方法。 2. 测试系统原理 牵引电机测试系统是针对交流传动系统的，交 直交传动系统测控试验台的系统原理如图1所示。 试验台将单相调压器输出的单相交流电经四象限 整流器变换成中间直流电压，再由逆变器系统变成三 相频率可调的交流电源。三相交流电源给异步牵引电 动机供电，异步牵引电动机经过转矩转速传感器后同 直
3、流电动机联轴。各工况下牵引电动机的运行由计算 机系统来控制。牵引电动机的控制方式可用转差频率 控制、磁场定向矢量控制、直接转矩控制等。 3 测试系统的硬件组成 3.1 硬件总体结构 根据测试系统功能，系统硬件可分为传感器、信 号调理电路、 自动控制电路、数据采集板卡 PCL1800、 工控机和 RS485 通讯卡等几个模块。图 2 为系统硬件 总体框图。被测信号包括网侧电压、网侧电流,abcIII，中间回路直流电压信号和直流电流信号。 各被测信号在经过信号调理电路进行滤波、 放大、 整形后，被引入到数据采集卡 PCL1800，数据采集板 通过 A/D 转换器把被测的模拟信号变成数字信号。由 测
4、试软件系统通过自动控制电路对测试过程进行自动 控制和测试，并对数字信号进行处理和分析，结果送 至虚拟仪器面板显示，并可通过微型打印机输出。系 统还可通过 RS485 多串口通讯卡，把数据通过数据线 与远处的数据终端进行数据传输。 图 1 交流传动系统测控试验台原理图 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 3.2 传感器选型 要得到电动机的特性曲线，就要得到电动机在各 种负载下或各个瞬时输入电压和电流的瞬时值和有效 值，转矩、转速、输入功率、输出功率、功率因素、 效率等。本测试系统通过对逆变器输出的电压、电流 瞬时值即电机动的电压、电流数据值数据进行采集， 根据公式得到其他参数。 牵
5、引电机测试系统需要测量的电气参数有：网侧 电压（1 个） ，网侧电流（1 个） ，变流器输入电压（1） 、 变流器输入电流（1） ，变流器中间回路直流电压（1 个） ，直流电流（1 个） ，逆变器输出电压（3 个） ，输 出电流（3 个） 。因此，测试系统总共需要 12 个测试 通道。 根据测试系统检测参数的测量范围及精度要求， 选用国际知名跨国公司瑞士 LEM 集团的霍尔电压、 电 流传感器。 转矩转速采用与被测电机同轴联接的 JZ 型转矩 转速传感器。其基本原理是通过磁电变换，把被测转 矩转换成具有相位差的 2 个电信号，信号频率与电机 转速成正比，相位差与电机转矩成正比。把这两个电 信号
6、输入扭矩仪，可输出 010V 的反映转矩和转速的 模拟电压信号。 3.3 高速多通道数据采集卡及控制系统 台湾研华公司 PCL-1800 是高速、 高性能的多功能 插入式数据采集卡，对于需要有非常高的速度和强大 的触发能力的实验，PCL-1800 是理想的数据采集卡。 因此，本测试系统选用了该数据采集卡。可通过跳线 选择 8 路差分或者 16 路单端模拟输入。 能进行自动通 道/增益扫描，这一特性可实现 DMA 高速多通道采样 (高达 200kHz)且每一通道可设不同的增益3。 控制系统由四象限整流器控制单元、逆变器控制 单元及牵引电机控制单元组成。采用 Intel 公司的 MCS80C196
7、 微机控制器作数据处理。 4 测试系统软件设计 本测试系统软件的主要功能为：PC 工控机通过 PCL1800 板卡的数字输出和自动控制电路完成整个测试过程的自动测试，控制数据采集卡完成对被测模拟 信号的采集，对采集的信号进行分析、计算和显示， 驱动外围器件完成打印、通讯等功能。采用微软的面 向对象高级语言 Visual C+编制了 PCL1800 模拟信号 的数据采集程序和数字输出程序，外围器件（微型打 印机）驱动程序，数字信号的分析计算程序。分析和 计算的结果通过软件的虚拟仪器界面显示出来，并可 通过微型打印机打印出来。 图 3 给出了测试系统软件总体设计流程框图。 5实际测试的电信号频谱分
8、析 5.1 方法研究 交流传动系统的电流或电压为调制信号，谐波分 量极大，工作频率不断变化，常规测量仪器及数据处 理方法更无法到准确测量结果。现有的方法一般采用 基波为固定 50Hz 的交流模型， 采样点数也采用某一定 值，然后由 DFT 实现。由于 DFT 本身隐含周期性， 只有当有限个采样值周期延拓后与无限多点采样信号 相同时，DFT 结果才能准确地与信号谐波幅度一致，图 2 测试系统硬件总体结构图 图 3 测试系统软件总体结构图 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 从理论分析上不引入误差。但在变频调速系统中，频 率是在一定范围内变化的。为更加准确地计算信号的 频谱，针对交流
9、牵引电机的电压电流波形特点，本文 研究了一种数据处理方法。 首先对原始信号做 FFT 分析，初步确定出信号的 周期 T，根据 T 的大小确定 N，然后对信号进行 N 点滑动平均滤波（该算法不会改变信号的周期和相位） ，通过滤波数据过零点检测法求出信号的准确周期，截取整周期信号，利用插值算法对其进行n2点重抽样。最后对抽样后的数据， 进行n2点 FFT 分析， 得出信号的频谱图以作谐波分析。 5.2 实际测试信号的频谱分析 变频调速电机的实测电压、 电流信号如图 4 所示。 （a）电流低频（大约 5Hz）信号 （b）电流中频（大约 50Hz） 信号 （c）相电压低频（大约 5Hz）信号 该方法处
10、理得到的整周期抽样信号如图 5、图 6所示，抽样点数为 2048；FFT 的频谱图如图 7、图 8、图 9、图 10。 通过分析，得出低频信号的频率为 3.8153Hz，各谐波（0,1,229）的幅度值也可得到。电流基波幅值为 658.3A， 相位为-2.9524rad， 奇次谐波的影响比较大。 其中， 7 次谐波的幅值最大， 是基波幅值的 2.94%；低频相电低频相电压信号的基波幅值为 318V， 相位为-1.903rad 。可计算出功率因数为 0.865，相有功功率P=90.53Kw。 图 5 中频电流抽样信号 （d）线电压中频（大约 50Hz） 信号 图 4 实测的电压电流信号 中国电工
11、技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 得出中频信号的频率为 48.077Hz，并可得到各谐 波电流（0,1,230）的幅度值。电流基波幅值为599.77A，相位为 2.169rad，奇次谐波的影响比较大。其中，5 次谐波的幅值最大，是基波幅值的 28.4%。中频线 电压信号的 基波幅值 为 2806.1V，相位 为0.02536rad 。计算出功率因数为 0.891，相有功功率为432.884Kw。 图 10 中频线电压信号频谱图 6 结论 在高速发展的信息时代,传统的测试系统与仪器 己不能满足变频调速电机数据测试的要求。本文所研 究的牵引电机测试系统是基于虚拟仪器的原理，并以 PC 工控
12、机为核心，使测试系统更趋于集成化、多功能 化。提出的对交流电信号进行频谱分析的方法，可实 现准确的频谱分析，对信号实时处理也是可行的，可 运用于功率分析领域。 参考文献 1 ZARGARI N R. YUAN Xiao, Wu bin. Near unity input displacement factor for current source PWM drives,J.IEEE Industry Applications Magazine, July/August, 1999: 19-25. 2 尹项根, 程汉湘. 变频调速展望.电力自动化设备. 2002, 4 : 61-65. 3 台湾研华公司. PCL1800 板卡用户手册. 2004 .图 8 电压低频信号频谱图 图 6 低频电流抽样信号 图 7 电流低频信号频谱图 图 9 电流中频信号频谱图 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
