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
Ia,Ib,Ic，中间回路直流电压信号和直流电流信号。
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，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。
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。
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
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。把这两个电信号输入扭矩仪，可输出0~10V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
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
图2 测试系统硬件总体结构图
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。
图3 测试系统软件总体结构图
5．实际测试的电信号频谱分析
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，
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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
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
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2n
点重抽样。最后对抽样后的数据，进行2n
点FFT分析，得出信号
（d）线电压中频（大约50Hz） 信号 图4 实测的电压电流信号 该方法处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（0,1,2……29）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
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图6 低频电流抽样信号
得出中频信号的频率为48.077Hz，并可得到各谐 波电流（0,1,2……30）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0.1，相有功功率为432.884Kw。
图7 电流低频信号频谱图
图8 电压低频信号频谱图
图9 电流中频信号频谱图
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] 研华公司. PCL1800板卡用户手册. 2004 .
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