流速儀檢定車的同步電機驅(qū)動設(shè)計

金玉虹，褚澤帆，顧 倩

(1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

流速儀檢定車的同步電機驅(qū)動設(shè)計

金玉虹1,2，褚澤帆1,2，顧 倩3

(1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著新材料新設(shè)備的出現(xiàn)，流速儀檢定車采用交流異步和同步電機驅(qū)動已成為可能。闡述流速儀檢定車采用同步電機變頻驅(qū)動的原因，詳細(xì)分析在同步電機驅(qū)動下，變頻器選擇需要考慮的因素，檢定車轉(zhuǎn)矩的分配方法，電機功率估計和耗能制動的距離計算，以期為同步電機變頻驅(qū)動的推廣應(yīng)用提供借鑒。

同步電機；驅(qū)動；流速儀檢定車；變頻器；耗能制動

0 引言

流速儀檢定車驅(qū)動系統(tǒng)是流速儀檢定車的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，過去由于受客觀條件的制約，驅(qū)動系統(tǒng)幾乎全都采用直流電機驅(qū)動。隨著新技術(shù)新設(shè)備的出現(xiàn)，交流異步和同步電機驅(qū)動已成為可能。但在實際操作中究竟采用哪種方式，往往因設(shè)計者的習(xí)慣或熟悉程度而選擇。通過對幾種驅(qū)動方式的分析，總結(jié)得出最適合流速儀檢定車的驅(qū)動方式是交流同步電機驅(qū)動。由于同步電機只能采用變頻調(diào)速，變頻器的相關(guān)參數(shù)對同步電機驅(qū)動的影響較大；交流同步電機驅(qū)動不同于直流電機和交流異步電機，雙電機不允許有轉(zhuǎn)速差，因此電機力矩傳遞方式設(shè)計很重要；采用同步電機驅(qū)動，耗能制動成為流速儀檢定車制動的優(yōu)先選擇，為此要對檢定車進(jìn)行同步電機驅(qū)動設(shè)計。

1 檢定車驅(qū)動方式選擇

流速儀檢定車的運行過程負(fù)載一般變化很小，調(diào)速沒有快速往返要求，但要求在檢定段有精確和穩(wěn)定的車速，并要求車速恒定不變，在一定范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速。

1.1 直流電機

就直流電機的勵磁方式而言，直流電機分為串勵和并勵 2 種基本類型，復(fù)勵電機既有串勵繞組又有并勵繞組，電機特性介于串勵電機與并勵電機之間，幾種勵磁方式電機的轉(zhuǎn)速特性如圖 1 所示。圖中 n 為電機轉(zhuǎn)速，M 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖1 直流電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系

由于串勵電機的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而迅速下降，不符合檢定過程中恒轉(zhuǎn)速的要求。

并勵電機的機械特性為[1]

式中：Uα為電樞電壓；Rα為電樞電阻；Ce為電勢常數(shù)；φ 為磁通；CM為扭矩常數(shù)。

并勵電機的機械特性在 Rα很小時接近于水平線，但 Rα不可能為零，電機的轉(zhuǎn)速仍受轉(zhuǎn)矩的影響，要得到真正的恒轉(zhuǎn)速還需要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制。

1.2 交流異步電機

異步電機的機械特性為 n=? (M)，特性關(guān)系如圖 2 所示，圖中 ns為同步轉(zhuǎn)速，nk為臨界轉(zhuǎn)速。

圖2 異步電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速低于 nk時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化而迅速變化；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于 nk時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化較小，但轉(zhuǎn)速仍隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，要想得到恒轉(zhuǎn)速還需要進(jìn)行速度的反饋控制。

1.3 交流同步電機

交流同步電機的轉(zhuǎn)速公式為

式中：p 為電機極數(shù)；? 為電源頻率。

式（2）中的可變參數(shù)只有 ?，因此，對同步電機進(jìn)行平滑地調(diào)速只能采用變頻方式，影響同步電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的參數(shù)也只有 ?，負(fù)載的變化對同步電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速沒有影響。只要控制供電電源的基波頻率就可以方便地控制同步電機的轉(zhuǎn)速?？刂仆诫姍C供電頻率一般采用變頻器（也稱逆變器），變頻器控制的同步電機是一個開環(huán)系統(tǒng)，它沒有信號反饋到與變頻器輸出頻率有關(guān)的基準(zhǔn)振蕩器上，所以沒有通常系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

因此只有同步電機的轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān)，屬于恒轉(zhuǎn)速型電機，不需要進(jìn)行速度反饋控制，故流速儀檢定車的驅(qū)動方式選擇交流同步電機。

2 變頻器選擇

在變頻調(diào)速中，除電機本身的結(jié)構(gòu)與性能對調(diào)速質(zhì)量有影響外，變頻器的性能直接影響調(diào)速質(zhì)量。

2.1 變頻器輸出波形

除變頻器的頻率精度和穩(wěn)定性影響調(diào)速質(zhì)量外，變頻器的輸出波形也影響調(diào)速質(zhì)量。如果變頻器的輸出波形為方波，同步電機就完全成了步進(jìn)電機。步進(jìn)電機有精確的平均速度和位置精度，但轉(zhuǎn)速是脈動的，特別在低速時，這種脈動更為明顯。

為降低電機的脈動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使變頻器的輸出波形盡可能接近正弦波，即調(diào)制正弦波，如圖 3 所示。

圖3 變頻器輸出波形與理想波形

變頻器輸出電源的波形是脈寬調(diào)制正弦波（PWM），交流電機的定子線圈是感性元件，能夠?qū)ψ冾l器輸出電源的諧波起到濾波作用，使電機的電流接近正弦波，調(diào)制頻率越高濾波效果越好。

2.2 轉(zhuǎn)速脈動

由于變頻器輸出電源的波形是脈寬調(diào)制正弦波，并非連續(xù)波形，電機會存在一定轉(zhuǎn)矩脈動。通過實驗發(fā)現(xiàn)，這種脈動在頻率低和電機轉(zhuǎn)動慣量小時尤為突出。

當(dāng)同步電機用非正弦波電源供電時，電源的高次諧波使電機產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩，這時電機相當(dāng)于受到強迫振蕩。在強迫振蕩時電機的轉(zhuǎn)矩為

式中：M0為恒轉(zhuǎn)矩；Mi為 i 次諧波轉(zhuǎn)矩幅值；ωs為同步角速度；φi為 i 次諧波相位角；t 為瞬時時間 。

為簡化分析，忽略電機的異步和同步轉(zhuǎn)矩分量的影響，只考慮慣性轉(zhuǎn)矩的影響。

轉(zhuǎn)矩的平衡方程為

式中：? ω 為轉(zhuǎn)動脈動；J 為電機的轉(zhuǎn)動慣量；Mi為轉(zhuǎn)矩脈動分量的幅值。

從式（4）可以看出，同步電機的轉(zhuǎn)速脈動與ωs、J 和 i 成反比，與 Mi成正比。

經(jīng)過分析總結(jié)，變頻器在設(shè)計使用時，要考慮以下幾點：

1）在使用脈寬調(diào)制變頻器對同步電機調(diào)速時，盡可能使電機工作于高轉(zhuǎn)速，因為提高 ωs可以降低? ω ；如必須在低轉(zhuǎn)速下調(diào)速，可以用機械方式減速后再調(diào)速。

2）電機的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量 J 由于受電機結(jié)構(gòu)和檢定車總質(zhì)量的限制，不能隨意加大，但在低速運行時檢定車消耗的功率小，可以用給電機加飛輪的方法增加轉(zhuǎn)動慣量。

3）諧波次數(shù) i 取決于變頻器的品質(zhì)，變頻器輸出的波形是脈寬調(diào)制正弦波，調(diào)制頻率越高，i 就越高，輸出波形就越好，電機的電流越接近正弦波。然而變頻器的調(diào)制頻率屬于變頻器內(nèi)部參數(shù)，一般不對外公布，因此選用變頻器時要盡可能了解其調(diào)制頻率，盡可能選用調(diào)制頻率高的變頻器。

4）脈動的轉(zhuǎn)矩幅值 Mi與變頻器的供電電壓成正比，降低變頻器的輸出電壓可以降低脈動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)檢定車運行于低速時，消耗的功率較低，這時可以降低變頻器的輸出電壓，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。

3 電機傳動方式確定

電機驅(qū)動檢定車時希望能將動力均勻地分配給檢定車對稱的 2 車輪，以減小檢定車對軌道產(chǎn)生的扭矩。

如果將檢定車的對稱 2 車輪固定在 1 根軸上，并用 1 個電機直接驅(qū)動該軸，這種方法顯然不行，因為檢定車在導(dǎo)向機構(gòu)的作用下必須走直線，同時同一根軸上的 2 個車輪直徑不可能完全一樣，即便開始時直徑非常接近，經(jīng)過若干時間的使用磨損就可能使 2 車輪直徑大小不一，這樣會引起某個車輪打滑或跳動，使檢定車的運行穩(wěn)定性變差。

如果是直流或異步電機驅(qū)動，可以用 2 個相同的電機分別驅(qū)動檢定車的對稱車輪，因為 2 個電機之間允許有轉(zhuǎn)速差，當(dāng) 2 車輪直徑不一樣時，靠 2 個電機的轉(zhuǎn)速差保持 2 車輪前進(jìn)速度的一致。全國現(xiàn)有的流速儀檢定車包括海流儀檢定車和船模實驗車均采用此方法。

當(dāng)用同步電機驅(qū)動檢定車時就不能采用 2 個電機分別直接驅(qū)動 2 車輪了，因為同步電機的轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格地與電源基波頻率保持同步，2 個電機之間不允許有轉(zhuǎn)速差。

3.1 差速器傳動

用差速器可以將轉(zhuǎn)速均勻地分配給檢定車對稱的 2 個車輪。差速器的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，圖中 Z1和Z2為驅(qū)動傘齒輪，Z3和 Z3' 為行星傘齒輪，Z4和 Z5為變速齒輪。

圖4 差速器驅(qū)動示意圖

由于檢定車有導(dǎo)向走直裝置，設(shè)檢定車速度為ν，那么：

式中：ω1，ω2分別為車輪 1 和 2 的角速度；ω3為行星輪的角速度；D1，D2分別為車輪 1 和 2 的直徑。

當(dāng) 2 車輪直徑一樣時，ω1=ω2=ω3；

當(dāng) 2 車輪直徑不一樣時，如 D1＞D2時，ω1＜ω2，反之 D1＜ D2時，ω1＞ω2。

采用差速器配合導(dǎo)向輪，檢定車可以完全按照導(dǎo)向輪限定的方向走直線，能夠保證 2 車輪前進(jìn)速度一致，并且沒有車輪打滑跳動的現(xiàn)象。

差速器傳動是汽車車輪驅(qū)動的主要方式，采用差速器傳動的方案已在國內(nèi)流速儀檢定車上得到驗證，檢定車走直效果非常顯著，完全能夠滿足流速儀檢定車直線驅(qū)動的要求。

3.2 圓錐車輪傳動

用圓錐車輪也可以使檢定車在 2 軌道間走直線，驅(qū)動示意圖如圖 5 所示。

同一軸上的 2 個車輪采用圓錐形結(jié)構(gòu)，在直線軌道上運行的 2 個圓錐車輪能夠自動調(diào)整，使圓錐車輪與軌道接觸的位置始終保持車輪半徑一致。

如果車輪 1 的速度比車輪 2 快，檢定車就會往車輪 2 的方向轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎使得車輪 1 遠(yuǎn)離軌道，車輪 1 與軌道接觸的半徑變小，車輪 1 的速度減慢。而車輪 2 接近軌道，車輪 2 與軌道接觸的半徑變大，車輪 2 的速度加快。反之亦然，直至 2 車輪的直線速度一致。

圖5 圓錐輪單電機驅(qū)動示意圖

采用圓錐車輪結(jié)構(gòu)，檢定車省去了差速器和導(dǎo)向輪，但輪緣與軌道之間必須留有空隙，微觀上檢定車是在 2 軌道之間游走的。

圓錐車輪結(jié)構(gòu)的檢定車可以采用 2 個同步電機分別驅(qū)動 2 個車輪，驅(qū)動示意圖如圖 6 所示。2 個同步電機采用相同的型號（或者相同的運行參數(shù)），并接在同一個交流電源上，運行時 ω1=ω1'，齒輪 Z1=Z1'，Z2=Z2'，因此 ω2=ω2'。由此也可以看出，同步電機相當(dāng)于電軸，保證相關(guān)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速一致。

圖6 圓錐輪雙同步電機驅(qū)動示意圖

圓錐車輪走直原理是火車采用的方法，簡單有效。流速儀檢定車的走直原理與火車走直原理完全一樣，檢定車的軌道甚至直接使用火車鐵軌，因此流速儀檢定車完全可以借用火車圓錐輪走直原理。

為保證流速儀檢定車能走直線，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL/T 150-95《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法》規(guī)定，導(dǎo)向方式應(yīng)采用單軌導(dǎo)向輪，以保證檢定車沿規(guī)定直線運行[4]。該規(guī)定是根據(jù)當(dāng)時全國流速儀檢定車的現(xiàn)狀制定的，但當(dāng)時全國流速儀檢定車幾乎全部采用直流電機驅(qū)動，基本沒有交流電機驅(qū)動。如果采用同步電機驅(qū)動，同時必須嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)要求，只能采用差速器方案；如果允許對標(biāo)準(zhǔn)靈活掌握，則可以考慮圓錐車輪方案。

4 耗能制動距離估計

檢定車軌道分為緩沖段、加速段、穩(wěn)定段、有效段（檢定段）和減速段，其中緩沖段、穩(wěn)定段和有效段可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗確定；加速段可以根據(jù)加速度公式確定；減速段耗能制動距離沒有現(xiàn)成公式可供借鑒，因此只有給出耗能制動數(shù)學(xué)模型才能精確計算耗能制動距離，才能精確計算減速段的長度。

4.1 耗能制動數(shù)學(xué)模型

耗能制動沒有機械摩損，制動平穩(wěn)，正常制動應(yīng)當(dāng)采用耗能制動。耗能制動的方法如下：制動時，電機轉(zhuǎn)子繼續(xù)加上勵磁（如果是永磁轉(zhuǎn)子則無需勵磁），定子繞組與變頻器斷開，同時將 3 個電阻接在定子繞組上，此時同步電動機便成了同步發(fā)動機。制動時允許電機在過載情況下運行。

電機產(chǎn)生的制動力為式中：Fm為制動力；U 為電機的輸出電壓；P 為耗能功率；R 為每相的耗能電阻；ν為檢定車速度；

把式（7）代入式（6）得：

檢定車受到的阻尼力 FC=Cνν，檢定車受到的摩擦力 Fμ=m g μ，

式中：Cν為阻尼系數(shù)；m 為檢定車質(zhì)量；g 為重力加速度；μ 為摩擦系數(shù)。

則制動合力為制動微功：

式中：L 為制動距離；WL表示在制動距離為 L 時的制動微功。

檢定車的動能增量：dWν=-mνdν，

由于 dWL=dWν，

式中：Pn為電機的額定功率；k 為過載系數(shù)。

把式（12）代入式（11）可得耗能制動距離的最終公式：

式（13）中，ν 由設(shè)計要求確定，ν0一般為 0，m 由檢定車的結(jié)構(gòu)和材料確定，Pn由檢定車的加速功率和過載系數(shù)確定，Cν和 μ 由實測或經(jīng)驗確定，唯一能夠人為改變的只有減速過載系數(shù) k。

在加速段，同步電機是同步電動機，同步電動機的過載系數(shù)不宜過大，過大的過載系數(shù)容易造成同步電動機失步。在減速段，同步電機是同步發(fā)電機，耗能制動的同步發(fā)電機不存在失步問題，因此可以取較大的的過載系數(shù)。制動過載系數(shù)越大，制動距離越短，增大制動過載系數(shù)的方法是減小耗能電阻，但要注意不能造成同步電機過熱，不能造成檢定車的車輪與軌道打滑。

4.2 應(yīng)用舉例

某流速儀檢定車耗能制動的實例計算如下：檢定車從ν0=5 m/s 制動到停止，并且取 k=2.5，Pn=12 kW，Cν=80 kg/s，μ=0.01，代入式（13）求出制動距離為 L=6.971 m。

與實測耗能制動距離比較證明，實際的耗能制動距離與計算結(jié)果非常吻合，實際應(yīng)用時可根據(jù)此耗能制動模型計算減速段長度。

5 結(jié)語

采用同步電機驅(qū)動流速儀檢定車，可以得到理想效果，因為同步電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，因而可以保證流速儀檢定車的速度穩(wěn)定，同時同步電機變頻調(diào)速是開環(huán)系統(tǒng)，沒有閉環(huán)系統(tǒng)的時間響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

采用同步電機驅(qū)動流速儀檢定車，避免了負(fù)載變化對車速的影響，因此對檢定車軌道的要求也將大大降低。實驗證明，在軌道突變高差達(dá) 2 mm 的情況下，同步電機驅(qū)動的流速儀檢定車的速度穩(wěn)定性完全在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法》[4]控制范圍之內(nèi)。

雖然同步電機驅(qū)動僅在個別流速儀檢定車上實際應(yīng)用，但實測結(jié)果表明其各項關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于直流電機或交流異步電機驅(qū)動的流速儀檢定車。其中最顯著的特點是，低速沒有爬行，任何速度段的瞬時速度都是穩(wěn)定的（直流電機或交流異步電機驅(qū)動的流速儀檢定車僅平均速度穩(wěn)定），對軌道高差幾乎沒有嚴(yán)格要求，能夠容易實現(xiàn)平穩(wěn)的耗能制動。

由于同步電機驅(qū)動流速儀檢定車屬于新技術(shù)新設(shè)備的應(yīng)用，可能會涉及到某些參數(shù)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不匹配的問題，但基本上都是同步電機驅(qū)動對配套保障的要求大大低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，例如對軌道的高差要求大大降低，而流速儀檢定車的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如果同步電機驅(qū)動技術(shù)得到推廣，今后流速儀檢定車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將可以大大降低對軌道的要求，同時對測速穩(wěn)定性的要求可以大大提高。

[1] 湯蘊謬，史乃，沈文豹. 電機理論與運行(下冊)[M]. 北京：水利電力出版社，1984: 205.

[2] 湯蘊謬，史乃，沈文豹. 電機理論與運行(上冊)[M]. 北京：水利電力出版社，1984: 330.

[3] 藏英杰，吳守箴. 交流電機的變頻調(diào)速[M]. 北京：中國鐵道出版社，1984: 227.

[4] 水利部機械局. SL/T 150—95 直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法[S]. 北京：中國水利水電出版社，1995: 350-351.

Driver Design of Synchronous Motor in Current Meter Calibration Trolly

JIN Yuhong1,2, CHU Zefan1,2, GU Qian3

(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Monitoring Engineering Technology Research Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

As the appearance of new material and new equipment, it is possible that current meter calibration trolly is driven by using AC asynchronism or synchronous motor. The article expounds the reasons of current meter calibration trolly using synchronous motor frequency converter driven, for analyzing the factor of choosing frequency converter detailedly, methods of allocating pulley torque, estimation of the motor power and calculation of the distance of energy consumption braking under the driving of synchronous motor, for providing a reference of popularizing and using of the transfer of synchronous motor frequency converter driven.

synchronous motor; drive; current meter calibration trolly; frequency converter; energy consumption braking

P335

A

1674-9405(2015)02-0049-06

2013-12-23

金玉虹（1962－），女，江蘇南京人，工程師，從事水利信息化管理工作。