包 波 林卫国 李立强 任 煜 杨晓东

1 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007 3 机械工业起重机械轻量化技术重点实验室 北京 100007 4 中国人民解放军第六九一六工厂 廊坊 065000

0 引言

制动电动机是起重机械上必不可少的重要部件。根据构造方式而言，制动电动机通常可以被分为2 种截然不同的类型：一种是回旋线型转子驱动装置，而另一种则是在柱形电动机的尾部加装电磁盘式制动器组成。其在起重机的使用过程中既是驱动装置，又是制动装置，故而其性能的好坏直接影响起重机的使用精度甚至寿命。

制动电动机的主要技术参数可以分为2 部分，一部分为体现工作特性的参数，包括启动特性、制动性能、负载性能、温升和空载损耗等。其中启动特性、温升试验和负载试验反映了在不同载荷情况下，制动电动机的工作效率、发热情况。另一部分为体现制动性能的参数，包括的指标为制动力矩。起重机能否保持沉甸甸的物体不下落，取决于制动电动机所产生的静态制动扭矩。而行动的时长和移动距离则由动态制动扭矩决定，确保了起重机的稳定性和运动效果。

在这些参数的测量过程中，现有技术存在启动特性曲线的绘制、负载特性自动闭环控制、严格按照工作制进行热试验、动态制动力矩的测量等难点。针对制动电动机在检验检测技术中存在的难点，目前国内外尚没有能够按照国标对制动电动机各项指标进行自动化的全面、精确测量的检测设备。本文提出一种自主研发的制动电动机试验台（以下称为BM19 型制动电动机测试系统）。其功能在满足对制动电动机所有主要技术参数的测量的同时，原创性地提出并实践了一种能够快速、准确测量制动电动机动态制动力矩的方法。

1 系统构成

1.1 总体构成

BM19 型制动电动机的测试设备所需组件包括但不限于：1 台工业级计算机、1 个变频器、1 个ABB PLC控制器、多款传感器和1 套三相异步驱动装置。在该装置中，采用1 台安装西门子相关功能软件的计算机，实现依靠自动管理和人员与机器的协同监控进行装置的负载测试。可编程逻辑控制器（PLC）的运用实现了电动机负载测试系统的完全自动控制，新型实验设备——频率变换器操纵器与异步发动机结合在一起使用，形成了一种全新的交流异步功率评测装置。在进行负载测试时，该装置能够向待测试电动机施加不同的负载，并通过调整频率的差异来实现动态负载。图1 展示了该系统的初始构造。

图1 系统原理结构

系统的物理搭建包含了电力供应单元、监控系统和可调频负载单元，其中集中了下列要素：1 个计算机（上层设备），带有电动机测试软件的装置，1 个自动化控制器（下层设备），1 个频率调整仪，1 台三阶段电流异步动力机械，1 个电力调节器，几个电路开关，1个转动力矩和速度感应器，1 个24 V 直流电源以及220 V 和380 V 交流电源，还包含1 台打印机。在系统的整个架构中，计算机被视为基础构件，其职责不可或缺，对系统评估起着至关重要的作用。计算机能实现调整硬件配置、优化参数调节以及数据呈现和存储等多种功能。作为自动化控制试验的重要组成部分，PLC 扮演了下位机的角色，以实现对整个流程的自动化控制。为了评估电动机的性能，本文采用了一种全新的方法，利用变频器和异步电动机来构建一个创意的电力测量系统，这项技术能顺利实施电动机负载检验。

首先，通过电感式三相电动机的稳定化装置和电磁开关，三相交流电将被引导进入变频器的输入端模块，以实现预期的效果。AIM 模块内部采用了独特的策略，将电感元件与电源电压检测电路无缝结合在一起，以有效地抑制外部电源波动对系统的干扰。接下来，ALM主动电力单元开始接收三相电源信号，经历一系列工艺，转变为一种独特的600 V 电力形态。ALM 采用先进调控技术，不仅能实施整流功能，还具备将此特殊电力优化并传送回电网的能力。另外，采用一种闭环控制系统管理直流主线电压，经过电动机模块的处理，直流电流得以转化，而该模块实际由2 个反向变频器构成，这些反向变频器将直流电源转换为适用于激活2 台异步电动机的三相交流电信号。随后，三相电源进入ALM 主动电力单元，经历一系列工艺转变为一种独特的600 V 电力形态，ALM 采用先进调控技术，不仅能实施整流功能，还具备将此特殊电力优化并传送回电网的能力。从变频器的数据列表中提取电动机试验参数，然后通过数据传输线路将其发送给计算机以展示和存储。此外，经过数据捕获卡的精心处理，实时测量数据得以成功转化，从而使扭矩和转速传感器能直接将信息传递给电脑。因此，监控界面能实时地呈现和保存数据，达到了精准而高效的数据管理目的。

1.2 动态制动力矩测量

使用非传统测试系统来测量BM19 型制动电动机的动态制动力矩，取代了传统的旋转扭矩传感器，选择了精度更高的三分力传感器作为核心部件，通过力的传导、杠杆原理和系统滤波等环节，以一种更直观和高效的方式展示动态制动力矩，具体是指展示制动电动机的性能。动态制动力矩测量方法的原理如图2 所示，将平台连同待测试的制动电动机看成一个整体系统，在系统平衡状态下时，整个系统应该是稳定的，当电动机制动时导致系统平衡被打破，产生力的变化，则该力就和制动电动机的动态制动力矩呈线性关系，三分力传感器收集力的参数经过进一步计算，能够获取有关电动机动态制动力矩的相关数据。

将电动机直接安装于BM19 型制动电动机测试系统的可摆动平台上，平台下安装三分力传感器，三分力传感器收集数据与显示原理如图2 所示，三分力传感器的信号输出后经三通道放大器放大，变成标准模拟量（0 ～±10 V），电动机通电后空载转动，电动机制动过程中由于惯性会带动平台发生转动倾斜，经后端数据采集板卡，通过个人电脑从采集板卡获取三分力测试数据，并在计算机上展示，同时实现峰值显示以及数据表格的存储、导出以及计算制动力矩等功能。

为了便捷地测试各种制动电动机的动态制动力矩，BM19 型制动电动机测试系统设计有专用装配平台，测试动态制动力矩时，电动机的安装如图3 所示。有2 种方法可以安装试验电动机，一种是通过法兰将无底座的电动机连接到电动机支架上，而电动机支架则被固定在工作平台上；另一种是将有底座的电动机直接安装到工作平台上。不论选择哪种方式，都会在工作平台上划出一个明显的边界线，安装时支架中心要对齐安装标线，工作平台下有平台支撑架，支撑架安装在地面平台的T形槽内，支撑架高度可螺旋调节。

图3 钢结构平台与制动电动机安装形式

安装电动机支架前将平台支撑架高度调整至距离平台高度5 ～10 mm，起到保证平台不会翻转的作用。电动机及支架安装完毕后，调整工作平台左右平衡，在轻的（高的）一侧加上配重块，配重块固定在T 型螺栓上，T 型螺栓穿入工作平台T 型螺栓槽内，直到工作平台平衡后，将传感器支架与工作平台连接紧固，使传感器与工作平台底部结合到一起。在如图3 所示的控制台面，点击启动开始实验，在电动机转速达到预设值时，点击结束使电动机减速并停止运转。电动机制动时带动工作平台形成转动趋势，传感器支撑平台抵消转动趋势，最终传感器得出支撑力反馈给控制系统，通过控制系统计算得出制动力矩。

传感器和控制系统要准确得到制动力矩，必须将制动时间应控制在1.5 s 左右。为了使得不同电动机均达到这一要求，本测试系统采用调整转动惯量的方式来调整制动时间，系统设计有多种规格的飞轮，通过增减安装在电动机上飞轮来调整转动惯量以达到控制制动时间的目的。此外，本测试系统的传感器可根据电动机的额定制动力矩进行自动调整，使得各种规格的制动电动机都可以通过本系统测得动态制动力矩。

2 技术优势

BM19 型制动电动机试验台解决了传统制动试验台的3 项技术问题。1）采用了先进的加载方式。2）制动电动机的温升试验一般是使用等效半小时连续运行的方式进行，BM19 型制动电动机试验台增加了电动机按工作制运行的功能，使电动机的温升性能更直观地体现。3）提供了一种稳定且准确的解决方案，来衡量制动电动机在动态制动过程中产生的力矩，克服了该行业技术的不足。

2.1 加载方式优劣对比

2.1.1 直流电动机负载法

如图4 所示，电动机负载法技术利用直流电动机模拟和测试交流电动机的负载情况。为了适应直流电动机和交流电动机在高度和转速等方面的差异，需要使用多台不同规格的直流电动机来完成相应的配置任务，此外，测试所涉及的电动机输出轴的能量效率完全没有被有效利用。

图4 直流电动机负载法原理图

直流电动机负载法的工作原理：输入电压线路采用880 V 电源。通过1 个控制单元该电源被分离成2 个独立的回路，一个回路与三相调节装置的底部接口相连，而另一个回路与整流和激励控制单元相连。通过操纵调节单元来改变电流互感器的变压比，并将评估数据传递给辅助测量设备。

在监测中心，QW314 智能芯片能实时分析和监测电力系统的各项指标，包括电流强度、电压水平、功率效率以及频率稳定性。此外，采用PY999 型测试仪器可以精确测量直流电路的电阻值、旋转速度以及温度分布状况，并且具备检测潜在堵塞故障的功能。GC9300高性能芯片动力输出检测装置可实时监测转速和扭矩，虽经济实惠，但能源效率不佳，安装过程对轴不便，不能对非工频的电动机进行负载试验。

2.1.2 能耗制动法

如图5 的原理所示，利用磁性粉末和电涡流制动器法是2 种实现刹车效果的技术。但是，因为试验电动机中心高度与制动器中心高度存在不匹配的情况，引发了在轴向方面存在的诸多困难。此外，随着时间的流逝，磁粉制动器易失去磁力，进而导致刹车效果减弱，负载不稳定。其同样存在浪费能源，安装过程对轴不方便，不能对非工频的电动机进行负载试验的缺点。

图5 能耗制动法原理图

图6 变频发电动机组回馈法原理图

2.1.3 变频发电动机组回馈法

经过实践证明，一种全新的能源转化技术已经成功地应用于各行各业的能源转换领域，取得了显著的成果。该技术由一系列独特的电子传感器组件构成，能将机械能以一种非常独特的方式转化为电能，并向三相电源供应正弦波形的电力。同时，根据需求，该系统还能将电能再次转化为机械能，并通过一个智能反馈回路将多余的电能重新注入到电网中，从而实现了能量的节约。

与之前的2 种方法相比，新途径具备节约能源的优势，但可惜其节能成果受限。因为采用了4 台电动机构成的设备，所以它本身的能源利用效率很难突破50%（4台电动机发热损耗等），能量的使用效率仍然非常差，此外，由于机械设备价格昂贵且无法适配各种规格，所以普遍出现了需要使用大马拉小车的解决方案，对节电效率不利，导致其效果下降。因此，尽管这种方法提供了负载调节的便利性，但在节电方面并不能达到令人满意的效果。

2.1.4 本系统的优势

通过对传统电动机的深入研究，发现传统电动机试验室方案存在一系列突出的难题，这些问题主要体现在能源消耗巨大、成本高昂以及使用不便等方面。本研究详细介绍了一项使用变频器的电动机负载测试方案，该方案以工业自动化计算机为核心控制设备，采用可编程逻辑控制器作为辅助设备，并利用变频器作为推动工具，实现了高效率的频率调节能力。通过PLC 编程，系统得以完成全面自动化操作，从而有效地提高设备间通信速度和稳定性，克服了传统测试方式的多种限制，该系统能够立刻展示、借助数据的存储和处理，人工干预需求被大大削减，且人为因素对结果的影响被最小化，从而显著增强了测量的准确性和数据的精确程度。透过运用频率调变器内的能源回馈装置，该系统成功地实现了电能的再生利用，发电机所创造的电力被重新注入直流主线路，从而极大地降低了供电需求，这种巧妙的能源循环设计在节能与环保方面迈向了重要一步，带来了显著的突破。

在进行电动机负载测试试验时，必须确保对电动机进行全面监测，包括但不限于电压、频率、转速以及温度等基本参数的监控。利用扭矩感测器和速度测量装置以及变频装置收集其他参数的数据。这些数据需要经由可编程逻辑控制器（PLC）下达指令进行收集和处理，并通过ProfiBus 数据总线传送，最后，在上位机的监控界面上，可以清楚地看到实时数据和各参数变化曲线，获取测试过程所需的所有信息。

2.2 动态制动力矩测量方式优劣对比

2.2.1 计算法

计算法的测量原理为检测和记录制动器在制动过程中，能监测和记录制动器在执行刹车操作时速度的变化情况（减速度），并且记录下刹车持续的时间，通过使用先进的算法可以计算出刹车装置产生的动态扭矩数值，图7 展示了动态制动力矩测量装置原理图。

图7 动态制动力矩测量装置原理图

在进行测量时，将使用1 台先进的动态测试装置来安装待测制动器。该装置能准确计算每次制动所需的功率，并模拟转动惯量的特性，同时还会配备1 个惯量盘，以确保测量结果的准确性；一旦启动序列完成，设备将自动触发预设的加速程序，切断制动器的电源，并激活非功能性装置以引起设备减速。经过一段特定的时间，设备将停止运行。在旋转装置的运动过程中，收集与时间和速度相关的信息，以便使用减速分析法来评估分段动态制动扭矩，如果获取了时间-速度数据，就可以进行相应的计算。这种方法基于动量守恒定律，从而导出相应的结果

式中：Mds为记录的动态扭矩观测结果，ts为有效减速间隔，J为用于模拟测试的转动惯量，n0为电动机的额定转速。

由此可见，该测量方式主要存在的问题是测量结果是计算出动态转动惯量的平均值，并不能将整个制动过程清楚详细地反映出来。

2.2.2 本系统的优势

当应用该系统来计量动态制动扭矩时，可将电动机的转子视为一个旋转装置，由于电动机定子、制动器和其他部件与试验平台被刚性连接在一起，故将这些部件视为一体，为方便描述统称其为静止部件。电动机制动过程即为静止部件与电动机转子相互作用并产生了一个与电动机转子相反的转矩，使其停转。试验平台和支撑架的连接方式使得这个力矩需要由与试验平台刚性连接拉压力传感器及其支架处提供，故在制动过程中电动机动态制动力矩的变化便会被拉压力传感器测得（力矩=力×力臂，力臂大小只与试验台相关尺寸有关，可被视为一个固定系数）。

故而相较于传统的测量动态制动力矩的方法，这种新的测试方法具有显著优势。1）避免电动机转子部分造成的转动惯量无法被测量到的问题，由于电动机越大，电动机转子体积与质量越大，转动惯量也就越大，这部分引起的误差也越大，本系统采用的方法避免了该问题。2）能将整个制动过程的力矩变化过程清楚详细地反映出来。

2.3 技术成果与行业影响分析

BM19 型制动电动机试验台适用性广泛，检测数据精准，操作性好，且能完全满足新的型式试验规则要求，按该型式试验规则需定期做型式试验，该试验台能创造每年约100 万的稳定经济收入，为检验检测业务打下了良好的基础，增加了核心竞争力。

BM19 型制动电动机试验台的研制成功，从硬件环境上保障了TSG 7002—2019《起重机械型式试验细则》的顺利实施，完善了对制动电动机的性能测试方法，使生产单位能通过试验数据更深入了解自己的产品，能更好地发现起重机械使用中的安全风险，并采用一系列创新而有效的方法来应对这些问题，从而成功地管理和减少起重设备发生事故的可能性。

3 结语

BM19 型制动电动机试验台是结合新的型式试验规则，在进行了全面且深入的调研后，通过独立研发获得实验设备，试验方法完全符合国家相关法规标准要求，适用性广泛，已完成包括日本某株式会社17 kW 制动电动机、南京某厂3 ～24 kW 防爆锥形转子制动电动机、河南省某公司防爆锥形转子制动电动机等多家国内外知名企业的多项产品的型式试验检验工作。得到行业普遍的认可及好评。