基于電能回饋技術(shù)的電機(jī)測試系統(tǒng)研究

丁振林

（海軍裝備部，北京 100841）

1 引言

眾所周知，電機(jī)的各項(xiàng)精確參數(shù)對(duì)優(yōu)化電機(jī)性能具有深遠(yuǎn)的意義。尤其在以變頻器供電下，頻率變換及各頻率下電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測試，諧波對(duì)電機(jī)的影響，對(duì)電機(jī)性能的分析和參數(shù)優(yōu)化具有非常重要的意義。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了電機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展，為電機(jī)測試采用新的測試方法和高精度技術(shù)提供了可能性。

本文結(jié)合當(dāng)前測試技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，針對(duì)交流變頻電機(jī)，通過選取相應(yīng)的硬件設(shè)備，在LabView軟件平臺(tái)上完成軟件設(shè)計(jì)及研制，建立電機(jī)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)各項(xiàng)性能和參數(shù)的精確測試。

2 電機(jī)測試系統(tǒng)原理

2.1 負(fù)載加載方案

長期以來，電機(jī)測試的最大難點(diǎn)是對(duì)負(fù)載的精確加載和測試。而隨著電力電子和電機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電力測功機(jī)是目前市面上較為先進(jìn)的加載測功設(shè)備，尤其在中小功率以及微小功率的動(dòng)力機(jī)械加載測功試驗(yàn)中，可以兼顧各動(dòng)力機(jī)械的低速及高速加載測功試驗(yàn)，尤其在低速機(jī)械的加載測功方面，則更是其它方法無可比擬的，它幾乎可以從0轉(zhuǎn)速開始就提供電力測功機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；同時(shí)，交流電力測功機(jī)還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是能源回饋功能，它可以將被測機(jī)械發(fā)出的能量以電能的形式回饋給電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用，而不是將能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。從這一點(diǎn)來說，交流測功機(jī)在使用經(jīng)濟(jì)性是其他測功機(jī)無法比擬的，特別在這個(gè)能源越來越緊張的年代，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)被越來越多的企業(yè)所重視。

圖1為交流電力測功機(jī)與傳統(tǒng)測功機(jī)的比較。

交流電力測功機(jī)能量回饋的基本原理是電源通過整流器整流后，以逆變器為加載電機(jī)供電，當(dāng)加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電能被轉(zhuǎn)換到直流側(cè)，通過前端的整流器（工作在逆變狀態(tài)），將其變?yōu)榻涣麟?，并回饋電網(wǎng)。

因此采用高效節(jié)能的交流電力測功機(jī)的加載方案，能精確地控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使加載電機(jī)吸收的能量返回電網(wǎng)，節(jié)約了能源。

圖1 多種方式測功機(jī)比較圖

圖2 能量回饋原理圖

2.2 控制方案

現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的控制技術(shù)主要有3種：脈寬調(diào)制（PWM）,矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。在電機(jī)測試應(yīng)用中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是其主要的控制對(duì)象和測量參數(shù)，因此適合采用具有優(yōu)異轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制特性的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。

DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control），它可以在轉(zhuǎn)矩開環(huán)（無扭矩傳感器）和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)（有扭矩傳感器轉(zhuǎn)）兩種控制模式下精確地控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，并具有轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)，優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，高效節(jié)能和高可靠性。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果、把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，既直接又簡化。

在本方案中，采用一臺(tái)帶整流/回饋單元的變頻器驅(qū)動(dòng)加載電機(jī)，該變頻器由整流/回饋單元，逆變器組成。整流/回饋單元由兩個(gè)反并聯(lián)功率器件組成，其能量可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)，既能從電網(wǎng)吸收能量又能夠?qū)㈦娔芩突仉娋W(wǎng)（四象限工作）。發(fā)電工作橋通過一臺(tái)自耦變壓器和電網(wǎng)相連接。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電能可通過其回饋單元回饋電網(wǎng)。

3 電機(jī)測試系統(tǒng)主要構(gòu)成

電機(jī)測試系統(tǒng)平臺(tái)主要包含電源、交流測功機(jī)、測功機(jī)控制器、電參數(shù)分析儀、負(fù)載電機(jī)、電機(jī)測試軟件及試驗(yàn)臺(tái)架等部件（見圖3）。

被試電機(jī)為異步電機(jī)，與加載電機(jī)同軸連接，軸上安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。為適應(yīng)多規(guī)格電機(jī)的試驗(yàn)，對(duì)被試電機(jī)的安裝與連接裝置設(shè)計(jì)為可升降式試驗(yàn)電機(jī)安裝平臺(tái)及X、Y兩方向帶鎖緊機(jī)構(gòu)的移動(dòng)臺(tái)架。

加載方案采用回饋型的交流電力測功機(jī)方案，能精確地控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將加載電機(jī)吸收的能量通過變頻器直接返回電網(wǎng)。

電壓、電流等電機(jī)電參數(shù)和溫度由電參數(shù)分析儀進(jìn)行采集，通訊到工控機(jī)。

設(shè)計(jì)專用的電機(jī)測試軟件，進(jìn)行各種信號(hào)的采集、分析和處理，具有自動(dòng)采集并能實(shí)時(shí)顯示和保存采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成曲線的功能。

4 測試軟件

測試軟件是基于LabVIEW 計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)行在 Windows XP 操作系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和圖形顯示的電機(jī)專用測試軟件。它與交流測功機(jī)、測功機(jī)控制器、電參數(shù)分析儀、試驗(yàn)電源及其它測控設(shè)備配套使用，共同構(gòu)成機(jī)、電、儀三位一體化的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與控制器的全虛擬化自動(dòng)測試。

虛擬儀器的硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展，如圖4為虛擬儀器的基本構(gòu)成。

軟件具有手動(dòng)測試、自動(dòng)測試、PID 定標(biāo)等多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可以全面檢測被測電機(jī)的性能參數(shù)和特性曲線。計(jì)算機(jī)采集和計(jì)算的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以顯示、儲(chǔ)存、或以圖表和曲線的格式打印測試報(bào)告，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 Excel 電子表格式（圖5為軟件的人機(jī)界面。）。

圖3 電機(jī)測試平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖4 虛擬儀器的基本構(gòu)成

圖5 軟件人機(jī)界面

5 結(jié)束語

本文中所述的電機(jī)測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的測試，具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、可以定制等特點(diǎn)，根據(jù)需求可以單獨(dú)或整合使用，充分適應(yīng)各種試驗(yàn)場合，可精確測試電機(jī)各項(xiàng)性能和參數(shù)，為電機(jī)的優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 王益全, 張炳義.電機(jī)測試技術(shù). 北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 申忠如, 郭福田, 丁暉.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安: 西安交通大學(xué)出版社，2006.

[3] 鄧焱，王磊，傅琦等.Labview7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.