能量回饋型異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

周 鵬，王 英

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連 116028)

0 引言

電機(jī)測(cè)試就是利用儀器、儀表，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)電機(jī)的各種技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試中獲取的數(shù)據(jù)可以反映出被測(cè)電機(jī)的性能，為電機(jī)性能的改進(jìn)提供重要依據(jù)。因此，電機(jī)測(cè)試對(duì)于衡量電機(jī)性能具有十分重要的意義。電機(jī)測(cè)試主要由空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)等幾個(gè)項(xiàng)目構(gòu)成，其中電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)是電機(jī)型式試驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)負(fù)載試驗(yàn)可以獲得電機(jī)機(jī)械特性，電機(jī)的機(jī)械特性對(duì)于電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和運(yùn)行狀況起著十分重要的作用。

傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)性能差、消耗能量高?？偟膩?lái)說(shuō)，這些測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量范圍、測(cè)量精度和自動(dòng)化程度都已經(jīng)很難滿足目前電機(jī)測(cè)試的要求。本文介紹了所設(shè)計(jì)的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、負(fù)載試驗(yàn)的能量回饋原理，并對(duì)負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了處理和分析，試驗(yàn)結(jié)果與分析相符。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)測(cè)試要求，該測(cè)試系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、上位機(jī)、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

1.1 供電系統(tǒng)

該測(cè)試系統(tǒng)的供電系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:直流部分和交流部分。直流部分采用24 V直流電源，該電源將交流電網(wǎng)220 V單相電變?yōu)?4 V直流電供給PLC、變頻器的控制電路部分，以及其他需要24 V直流電的部分;交流部分采用380 V、50 Hz交流電，進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí)通過(guò)變頻器給被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)供電，其他試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)壓器改變電壓幅值給被測(cè)電機(jī)供電。

1.2PLC

PLC采用西門(mén)子公司的S7-313C-2DP，該型號(hào)PLC上集成了Profibus-DP、MPI通信接口，以及16個(gè)輸入、16個(gè)輸出端口，能夠完成高速計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量、脈沖輸出等特殊功能，具有運(yùn)算速度快、循環(huán)周期短、編程功能強(qiáng)、通信功能強(qiáng)、擴(kuò)展性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.3 加載系統(tǒng)

測(cè)試加載系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的SINAMICS S120變頻驅(qū)動(dòng)，該變頻器是矢量控制型變頻器，采用模塊化構(gòu)成，主要包括控制單元CU320、進(jìn)線接口模塊(濾波器)、電源模塊ALM(整流器)、電機(jī)模塊(逆變器)?？刂茊卧球?qū)動(dòng)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有模塊。主動(dòng)型電源模塊作為整流單元，將電網(wǎng)的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，并能將直流電回饋到電網(wǎng)，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)直流母線上的電壓可調(diào)。電機(jī)模塊作為逆變單元，將直流母線上的直流電變?yōu)榻涣麟姽┙o被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)。變頻器每個(gè)模塊上都集成了DRIVE_CLIQ接口，控制單元通過(guò)它與每個(gè)模塊進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)模塊的控制與數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PLC模擬量輸入模塊和電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成。其中的電量傳感器僅適用于正弦量的測(cè)量，用于電機(jī)的空載試驗(yàn)等。電量傳感器將需要測(cè)量的電信號(hào)變換成允許輸入到模擬量輸入模塊的信號(hào)，通過(guò)該模塊A/D轉(zhuǎn)換送入PLC，經(jīng)過(guò)Profibus-DP總線傳送到上位機(jī)進(jìn)行下一步處理。轉(zhuǎn)速傳感器直接將轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)PLC高速計(jì)數(shù)端口輸入PLC進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)Profibus-DP總線傳送到上位機(jī)處理，轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集方法適用于各種試驗(yàn)。對(duì)于負(fù)載試驗(yàn)電信號(hào)的測(cè)量，由于電信號(hào)是非正弦量，不能由電量傳感器提供，而由變頻器提供，數(shù)據(jù)通過(guò)Profibus-DP總線傳送到 PLC，再到上位機(jī)。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件

測(cè)試系統(tǒng)軟件由兩部分構(gòu)成:上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)控制軟件。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用西門(mén)子公司的Simatic WinCC(視窗控制中心)。Simatic WinCC是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和靈活性。在WinCC平臺(tái)上自主開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件，系統(tǒng)的控制信號(hào)和給定數(shù)據(jù)全部都是通過(guò)操作界面進(jìn)行輸入。它可以對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)PLC上傳的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行分析處理，最后輸出試驗(yàn)報(bào)告。

PLC作為下位機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目編寫(xiě)相應(yīng)的PLC控制程序，來(lái)控制試驗(yàn)裝置的繼電器輔助觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變頻器的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備起動(dòng)和停止、負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)、被測(cè)電機(jī)工作頻率的調(diào)節(jié)、交流電源電壓幅值的調(diào)節(jié)、處理分析所采集的數(shù)據(jù)、緊急制動(dòng)和故障診斷等功能。

3 能量回饋型異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試負(fù)載試驗(yàn)

3.1 能量回饋原理

該測(cè)試系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器，能量回饋原理如圖2所示，從圖中可以看到，直流母線上掛有兩個(gè)逆變單元。被測(cè)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)發(fā)出的能量回饋到直流母線上為被測(cè)電機(jī)提供能量，大大減少了整流單元的進(jìn)線功率，實(shí)現(xiàn)了能量回饋。

3.2 負(fù)載試驗(yàn)流程

該測(cè)試系統(tǒng)采用異步電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，被測(cè)電機(jī)采用恒壓頻比控制(U/f控制)方式，負(fù)載電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式。被測(cè)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，可以在變頻器的控制下改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，完成被測(cè)電機(jī)的機(jī)械特性測(cè)試。該系統(tǒng)所有測(cè)試流程在測(cè)試軟件界面操作面板上進(jìn)行，流程如圖3所示。

圖2 能量回饋原理圖

圖3 負(fù)載試驗(yàn)流程圖

在測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載試驗(yàn)操作面板上，首先進(jìn)行“數(shù)據(jù)初始化”，輸入“給定頻率、最大轉(zhuǎn)矩、給定點(diǎn)數(shù)”三個(gè)數(shù)據(jù)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩增量等于最大轉(zhuǎn)矩除以給定點(diǎn)數(shù)。點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，起動(dòng)電機(jī)，最先電機(jī)運(yùn)行在空載狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)按照給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增量逐步加載，被測(cè)電機(jī)進(jìn)入到負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩每變化一次，數(shù)據(jù)采集一次，保存在“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)”，直到達(dá)到給定的最大轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，處理數(shù)據(jù)、繪制曲線，完成試驗(yàn)。一旦在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)故障，可以點(diǎn)擊“緊急制動(dòng)”按鈕，使系統(tǒng)立即停機(jī)，防止意外發(fā)生。

3.3 負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

表1為被測(cè)電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)，表2為負(fù)載電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)。

表1 被測(cè)電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)

表2 負(fù)載電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)

若定義節(jié)能率η=P2/P1，則由表1和表2的功率可以計(jì)算得到系統(tǒng)在不同負(fù)載下的節(jié)能率，依次為 29.55%、46.77%、49.37%、52.52%、55.56%。從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，節(jié)能率提高。

表1、2中的轉(zhuǎn)矩為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，由于空載轉(zhuǎn)矩的存在，被測(cè)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之間存在一個(gè)差值，由于被測(cè)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)的功率等級(jí)相近，可以認(rèn)為兩者的空載轉(zhuǎn)矩近似相等，則空載轉(zhuǎn)矩T0=(T1－T2)/2，被測(cè)電機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩T=T1－T0，得到被測(cè)電機(jī)機(jī)械特性如表3所示。

表3 被測(cè)電機(jī)機(jī)械特性

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的硬件及軟件構(gòu)成。該測(cè)試系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的全自動(dòng)化，同時(shí)還克服了傳統(tǒng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載調(diào)節(jié)繁瑣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、自動(dòng)化程度低、能量浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。其能量回饋設(shè)計(jì)有效節(jié)約了能源，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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