電機型式試驗測試系統(tǒng)的設(shè)計

趙黎華 李 翔 仝亞男

（天津出入境檢驗檢疫局 天津 300191）

1 前言

電機測試技術(shù)是根據(jù)電機標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，采用相關(guān)的設(shè)備，對生產(chǎn)的電機進(jìn)行試驗，從而得到電機的電氣性能、力學(xué)性能、安全性能及可靠性等技術(shù)指標(biāo)。電機測試試驗是電機制造與生產(chǎn)過程中的必要工序，是對電機生產(chǎn)技術(shù)和裝備的綜合評價。近年來，隨著全球環(huán)境惡化以及國際能源短缺，許多發(fā)達(dá)國家在提高電機效率方面都提出了具體時間規(guī)劃，這就要求電機測試技術(shù)在測試?yán)碚?、測試手段、測試裝備等方面進(jìn)一步提高，目的在于提高電機測試試驗效率、降低人員勞動強度以及提高測試設(shè)備的精度等[1-3]。

針對目前電機測試裝備在時間效率、能源消耗、精度較低等方面的不足，本研究設(shè)計了一套電機型式試驗測試系統(tǒng)，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)對試驗控制和資料運算、分析、處理、顯示、打印及存儲功能。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及組成

本系統(tǒng)將計算機、測量儀器等硬件設(shè)備與虛擬儀器軟件技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行試驗，從而實現(xiàn)電機型式試驗的自動控制。系統(tǒng)組成包括PC計算機、打印機、控制柜、測量儀器柜、電源控制柜、轉(zhuǎn)矩傳感器、陪試電機以及被試電機等，總體組成結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)框圖

2.1 計算機

本系統(tǒng)利用計算機強大的數(shù)據(jù)運算分析、圖形處理等能力，通過軟件設(shè)計為測試系統(tǒng)提供圖形化的人機操作界面，用于實現(xiàn)系統(tǒng)硬件配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)波形顯示及特性曲線打印報告等功能。

2.2 控制柜

控制柜負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制，用于實現(xiàn)被試電機數(shù)據(jù)的測量、采集和處理，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）模塊單元和由接觸器、熱繼電器、中間繼電器連接構(gòu)成的電氣線路。PLC控制柜上裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于切換手動和自動運行狀態(tài)。

PLC模塊單元包括CPU、電源、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和模擬量輸入等模塊，它與計算機之間采用CP 5611通訊卡連接，從而操作計算機軟件控制窗口，實現(xiàn)對被試電機項目的自動選擇和控制，并由軟件自動生成數(shù)據(jù)報表。

2.3 測量儀器柜

測量儀器柜包含測量電機性能參數(shù)的各類傳感器，比如多功能數(shù)字功率計、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀、智能電機參數(shù)測試儀等，在計算機的控制下負(fù)責(zé)測量電機的電壓、電流、功率等各項參數(shù)。多功能數(shù)字功率計實物圖見圖2。

圖2 多功能數(shù)字功率計實物圖

2.4 電源控制柜

電源控制柜用于給陪試電機和被試電機提供電源。電源設(shè)計采用了電子內(nèi)回饋變頻技術(shù)，將被試電機的正弦波電源和陪試電機的電源相結(jié)合，其工作原理為：把交流電整流為直流電，再經(jīng)過逆變單元變?yōu)檎也?；?jīng)過濾波，變壓器隔離產(chǎn)生純正的正弦波（失真度<3%），頻率范圍47-63HZ?；仞亞卧獮橐粋€智能控制同步整流，當(dāng)陪試電機工作在第四象限時（發(fā)電狀態(tài)），經(jīng)數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）采用特殊算法控制該單元把交流電整流為直流電，回饋到直流母線（因為是直流回饋，對電網(wǎng)無污染）[4]。工作原理框圖見圖3。

圖3 電子內(nèi)回饋變頻電源原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要用于提供友好的人機操作界面，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等功能。

3.1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用圖形化的編程語言工具——LabVIEW7.1，該軟件主要通過使用相應(yīng)的圖標(biāo)、框圖和連線進(jìn)行程序的設(shè)計，設(shè)計過程簡單直觀、容易操作、易于理解[5]。

LabVIEW具備編程語言中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、語法等基本要素，同時具備自己的擴展函數(shù)庫和子程序應(yīng)用模塊，用戶通過使用這些模塊可以快速實現(xiàn)串口通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、波形顯示等功能。另外，LabVIEW也支持CIN節(jié)點，方便用戶使用C、C++語言進(jìn)行程序設(shè)計。

3.2 軟件功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求，利用Labview軟件設(shè)計了空載測試、堵轉(zhuǎn)測試、負(fù)載測試、數(shù)據(jù)回放和分析功能模塊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)功能框圖見圖4。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)功能框圖

（1）空載測試模塊

控制電機在額定電壓、額定頻率的工作條件下空載運行，記錄電壓、電流及輸入功率值，最后繪制空載特性曲線，分析、計算銅耗、鐵耗、機械耗。

（2）堵轉(zhuǎn)測試模塊

采用電阻法測取額定電壓和額定頻率時電機的堵轉(zhuǎn)定子電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并且繪制電機的堵轉(zhuǎn)特性曲線。

（3）負(fù)載測試模塊

在被測電機的負(fù)載端加上測功電機，保持發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)被測電機的負(fù)載性能指標(biāo)測試。

（4）數(shù)據(jù)回放和分析模塊

通過軟件設(shè)計，在數(shù)據(jù)采集過程中加入存儲環(huán)節(jié)，方便用戶進(jìn)行后面的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)波形顯示、生成報表等功能。

4 電機型式試驗

本系統(tǒng)的測試項目包括：

（1）直流電阻

在環(huán)境溫度下，用四端法測量電機直流電阻，并可換算出基準(zhǔn)溫度下的電阻值。

（2）空載試驗

在額定電壓、額定頻率下讓電機空載運行，直到機械損耗達(dá)到穩(wěn)定；然后從1.1-1.3倍額定電壓開始，逐步降低電壓，直到電機電流開始回升為止，其間測取7-9點數(shù)據(jù)，記錄電壓、電流及輸入功率值；最后繪制空載特性曲線（見圖5），分析、計算銅耗、鐵耗、機械耗。

圖5 電機空載特性曲線圖

（3）負(fù)載試驗

使電機在額定電壓下運行，并加負(fù)載使電機運行的電流達(dá)到額定電流的1.2倍，記錄此時的電壓、電流、輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等負(fù)載數(shù)據(jù)；然后改變負(fù)載使電機的電流按照一定的幅度逐步減?。ㄗ⒁猓核{(diào)節(jié)的負(fù)載電流不能小于空載電流），每減小1次電流采集1次數(shù)據(jù)，一共采集 7-8次，最后繪制特性曲線（見圖6）。

圖6 電機負(fù)載特性曲線圖

（4）堵轉(zhuǎn)試驗

試驗前使電機保持冷卻狀態(tài)，試驗時系統(tǒng)通過外力將電機轉(zhuǎn)子堵住，將定子繞組的電壓設(shè)定為額定電壓的1.1倍，逐步降低電壓使定子電流接近額定電流時為止，其間測取6-8點，讀取電壓、電流、功率及轉(zhuǎn)矩，并繪制轉(zhuǎn)矩特性曲線。當(dāng)采用電阻法測堵轉(zhuǎn)時，讀取電壓、電流、功率的數(shù)值，測取定子繞組的電阻值，籍此計算對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，最后繪制電機的堵轉(zhuǎn)特性曲線（見圖7）。

圖7 電機堵轉(zhuǎn)特性曲線圖

（5）溫升試驗

本系統(tǒng)采用電阻法進(jìn)行溫升試驗，電機運行熱穩(wěn)定后，斷電測取某一繞組的電阻值降落曲線，然后反推斷電瞬間的電阻值，并以此電阻值和冷態(tài)數(shù)據(jù)求取繞組溫升。試驗過程中，可自動穩(wěn)定負(fù)載，溫升穩(wěn)定后，提示用戶斷電停機，以

比對結(jié)果顯示，利用該系統(tǒng)測試的平均效率和空載狀態(tài)有功功率的測試結(jié)果Z值均小于1，結(jié)果較為滿意，證明該系統(tǒng)能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗要求。且各實驗室的人工測試和判定時間為4個小時，該系統(tǒng)的自動測試和判定時間為1個小時，達(dá)到快速自動測試的設(shè)計要求。

4 創(chuàng)新點

本項目的創(chuàng)新點有以下4個方面：

（1）系統(tǒng)具有“自動檢測”、“同時檢測3個樣品”、“內(nèi)置判定標(biāo)準(zhǔn)”的特點。

（2）系統(tǒng)能夠自動判斷試驗開始和結(jié)束的時間，自動采集試驗過程數(shù)據(jù)，自動判斷5分鐘內(nèi)的功率變化，按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇每個功率值，實現(xiàn)全程自動化檢測，節(jié)省人力成本。

（3）檢測軟件對3個工位的外部電源進(jìn)行分別檢測并采集和記錄數(shù)據(jù)，利用繼電器的切換使得功率計對完成預(yù)熱的3個樣品進(jìn)行輪流檢測，提高工作效率，縮短檢測周期。該系統(tǒng)按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62301-2011檢測，可節(jié)省35%的檢測時間；按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB20943-2007檢測，可節(jié)省67%的檢測時間。

（4）內(nèi)置中國、美國、歐盟、澳洲等國家和地區(qū)的能效判定標(biāo)準(zhǔn)，對檢測結(jié)果能夠?qū)崟r顯示、自動記錄，生成報表，計算出能效限定值、節(jié)能評價值及目標(biāo)能效限定值，并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，直接判定。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)可大大縮短人工數(shù)據(jù)采集和計算時間，提高外部電源能效檢測的工作效率和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，直接判定能效結(jié)果，可為政府部門、生產(chǎn)企業(yè)、第三方檢測機構(gòu)開展能效等級判定和節(jié)能認(rèn)證檢測提供技術(shù)支持。今后還需進(jìn)一步跟進(jìn)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中檢測方法和能效限值的變化，改進(jìn)檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件限值設(shè)定，從而更好地開展外部電源能效檢測工作。

［1］GB 20943-2007 單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效限定值及節(jié)能評價值[S].

［2］IEC 62301-2011 家用電器-待機能耗的檢測[S].

［3］CAN/CSA-C381.1-08 (R2013) 單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效計算的檢測方法[S].

［4］EN 50563:2011 外部交流-直流和交流-交流電源供應(yīng)器 空載功耗和工作模式下的平均效率[S].