特種電機動態(tài)加載及電能量測試系統(tǒng)上位機研究

黑龍江科技大學 馮新宇 王賀磊 王重宇

電機動態(tài)加載及電能量測試分析系統(tǒng)上位機采用LabView軟件實現(xiàn)，完成對額定電流、啟動瞬時電流、功率因數(shù)、諧波電流、能耗效率等參數(shù)的測量，從而能夠準確掌握當前用電設(shè)備情況以及對外影響情況。上位機軟件通過IP封裝把電能量測試的功能模塊打包，實現(xiàn)了功能模塊的復用。

電子測量儀器的經(jīng)歷了幾代發(fā)展，從最初的模擬儀器到以計算機的操作系統(tǒng)為依托的虛擬儀器發(fā)展。傳統(tǒng)的測量儀器無法滿足一個系統(tǒng)的所有測量工作，需要多臺儀器配合測量。涉及后期數(shù)據(jù)的分析處理工作都會帶來不便。采用LabView作為上位機測試平臺的應用越來越廣泛。目前電動機的性能測量有從變速器、齒輪箱、發(fā)動機實現(xiàn)；從高壓電氣系統(tǒng)的高壓電機測試系統(tǒng)實現(xiàn)，從背靠背變流器的電機測試平臺的實現(xiàn)均有文獻。特種電機電能量測試分析系統(tǒng)目前研究較少，筆者特種電機電能量測試分析系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建一套具有可擴展能力的能夠?qū)Χ嗯_電機進行加載，并同時能夠?qū)崿F(xiàn)對其性能的測試，以實現(xiàn)對裝置的電氣性能和機械性能的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)的組成包括固定測試單元、移動測試單元和電機加載單元三部分，如圖1測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。固定測試單元由工控機、多通道數(shù)據(jù)采集卡、多通道控制卡和電機驅(qū)動器組成；移動測試單元由移動式電能量分析儀和供電單元組成；電機加載單元由主從電機加載機械臺和分電機加載機械臺組成。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)指標

測試系統(tǒng)的主要技術(shù)指標要求：

（1）主從雙電機加載負載扭矩：不小于1000N·m；

（2）單電機加載扭矩：不小于400N·m；

（3）負載轉(zhuǎn)速：不小于1000rpm；

（4）轉(zhuǎn)矩測量精度：不小于±0.5%；

（5）電流：最大量程不小于300A，精度不小于±0.8%；

（6）電壓：最大量程不小于1000V，精度不小于±0.8%；

（7）諧波次數(shù)：50次。

1.3 系統(tǒng)硬件選擇

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標設(shè)計要求，選擇合適的傳感器的采集卡。

主要傳感器型號參數(shù)：

（1）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用WESTZH公司CYB-803S/(0-±1000Nm)S1A1Z1D2J3Y1傳感器；

（2）電壓傳感器選用LEM公司和DVL 1500型傳感器，主要參數(shù)為有效值量程1500V，峰值量程2250V，測量輸出滿量程50mA；

（3）電流傳感器選用LEM公司的LF 310-S型，其主要參數(shù)為有效值量程300A，峰值量程500A，測量輸出滿量程200mA。

采集卡型號參數(shù)：

（1）模擬輸出采集卡采用PCIe-1824，用于控制系統(tǒng)磁粉制動器，該采集卡為16位精度，32路模擬輸出；

（2）模擬輸出采集卡PCIe-6363，用于采集電壓電流信號，可以差分采集16路模擬輸入信號；

（3）數(shù)字采集卡PCI1780，單張卡片含有8路計數(shù)器，用于采集轉(zhuǎn)矩傳感器參數(shù)。

2 軟件設(shè)計

上位機軟件采用的是NI公司的LabView2018，安裝對應板卡的底層驅(qū)動軟件，在此基礎(chǔ)上完成上位機軟件設(shè)計。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 軟件結(jié)構(gòu)框架設(shè)計

軟件設(shè)計系統(tǒng)初始化，主要是完成時傳感器和采集的初始化工作，通過檢測設(shè)備端口和傳感器數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否正常工作，如果設(shè)備工作異?；蛘呦到y(tǒng)中其他設(shè)備異常，可以通過軟件急停的方式停止系統(tǒng)工作，同時也可以通過控制控制柜上的急停鍵使系統(tǒng)停止工作，有效的保證系統(tǒng)的安全。軟件流程如圖2所示。

系統(tǒng)需要采集的實時數(shù)據(jù)包括電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電壓諧波、電流諧波、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等參數(shù)為計算值。采集信號和數(shù)據(jù)處理是并發(fā)處理，為了保證軟件系統(tǒng)的實時響應，主程序框架采用生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式。生產(chǎn)者模式采集數(shù)據(jù)，消費者完成數(shù)據(jù)處理。生產(chǎn)者數(shù)據(jù)和消費者之間數(shù)據(jù)采用隊列實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采集卡單通道最大值2MS/s，采集3路電壓數(shù)據(jù)和3電流數(shù)據(jù)。采集電壓電流信號頻率范圍50Hz～400Hz。假設(shè)上限信號頻率500Hz，50次諧波為2.5KHz，采集卡的速度滿足設(shè)計要求。生產(chǎn)消費者之間數(shù)據(jù)通信時動態(tài)FIFO，數(shù)據(jù)吞吐量大，主流工控機均符合要求。報表數(shù)據(jù)，DA輸出控制等其他環(huán)節(jié)均采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)，與系統(tǒng)主循環(huán)構(gòu)成并發(fā)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的實時性。為了防止系統(tǒng)中過多While循環(huán)導致內(nèi)存溢出的問題，除了生產(chǎn)/消費者主循環(huán)外，其他循環(huán)結(jié)構(gòu)采用事件結(jié)構(gòu)。保證了響應的實時性的同時，減少了系統(tǒng)的開銷。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 系統(tǒng)程序架構(gòu)

2.2 主要功能模塊設(shè)計

本文重點介紹幾個重要模塊的設(shè)計和實現(xiàn)過程。隨著LabView軟件的不斷發(fā)展，集成了大量的功能模塊，對于數(shù)據(jù)的采集、處理和維護十分方便。

2.2.1 諧波頻譜模塊設(shè)計

諧波頻譜分析主要分析系統(tǒng)中各次諧波頻率、幅值和畸變率等參數(shù)。設(shè)計采用FFT算法處理。具體實現(xiàn)流程如圖4所示。諧波階次小于(采樣周期-1)/2。

2.2.2 功率模塊設(shè)計

功率值為計算值，主要包括有功功率，無功功率，視在功率和功率因數(shù)等幾個參數(shù)。參數(shù)定義如下：

有功功率：

式中(1)，T為中期時間，u(t)為電壓，i(t)為電流。

視在功率：

式中(2)，Urms為電壓有效值，Irms為電流有效值

無功功率：

功率因數(shù)：

式中(3)和(4)中，為視在功率，為有功功率電壓、電流數(shù)據(jù)經(jīng)過采集卡之后需要經(jīng)過零檢測、重采樣和FFT運算之后得到離散信號，然后根據(jù)式(1)～(4)計算功率參數(shù)。用LabView實現(xiàn)的功率模塊功能結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示。

2.2.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量是利用PCI1780采集卡的計數(shù)功能實現(xiàn)的，該采集卡可以同時采集8路頻率數(shù)據(jù)，一般工控機可以擴展4路PCI1780，配合其他的采集卡。該系統(tǒng)可以同時采集16組電機動態(tài)系統(tǒng)。扭矩傳感器的轉(zhuǎn)矩輸出為5～15KHz，對應其轉(zhuǎn)矩值。即當轉(zhuǎn)矩輸出為10KHz時，輸出為0N.m；當輸出為5KHz或者15KHz，達到正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)矩值。轉(zhuǎn)速為60脈沖/轉(zhuǎn)。具體實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖4 諧波頻率模塊設(shè)計流程

圖5 功率模塊設(shè)計流程

圖6 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計流程

圖7 上位機UI界面

圖8 電流波形

圖9 電流諧波

圖10 電壓波形

2.2.4 UI設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分，形成上位機UI界面如圖7所示。急停按鈕在軟件最顯著位置，方便出現(xiàn)異常操作。左側(cè)為電機操作臺1#～N#，可以根據(jù)實際需要增減。電機操作臺實時監(jiān)控單獨電機操作臺的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和軸功率，可以通過制動旋鈕改變電機的運行狀態(tài)。其他選項卡如電流波形、電流波形諧波、電壓波形、電壓波形諧波和功率等選項卡，可以詳細查看當前的電壓、電流和功率值。打印按鈕可以打印采集的重要參數(shù)，可以根據(jù)實際需要動態(tài)調(diào)整打印內(nèi)容。

圖11 電壓諧波頻譜

圖12 功率

3 測試數(shù)據(jù)分析

由于多組平臺同時加載測試對實驗環(huán)境與要求較高，本文選取其中一組加載裝置進行測試，測試在低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速情況下測量。轉(zhuǎn)矩為0.12N.m，轉(zhuǎn)速1.59rpm。測試系統(tǒng)測得的電壓電流波形和其他參數(shù)與用TEK泰克MDO3052示波器測量值進行了比較誤差小于0.5%。圖8為測試系統(tǒng)采集的電機工作電流；圖9位測試系統(tǒng)采集的電流諧波和電流THD等參數(shù)；圖10為測試系統(tǒng)采集的電壓波形；圖11為測試系統(tǒng)采集的電壓諧波和電壓THD等參數(shù)；圖12為測試系統(tǒng)測試的功率參數(shù)。

結(jié)論：電機動態(tài)加載及電能量測試分析系統(tǒng)構(gòu)建一套具有可擴展能力的能夠?qū)Χ嗯_電機進行加載，并同時能夠?qū)崿F(xiàn)對其性能的測試，以實現(xiàn)對裝置的電氣性能和機械性能的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。采用LabView軟件作為上位機開發(fā)工具，配合高精度的數(shù)據(jù)采集卡，保證了采集數(shù)據(jù)的準確。裝置測試的主要項目包括電機整套裝置（包括驅(qū)動器和電機）的有功功率、無功功率、視在功率，裝置的整機效率，測試過程中的實時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，并對電源的諧波進行測量。另外，裝置測試系統(tǒng)也具備完備的數(shù)據(jù)分析能力，數(shù)據(jù)曲線的顯示和記錄，具備歷史數(shù)據(jù)和曲線的再現(xiàn)能力。方便工程技術(shù)人員調(diào)試，加快了系統(tǒng)的開發(fā)進程。