丁振林

（海軍裝備部，北京 100841）

1 引言

眾所周知，電機的各項精確參數(shù)對優(yōu)化電機性能具有深遠的意義。尤其在以變頻器供電下，頻率變換及各頻率下電機運行參數(shù)的測試，諧波對電機的影響，對電機性能的分析和參數(shù)優(yōu)化具有非常重要的意義。近年來，計算機技術(shù)、電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了電機測試技術(shù)的發(fā)展，為電機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，針對交流變頻電機，通過選取相應(yīng)的硬件設(shè)備，在LabView軟件平臺上完成軟件設(shè)計及研制，建立電機測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機各項性能和參數(shù)的精確測試。

2 電機測試系統(tǒng)原理

2.1 負載加載方案

長期以來，電機測試的最大難點是對負載的精確加載和測試。而隨著電力電子和電機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電力測功機是目前市面上較為先進的加載測功設(shè)備，尤其在中小功率以及微小功率的動力機械加載測功試驗中，可以兼顧各動力機械的低速及高速加載測功試驗，尤其在低速機械的加載測功方面，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的額定轉(zhuǎn)矩；同時，交流電力測功機還有一個最大的優(yōu)點是能源回饋功能，它可以將被測機械發(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。從這一點來說，交流測功機在使用經(jīng)濟性是其他測功機無法比擬的，特別在這個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為交流電力測功機與傳統(tǒng)測功機的比較。

交流電力測功機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供電，當(dāng)加載電機工作在發(fā)電狀態(tài)時，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)榻涣麟姡⒒仞侂娋W(wǎng)。

因此采用高效節(jié)能的交流電力測功機的加載方案，能精確地控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使加載電機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）。在電機測試應(yīng)用中，電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是其主要的控制對象和測量參數(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的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，并具有轉(zhuǎn)矩動態(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，采用一臺帶整流/回饋單元的變頻器驅(qū)動加載電機，該變頻器由整流/回饋單元，逆變器組成。整流/回饋單元由兩個反并聯(lián)功率器件組成，其能量可以在兩個方向上流動，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)電工作橋通過一臺自耦變壓器和電網(wǎng)相連接。當(dāng)電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，電能可通過其回饋單元回饋電網(wǎng)。

3 電機測試系統(tǒng)主要構(gòu)成

電機測試系統(tǒng)平臺主要包含電源、交流測功機、測功機控制器、電參數(shù)分析儀、負載電機、電機測試軟件及試驗臺架等部件（見圖3）。

被試電機為異步電機，與加載電機同軸連接，軸上安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。為適應(yīng)多規(guī)格電機的試驗，對被試電機的安裝與連接裝置設(shè)計為可升降式試驗電機安裝平臺及X、Y兩方向帶鎖緊機構(gòu)的移動臺架。

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

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

設(shè)計專用的電機測試軟件，進行各種信號的采集、分析和處理，具有自動采集并能實時顯示和保存采集數(shù)據(jù)、自動生成曲線的功能。

4 測試軟件

測試軟件是基于LabVIEW 計算機虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，運行在 Windows XP 操作系統(tǒng)下進行數(shù)據(jù)采集、信號處理和圖形顯示的電機專用測試軟件。它與交流測功機、測功機控制器、電參數(shù)分析儀、試驗電源及其它測控設(shè)備配套使用，共同構(gòu)成機、電、儀三位一體化的計算機實時測控系統(tǒng)，實現(xiàn)電機與控制器的全虛擬化自動測試。

虛擬儀器的硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。計算機在顯示、存儲能力、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。

軟件具有手動測試、自動測試、PID 定標(biāo)等多種實驗?zāi)Ｊ?，可以全面檢測被測電機的性能參數(shù)和特性曲線。計算機采集和計算的試驗數(shù)據(jù)可以顯示、儲存、或以圖表和曲線的格式打印測試報告，并自動轉(zhuǎn)換為 Excel 電子表格式（圖5為軟件的人機界面。）。

圖3 電機測試平臺系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖4 虛擬儀器的基本構(gòu)成

圖5 軟件人機界面

5 結(jié)束語

本文中所述的電機測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于交流電動機的測試，具有可靠性高、擴展性強、可以定制等特點，根據(jù)需求可以單獨或整合使用，充分適應(yīng)各種試驗場合，可精確測試電機各項性能和參數(shù)，為電機的優(yōu)化打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 王益全, 張炳義.電機測試技術(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.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：機械工業(yè)出版社.