李謨發(fā)，張 碧，楊躍龍，周惠芳

(1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院，湘潭 411101；2.湖南工程學院，湘潭 411101)

0 引 言

電機在我國裝備制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。電機出廠及型式試驗是其出廠質(zhì)量的重要保證，同時試驗數(shù)據(jù)也是企業(yè)生產(chǎn)管理的依據(jù)。目前我國大部分電機制造廠的電機試驗站主要由多套不同規(guī)格的“兩機組”、“三機組”及機組控制設(shè)備、試驗控制設(shè)備、操作試驗臺和普通測試儀器儀表組成，以滿足不同品種、不同規(guī)格電機的試驗需要。試驗站有不少缺陷：試驗設(shè)備繁多，占地面積大；機組噪聲大，試驗環(huán)境差；試驗容量受機組功率的限制，不易擴容等缺陷[1-2]。

本文以變頻器替代機組電源，利用計算機遠程控制、現(xiàn)代電力電子、現(xiàn)代控制理論、超高數(shù)據(jù)采集、自動化集成等現(xiàn)代化技術(shù)手段，開發(fā)了高效節(jié)能數(shù)字化電機測控系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)采用以工控機、數(shù)據(jù)采集卡及傳感器等硬件與上位機圖形用戶操控界面的應(yīng)用軟件為核心，將試驗控制、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電機性能曲線的自動擬合生成、試驗報表打印以及查詢集成在一起，提高了試驗數(shù)據(jù)的準確性、工作效率和自動化程度，實現(xiàn)了電機試驗系統(tǒng)的高效節(jié)能及數(shù)字化[3-4]。

1 系統(tǒng)整體研究

在電機試驗系統(tǒng)中，為了靈活調(diào)節(jié)陪試機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，全面考核被試機的性能，要求試驗用的變頻系統(tǒng)、頻率與電壓都能獨立可調(diào)，從原理上，我們采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)中獨立調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅值和頻率的方案來實現(xiàn)，如圖1所示。該試驗方法通過產(chǎn)品變頻器U1帶動陪試機G1作電動機運行，然后拖動被試機G2發(fā)電，通過變頻器U2回饋到變頻器U1的直流側(cè)，節(jié)能效果顯著。試驗中，被試電機只是運行在發(fā)電狀態(tài)，對其性能及參數(shù)測試的準確性與合理性與在電動運行狀態(tài)時是一致的。并且，在試驗中，兩臺電機功率相同的的情況下。被試機與陪試機還可以互用，這體現(xiàn)了該試驗方法的先進性。

圖1共直流母線的變頻電源試驗方案

變頻試驗電源為數(shù)字電源組，數(shù)字電源組總功率以被試電機最大功率或最大電流為設(shè)計依據(jù)。每臺數(shù)字電源包含在線檢測電路、并聯(lián)解并控制電路及并聯(lián)解并執(zhí)行機構(gòu)[5]。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電能回饋控制研究方法

在電機試驗中，能量回饋必須安全平穩(wěn)，試驗過程中根據(jù)實際直流母線的電壓值來確定回饋側(cè)電力電子器件的觸發(fā)脈沖。直流母線電壓在能量回饋過程中是一個動態(tài)調(diào)整的過程[6]，關(guān)系復(fù)雜，簡單的誤差反饋控制不能勝任，宜采用自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制系統(tǒng)來動態(tài)調(diào)節(jié)回饋側(cè)主控器件的觸發(fā)脈沖，以達到能量安全平穩(wěn)回饋的目的。

本文電能控制采用基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID控制方法，如圖2所示。其具有自學習和自適應(yīng)能力，能夠在線整定、自動優(yōu)化PID參數(shù)，對電能回饋控制的魯棒性更強好。

圖2單神經(jīng)元自適PID控制方案

2.2 數(shù)字電源智能濾波研究方法

不同的被試機對供電電源的波形品質(zhì)要求不同。智能濾波器的職能就是根據(jù)被試機規(guī)格型號，自動確定濾波方式，為被試機提供合格的供電電源。

智能濾波器由多級電抗器、電容器及交流接觸器或斷路器組成，如圖3所示。系統(tǒng)根據(jù)試驗電機規(guī)格及試驗電壓基波頻率(等效負載試驗基波頻率為一個區(qū)間)，在智能濾波器中通過接觸器或斷路器的自動投切來確定電抗器、電容器投入的個數(shù)與方式，確定濾波參數(shù)及濾波器件，選擇合適的載波頻率，輸出合格的波形。

圖3數(shù)字電源智能濾波方案

2.3 分布式數(shù)據(jù)采集研究方法

為避免試驗現(xiàn)場高電壓、強磁場的干擾，本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計算機數(shù)據(jù)分布式采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括通用電量測試組件、非電量測試組件、內(nèi)部高速并行總線、FIFO存儲器、主處理器、智能寬帶電量傳感器接口、智能寬帶電量傳感器、RS485/CAN/RS232擴展接口、2.4G無線通訊接口、Profitbus線技術(shù)、交換機光纖通訊及上位機等，如圖4所示。

圖4分布式數(shù)據(jù)采集方案

為了實現(xiàn)控制要求，方便主控室和現(xiàn)場的操作，并能與總控室的管理層上位機實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，將試驗電源與被試機組、測控系統(tǒng)綜合起來，設(shè)計成一個分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng)。運行管理層計算機通過網(wǎng)絡(luò)與管理層上位機實現(xiàn)通信，接收管理命令，傳送測控系統(tǒng)的各項運行參數(shù)；運行管理層上位機通過現(xiàn)場總線與控制層下位機通信，對測控系統(tǒng)進行監(jiān)視管理，下達控制參數(shù)等[7-8]。由此構(gòu)成的多級分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng)滿足了電機的試驗與電源控制要求，為電機的試驗提供了良好的試驗環(huán)境，整個測試系統(tǒng)的自動化程度和工作效率得到了提高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

系統(tǒng)軟件開發(fā)的程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。試驗時，測控系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)設(shè)定，試驗數(shù)據(jù)的采集、顯示，都是分類別實現(xiàn)的[9]。上位機主界面包括分項試驗界面、用戶權(quán)限界面、試驗報告界面、系統(tǒng)維護界面。分項試驗界面又包括電機空載試驗、負載實驗與堵轉(zhuǎn)試驗等所需試驗項目對話框類。這些類分別封裝了試驗的數(shù)據(jù)采集、存儲與對數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的試驗功能。

圖5系統(tǒng)軟件開發(fā)之程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 試驗樣機及部分實驗結(jié)果

試驗樣機如圖6所示。根據(jù)試驗類型的需要，可通過圖7的變頻電源遠程通訊與控制界面來設(shè)置變頻器U1與U2的電壓與頻率參數(shù)，實現(xiàn)遠程控制變頻器的啟停，完成不同的試驗類型。試驗過程中簡單選取了圖8的電機特性曲線與圖9的變頻電源輸出電壓與電流波形，可見，本文的方案可行，實現(xiàn)了電機試驗時的高效化與數(shù)字化。

圖6試驗樣機

圖7變頻電源遠程通訊與控制界面

圖8特性曲線圖

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流

圖9變頻電源輸出的電壓電流波形

4 結(jié) 語

采用內(nèi)回饋法，線路簡潔，設(shè)備較少，節(jié)約投資，并且有較好的節(jié)能效果。試驗時，電網(wǎng)只需要提供試驗站所有用電設(shè)備的電能損耗，而主要電能來源于被試電機的回饋。

所有變頻電源組共用整流單元，方便能源回饋及電源并聯(lián)、解并控制。對于變頻電機，提供與用戶變頻器諧波相符的交變電源；對于工頻電機，提供完美無諧波的交變電源，以滿足變頻電機及工頻電機試驗要求。

先進的智能傳感器用于每個變頻電源，測試本電源的輸出電壓、電流及功率，還用于每臺電機的輸入側(cè)，可在大范圍的輸入電壓和輸入電流下，精確測量電機相關(guān)電量。為電機試驗數(shù)據(jù)的準確性提供了保證。

分布式網(wǎng)絡(luò)多層管理測控系統(tǒng)采用遠程監(jiān)控、集散控制方式，測得試驗參數(shù)并讀取所有智能傳感器的測量結(jié)果，共享數(shù)據(jù)庫。