李謨發(fā)，張 碧，楊躍龍，周惠芳

(1.湖南電氣職業(yè)技術學院，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”及機組控制設備、試驗控制設備、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，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[5]。

2 系統(tǒng)關鍵技術研究

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]，關系復雜，簡單的誤差反饋控制不能勝任，宜采用自適應控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制系統(tǒng)來動態(tài)調(diào)節(jié)回饋側主控器件的觸發(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PID控制方法，如圖2所示。其具有自學習和自適應能力，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、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，設計成一個分布式網(wǎng)絡群控系統(tǒng)。運行管理層計算機通過網(wǎng)絡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]。由此構成的多級分布式網(wǎng)絡群控系統(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)的程序結構圖如圖5所示。試驗時，測控系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)設定，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)相應的試驗功能。

圖5系統(tǒng)軟件開發(fā)之程序結構圖

3.2 試驗樣機及部分實驗結果

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 語

采用內(nèi)回饋法，線路簡潔，設備較少，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，可在大范圍的輸入電壓和輸入電流下，精確測量電機相關電量。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果，共享數(shù)據(jù)庫。