能量回饋型異步電機測試系統

周 鵬，王 英

(大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連 116028)

0 引言

電機測試就是利用儀器、儀表，根據相關標準的規定，對電機的各種技術指標進行檢測，測試中獲取的數據可以反映出被測電機的性能，為電機性能的改進提供重要依據。因此，電機測試對于衡量電機性能具有十分重要的意義。電機測試主要由空載試驗、堵轉試驗、負載試驗等幾個項目構成，其中電機負載試驗是電機型式試驗的一個重要組成部分，通過負載試驗可以獲得電機機械特性，電機的機械特性對于電機的應用領域和運行狀況起著十分重要的作用。

傳統的電機測試系統結構復雜、動態性能差、消耗能量高?？偟膩碚f，這些測試系統的測量范圍、測量精度和自動化程度都已經很難滿足目前電機測試的要求。本文介紹了所設計的電機測試系統的基本結構、負載試驗的能量回饋原理，并對負載試驗結果進行了處理和分析，試驗結果與分析相符。

1 測試系統硬件構成

根據測試要求，該測試系統主要由供電系統、上位機、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、加載系統、數據采集系統等部分組成。系統硬件構成如圖1所示。

1.1 供電系統

該測試系統的供電系統由兩部分構成:直流部分和交流部分。直流部分采用24 V直流電源，該電源將交流電網220 V單相電變為24 V直流電供給PLC、變頻器的控制電路部分，以及其他需要24 V直流電的部分;交流部分采用380 V、50 Hz交流電，進行負載試驗時通過變頻器給被測電機和負載電機供電，其他試驗時通過調壓器改變電壓幅值給被測電機供電。

1.2PLC

PLC采用西門子公司的S7-313C-2DP，該型號PLC上集成了Profibus-DP、MPI通信接口，以及16個輸入、16個輸出端口，能夠完成高速計數、頻率測量、脈沖輸出等特殊功能，具有運算速度快、循環周期短、編程功能強、通信功能強、擴展性能好等優點。

圖1 系統構成圖

1.3 加載系統

測試加載系統采用西門子公司的SINAMICS S120變頻驅動，該變頻器是矢量控制型變頻器，采用模塊化構成，主要包括控制單元CU320、進線接口模塊(濾波器)、電源模塊ALM(整流器)、電機模塊(逆變器)?？刂茊卧球寗酉到y的大腦，負責控制和協調驅動系統中的所有模塊。主動型電源模塊作為整流單元，將電網的三相交流電變為直流電，并能將直流電回饋到電網，通過閉環控制實現直流母線上的電壓可調。電機模塊作為逆變單元，將直流母線上的直流電變為交流電供給被測電機和負載電機。變頻器每個模塊上都集成了DRIVE_CLIQ接口，控制單元通過它與每個模塊進行通信，從而實現對每個模塊的控制與數據傳輸。

1.4 數據采集系統

該測試系統的數據采集系統由PLC模擬量輸入模塊和電壓、電流、功率、轉速傳感器構成。其中的電量傳感器僅適用于正弦量的測量，用于電機的空載試驗等。電量傳感器將需要測量的電信號變換成允許輸入到模擬量輸入模塊的信號，通過該模塊A/D轉換送入PLC，經過Profibus-DP總線傳送到上位機進行下一步處理。轉速傳感器直接將轉速信號通過PLC高速計數端口輸入PLC進行處理，再經過Profibus-DP總線傳送到上位機處理，轉速信號的采集方法適用于各種試驗。對于負載試驗電信號的測量，由于電信號是非正弦量，不能由電量傳感器提供，而由變頻器提供，數據通過Profibus-DP總線傳送到 PLC，再到上位機。

2 測試系統軟件

測試系統軟件由兩部分構成:上位機監控軟件和下位機控制軟件。

上位機監控軟件采用西門子公司的Simatic WinCC(視窗控制中心)。Simatic WinCC是第一個使用最新的32位技術的過程監視系統，具有良好的開放性和靈活性。在WinCC平臺上自主開發監控軟件，系統的控制信號和給定數據全部都是通過操作界面進行輸入。它可以對整個測試過程進行監控，實時顯示、存儲PLC上傳的試驗數據，并根據數據處理程序進行分析處理，最后輸出試驗報告。

PLC作為下位機，根據試驗項目編寫相應的PLC控制程序，來控制試驗裝置的繼電器輔助觸點的開關狀態、變頻器的運行狀態及數據傳輸，從而實現設備起動和停止、負載電機轉矩的調節、被測電機工作頻率的調節、交流電源電壓幅值的調節、處理分析所采集的數據、緊急制動和故障診斷等功能。

3 能量回饋型異步電機測試系統測試負載試驗

3.1 能量回饋原理

該測試系統采用西門子公司的SINAMICS S120驅動器，能量回饋原理如圖2所示，從圖中可以看到，直流母線上掛有兩個逆變單元。被測電機工作在電動狀態，負載電機工作在發電狀態，負載電機發出的能量回饋到直流母線上為被測電機提供能量，大大減少了整流單元的進線功率，實現了能量回饋。

3.2 負載試驗流程

該測試系統采用異步電機作為負載電機，被測電機采用恒壓頻比控制(U/f控制)方式，負載電機采用轉矩控制方式。被測電機工作在電動狀態，負載電機工作在發電狀態，可以在變頻器的控制下改變負載轉矩，完成被測電機的機械特性測試。該系統所有測試流程在測試軟件界面操作面板上進行，流程如圖3所示。

圖2 能量回饋原理圖

圖3 負載試驗流程圖

在測試系統負載試驗操作面板上，首先進行“數據初始化”，輸入“給定頻率、最大轉矩、給定點數”三個數據。負載轉矩增量等于最大轉矩除以給定點數。點擊“啟動”按鈕，起動電機，最先電機運行在空載狀態，負載電機按照給定的負載轉矩增量逐步加載，被測電機進入到負載運行狀態，轉矩每變化一次，數據采集一次，保存在“數據存儲區”，直到達到給定的最大轉矩，系統自動停機，處理數據、繪制曲線，完成試驗。一旦在試驗過程中出現故障，可以點擊“緊急制動”按鈕，使系統立即停機，防止意外發生。

3.3 負載試驗結果及數據處理

表1為被測電機變頻器輸出數據，表2為負載電機變頻器輸出數據。

表1 被測電機變頻器輸出數據

表2 負載電機變頻器輸出數據

若定義節能率η=P2/P1，則由表1和表2的功率可以計算得到系統在不同負載下的節能率，依次為 29.55%、46.77%、49.37%、52.52%、55.56%。從計算數據可以看出，隨著負載轉矩的增加，節能率提高。

表1、2中的轉矩為電機電磁轉矩，由于空載轉矩的存在，被測電機與負載電機的轉矩之間存在一個差值，由于被測電機與負載電機的功率等級相近，可以認為兩者的空載轉矩近似相等，則空載轉矩T0=(T1－T2)/2，被測電機軸上輸出轉矩T=T1－T0，得到被測電機機械特性如表3所示。

表3 被測電機機械特性

4 結語

本文詳細介紹了異步電機測試系統的硬件及軟件構成。該測試系統采用可編程邏輯控制器作為下位機，實現測試過程的全自動化，同時還克服了傳統電機測試系統負載調節繁瑣、動態響應慢、自動化程度低、能量浪費嚴重等缺點，具有操作簡單、維護方便等優點。其能量回饋設計有效節約了能源，整個系統穩定可靠。

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