三相異步電動機型式試驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

潘玉成, 宋莉莉,2, 雷奶華, 葉宗賢

(1.寧德職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福建 福安 355000；2.福州大學 材料科學與工程學院，福建 福州 350108；3.寧德出入境檢驗檢疫局，福建 福安 355017；4.福建閩東電機股份有限公司，福建 福安 355009)

三相異步電動機型式試驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

潘玉成1, 宋莉莉1,2, 雷奶華3, 葉宗賢4

(1.寧德職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福建 福安 355000；2.福州大學 材料科學與工程學院，福建 福州 350108；3.寧德出入境檢驗檢疫局，福建 福安 355017；4.福建閩東電機股份有限公司，福建 福安 355009)

針對傳統(tǒng)電動機型式試驗中存在測量精度低、響應(yīng)速度慢、耗電量大、工作效率低和勞動強度大等問題，根據(jù)電動機測試的相關(guān)國家標準，基于LabVIEW軟件平臺設(shè)計了以工控機為核心的三相異步電動機型式試驗測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)能夠自動控制電動機試驗全過程，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理，并繪制相應(yīng)的特性曲線及自動生成試驗報告，測試過程具有手動和自動測試兩種工作模式。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足了三相異步電動機型式試驗的測試要求，且操作方便、測試速度快、精度高、節(jié)電效果明顯。

三相異步電動機； 型式試驗； 工控機； LabVIEW

0 引 言

電動機型式試驗?zāi)康氖菫榱蓑炞C電動機的電氣和機械性能是否符合產(chǎn)品標準和設(shè)計要求，是電動機產(chǎn)品鑒定中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電動機型式試驗大都采用手動方式實現(xiàn)對各項目的測試，測試參數(shù)通過儀表來讀取采集，再對數(shù)據(jù)進行計算或繪制特性曲線。測試受操作人員熟練程度的影響較大，測試結(jié)果的準確度和可靠性較差[1]。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，為電動機自動測試提供了更多新的方法。本文以工控機為核心構(gòu)成電動機測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對三相異步電動機多種特性的測試，并在測試過程中對被測電動機的試驗參數(shù)進行采集、處理、顯示和存儲，實現(xiàn)了對電動機測試過程的自動控制。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是以工控機(上位機)和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)(下位機)為主要控制設(shè)備，由輸入單元、輸出接線單元、操作單元、變頻試驗電源單元、監(jiān)控保護單元和測量單元組成，通過數(shù)據(jù)采集卡和傳感器采集試驗過程中的各種數(shù)據(jù)信號，工控機根據(jù)預先編寫好的程序?qū)崿F(xiàn)對測試流程的控制，完成對三相異步電動機試驗項目的測試。系統(tǒng)采用能量回饋方式進行試驗，回饋系統(tǒng)采用分量程三套變頻器回饋方式，使得對配電系統(tǒng)的總進線容量要求大幅降低。被試電機和陪試電機的電源由兩路變頻電源提供,可按不同電機的試驗要求通過內(nèi)部控制產(chǎn)生電壓、頻率和波形不一樣的電源[2-4]。系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)框圖

1.1 輸入單元

該單元主要包含輸入開關(guān)柜和輸入變壓器，其中輸入變壓器有兩個作用，其一是將配電系統(tǒng)提供的電壓變換為選用的BMP變頻電源的電壓等級；其二是諧波治理，通過輸入變壓器的特殊設(shè)計，可以降低BMP變頻電源對電網(wǎng)的污染，以達到符合國家相關(guān)標準的要求。

1.2 輸出接線單元

該單元主要為系統(tǒng)試驗接線而設(shè)計。由于系統(tǒng)較為復雜，既有交流，又有直流，既有正弦波，又有PWM波，且設(shè)備可能遠離試驗區(qū)，從安全和方便的角度出發(fā)，設(shè)計了接線箱，用于給被試電機和陪試電機供電。

1.3 操作單元

該單元主要為試驗人員操作方便而設(shè)計。系統(tǒng)所要完成的試驗項目較多且過程也會變化，系統(tǒng)提供了手動操作和自動操作兩種模式，相關(guān)的操作在安裝于琴鍵式操作臺上的觸摸屏和工控機系統(tǒng)上進行。

1.4 變頻試驗電源單元

變頻試驗電源單元是核心單元。變頻試驗電源包含整流模塊、逆變模塊、濾波變壓器模塊，采用模塊化及冗余技術(shù)設(shè)計，利用能量回饋實現(xiàn)能量的封閉循環(huán)使用，實現(xiàn)負載電壓的耦合，阻抗匹配性能好，節(jié)能效果顯著[5-6]。試驗電源在20～100 Hz范圍內(nèi)可以滿足以下要求：諧波電壓因數(shù)(HVF)≤1.5%；三相電壓系統(tǒng)的負序分量小于正序分量的0.5%，零序分量要求消除；頻率偏差不超過±0.3%；頻率變化量不超過±0.1%。變頻試驗電源具有如下功能：

(1) 提供被試電機所需要的正弦波交流輸出試驗電源，且可單獨改變輸出電壓和輸出頻率值，以滿足不同電動機的試驗要求；

(2) 具有很好的輸出波形，諧波失真度：THD≤1.5%；

(3) 具有并機使用功能，兩臺同型號變頻電源并機使用，容量增大近一倍；

(4) 具有疊頻輸出功能，能滿足電機疊頻試驗的要求。

1.5 監(jiān)控保護單元

由于本系統(tǒng)較為龐大和復雜，故必須要有較為完善的監(jiān)控保護系統(tǒng)來保護設(shè)備和被試電機的安全。系統(tǒng)監(jiān)控保護功能主要通過PLC和觸摸屏的組合來實現(xiàn)，具有內(nèi)、外部完善的保護功能。其中內(nèi)部保護包括：欠壓、過壓、過流保護；直流回路和冷卻回路保護；缺相、短路、接地保護；超速保護；光纖通信監(jiān)控保護等。外部保護主要有主回路自動斷路器、手動急停及防止誤操作等。系統(tǒng)監(jiān)控的內(nèi)容有輸出的電壓、線電流、直流母線電壓、工作模式和工作狀態(tài)等，相關(guān)內(nèi)容全部在觸摸屏上可以顯示[7]。

1.6 測量單元

該單元主要包含測量電動機性能參數(shù)的各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字儀器儀表，如轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀及功率分析儀等。測量系統(tǒng)在工控機的控制下通過數(shù)據(jù)采集卡采集測試過程的試驗參數(shù)信號，測量被試電機的電壓、電流、輸入功率、功率因數(shù)等各項輸入?yún)?shù)，被試電機的電量參數(shù)都傳輸?shù)缴衔粰C，通過軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控[8-9]。系統(tǒng)的軟件具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可以方便地查詢和打印原始的測量數(shù)據(jù)，所有參數(shù)的原始值都通過數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)庫管理功能可以方便查詢所有試驗記錄，保證試驗數(shù)據(jù)不丟失。

2 系統(tǒng)功能和主要技術(shù)參數(shù)

2.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)能自動完成三相異步電動機直流電阻測試、空載測試、負載特性測試、溫升測試、堵轉(zhuǎn)測試和M-S特性測試；需要采集的電參量有三相電壓、三相電流、功率，非電參量有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及溫度；實現(xiàn)從試驗數(shù)據(jù)的采集、處理分析至最終試驗報告的生成 。

(1) 對拖負載試驗具有能量回饋功能。由于采用了逆變器共直流母線的方式，在電機對拖試驗時，陪試電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，通過加載用的變頻電源經(jīng)變換后回饋到給被試電機供電的電源，再由該電源變換后供給被試電機，從而形成能量的循環(huán)使用。此時，被試電機消耗的能量，大部分來自于陪試電機，而總進線電源僅補充系統(tǒng)自身的消耗，能夠最大限度降低整流單元的進線功率。

(2) 空載堵轉(zhuǎn)試驗具有無功補償功能。電動機空載試驗和堵轉(zhuǎn)試驗時，一般功率因數(shù)比較低，吸取無功功率很多，由于變頻試驗電源輸出時具有補償功能，只從電網(wǎng)吸取有功功率。

(3) 疊頻試驗具有能量回饋和無功補償雙功能。在沒有配對的陪試電機時，單個電機可通過疊頻溫升試驗得到溫升值。此時，由于有主頻和輔頻兩種頻率的波形供電，會產(chǎn)生兩種狀態(tài)，一是電動，另一是發(fā)電，在發(fā)電狀態(tài)下的電能回饋到供電的變頻電源，經(jīng)變換后會引起直流母線電壓升高，需要回饋電網(wǎng)。另外，由于疊頻試驗時，功率因數(shù)一般也比較低，大量的是無功功率，變頻試驗電源輸出時，具有補償功能，從電網(wǎng)吸取的只是有功功率和補充的電機損耗。

直流電阻：0.005～2 000 Ω，0.2%；交流電壓：0～600 V，0.2%；交流電流：0～500 A，0.2%，電流分三路輸出，0～100 A可測試到7.5 kW電動機滿壓堵轉(zhuǎn)試驗，20～500 A時18.5 kW以下電動機滿壓堵轉(zhuǎn)試驗，18.5 kW以上電動機做到2倍額定電流；輸入功率：0.75～110 kW，0.2%；頻率：50、60 Hz，0.01 Hz；溫度：-20～200 ℃，±1 K；轉(zhuǎn)速：0～4 000 r/min，±1 r/min；扭矩：20～100～500～2 000 N·m，0.2%。試驗設(shè)備要求的環(huán)境條件如下：環(huán)境溫度：-10～45 ℃；相對濕度：不大于90%(25 ℃)；海拔高度：≤1 000 m；安裝地點為戶內(nèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計按照模塊化的程序設(shè)計思想，采用圖形化編程語言LabVIEW軟件來編寫應(yīng)用程序。圖形化編程語言便于設(shè)計、觀察和修改，因此大大降低了測試系統(tǒng)開發(fā)周期、編程量，提高了開發(fā)效率。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由操作界面程序、通信程序、數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)分析處理程序四個模塊組成[10-11]。系統(tǒng)軟件提供友好直觀的人機操作界面，且操作簡單方便，可在測試過程中自動完成試驗參數(shù)的采集、處理、顯示和存儲，能制作完整的型式試驗報告。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

(1) 操作界面模塊是電動機測試系統(tǒng)的管理控制程序，包含各試驗項目的控制算法和整個試驗流程的控制。通過輸入相關(guān)的電動機特性參數(shù)就可以完成數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示試驗波形、繪制各種曲線和生成試驗報告等[12]。

(2) 通信程序模塊實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸交換和資源共享，LabVIEW通過計算機的串口與各個測量儀表之間進行串行通信，獲取儀表中的測量數(shù)據(jù)，工控機、PLC和變頻器之間通過建立PROFIBUS(Process Field Bus)網(wǎng)絡(luò)來進行數(shù)據(jù)傳輸[13]。

(3) 數(shù)據(jù)采集模塊主要是編寫采集卡的驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動設(shè)計分為接口驅(qū)動程序和對串口的驅(qū)動程序兩個部分。數(shù)據(jù)采集卡是通過計算機對其內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，實現(xiàn)各傳感器信號的讀取及測量過程的控制。

(4) 數(shù)據(jù)分析處理模塊是對采集得到的試驗參數(shù)進行處理，保存實現(xiàn)結(jié)果，管理和分析試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)的分析處理包含預處理和二次處理。預處理主要是完成數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，降低采集信號中的噪聲干擾，提高信號噪聲比例；二次處理主要是完成試驗數(shù)據(jù)的各種運算。根據(jù)最小二乘原理，構(gòu)建了電動機測試特性曲線的各種擬合數(shù)學模型[13],如表1所示。

表1 特性曲線的數(shù)學模型

4 三相異步電動機性能測試

該系統(tǒng)可完成三相異步電動機型式試驗中冷熱態(tài)直流電阻測試、空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、負載試驗、轉(zhuǎn)矩試驗和熱試驗等主要試驗項目，系統(tǒng)的整體控制和測量具有手動操作和自動操作兩種模式。在自動操作模式下，全部由上位機(工控機)控制，相關(guān)測量參數(shù)由儀表傳輸?shù)焦た貦C。整個操作過程，全部由軟件提供相應(yīng)界面來引導進行，并且自動完成整個測量過程。

4.1 直流電阻的測量

“5.24”事故起因是內(nèi)蒙新能源公司檢修部員工在紅牧風電場35kV五回線預試作業(yè)過程中，走錯間隔，誤上運行中的四回線53號電桿，造成觸電燒傷。所以預防觸電造成的安全事故必須加強現(xiàn)場作業(yè)人員的安全意識，注重電氣知識和業(yè)務(wù)技能培訓，具備必要的安全知識和緊急救護法。規(guī)范作業(yè)行為，嚴格按照電氣安規(guī)中要求進行電氣作業(yè)，禁止工作班成員擅自擴大工作范圍，禁止非工作班成員參加工作。部分停電的工作，工作人員與未停電設(shè)備安全距離小于《設(shè)備不停電時的安全距離表》的規(guī)定時，應(yīng)裝設(shè)臨時遮欄，其與帶電部分的距離符合《人員工作中與設(shè)備帶電部分的安全距離表》要求，并懸掛“止步，高壓危險！”的標示牌。

電動機直流電阻測量為自動方式，數(shù)字電阻測量儀通過接口與工控機進行通信，實現(xiàn)電阻參數(shù)的測量與采集。在環(huán)境溫度下，采用數(shù)字電橋(四端法)測量電動機繞組的直流電阻，通過換算求出基準溫度下的電阻值，如圖3所示。

圖3 電動機直流電阻測量圖

4.2 空載試驗

讓電動機在額定電壓、額定頻率及轉(zhuǎn)子不帶負載的情況下運行，待機械損耗達到穩(wěn)定值時，從1.2倍額定電壓開始給被測電機施加電壓，慢慢降低電壓，直到電動機電流開始回升時停止。從這一過程中選取8～10點，測量并記錄每個點的空載電壓、空載電流及空載輸入功率值。系統(tǒng)會自動繪制電動機的空載特性曲線，并計算分析銅耗、鐵耗和機械損耗等[14]，如圖4所示。

圖4 電動機空載特性曲線圖

4.3 負載試驗

電動機在額定電壓下運行，當電動機的溫度接近熱穩(wěn)定狀態(tài)時，通過人工調(diào)節(jié)電動機負載，并在額定負載0.25～1.25倍之間均勻選取6～8點，測量并記錄每個點的電壓、電流、輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值，可通過測量輸入輸出功率的損耗分析法(B法)或負載雜散損耗采用推薦值的損耗分析法(E1法)確定效率，并繪制電動機負載特性曲線，如圖5所示。

圖5 電動機負載特性曲線圖

4.4 堵轉(zhuǎn)試驗

試驗是在電動機處于接近冷態(tài)時進行，使用工具將電機轉(zhuǎn)子堵住，從1.1倍的電動機額定電壓開始，慢慢降低施加電壓，直到電動機的電流接近額定電流時停止。在這過程中測取6～8點數(shù)據(jù)，記錄電壓、電流、功率及轉(zhuǎn)矩值，系統(tǒng)自動處理每個采樣點記錄的數(shù)據(jù)，并繪制出電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線。當采用電阻法測堵轉(zhuǎn)時，只記錄電壓、電流、功率的數(shù)值，每測完一點，測取定子繞組的電阻值，以此計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值[15]，然后繪制出電動機堵轉(zhuǎn)特性曲線，如圖6所示。堵轉(zhuǎn)試驗中由于電動機一直都處在過載狀態(tài)，要嚴格控制電動機的通電時間以保護電動機的使用壽命。

圖6 電動機堵轉(zhuǎn)特性曲線圖

4.5 熱試驗

該系統(tǒng)采用電阻法測定電動機繞組的溫升，利用電動機繞組在發(fā)熱時其電阻值的變化來測量繞組的溫度。當電動機在額定工作條件下運行到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，斷電后測取其繞組的電阻值降落曲線，從而反推到斷電瞬間的電阻值，并根據(jù)電動機溫升計算公式來求出繞組的溫升。在試驗過程中，人工穩(wěn)定負載，應(yīng)采取措施減少冷卻介質(zhì)溫度的變化。當電動機溫升穩(wěn)定后，系統(tǒng)會發(fā)出斷電停機的提示信號，如圖7所示。熱試驗一般從冷態(tài)開始，由電動機的工作制來確定試驗結(jié)束的時間。為了縮短試驗時間，在熱試驗開始時，可以適當過載。

圖7 電動機熱試驗圖

4.6M-S特性測試

試驗通過人工調(diào)節(jié)電動機負載的方法，使被試電機在額定電壓下從空載到堵轉(zhuǎn)，再從堵轉(zhuǎn)到空載，此過程中記錄當時的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及對應(yīng)點的電壓值，可在屏幕上繪制其M-S曲線，并從升速曲線上尋找最小轉(zhuǎn)矩點，從降速曲線上尋找最大轉(zhuǎn)矩點，尋找結(jié)果最后用電壓進行修正。以上兩條曲線可由計算機自動完成，如圖8所示。

圖8 電動機M-S曲線圖

按國標GB/T 1032—2012的要求，還有其他的試驗項目，如繞組對機殼及繞組相互間絕緣電阻的測定、噪聲測定、振動測定、工頻耐壓、匝間耐壓測試等，是以系統(tǒng)提供輸入界面，在人工測定后，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入計算機，一并生成試驗報告。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)以LabVIEW軟件為開發(fā)工具，采用工控機和PLC為主要控制設(shè)備，配以高精度電參數(shù)測量儀表組成電動機型式試驗系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)電動機試驗系統(tǒng)，減少了測試過程中人為的干預，縮短了檢測周期，具有自動化程度高、實時性好、精度高和操作簡單等特點，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、分析處理至試驗報告生成一體化的功能。

(1) 系統(tǒng)采用能量回饋方式進行試驗，實現(xiàn)了能量循環(huán)使用，使配電容量要求大幅降低。一般僅約為被試電機額定容量的30%，從而可大幅節(jié)省配電投資。

(2) 能量在閉環(huán)系統(tǒng)中自我循環(huán)使用。用電量一般僅約為被試電機額定容量的30%(被試電機容量越接近該系統(tǒng)的額定值越省電)，可節(jié)約大量電費，使用成本大幅降低，節(jié)能效果顯著。

(3) 變頻電源具有無功補償功能、軟起動功能、并機功能及并機疊頻試驗功能，變頻電源模塊化設(shè)計，可在一定范圍內(nèi)比較方便地擴容。

(4) 變頻電源是靜止電源，采用DSP控制技術(shù)、冗余技術(shù)等設(shè)計，提高了系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、運行穩(wěn)定性和可靠性。

(5) 由于采用了靜止變頻技術(shù)，減少了噪聲和振動，有效控制和減少了環(huán)境噪聲污染。另外，能量回饋使用是在系統(tǒng)內(nèi)部，對電網(wǎng)沒有污染，所以該系統(tǒng)綠色環(huán)保。

[1] 耿洪奎.電機型式試驗站技術(shù)方案比較[J].電機與控制應(yīng)用,2008,35(1): 41-45.

[2] 三相異步電動機試驗方法:GB/T 1032—2012[S].

[3] 旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能:GB755—2008[S].

[4] 變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法:GB/T 22670—2008[S].

[5] 張永奎,袁敏,孔令波.變頻電源在電機試驗中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38(10): 148-150.

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Design and Implementation of Three-Phase Asynchronous Motor Type Test System*

PANYucheng1,SONGLili1,2,LEINaihua3,YEZongxian4

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering, Ningde Vocational and Technical College, Fuan 355000, China; 2.College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 3.Ningde Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Fuan 355017, China; 4.Fujian Mindong Electric Co., Ltd., Fuan 355009, China)

Aiming to solve the problems of low measure precision, slow response, large power, inefficiency, high labour intensity, etc, based on LabVIEW software platform, a new automatic three-phase asynchronous motor type test system with IPC core according to the relevant national standards for motor testing was developed.The new test system for automatically controlling the whole testing process with both manual and automated work mode, could realize the automatic data collection, analysis and processing, draw the corresponding characteristic curve and generate test report charts automatically.Test results showed that the system could satisfy the demands of the three-phase asynchronous motor type test, and test speed, convenient operation, high precision, energy-saving effect was obvious.

three-phase asynchronous motor; type test; industrial personal computer (IPC); LabVIEW

中央財政支持的高等職業(yè)教育電機電器實訓基地建設(shè)項目(35123053352)

潘玉成(1964—)，男，副教授，研究方向為自動控制、人工智能。

TM 306

A

1673-6540(2017)03- 0110- 06

2016 -09 -19