電機可靠性測試試驗分析與設(shè)計

黃佩佳，丁蓉，李朵朵

（1.上電器科學研究所（集團）有限公司，上海200063；2.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院通信與信息工程學院，上海201411）

0 引言

電機作為國民經(jīng)濟生產(chǎn)中所需的重要部件，大量的應(yīng)用于冶金、機加工等工業(yè)用電環(huán)節(jié)以及水利、風力等電力領(lǐng)域，同時電機也是家用用電設(shè)備的重要驅(qū)動設(shè)備，包括風扇、洗衣機、空調(diào)壓縮機等都由電機作為電能轉(zhuǎn)換的重要部件。根據(jù)統(tǒng)計，全社會用電總量中超過半數(shù)的部分都由電機產(chǎn)生，約占64%。由此可見，電機的質(zhì)量和社會民生關(guān)系密切，因此，檢測作為對電機質(zhì)量把控的主要方法，其作用十分重要。

電機作為工業(yè)和家用領(lǐng)域的主要驅(qū)動部件，多數(shù)的應(yīng)用場景都涉及長時間的連續(xù)運行，其負載情況、環(huán)境情況、電源情況都會隨著使用的場景、氣候、操作人員的習慣、實際的工況等而不斷地變化；溫度過高、過低，濕度過大，電壓不穩(wěn)、負載連續(xù)變化、頻繁啟停都會影響電機的可靠運行，一旦故障，輕則停機停產(chǎn)，重則“機毀人亡”，造成重大安全事故，對國民經(jīng)濟造成影響，尤其是大型用電場所，如風電、水利等場景，每次運行周期可能長達一年甚至更長，對電機的可靠運行要求非常重要，傳統(tǒng)的電機檢測是通過電腦模擬仿真的方法對電機在長期運行的過程中可能遭受的各種情況進行模擬，對電機的壽命進行估算，從而制定一套檢修周期，保證電機的可靠運行；這種方法能夠較大幅度的節(jié)約檢測時間以及成本，但純粹通過電腦的估算，對實際的使用情況可能產(chǎn)生遺漏，因此，仿真多應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計階段，實際生產(chǎn)后，還需根據(jù)實際使用的情況以及相關(guān)的標準，制定一套合適的試驗方案，對電機在實際使用中的情況進行模擬，通過實驗的方法對設(shè)計值進行驗證。從安全、性能等方面進行驗證。

此外，對于部分特殊的用電設(shè)備，其十分重視可靠運行，因此，除考慮通過試驗?zāi)M實際工況下的運行情況，估算可靠工作周期外，還應(yīng)當通過長期特殊工況的模擬，還原電機可能造成的可靠失效現(xiàn)象，對長期運行數(shù)據(jù)進行分析，建立該電機的運行數(shù)據(jù)庫，對電機可能發(fā)生的失效進行預(yù)警，防止電機突然失效造成的重大經(jīng)濟或人身損失。

1 項目需求分析

1.1 傳統(tǒng)電機性能測試臺架方案

傳統(tǒng)的電機試驗，一般分為安全性試驗以及性能試驗兩類，安全性試驗通常關(guān)注電機的絕緣性能、接地性能以及溫升等可能引發(fā)安全事故的性能指標，性能試驗通常關(guān)注電機的啟動性能、過載性能、抗沖擊性能以及效率等電機的能力指標，除此以外，還有針對應(yīng)用于特殊環(huán)境下的專用電機的環(huán)境試驗，一般指將被試電機置于高溫、低溫、高濕、鹽霧、高海拔等的極端環(huán)境下的安全性試驗以及性能試驗。

傳統(tǒng)的電機試驗，負載設(shè)備一般選配一臺帶載能力為被試電機2～3 倍的電機作為陪試設(shè)備，該電機一般采用直流電機或交流電機，由于傳統(tǒng)電機試驗臺架主要進行電機的性能試驗，因此，對設(shè)備的控制能力、儀表的精度等方面要求較高，同時臺架的整體體積也比較龐大。對于需要長期運行的可靠性試驗，使用傳統(tǒng)的電機試驗臺架，成本、場地、人力的要求都較高，有“殺雞用牛刀”的困境；此外，由于可靠性試驗不但有較長的試驗周期，同時也對試驗環(huán)境有著特殊的需求，高溫、高濕等，由于傳統(tǒng)試驗臺架的局限性，進行電機可靠性試驗的同時，整個測試臺架包括陪試的負載電機、傳感器在內(nèi)的多個部件都長期處于高溫、高濕等的環(huán)境下，容易對試驗設(shè)備造成較高的折損，容易造成試驗成本居高不下。

因此，為了節(jié)約人力與物力，極大地利用現(xiàn)代軟件的智能代替人工，開發(fā)一套全新的集測試、控制、數(shù)據(jù)記錄采集、故障處理等多功能的智能化試驗軟件測試系統(tǒng)，替代原有老舊的以人工控制為主的測試系統(tǒng)，以減少試驗所需的人力，提升試驗效率，改善試驗條件，提升試驗質(zhì)量。

1.2 無負載性能測試方案

測定電機耐久性性能時，如果模擬實際的運行情況需要大量的時間，會造成大量測試設(shè)備和儀器的長期占用，對實驗室的正常運營產(chǎn)生影響。根據(jù)測試標準和企業(yè)提供的測試需求制定無負載性能測試方案。可采用頻繁啟停的方法，使電機相關(guān)部件運行在接近甚至超過正常工作溫度以及功率的情況下，模擬電機在實際運行中的工作情況，避免試驗對負載設(shè)備的長期占用情況，測試方案如下：

上位機通過串口通訊方式/LAN 口通訊方式連接PLC，通過PLC 發(fā)出繼電器通斷指令，使6 臺被測電機輪流按照測試工程師設(shè)置的運轉(zhuǎn)周期運轉(zhuǎn)。設(shè)置每臺設(shè)備運轉(zhuǎn)時間為30s（時間可調(diào)），設(shè)備與設(shè)備之間間隔為5s（時間可調(diào)），一輪運行結(jié)束后，間隔300s（時間可調(diào)）重復(fù)進行下一輪的運轉(zhuǎn)。設(shè)備循環(huán)次數(shù)可以設(shè)置，并且當程序異常退出或者主動關(guān)閉時，試驗相關(guān)參數(shù)（例如：每臺運行時間、間隔時間、運行周期、周期間隔、剩余次數(shù)等）會被記錄并保存，并且下次運行時，可以選擇從頭開始或者接著上次的參數(shù)設(shè)置繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的同時，也在不斷的讀取觀測數(shù)據(jù)-溫度值。當溫度超過一定范圍，就會報警，提醒測試工程師電機可能出現(xiàn)故障。

1.3 帶負載性能測試方案

根據(jù)測試標準和企業(yè)提供的測試需求制定了兩套帶負載性能測試方案。被測對象為4 臺測試電機。

方案一：陪試機選擇為磁粉制動器。磁粉制動器相較于普通的交流或直流陪試電機系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，控制便捷，成本也較低，能大幅簡化系統(tǒng)搭建的難度，同時，其簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也能保證在運轉(zhuǎn)中的可靠性，十分適用于需要長期穩(wěn)定運行的可靠性試驗。

方案二：被測電機分為兩組，每組2 臺被測電機。一臺作為被測電機，一臺作為陪試電機，再接入變頻器組成一套測試系統(tǒng)，這樣總共有兩組測試系統(tǒng)。

對比兩種方案，方案一結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，但磁粉制動器本身特性為采用熱散耗的方式將被試電機產(chǎn)生的機械能消耗，對電能的消耗較大，雖然試驗系統(tǒng)構(gòu)建成本較低，但電能方面的運行成本較大，與綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念有悖；而方案二采用變頻器饋電的方式對電能進行回收，綜合回饋效率能達到60%以上，能大幅節(jié)省試驗過程中的電能消耗，對需要長期運行的可靠性試驗，其綜合經(jīng)濟指標會遠勝采用類似方案一中的磁粉制動器或其他簡易的加載方式。同時，由于采用了兩臺同型號電機“饋電——電動”的加載方式，節(jié)約了采用專用負載陪試電機的方式對負載儀器設(shè)備的損耗和長期占用，具有“2.2 無負載性能測試方案”的節(jié)約負載設(shè)備占用優(yōu)點的同時能讓測試更接近真實使用情況，使試驗的結(jié)果更真實地反映實際使用情況。傳感器方面，采用近年開始逐步發(fā)展起來的法蘭式傳感器，替代傳統(tǒng)的機座式傳感器，法蘭式傳感器俗稱“非接觸式”傳感器，該類傳感器沒有傳統(tǒng)的機座式傳感器的軸承結(jié)構(gòu)，整個傳感器通過陪試電機（即負載機）以及被試電機的出軸進行支撐，整個測試儀器“懸浮”與測試系統(tǒng)的固定底座之上，通過電磁信號進行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的無線傳輸，避免了傳統(tǒng)機座式傳感器在使用過程中的主要損耗——軸承，同時精度能達到0.2級及以上，對信號的抗干擾能力也較強，能夠應(yīng)用于各類工況；負載設(shè)備方面，采用與被試電機相同的電機進行試驗系統(tǒng)的搭建。該測試方案能夠改變傳統(tǒng)的測試方法只對單臺設(shè)備進行測試，能夠同時進行同一型號電機的兩種工況的模擬，減少試驗設(shè)備的損耗的同時還能提升試驗時間。并且，配上特定的軟件設(shè)計，能夠節(jié)省大部分的測試人力，并且在一套測試系統(tǒng)中，能夠同時完成兩臺被測電機的性能測試，在保證測試效果，也極大程度上節(jié)省了測試時間。測試軟件設(shè)計大致如無負載性能測試。

2 軟件設(shè)計

2.1 語言選擇

本次設(shè)計主要采用C#語言，開發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio Professional 2017，開發(fā)環(huán)境為Microsoft.NET Framework，版本號為v4.0.30319。采用C#編程語言，是因為C#在帶來對應(yīng)用程序的快速開發(fā)能力的同時，并完美的保留住C 與C++所具備的各種特性。它忠實地繼承了C 和C++的優(yōu)點。其功能強大，簡單易用，快速開發(fā)，面向?qū)ο螅軌驖M足測試軟件的開發(fā)需求，降低了整體開發(fā)成本，后期可開發(fā)的空間也很大，也能很好地降低測試人員的成本。

2.2 軟件設(shè)計流程圖

首先打開軟件，進入到登錄界面。如果用戶已經(jīng)注冊過，直接輸入用戶名和密碼即可登錄，用戶名或密碼錯誤，會相應(yīng)提示；如果用戶沒有注冊過，提示先注冊。進入控制界面后，選擇通訊方式。通訊方式分為兩種：LAN 口連接和串口連接[1]。

選擇串口連接方式，勾選框是選中狀態(tài)時，讀取上次關(guān)閉前的參數(shù)設(shè)置和運轉(zhuǎn)情況；勾選框未選中狀態(tài)，所有設(shè)置均為初始化狀態(tài)。串口可以自動搜索當前可用的串口號，點擊連接，不成功提示串口通訊失敗；如若串口號和頻率設(shè)置都沒有問題，則連接成功。

選擇LAN 口連接方式，先設(shè)計好設(shè)備的IP 地址和端口號，設(shè)置好本機IP 地址，點擊連接，如果遠程PLC為開啟狀態(tài)，連接成功；如果IP 地址或端口號錯誤，或PLC 為關(guān)閉狀態(tài)，則彈出提示。LAN 口連接方式下，是自動讀取記錄上次關(guān)閉前的參數(shù)設(shè)置和運轉(zhuǎn)情況。

連接成功后，點擊一鍵開啟，軟件開始運轉(zhuǎn)，設(shè)備接受指令開始運轉(zhuǎn)。循環(huán)次數(shù)到或者點擊一鍵關(guān)閉后，軟件停止運轉(zhuǎn)，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)。軟件流程圖如圖1所示。

2.3 登錄和注冊

一般測試項目可能需要并行進行，也就是一臺電腦完成不同測試項目的控制。而測試工程師較多，一不留神可能會誤操作導(dǎo)致試驗產(chǎn)生錯誤。因此需要分出測試工程師的權(quán)限，防止誤操作耽誤了實驗，導(dǎo)致實驗進程受到影響。

圖1 軟件流程圖

圖2 登錄與注冊流程圖

這里優(yōu)先級的篩選方式設(shè)置為“所在小組”。

圖3 為登錄界面。任意一個文本框為空都會提示，注冊界面也一樣。

圖3 登錄界面

圖4 注冊界面

點擊圖4 中的“注冊”按鈕：彈出圖4 紅框中的注冊信息，填寫6 項基本信息后，點擊確定，成功錄入員工信息，進入到下一個界面。

2.4 軟件控制界面

圖5 是進入軟件控制界面的默認界面。該界面上顯示了當前的各電機的運行狀態(tài)、時間、以及運行次數(shù)，通過該界面，試驗人員能夠?qū)Ρ辉嚨碾姍C設(shè)備的啟動、停止進行操作，同時，也能對電機的運行時間、間隔時間、周期次數(shù)等進行設(shè)置。界面第二塊分為兩個實驗操作。一個是無負載試驗的控制界面，一個是帶負載試驗的控制界面，這兩個軟件的控制邏輯大致是一樣，下面會具體分析。

右上角是運行總天數(shù)和循環(huán)剩余次數(shù)。運行總天數(shù)根據(jù)設(shè)置的運行時間和運行次數(shù)等自動推算出來，根據(jù)設(shè)置參數(shù)的改變自動改變；剩余次數(shù)根據(jù)設(shè)置的循環(huán)次數(shù)每次倒數(shù)顯示。

2.5 通訊設(shè)置

根據(jù)通訊的硬件連接方式，選擇軟件方式。圖6為LAN 口設(shè)置，圖7 為串口設(shè)置。

圖5 無負載控制界面

圖6 LAN設(shè)置

圖7 串口設(shè)置

（1）LAN 連接：事先設(shè)定好PLC 的IP 地址和端口號，并輸入到對應(yīng)的文本框中，點擊圖7 連接，連接成功后會在界面底端狀態(tài)欄顯示連接成功。

如果連接失敗，則會彈出如下圖8 對話框。

圖8 連接失敗

（2）串口連接：選擇串口方式連接時，會自動掃描串口號。如果當前沒有串口會提醒檢查串口。如下圖9 所示。點擊開，連接成功后會在界面底端狀態(tài)欄顯示連接成功。

圖9 掃描失敗

2.6 各參數(shù)設(shè)置

在圖10 中，“一鍵開啟”按鈕按下之前，以上兩個時間都可以設(shè)置。一旦設(shè)備運轉(zhuǎn)起來，時間參數(shù)則不可調(diào)。每臺運行時間（s）：每臺電機運轉(zhuǎn)時間。間隔時間（s）：設(shè)備與設(shè)備之間需要一個短暫的休息時間。

圖10 設(shè)備見參數(shù)設(shè)置

在圖11 中，“一鍵開啟”按鈕按下之前，以上兩個時間都可以設(shè)置。一旦設(shè)備運轉(zhuǎn)起來，時間參數(shù)則不可調(diào)。總周期（次數(shù)）：循環(huán)次數(shù)的設(shè)置。周期間隔時間（s）：每輪循環(huán)之間的間隔時間。

圖11 運行周期設(shè)置

為了讓測試人員直觀的看到測試進度，兩處的間隔時間都加了一個倒計時和倒計時進度條。

2.7 設(shè)備運轉(zhuǎn)

以往均是測試人員針對對應(yīng)被測電機點擊開啟或關(guān)閉，而這對于電機對拖試驗來說，特別耗費人力，需要人員不斷的計時并且及時按下開啟或者停止按鈕。很顯然這樣的實驗中，不可能采用人員計時的辦法。因此需要做一個根據(jù)設(shè)置的時間自動開啟和停止被指定測試的電機。

（1）無負載試驗

無負載試驗的設(shè)備運轉(zhuǎn)的流程圖如圖12 所示。

圖12 運轉(zhuǎn)流程圖

在圖5 無負載試驗軟件控制界面中，在左下角是設(shè)備運行指令。設(shè)備運轉(zhuǎn)點擊一鍵開啟，設(shè)備開始運轉(zhuǎn)，運行次數(shù)開始計數(shù)，各電機根據(jù)進度顯示進度條等信息。點擊一鍵關(guān)閉，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，設(shè)備運行的所有參數(shù)設(shè)置，運行狀態(tài)等信息自動寫入系統(tǒng)ini 文件之中。點擊清零，所有參數(shù)設(shè)置和運行狀態(tài)被初始化。

（2）帶負載試驗

在圖13 中帶負載實驗的軟件界面中，因為將試驗分為兩套系統(tǒng)，且兩套系統(tǒng)互不相干，所以在開關(guān)上設(shè)計了兩套：一套是可以同時給測試一組和二組發(fā)送設(shè)備啟停信號；一組是將開關(guān)分開，獨立成兩個啟停分別控制測試一組和二組。這樣設(shè)計有利于測試人員自行選擇是哪種測試方法。

測試邏輯與無負載試驗一致。因為兩臺設(shè)備的測試時間邏輯是一致的，因此兩套測試公用一套參數(shù)設(shè)置。

圖13 帶負載控制界面

2.8 報警系統(tǒng)

在軟件控制界面的倒計時下面，有一個按鈕，點擊可以進入報警系統(tǒng)。如圖14 所示。

圖14 報警系統(tǒng)界面

電機耐久性實驗中，其中選取溫度參數(shù)作為報警系統(tǒng)的參考值[2]。數(shù)據(jù)采集是通過串口通訊與設(shè)備連接，連接方式與前面提及的串口一致，這里不再贅述。

數(shù)據(jù)接受設(shè)置模塊可以設(shè)計采集頻率，調(diào)零按鈕是給設(shè)備進行校準用。當串口打開后，點擊采集模塊的開始按鈕，設(shè)備開始接受溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)采集頻率不斷刷新數(shù)據(jù)顯示。在系統(tǒng)中也設(shè)置了數(shù)據(jù)保存模塊，以防萬一測試工程師需要查看采集到的溫度，保存成Excel 文件后，可以根據(jù)需要一鍵打開文件。

報警模塊的實現(xiàn)與報警溫度設(shè)置和自動斷開溫度設(shè)置相關(guān)。溫度參數(shù)與軸承溫度和機殼溫度兩個參數(shù)相關(guān)。測試工程師可以根據(jù)不同項目選擇兩個溫度的限值，默認為：當軸承溫度高于70°C 或機殼溫度高于60°C 時，數(shù)據(jù)顯示處的報警燈亮紅，并且報警器開始響，提醒測試人員查看；當軸承溫度或機殼溫度高于90°C 時，自動斷開被測電機的繼電器，斷開測試，數(shù)據(jù)顯示處的報警燈亮紅，并且報警器開始響，提醒測試人員。

3 實際應(yīng)用

3.1 實際無負載試驗測試項目

按照客戶需求運行無負載測試試驗19 天，試驗結(jié)束后反響挺好，并且正常結(jié)束，運行過程中沒有遇到中途自動閃退的過程。如下圖15 實際運行狀態(tài)所示。根據(jù)客戶要求，測試工程師設(shè)置每臺電機運行時間為30s，電機與電機之間間隔5s，每次循環(huán)之間間隔5s。并且運行中不斷調(diào)整運行時間，運行周期等以測試電機的耐久性。

圖15 實際運行狀態(tài)

3.2 結(jié)論

實際項目完成后，根據(jù)試驗項目的需求對軟件進行評價。

從軟件性能上來講，軟件運行中，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的情況，軟件在運行的19 天之內(nèi)沒有出現(xiàn)任何問題；軟件在調(diào)試過程中，也能正常按照邏輯設(shè)想正常調(diào)試。

從軟件界面上來講，對于實驗人員來說，界面越簡潔明了，越方便操作越好。在界面上簡化了電機運行操作，直接選擇一鍵開啟，一鍵關(guān)閉，其他復(fù)雜的操作由程序內(nèi)部完成，極大地節(jié)儉了培訓的時間。

從事業(yè)部成本上來講，節(jié)省了不少測試時間和測試人力，保證客戶測試效果的同時，極大地降低了測試成本，為測試單位帶來不小的收益。

3.3 后續(xù)的開發(fā)

方向一：性能測試中包含其他種類的測試，其中會需要曲線分析，后續(xù)軟件開發(fā)當中會加入曲線分析功能，能夠節(jié)省測試人員的分析過程。

方向二：雖然近期實驗室對于電機對拖的實驗需求上升，但最終還是以常規(guī)的電機測試為主要測試項目。如果測試軟件過多會讓實驗人員感覺不方便，以后的軟件開發(fā)中考慮將集中電機測試軟件，能夠一套軟件完成不同項目，極大方便了測試工程師的使用。

4 結(jié)語

本文給出了基于傳統(tǒng)電機試驗測試臺架的方案提出改進的測試方案，并利用C#語言編程實現(xiàn)了該方案下的測試系統(tǒng)，該算法可用于解決實際工作中的很多相關(guān)問題，對于實驗室后續(xù)發(fā)展有很大的幫助，具有一定的實際意義。用C#語言實現(xiàn)的測試系統(tǒng)不僅界面簡潔大方，利于測試工程師理解與應(yīng)用，也極大地簡化了開發(fā)人員的開發(fā)過程，降低了開發(fā)成本，為企業(yè)節(jié)省了很多開支。