特種電機動態加載及電能量測試系統上位機研究

黑龍江科技大學 馮新宇 王賀磊 王重宇

電機動態加載及電能量測試分析系統上位機采用LabView軟件實現，完成對額定電流、啟動瞬時電流、功率因數、諧波電流、能耗效率等參數的測量，從而能夠準確掌握當前用電設備情況以及對外影響情況。上位機軟件通過IP封裝把電能量測試的功能模塊打包，實現了功能模塊的復用。

電子測量儀器的經歷了幾代發展，從最初的模擬儀器到以計算機的操作系統為依托的虛擬儀器發展。傳統的測量儀器無法滿足一個系統的所有測量工作，需要多臺儀器配合測量。涉及后期數據的分析處理工作都會帶來不便。采用LabView作為上位機測試平臺的應用越來越廣泛。目前電動機的性能測量有從變速器、齒輪箱、發動機實現；從高壓電氣系統的高壓電機測試系統實現，從背靠背變流器的電機測試平臺的實現均有文獻。特種電機電能量測試分析系統目前研究較少，筆者特種電機電能量測試分析系統為研究對象，構建一套具有可擴展能力的能夠對多臺電機進行加載，并同時能夠實現對其性能的測試，以實現對裝置的電氣性能和機械性能的數據采集和數據分析。

1 系統構成

1.1 系統結構

測試系統的組成包括固定測試單元、移動測試單元和電機加載單元三部分，如圖1測試系統結構圖所示。固定測試單元由工控機、多通道數據采集卡、多通道控制卡和電機驅動器組成；移動測試單元由移動式電能量分析儀和供電單元組成；電機加載單元由主從電機加載機械臺和分電機加載機械臺組成。

1.2 系統技術指標

測試系統的主要技術指標要求：

（1）主從雙電機加載負載扭矩：不小于1000N·m；

（2）單電機加載扭矩：不小于400N·m；

（3）負載轉速：不小于1000rpm；

（4）轉矩測量精度：不小于±0.5%；

（5）電流：最大量程不小于300A，精度不小于±0.8%；

（6）電壓：最大量程不小于1000V，精度不小于±0.8%；

（7）諧波次數：50次。

1.3 系統硬件選擇

根據系統的技術指標設計要求，選擇合適的傳感器的采集卡。

主要傳感器型號參數：

（1）轉矩轉速傳感器采用WESTZH公司CYB-803S/(0-±1000Nm)S1A1Z1D2J3Y1傳感器；

（2）電壓傳感器選用LEM公司和DVL 1500型傳感器，主要參數為有效值量程1500V，峰值量程2250V，測量輸出滿量程50mA；

（3）電流傳感器選用LEM公司的LF 310-S型，其主要參數為有效值量程300A，峰值量程500A，測量輸出滿量程200mA。

采集卡型號參數：

（1）模擬輸出采集卡采用PCIe-1824，用于控制系統磁粉制動器，該采集卡為16位精度，32路模擬輸出；

（2）模擬輸出采集卡PCIe-6363，用于采集電壓電流信號，可以差分采集16路模擬輸入信號；

（3）數字采集卡PCI1780，單張卡片含有8路計數器，用于采集轉矩傳感器參數。

2 軟件設計

上位機軟件采用的是NI公司的LabView2018，安裝對應板卡的底層驅動軟件，在此基礎上完成上位機軟件設計。

圖1 測試系統結構圖

2.1 軟件結構框架設計

軟件設計系統初始化，主要是完成時傳感器和采集的初始化工作，通過檢測設備端口和傳感器數據，判斷設備是否正常工作，如果設備工作異常或者系統中其他設備異常，可以通過軟件急停的方式停止系統工作，同時也可以通過控制控制柜上的急停鍵使系統停止工作，有效的保證系統的安全。軟件流程如圖2所示。

系統需要采集的實時數據包括電壓、電流、轉矩和轉速。電壓諧波、電流諧波、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數等參數為計算值。采集信號和數據處理是并發處理，為了保證軟件系統的實時響應，主程序框架采用生產者/消費者設計模式。生產者模式采集數據，消費者完成數據處理。生產者數據和消費者之間數據采用隊列實現數據傳輸。采集卡單通道最大值2MS/s，采集3路電壓數據和3電流數據。采集電壓電流信號頻率范圍50Hz～400Hz。假設上限信號頻率500Hz，50次諧波為2.5KHz，采集卡的速度滿足設計要求。生產消費者之間數據通信時動態FIFO，數據吞吐量大，主流工控機均符合要求。報表數據，DA輸出控制等其他環節均采用While循環結構，與系統主循環構成并發結構，提高了系統的實時性。為了防止系統中過多While循環導致內存溢出的問題，除了生產/消費者主循環外，其他循環結構采用事件結構。保證了響應的實時性的同時，減少了系統的開銷。

圖2 系統軟件流程圖

圖3 系統程序架構

2.2 主要功能模塊設計

本文重點介紹幾個重要模塊的設計和實現過程。隨著LabView軟件的不斷發展，集成了大量的功能模塊，對于數據的采集、處理和維護十分方便。

2.2.1 諧波頻譜模塊設計

諧波頻譜分析主要分析系統中各次諧波頻率、幅值和畸變率等參數。設計采用FFT算法處理。具體實現流程如圖4所示。諧波階次小于(采樣周期-1)/2。

2.2.2 功率模塊設計

功率值為計算值，主要包括有功功率，無功功率，視在功率和功率因數等幾個參數。參數定義如下：

有功功率：

式中(1)，T為中期時間，u(t)為電壓，i(t)為電流。

視在功率：

式中(2)，Urms為電壓有效值，Irms為電流有效值

無功功率：

功率因數：

式中(3)和(4)中，為視在功率，為有功功率電壓、電流數據經過采集卡之后需要經過零檢測、重采樣和FFT運算之后得到離散信號，然后根據式(1)～(4)計算功率參數。用LabView實現的功率模塊功能結構流程圖如圖5所示。

2.2.3 轉矩轉速測量模塊設計

轉矩轉速測量是利用PCI1780采集卡的計數功能實現的，該采集卡可以同時采集8路頻率數據，一般工控機可以擴展4路PCI1780，配合其他的采集卡。該系統可以同時采集16組電機動態系統。扭矩傳感器的轉矩輸出為5～15KHz，對應其轉矩值。即當轉矩輸出為10KHz時，輸出為0N.m；當輸出為5KHz或者15KHz，達到正轉或反轉的最大轉矩值。轉速為60脈沖/轉。具體實現流程如圖6所示。

圖4 諧波頻率模塊設計流程

圖5 功率模塊設計流程

圖6 轉矩轉速測量模塊設計流程

圖7 上位機UI界面

圖8 電流波形

圖9 電流諧波

圖10 電壓波形

2.2.4 UI設計

根據系統的功能劃分，形成上位機UI界面如圖7所示。急停按鈕在軟件最顯著位置，方便出現異常操作。左側為電機操作臺1#～N#，可以根據實際需要增減。電機操作臺實時監控單獨電機操作臺的轉矩、轉速和軸功率，可以通過制動旋鈕改變電機的運行狀態。其他選項卡如電流波形、電流波形諧波、電壓波形、電壓波形諧波和功率等選項卡，可以詳細查看當前的電壓、電流和功率值。打印按鈕可以打印采集的重要參數，可以根據實際需要動態調整打印內容。

圖11 電壓諧波頻譜

圖12 功率

3 測試數據分析

由于多組平臺同時加載測試對實驗環境與要求較高，本文選取其中一組加載裝置進行測試，測試在低轉矩轉速情況下測量。轉矩為0.12N.m，轉速1.59rpm。測試系統測得的電壓電流波形和其他參數與用TEK泰克MDO3052示波器測量值進行了比較誤差小于0.5%。圖8為測試系統采集的電機工作電流；圖9位測試系統采集的電流諧波和電流THD等參數；圖10為測試系統采集的電壓波形；圖11為測試系統采集的電壓諧波和電壓THD等參數；圖12為測試系統測試的功率參數。

結論：電機動態加載及電能量測試分析系統構建一套具有可擴展能力的能夠對多臺電機進行加載，并同時能夠實現對其性能的測試，以實現對裝置的電氣性能和機械性能的數據采集和數據分析。采用LabView軟件作為上位機開發工具，配合高精度的數據采集卡，保證了采集數據的準確。裝置測試的主要項目包括電機整套裝置（包括驅動器和電機）的有功功率、無功功率、視在功率，裝置的整機效率，測試過程中的實時轉速、轉矩，并對電源的諧波進行測量。另外，裝置測試系統也具備完備的數據分析能力，數據曲線的顯示和記錄，具備歷史數據和曲線的再現能力。方便工程技術人員調試，加快了系統的開發進程。