基于電能回饋技術的電機測試系統研究

丁振林

（海軍裝備部，北京 100841）

1 引言

眾所周知，電機的各項精確參數對優化電機性能具有深遠的意義。尤其在以變頻器供電下，頻率變換及各頻率下電機運行參數的測試，諧波對電機的影響，對電機性能的分析和參數優化具有非常重要的意義。近年來，計算機技術、電子技術和電機控制技術的不斷發展，推動了電機測試技術的發展，為電機測試采用新的測試方法和高精度技術提供了可能性。

本文結合當前測試技術的現狀和發展趨勢，針對交流變頻電機，通過選取相應的硬件設備，在LabView軟件平臺上完成軟件設計及研制，建立電機測試系統，實現對電機各項性能和參數的精確測試。

2 電機測試系統原理

2.1 負載加載方案

長期以來，電機測試的最大難點是對負載的精確加載和測試。而隨著電力電子和電機控制技術的迅速發展，交流電力測功機是目前市面上較為先進的加載測功設備，尤其在中小功率以及微小功率的動力機械加載測功試驗中，可以兼顧各動力機械的低速及高速加載測功試驗，尤其在低速機械的加載測功方面，則更是其它方法無可比擬的，它幾乎可以從0轉速開始就提供電力測功機的額定轉矩；同時，交流電力測功機還有一個最大的優點是能源回饋功能，它可以將被測機械發出的能量以電能的形式回饋給電網，供其他設備使用，而不是將能量轉換成熱能消耗掉。從這一點來說，交流測功機在使用經濟性是其他測功機無法比擬的，特別在這個能源越來越緊張的年代，節能環保已經被越來越多的企業所重視。

圖1為交流電力測功機與傳統測功機的比較。

交流電力測功機能量回饋的基本原理是電源通過整流器整流后，以逆變器為加載電機供電，當加載電機工作在發電狀態時，電能被轉換到直流側，通過前端的整流器（工作在逆變狀態），將其變為交流電，并回饋電網。

因此采用高效節能的交流電力測功機的加載方案，能精確地控制其轉速和轉矩，使加載電機吸收的能量返回電網，節約了能源。

圖1 多種方式測功機比較圖

圖2 能量回饋原理圖

2.2 控制方案

現代變頻器產品的控制技術主要有3種：脈寬調制（PWM）,矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）。在電機測試應用中，電機的轉矩和轉速是其主要的控制對象和測量參數，因此適合采用具有優異轉矩和轉速控制特性的矢量控制和直接轉矩控制變頻器。

DTC 直接轉矩控制（Direct Torque Control），它可以在轉矩開環（無扭矩傳感器）和轉矩閉環（有扭矩傳感器轉）兩種控制模式下精確地控制加載電機的轉矩或轉速，并具有轉矩動態響應，優異的轉矩-轉速控制特性，高效節能和高可靠性。直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果、把轉矩直接作為被控量，既直接又簡化。

在本方案中，采用一臺帶整流/回饋單元的變頻器驅動加載電機，該變頻器由整流/回饋單元，逆變器組成。整流/回饋單元由兩個反并聯功率器件組成，其能量可以在兩個方向上流動，既能從電網吸收能量又能夠將電能送回電網（四象限工作）。發電工作橋通過一臺自耦變壓器和電網相連接。當電動機處于發電狀態時，電能可通過其回饋單元回饋電網。

3 電機測試系統主要構成

電機測試系統平臺主要包含電源、交流測功機、測功機控制器、電參數分析儀、負載電機、電機測試軟件及試驗臺架等部件（見圖3）。

被試電機為異步電機，與加載電機同軸連接，軸上安裝有轉速轉矩傳感器。為適應多規格電機的試驗，對被試電機的安裝與連接裝置設計為可升降式試驗電機安裝平臺及X、Y兩方向帶鎖緊機構的移動臺架。

加載方案采用回饋型的交流電力測功機方案，能精確地控制加載電機的轉速和轉矩，并將加載電機吸收的能量通過變頻器直接返回電網。

電壓、電流等電機電參數和溫度由電參數分析儀進行采集，通訊到工控機。

設計專用的電機測試軟件，進行各種信號的采集、分析和處理，具有自動采集并能實時顯示和保存采集數據、自動生成曲線的功能。

4 測試軟件

測試軟件是基于LabVIEW 計算機虛擬儀器軟件開發平臺，運行在 Windows XP 操作系統下進行數據采集、信號處理和圖形顯示的電機專用測試軟件。它與交流測功機、測功機控制器、電參數分析儀、試驗電源及其它測控設備配套使用，共同構成機、電、儀三位一體化的計算機實時測控系統，實現電機與控制器的全虛擬化自動測試。

虛擬儀器的硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。計算機在顯示、存儲能力、處理性能、網絡、總線標準等方面的發展，導致了虛擬儀器系統的快速發展，如圖4為虛擬儀器的基本構成。

軟件具有手動測試、自動測試、PID 定標等多種實驗模式，可以全面檢測被測電機的性能參數和特性曲線。計算機采集和計算的試驗數據可以顯示、儲存、或以圖表和曲線的格式打印測試報告，并自動轉換為 Excel 電子表格式（圖5為軟件的人機界面。）。

圖3 電機測試平臺系統構成圖

圖4 虛擬儀器的基本構成

圖5 軟件人機界面

5 結束語

本文中所述的電機測試系統已成功應用于交流電動機的測試，具有可靠性高、擴展性強、可以定制等特點，根據需求可以單獨或整合使用，充分適應各種試驗場合，可精確測試電機各項性能和參數，為電機的優化打下堅實的基礎。

[1] 王益全, 張炳義.電機測試技術. 北京：科學出版社，2004.

[2] 申忠如, 郭福田, 丁暉.現代測試技術與系統設計.西安: 西安交通大學出版社，2006.

[3] 鄧焱，王磊，傅琦等.Labview7.1測試技術與儀器應用.北京：機械工業出版社.