基于變頻器的能量回饋式永磁電機自動化測試系統

王 博

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206)

0 引言

近年空氣污染指數持續攀高，京津冀地區霧霾現象凸顯，節能減排對于緩解能源緊張和環境污染具有非常重要的意義。永磁電機因其在25%～120%額定范圍內具有較高運行效率和功率因數［1］，在各行業尤其是輕載、全年運行的電機領域得到了廣泛應用，節能效果顯著;然而在供電線路較長的情況下，其功率因數可能顯著降低，從而導致其不節能或者節能效果不好［2，3］。針對企業內部廣泛存在的電機分散、供電線路較長等特點，永磁電機出廠前除了要進行空載、負載、溫升等常規試驗，有必要對電壓偏差條件下永磁電機的運行性能進行測試。

傳統的電機測試平臺負載多采用磁粉制動器、直流發電機組或水電阻箱等方式［4］，但磁粉制動器的加載精度不易調節，直流電機或水電阻均是將電能轉換為熱能，易引發現場安全事故，總的來說，傳統的電機測試系統動態性能差、消耗能量高，測量精度和自動化程度已經很難滿足上述永磁電機測試的要求，而且能源浪費嚴重［5，6］。變頻器作為調速手段在工業領域得到了廣泛應用，本文介紹了一種基于變頻器的能量回饋式永磁電機自動化測試平臺，該系統采用市電、調壓器雙路電源供電，結合變頻器實現無沖擊電源切換，負載饋電采用獨特的能量內循環模式，在測試過程中可將被試電機的機械能轉化為電能回饋至電網，實現“綠色”節能測試。

1 測試系統總體結構及功能概述

本測試臺采用目前國際先進的四象限變頻器驅動伺服電機作負載，既滿足現代永磁電機測試臺對電壓調整及精確、快速加載的要求，又在測試過程實現負載側電能回饋，圖1 是測試平臺的總體結構。

本測試系統中電源、被試電機、扭矩儀、負載電機、變頻器、PLC、數據采集卡及工控機外圍設備均是測試系統的控制對象;基于Labview開發的測試軟件是該系統的控制中心，完成設備的起停、工況監測、電源調壓、負載調整、數據采集、分析和計算等任務。該系統的主要特點如下:

圖1 測試系統總體結構

(1)被試電機底座采用液壓傳動裝置，可在不同角度靈活調整，適用于不同機座號電機。

(2)采用高精度扭矩儀，可在起動、穩態過程中均保持較高精度。

(3)負載電機采用變頻驅動的永磁伺服電機，動態響應快、加載精度高。

(4)被試電機供電可由市電向調壓電源作無沖擊切換，平臺可測試不同電壓等級下的永磁電機性能。

(5)變頻器饋電未上網，而是自收費電表下的站內能量循環，省去申請發電資質及相關環節的費用。

(6)測試系統各部件由中控機統一控制，操作簡便，自動化程度高，大大縮短了測試時間。

2 系統硬件組成

2.1 被試電機供電單元

永磁電機測試臺要求交流電源電壓0～600 V連續可調，可重復起動、耐沖擊等。對此，常規電源均存在自身弊端，如市電可承受起動電流沖擊但電壓不可調;調壓器電源可對供電電壓幅值進行調節，但永磁電機起動過程中的電流沖擊易引起調壓器定、轉子間機械振動造成損傷，嚴重影響調壓器使用壽命。

本測試平臺單元采用圖2 所示供電結構，由市電直接供電，當電壓偏差條件下的永磁電機性能測試時由調壓器支路供電，重復起動、抗退磁試驗時由可控硅支路供電。

2.2 轉速、轉矩測試

永磁電機起動過程中電流最大可沖擊達到額定電流10 倍左右，起動轉矩也非常大［1］，用普通扭矩儀很難兼顧起動過程與正常運行兩種工況下扭矩測量精度，本測試平臺采用雙量程扭矩儀，其特點是一個傳感器可用于兩段獨立校準的不同量程測量，無論是峰值扭矩還是工作扭矩均能保證相當高的精度，適用于工作扭矩較小而又有較高峰值扭矩的場合。轉矩、轉速輸出信號為0～5 V模擬信號或TTL 信號，鑒于現場復雜的電磁環境，均將模擬信號通過V/F 模塊轉化為TTL 信號［7］，使用計數器測脈沖周期的方式計算信號頻率，測量精度0．1 級，可以反映0．1 ms 內的轉速及轉矩變化。

圖2 供電單元示意圖

2.3 負載電機

測試系統要求負載精確可調且響應迅速，相對于交流異步電動機，永磁伺服電機動態響應更快，驅動精度更高，可在零速至額定轉速下進行模擬加載來完成被試電機的性能測試。本測試臺選用西門子強制風冷永磁伺服電動機，可執行轉矩、轉速及位置方面的高精度任務;電機的動態響應及工作曲線如圖3 所示。

圖3 負載電機工作特性曲線

由圖3 可知，該系列電機調速范圍廣，可超速運行。此外，西門子變頻電機采用電機銘牌參數和Drive-CLIQ 電纜即可完成硬件組態，調試過程簡單易學;有助于新手入門及員工培訓，為測試平臺的后期維護及軟硬件升級提供便利條件。

2.4 能量回饋式單元

本測試平臺采用西門子公司新推出四象限變頻器驅動永磁伺服電機作為能量回饋單元，變頻器電路原理圖如圖4 所示，制動狀態負載電機發電時抬高直流母線電壓，當直流母線電壓超過一定的值，主動前端控制(AFE)單元通過控制IGBT 的占空比及開關時刻將直流電逆變成和電網本身完全同相位同頻率交流電回饋至電網［8～9］。

圖4 四象限變頻器電路原理圖

圖4 中輸入電抗器在電動狀態下起儲能作用，在制動狀態下起濾波作用，可濾掉電流波形的高頻成分，消除對電網的諧波污染，達到徹底的“綠色節能”。

2.5 數據采集及控制單元

數據采集及信號控制主要由NI 公司的采集卡完成，待采集信號有電氣量(電壓、電流)和機械量(轉速、轉矩)。控制單元主要分接觸器及變頻器控制兩部分，機械開關動作由采集卡的數字I/O 口控制，采集卡端口分配見表1;PLC 具有運算速度快、易于編程、抗干擾能力強、可網絡化控制等優點［10］，變頻器受PLC 控制，可根據工控機控制指令(主要包括:負載大小、電機轉速及限幅環節等)完成負載電機的驅動及保護功能。

表1 采集卡端口分布情況

2.6 抗干擾及安全措施

測試現場通常將動力電源及信號線平行布置在一條電纜溝內，本測試臺電纜規格及信號類型見表2。電纜溝內除了被試電機的三相50 Hz 交流電源外，還有變頻器輸出的660 V 高頻直流斬波電源，小信號有0～5 V 模擬信號和0～140 kHzTTL 信號。在這種復雜惡劣的電磁環境下，有必要采取簡單、可靠、行之有效的抗干擾措施:本測試系統中伺服電機采用三相5 芯屏蔽電纜，雙端屏蔽接地，小信號采用同軸電纜或光纖傳輸;一方面減少變頻電源對外部的干擾，另一方面增強小信號自身抗干擾的能力。

表2 電纜溝布線及抗干擾措施

為了保護人身設備安全，測試系統對軟、硬件設置了多重保護，主要體現在以下幾個方面:配電柜安裝電壓、電流監視儀表，用于現場監視電源的工作情況;各配電柜接觸器按照供電線路上的先后閉合順序輔助常開、常閉觸點形成自鎖、互鎖及限位功能，避免誤操作引起的人員傷亡及安全事故;工控機對采集到的數據及各信號量進行綜合處理及分析，對系統中可能存在斷相、過流、超速等非正常工況予以警示，必要時程序會自動執行斷電操作;除此之外，操作臺及各配電柜均設置緊急停機按鈕，用于故障情況下現場多地、就近執行停機操作。

3 系統軟件組成

本測試系統以Labview 為上位機軟件集成系統，軟、硬件通訊涉及Scout，Step7，NI-OPC Servers 及NI Report Generator 等在內的諸多軟件。

3.1 上位機軟件功能介紹

上位機軟件界面主要包含電氣量顯示、機械量顯示、參數配置、變頻器控制、接觸器動作控制、數據存儲等6 部分，各地運行工況信息均以指示燈、曲線及數字形式在操作界面上顯示，界面簡潔、整齊。軟件新添參數配置功能，測試前需錄入電機型號、功率等級、極對數及變頻器的工作方式等信息，程序初始化時將根據錄入數據自動給各限幅環節賦初值，從而在測試過程中對被試電機的運行狀態進行實時監控，在超速、過載等非正常工況下給予操作員提醒警示并點亮測試車間的警報燈，在斷相及長時間過流、過載等故障狀態下將直接切除供電電源以確保人身及設備安全。測試數據可自動存儲，生成的文件名包含測試日期、測試內容等信息，易于數據查找、后處理，軟件界面如圖5 所示。

圖5 軟件系統主界面

3.2 下位機軟件

下位機主要由變頻器和PLC 組成，變頻器主要由控制單元、進線濾波器、電源模塊、逆變器組成［5］，各模塊間采用國際化和開放式的現場標準Profibus-DP 總線進行通信，可進行快速、實時的數據傳送。PLC 是變頻器與工控機間指令通訊的橋梁，通訊數據幀中包含參數選擇、轉矩設定值及限幅設定值等幾個變量。

Labview 軟件可以通過多種方式與PLC 通信，本平臺使用OPC-Server 實現上述通訊，如圖6 所示。在PLC 中設定關鍵字，通過OPC-Server 服務器將變量值讀取到電腦內存中，然后在Labview項目中創建I/O 服務器以共享變量的方式讀取電腦內存中的數據。

圖6 Labview 與PLC 通訊流程圖

4 測試實例

4.1 調壓器電源給永磁電機供電

永磁電機起動過渡時間短，電流沖擊大，傳統的調壓器供電時要考慮調壓器的容量，勢必造成“大馬拉小車”的資源浪費。圖7 為基于變頻器的能量回饋式永磁電機自動化測試平臺實物圖，鑒于調壓器輸入、輸出端電壓存在相位差，且各廠家、各型號、各批次產品相位差也有差別，單純地靠接觸器的延時控制完成電源切換并不可靠，安全性能差;而采用軟啟動裝置又將增加系統的構建成本。

圖7 永磁電機自動化測試平臺

為避免被試電機直接起動時產生的電流沖擊給調壓器造成機械損傷，本測試平臺在測試電壓偏差條件下永磁電機工作性能時，首先由變頻器驅動負載電機反拖被試電機至同步速，調節調壓器電源至額定電壓附近，由測試系統自動檢測調壓器電源及被試電機反電勢的相位，采用發電機并網的方式解決調壓器給永磁電機供電起動的問題［10～11］，從而實現永磁電機由調壓器供電的平穩切換。

4.2 綜合節能測試效果

由圖1 可知，負載側大部分能量經變頻器回饋至被試電機供電輸入端，系統內部形成能量環流，大大減少收費電表的進線功率，測試過程中系統整體耗電量是非常有限的，僅為測試臺各設備的自身損耗之和［12～15］。測試系統能量消耗狀況及流動示意如圖8 所示。

圖8 測試系統能量流動

5 結論

本文應用Labview 軟件平臺開發了一套永磁電機綜合測試系統，系統采用四象限變頻器驅動的永磁伺服電機作負載，動態響應快，加載精度高，且測試過程中能量回饋率可達83%;此外，該系統更改了供電電源結構，結合負載電機可完成調壓器電源的無沖擊投入或切換，能測試不同電壓等級下永磁電機的工作性能，完善了新時期針對用戶實際應用場合的永磁電機性能要求。強大的軟件系統完成了對數據采集卡、I/O 控制器、PLC 及變頻器的控制，系統的自動控制功能提高了整個測試過程自動化程度，并且測試過程中節能效果顯著，其提出的測試系統能量內循環回饋配電模式被企業廣泛采納。

現場運行實踐表明，該測試平臺運行狀況良好，節能效果明顯，界面友好，安全性能高，功能齊全，軟件及硬件均留有一定的開發裕量，為日后平臺升級或硬件升級提供了便利。

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