雷奶華，陳筱鐵，溫韻光

（1.寧德出入境檢驗檢疫局，福建 福安 355017；2.福建出入境檢驗檢疫局，福建 福州 350003）

0 引言

電機檢測主要由空載試驗和負載試驗等項目構成，其中電機負載試驗是一個重要組成部分，通過負載試驗可以獲得電機機械特性、效率和功率等性能指標［1］。傳統(tǒng)的電機測試系統(tǒng)結構復雜，自動化程度較低、消耗能量高［2］?；诜答伿綔y試系統(tǒng)采用直流電機作為被試電機的負載，可實現(xiàn)被試電機的數(shù)字化控制，將直流電機作為發(fā)電機運行，將發(fā)出的電能反饋給電網(wǎng)，形成一個負反饋式的閉環(huán)節(jié)能型測試系統(tǒng)。我單位和上海電器科學研究所一起研究的110kW反饋式電機檢測系統(tǒng)，采用西門子SIMOREG直流變頻器和調速裝置，以及雙逆變器構建反饋系統(tǒng)，經多次試驗證明，系統(tǒng)可靠、安全、節(jié)能。

1 電能反饋原理

電能反饋原理如圖1所示。從圖1可以看到，直流母線上掛有2個逆變單元，在實現(xiàn)中用變頻器給予解決。被測電機工作在電動狀態(tài)，拖動直流機工作在發(fā)電狀態(tài)，直流電機發(fā)出的能量回饋到直流母線上，為被測電機提供能量，減少了整流單元的進線功率，實現(xiàn)了能量的回饋［3］。主動型電源模塊作為整流單元，將電網(wǎng)的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，并能將直流電回饋到電網(wǎng)，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)直流母線上的電壓可調，電機模塊作為逆變單元，將直流母線上的直流電變?yōu)榻涣麟姽┙o被測電機和負載電機。

圖1 電能反饋原理

根據(jù)電能反饋原理，檢測技術的核心是低壓變頻和交直流逆變。反饋檢測技術的主要特點：一是在硬件構建上采用了模塊化設計和冗余技術設計，即使某一模塊出現(xiàn)故障，將該模塊退出，系統(tǒng)仍然能正常工作，保證了系統(tǒng)可靠性；二是采用了電能反饋技術，實現(xiàn)了能量的封閉循環(huán)使用，節(jié)能效果顯著，在對拖試驗中，拖動直流電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，系統(tǒng)補充的是2臺電機的損耗和電源本身的損耗，節(jié)能效果高達30%；三是采用了PLC可編程控制器、觸摸屏和計算機控制，具有完善的保護功能和監(jiān)控功能，對試驗狀態(tài)和電源工作狀態(tài)全程監(jiān)控保護，增加了系統(tǒng)的可靠性［4］；四是系統(tǒng)具有無功補償功能，在空載試驗、堵轉試驗時，系統(tǒng)補充的是有功功率和損耗，無功功率由變頻電源提供補償，實現(xiàn)節(jié)能。

2 負反饋檢測系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件構成如圖2所示，由上位機和下位機構成，上位機采用工控機，軟件基于VC 6.0可視編程而成。PLC作為下位機，根據(jù)試驗項目的要求編寫相應的控制程序，用西門子的繼電器輔助觸點的開關狀態(tài)、變頻器的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸［5］。加載系統(tǒng)采用西門子SIMOREG直流變頻器和調速裝置，進行變頻驅動，變頻器是矢量控制型變頻器，采用模塊化構成。

圖2 檢測系統(tǒng)的組成

拖動直流電機和被試電機均固定安裝，兩者之間通過轉矩轉速傳感器進行聯(lián)接，變壓器和調壓器調節(jié)被試電機的進線電源，調壓器負責電壓的大小；直流變頻器和調速裝置控制直流電機的進線頻率和轉速［6］。主動型電源模塊作為整流單元，將電網(wǎng)的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，并能將直流電回饋至電網(wǎng)，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)直流母線上的直流電變?yōu)榻涣麟?，供給被測電機和負載電機。

2.2 軟件功能設計

系統(tǒng)可完成電動機的空載、溫升、負載、電阻和損耗等參數(shù)的測量。在冷態(tài)時，系統(tǒng)自動采集電機的電阻和環(huán)境溫度，根據(jù)國家標準GB1032-2012《三相異步電動機試驗方法》的要求進行阻值換算。首先是溫升試驗，由直流電機帶動被試電機啟動系統(tǒng)，使被試電機達到額定電壓和額定電流，在電機達到熱穩(wěn)定時，進行熱態(tài)電阻測量與換算；其次是負載試驗，在0.25～1.25倍的額定功率范圍內取6～8個點，用最小二乘法模擬測試曲線，在額定功率點求出效率值，從而算出各種損耗；再次是空載試驗，脫掉聯(lián)軸器，使被試電機空載運行，按額定電壓的0.5～1.5倍取6～8個點，同樣用最小二乘法模擬測試曲線，在額定電壓點求出空載電流和空載功率，從而完成空載試驗。系統(tǒng)測量出的數(shù)據(jù)通過VC6.0編程的界面給出，方便閱讀和編輯。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

電機的原始數(shù)據(jù)使用轉速轉矩儀器進行采集，直流電阻采用低壓電阻測量儀采集，溫度采用熱電機采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PLC模擬量輸入模塊和電壓、電流、功率的采集儀器以及轉速傳感器構成。電壓、功率等的參數(shù)顯示由數(shù)顯儀表完成，以便于實時監(jiān)控。電器傳感器將需要測量的電信號變換成允許輸入到模擬量輸入模塊的信號，通過該模塊A／D轉換送入PLC，經過總線傳送到上位機進行下一步處理。對于負載試驗電信號的測量，由于電信號是非正弦量，不能由電器傳感器提供，而由變頻器提供，數(shù)據(jù)通過總線傳送到PLC，再送至上位機。

2.4 負載試驗流程

檢測系統(tǒng)采用異步電機作為負載電機，被測電機采用恒壓頻比控制方式，負載電機采用轉矩控制方式。被測電機工作在電動狀態(tài)，負載電機工作在發(fā)電狀態(tài)，可以在變頻器的控制下改變負載轉矩，完成被測電機的機械特性測試。在試驗操作面板上，首先進行數(shù)據(jù)初始化，最先電機運行在空載狀態(tài)，負載電機按照給定的負載轉矩增量逐漸增加負載，轉矩一變化，數(shù)據(jù)采集1次，直到給定的1.5倍被試電機的額定轉矩值［7］。在控制面板的上位機程序運行時，PLC的控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

2.5 配電系統(tǒng)要求

系統(tǒng)的電機試驗采用能量回饋方式進行，且變頻試驗電源具有無功補償功能和軟啟動功能，所以對配電系統(tǒng)的總進線容量要求大幅降低，一般只要有最大被試電機功率的35%即可。按設計的試驗能力要求，系統(tǒng)只要提供700kVA的配電容量，就可以完成相關試驗能力和試驗項目。具體來說，需要提供700kVA／50Hz，電壓等級任意的配電到指定地點即可。

3 試驗結果

選取1臺型號為Y2200L-4的電機，額定功率30kW，額定電壓380V／50Hz，額定電流56.8A。在負載試驗中，被試電機的變頻器的輸出數(shù)據(jù)如表1所示，負載電機變頻器的輸出數(shù)據(jù)如表2所示［8］。從表1和表2可以看出，由于被試電機空載的存在，2個變頻器輸出的轉矩不一樣，被試電機輸出的功率除了被負載電機消耗外，還有部分功率被自身的運行消耗掉。從功率數(shù)據(jù)的對比可以看出，系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能，隨著轉矩的增加，節(jié)能率也提高。

檢測出的負載性能數(shù)據(jù)如表3所示，測出的轉差率為1.64%，算得轉速為1475r／min，整個系統(tǒng)的輸入功率為32.215kW，測得被試電機的效率為93.1%。

表1 被試電機變頻器輸出數(shù)據(jù)

表2 負載電機變頻器輸出數(shù)據(jù)

表3 被試電機負載性能數(shù)據(jù)

4 結束語

介紹了基于反饋式的電機檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為下位機，工控機作為上位機，采用西門子SIMOREG變頻器和調速裝置進行直流控制，自動集成數(shù)據(jù)進行溫升和負載試驗。系統(tǒng)具有節(jié)能、操作簡單和易于維護等優(yōu)點，通過試驗證明檢測數(shù)據(jù)準確有效。

［1］許實章.電機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

［2］葉水音.電機學［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］周 鵬，王 英.能量回饋型異步電機測試系統(tǒng)［J］.電機與控制應用，2011，38（4）：57-59.

［4］閆華光，范 瀅，段小華，等.基于電能回饋技術的電機智能測試系統(tǒng)［J］.電機與控制應用，2007，34（2）：52-54.

［5］丁振林.基于電能回饋技術的電機測試系統(tǒng)研究［J］.船電技術，2011，31（7）：66-68.

［6］王益全，張炳義.電機測試技術［M］.北京：科學出版社，2004.

［7］蔡海濱.直流調速技術在卸煤機上的應用［J］.起重運輸機械，2006，（5）：78-80.

［8］GB／T 1032-2012，三相異步電動機試驗方法［S］.