基于反饋式的電機(jī)檢測(cè)技術(shù)研究

雷奶華，陳筱鐵，溫韻光

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

0 引言

電機(jī)檢測(cè)主要由空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)等項(xiàng)目構(gòu)成，其中電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)是一個(gè)重要組成部分，通過負(fù)載試驗(yàn)可以獲得電機(jī)機(jī)械特性、效率和功率等性能指標(biāo)［1］。傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化程度較低、消耗能量高［2］?；诜答伿綔y(cè)試系統(tǒng)采用直流電機(jī)作為被試電機(jī)的負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)被試電機(jī)的數(shù)字化控制，將直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將發(fā)出的電能反饋給電網(wǎng)，形成一個(gè)負(fù)反饋式的閉環(huán)節(jié)能型測(cè)試系統(tǒng)。我單位和上海電器科學(xué)研究所一起研究的110kW反饋式電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，采用西門子SIMOREG直流變頻器和調(diào)速裝置，以及雙逆變器構(gòu)建反饋系統(tǒng)，經(jīng)多次試驗(yàn)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(gè)逆變單元，在實(shí)現(xiàn)中用變頻器給予解決。被測(cè)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)直流機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，直流電機(jī)發(fā)出的能量回饋到直流母線上，為被測(cè)電機(jī)提供能量，減少了整流單元的進(jìn)線功率，實(shí)現(xiàn)了能量的回饋［3］。主動(dòng)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(shí)現(xiàn)直流母線上的電壓可調(diào)，電機(jī)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(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)。

圖1 電能反饋原理

根據(jù)電能反饋原理，檢測(cè)技術(shù)的核心是低壓變頻和交直流逆變。反饋檢測(cè)技術(shù)的主要特點(diǎn)：一是在硬件構(gòu)建上采用了模塊化設(shè)計(jì)和冗余技術(shù)設(shè)計(jì)，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(shù)，實(shí)現(xiàn)了能量的封閉循環(huán)使用，節(jié)能效果顯著，在對(duì)拖試驗(yàn)中，拖動(dòng)直流電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)補(bǔ)充的是2臺(tái)電機(jī)的損耗和電源本身的損耗，節(jié)能效果高達(dá)30%；三是采用了PLC可編程控制器、觸摸屏和計(jì)算機(jī)控制，具有完善的保護(hù)功能和監(jiān)控功能，對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)和電源工作狀態(tài)全程監(jiān)控保護(hù)，增加了系統(tǒng)的可靠性［4］；四是系統(tǒng)具有無功補(bǔ)償功能，在空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)補(bǔ)充的是有功功率和損耗，無功功率由變頻電源提供補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2 負(fù)反饋檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示，由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)采用工控機(jī)，軟件基于VC 6.0可視編程而成。PLC作為下位機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求編寫相應(yīng)的控制程序，用西門子的繼電器輔助觸點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)、變頻器的運(yùn)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(diào)速裝置，進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)，變頻器是矢量控制型變頻器，采用模塊化構(gòu)成。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

拖動(dòng)直流電機(jī)和被試電機(jī)均固定安裝，兩者之間通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行聯(lián)接，變壓器和調(diào)壓器調(diào)節(jié)被試電機(jī)的進(jìn)線電源，調(diào)壓器負(fù)責(zé)電壓的大小；直流變頻器和調(diào)速裝置控制直流電機(jī)的進(jìn)線頻率和轉(zhuǎn)速［6］。主動(dòng)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(shí)現(xiàn)直流母線上的直流電變?yōu)榻涣麟?，供給被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)。

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可完成電動(dòng)機(jī)的空載、溫升、負(fù)載、電阻和損耗等參數(shù)的測(cè)量。在冷態(tài)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采集電機(jī)的電阻和環(huán)境溫度，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行阻值換算。首先是溫升試驗(yàn)，由直流電機(jī)帶動(dòng)被試電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，使被試電機(jī)達(dá)到額定電壓和額定電流，在電機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行熱態(tài)電阻測(cè)量與換算；其次是負(fù)載試驗(yàn)，在0.25～1.25倍的額定功率范圍內(nèi)取6～8個(gè)點(diǎn)，用最小二乘法模擬測(cè)試曲線，在額定功率點(diǎn)求出效率值，從而算出各種損耗；再次是空載試驗(yàn)，脫掉聯(lián)軸器，使被試電機(jī)空載運(yùn)行，按額定電壓的0.5～1.5倍取6～8個(gè)點(diǎn)，同樣用最小二乘法模擬測(cè)試曲線，在額定電壓點(diǎn)求出空載電流和空載功率，從而完成空載試驗(yàn)。系統(tǒng)測(cè)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(jī)的原始數(shù)據(jù)使用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀器進(jìn)行采集，直流電阻采用低壓電阻測(cè)量?jī)x采集，溫度采用熱電機(jī)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(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成。電壓、功率等的參數(shù)顯示由數(shù)顯儀表完成，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。電器傳感器將需要測(cè)量的電信號(hào)變換成允許輸入到模擬量輸入模塊的信號(hào)，通過該模塊A／D轉(zhuǎn)換送入PLC，經(jīng)過總線傳送到上位機(jī)進(jìn)行下一步處理。對(duì)于負(fù)載試驗(yàn)電信號(hào)的測(cè)量，由于電信號(hào)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(jī)。

2.4 負(fù)載試驗(yàn)流程

檢測(cè)系統(tǒng)采用異步電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，被測(cè)電機(jī)采用恒壓頻比控制方式，負(fù)載電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式。被測(cè)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，可以在變頻器的控制下改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，完成被測(cè)電機(jī)的機(jī)械特性測(cè)試。在試驗(yàn)操作面板上，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，最先電機(jī)運(yùn)行在空載狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)按照給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增量逐漸增加負(fù)載，轉(zhuǎn)矩一變化，數(shù)據(jù)采集1次，直到給定的1.5倍被試電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩值［7］。在控制面板的上位機(jī)程序運(yùn)行時(shí)，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(jī)試驗(yàn)采用能量回饋方式進(jìn)行，且變頻試驗(yàn)電源具有無功補(bǔ)償功能和軟啟動(dòng)功能，所以對(duì)配電系統(tǒng)的總進(jìn)線容量要求大幅降低，一般只要有最大被試電機(jī)功率的35%即可。按設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)芰σ?，系統(tǒng)只要提供700kVA的配電容量，就可以完成相關(guān)試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)項(xiàng)目。具體來說，需要提供700kVA／50Hz，電壓等級(jí)任意的配電到指定地點(diǎn)即可。

3 試驗(yàn)結(jié)果

選取1臺(tái)型號(hào)為Y2200L-4的電機(jī)，額定功率30kW，額定電壓380V／50Hz，額定電流56.8A。在負(fù)載試驗(yàn)中，被試電機(jī)的變頻器的輸出數(shù)據(jù)如表1所示，負(fù)載電機(jī)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(jī)空載的存在，2個(gè)變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩不一樣，被試電機(jī)輸出的功率除了被負(fù)載電機(jī)消耗外，還有部分功率被自身的運(yùn)行消耗掉。從功率數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，節(jié)能率也提高。

檢測(cè)出的負(fù)載性能數(shù)據(jù)如表3所示，測(cè)出的轉(zhuǎn)差率為1.64%，算得轉(zhuǎn)速為1475r／min，整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率為32.215kW，測(cè)得被試電機(jī)的效率為93.1%。

表1 被試電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)

表2 負(fù)載電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)

表3 被試電機(jī)負(fù)載性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

介紹了基于反饋式的電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為下位機(jī)，工控機(jī)作為上位機(jī)，采用西門子SIMOREG變頻器和調(diào)速裝置進(jìn)行直流控制，自動(dòng)集成數(shù)據(jù)進(jìn)行溫升和負(fù)載試驗(yàn)。系統(tǒng)具有節(jié)能、操作簡(jiǎn)單和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，通過試驗(yàn)證明檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

［1］許實(shí)章.電機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

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［6］王益全，張炳義.電機(jī)測(cè)試技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

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［8］GB／T 1032-2012，三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.