基于电能回馈技术的电机测试系统研究

丁振林

（海军装备部，北京 100841）

1 引言

众所周知，电机的各项精确参数对优化电机性能具有深远的意义。尤其在以变频器供电下，频率变换及各频率下电机运行参数的测试，谐波对电机的影响，对电机性能的分析和参数优化具有非常重要的意义。近年来，计算机技术、电子技术和电机控制技术的不断发展，推动了电机测试技术的发展，为电机测试采用新的测试方法和高精度技术提供了可能性。

本文结合当前测试技术的现状和发展趋势，针对交流变频电机，通过选取相应的硬件设备，在LabView软件平台上完成软件设计及研制，建立电机测试系统，实现对电机各项性能和参数的精确测试。

2 电机测试系统原理

2.1 负载加载方案

长期以来，电机测试的最大难点是对负载的精确加载和测试。而随着电力电子和电机控制技术的迅速发展，交流电力测功机是目前市面上较为先进的加载测功设备，尤其在中小功率以及微小功率的动力机械加载测功试验中，可以兼顾各动力机械的低速及高速加载测功试验，尤其在低速机械的加载测功方面，则更是其它方法无可比拟的，它几乎可以从0转速开始就提供电力测功机的额定转矩；同时，交流电力测功机还有一个最大的优点是能源回馈功能，它可以将被测机械发出的能量以电能的形式回馈给电网，供其他设备使用，而不是将能量转换成热能消耗掉。从这一点来说，交流测功机在使用经济性是其他测功机无法比拟的，特别在这个能源越来越紧张的年代，节能环保已经被越来越多的企业所重视。

图1为交流电力测功机与传统测功机的比较。

交流电力测功机能量回馈的基本原理是电源通过整流器整流后，以逆变器为加载电机供电，当加载电机工作在发电状态时，电能被转换到直流侧，通过前端的整流器（工作在逆变状态），将其变为交流电，并回馈电网。

因此采用高效节能的交流电力测功机的加载方案，能精确地控制其转速和转矩，使加载电机吸收的能量返回电网，节约了能源。

图1 多种方式测功机比较图

图2 能量回馈原理图

2.2 控制方案

现代变频器产品的控制技术主要有3种：脉宽调制（PWM）,矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）。在电机测试应用中，电机的转矩和转速是其主要的控制对象和测量参数，因此适合采用具有优异转矩和转速控制特性的矢量控制和直接转矩控制变频器。

DTC 直接转矩控制（Direct Torque Control），它可以在转矩开环（无扭矩传感器）和转矩闭环（有扭矩传感器转）两种控制模式下精确地控制加载电机的转矩或转速，并具有转矩动态响应，优异的转矩-转速控制特性，高效节能和高可靠性。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果、把转矩直接作为被控量，既直接又简化。

在本方案中，采用一台带整流/回馈单元的变频器驱动加载电机，该变频器由整流/回馈单元，逆变器组成。整流/回馈单元由两个反并联功率器件组成，其能量可以在两个方向上流动，既能从电网吸收能量又能够将电能送回电网（四象限工作）。发电工作桥通过一台自耦变压器和电网相连接。当电动机处于发电状态时，电能可通过其回馈单元回馈电网。

3 电机测试系统主要构成

电机测试系统平台主要包含电源、交流测功机、测功机控制器、电参数分析仪、负载电机、电机测试软件及试验台架等部件（见图3）。

被试电机为异步电机，与加载电机同轴连接，轴上安装有转速转矩传感器。为适应多规格电机的试验，对被试电机的安装与连接装置设计为可升降式试验电机安装平台及X、Y两方向带锁紧机构的移动台架。

加载方案采用回馈型的交流电力测功机方案，能精确地控制加载电机的转速和转矩，并将加载电机吸收的能量通过变频器直接返回电网。

电压、电流等电机电参数和温度由电参数分析仪进行采集，通讯到工控机。

设计专用的电机测试软件，进行各种信号的采集、分析和处理，具有自动采集并能实时显示和保存采集数据、自动生成曲线的功能。

4 测试软件

测试软件是基于LabVIEW 计算机虚拟仪器软件开发平台，运行在 Windows XP 操作系统下进行数据采集、信号处理和图形显示的电机专用测试软件。它与交流测功机、测功机控制器、电参数分析仪、试验电源及其它测控设备配套使用，共同构成机、电、仪三位一体化的计算机实时测控系统，实现电机与控制器的全虚拟化自动测试。

虚拟仪器的硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展，如图4为虚拟仪器的基本构成。

软件具有手动测试、自动测试、PID 定标等多种实验模式，可以全面检测被测电机的性能参数和特性曲线。计算机采集和计算的试验数据可以显示、储存、或以图表和曲线的格式打印测试报告，并自动转换为 Excel 电子表格式（图5为软件的人机界面。）。

图3 电机测试平台系统构成图

图4 虚拟仪器的基本构成

图5 软件人机界面

5 结束语

本文中所述的电机测试系统已成功应用于交流电动机的测试，具有可靠性高、扩展性强、可以定制等特点，根据需求可以单独或整合使用，充分适应各种试验场合，可精确测试电机各项性能和参数，为电机的优化打下坚实的基础。

[1] 王益全, 张炳义.电机测试技术. 北京：科学出版社，2004.

[2] 申忠如, 郭福田, 丁晖.现代测试技术与系统设计.西安: 西安交通大学出版社，2006.

[3] 邓焱，王磊，傅琦等.Labview7.1测试技术与仪器应用.北京：机械工业出版社.