三相异步电动机型式试验系统的设计与实现*

潘玉成, 宋莉莉,2, 雷奶华, 叶宗贤

(1.宁德职业技术学院 机电工程系，福建 福安 355000；2.福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350108；3.宁德出入境检验检疫局，福建 福安 355017；4.福建闽东电机股份有限公司，福建 福安 355009)

三相异步电动机型式试验系统的设计与实现*

潘玉成1, 宋莉莉1,2, 雷奶华3, 叶宗贤4

(1.宁德职业技术学院 机电工程系，福建 福安 355000；2.福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350108；3.宁德出入境检验检疫局，福建 福安 355017；4.福建闽东电机股份有限公司，福建 福安 355009)

针对传统电动机型式试验中存在测量精度低、响应速度慢、耗电量大、工作效率低和劳动强度大等问题，根据电动机测试的相关国家标准，基于LabVIEW软件平台设计了以工控机为核心的三相异步电动机型式试验测试系统。测试系统能够自动控制电动机试验全过程，实现试验数据的自动采集、分析和处理，并绘制相应的特性曲线及自动生成试验报告，测试过程具有手动和自动测试两种工作模式。试验结果表明，该系统满足了三相异步电动机型式试验的测试要求，且操作方便、测试速度快、精度高、节电效果明显。

三相异步电动机； 型式试验； 工控机； LabVIEW

0 引 言

电动机型式试验目的是为了验证电动机的电气和机械性能是否符合产品标准和设计要求，是电动机产品鉴定中不可缺少的一个重要环节。传统电动机型式试验大都采用手动方式实现对各项目的测试，测试参数通过仪表来读取采集，再对数据进行计算或绘制特性曲线。测试受操作人员熟练程度的影响较大，测试结果的准确度和可靠性较差[1]。随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电动机自动测试提供了更多新的方法。本文以工控机为核心构成电动机测试系统，实现对三相异步电动机多种特性的测试，并在测试过程中对被测电动机的试验参数进行采集、处理、显示和存储，实现了对电动机测试过程的自动控制。

1 系统硬件结构设计

系统硬件结构是以工控机(上位机)和可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)(下位机)为主要控制设备，由输入单元、输出接线单元、操作单元、变频试验电源单元、监控保护单元和测量单元组成，通过数据采集卡和传感器采集试验过程中的各种数据信号，工控机根据预先编写好的程序实现对测试流程的控制，完成对三相异步电动机试验项目的测试。系统采用能量回馈方式进行试验，回馈系统采用分量程三套变频器回馈方式，使得对配电系统的总进线容量要求大幅降低。被试电机和陪试电机的电源由两路变频电源提供,可按不同电机的试验要求通过内部控制产生电压、频率和波形不一样的电源[2-4]。系统总体组成结构框图如图1所示。

图1 系统总体组成结构框图

1.1 输入单元

该单元主要包含输入开关柜和输入变压器，其中输入变压器有两个作用，其一是将配电系统提供的电压变换为选用的BMP变频电源的电压等级；其二是谐波治理，通过输入变压器的特殊设计，可以降低BMP变频电源对电网的污染，以达到符合国家相关标准的要求。

1.2 输出接线单元

该单元主要为系统试验接线而设计。由于系统较为复杂，既有交流，又有直流，既有正弦波，又有PWM波，且设备可能远离试验区，从安全和方便的角度出发，设计了接线箱，用于给被试电机和陪试电机供电。

1.3 操作单元

该单元主要为试验人员操作方便而设计。系统所要完成的试验项目较多且过程也会变化，系统提供了手动操作和自动操作两种模式，相关的操作在安装于琴键式操作台上的触摸屏和工控机系统上进行。

1.4 变频试验电源单元

变频试验电源单元是核心单元。变频试验电源包含整流模块、逆变模块、滤波变压器模块，采用模块化及冗余技术设计，利用能量回馈实现能量的封闭循环使用，实现负载电压的耦合，阻抗匹配性能好，节能效果显著[5-6]。试验电源在20～100 Hz范围内可以满足以下要求：谐波电压因数(HVF)≤1.5%；三相电压系统的负序分量小于正序分量的0.5%，零序分量要求消除；频率偏差不超过±0.3%；频率变化量不超过±0.1%。变频试验电源具有如下功能：

(1) 提供被试电机所需要的正弦波交流输出试验电源，且可单独改变输出电压和输出频率值，以满足不同电动机的试验要求；

(2) 具有很好的输出波形，谐波失真度：THD≤1.5%；

(3) 具有并机使用功能，两台同型号变频电源并机使用，容量增大近一倍；

(4) 具有叠频输出功能，能满足电机叠频试验的要求。

1.5 监控保护单元

由于本系统较为庞大和复杂，故必须要有较为完善的监控保护系统来保护设备和被试电机的安全。系统监控保护功能主要通过PLC和触摸屏的组合来实现，具有内、外部完善的保护功能。其中内部保护包括：欠压、过压、过流保护；直流回路和冷却回路保护；缺相、短路、接地保护；超速保护；光纤通信监控保护等。外部保护主要有主回路自动断路器、手动急停及防止误操作等。系统监控的内容有输出的电压、线电流、直流母线电压、工作模式和工作状态等，相关内容全部在触摸屏上可以显示[7]。

1.6 测量单元

该单元主要包含测量电动机性能参数的各类传感器、数据采集卡和数字仪器仪表，如转矩转速传感器、电压传感器、电流传感器、转矩转速仪及功率分析仪等。测量系统在工控机的控制下通过数据采集卡采集测试过程的试验参数信号，测量被试电机的电压、电流、输入功率、功率因数等各项输入参数，被试电机的电量参数都传输到上位机，通过软件实现实时监控[8-9]。系统的软件具有数据库管理功能，可以方便地查询和打印原始的测量数据，所有参数的原始值都通过数据库管理，数据库管理功能可以方便查询所有试验记录，保证试验数据不丢失。

2 系统功能和主要技术参数

2.1 系统功能

该系统能自动完成三相异步电动机直流电阻测试、空载测试、负载特性测试、温升测试、堵转测试和M-S特性测试；需要采集的电参量有三相电压、三相电流、功率，非电参量有转速、转矩及温度；实现从试验数据的采集、处理分析至最终试验报告的生成 。

(1) 对拖负载试验具有能量回馈功能。由于采用了逆变器共直流母线的方式，在电机对拖试验时，陪试电机工作在发电机状态，通过加载用的变频电源经变换后回馈到给被试电机供电的电源，再由该电源变换后供给被试电机，从而形成能量的循环使用。此时，被试电机消耗的能量，大部分来自于陪试电机，而总进线电源仅补充系统自身的消耗，能够最大限度降低整流单元的进线功率。

(2) 空载堵转试验具有无功补偿功能。电动机空载试验和堵转试验时，一般功率因数比较低，吸取无功功率很多，由于变频试验电源输出时具有补偿功能，只从电网吸取有功功率。

(3) 叠频试验具有能量回馈和无功补偿双功能。在没有配对的陪试电机时，单个电机可通过叠频温升试验得到温升值。此时，由于有主频和辅频两种频率的波形供电，会产生两种状态，一是电动，另一是发电，在发电状态下的电能回馈到供电的变频电源，经变换后会引起直流母线电压升高，需要回馈电网。另外，由于叠频试验时，功率因数一般也比较低，大量的是无功功率，变频试验电源输出时，具有补偿功能，从电网吸取的只是有功功率和补充的电机损耗。

直流电阻：0.005～2 000 Ω，0.2%；交流电压：0～600 V，0.2%；交流电流：0～500 A，0.2%，电流分三路输出，0～100 A可测试到7.5 kW电动机满压堵转试验，20～500 A时18.5 kW以下电动机满压堵转试验，18.5 kW以上电动机做到2倍额定电流；输入功率：0.75～110 kW，0.2%；频率：50、60 Hz，0.01 Hz；温度：-20～200 ℃，±1 K；转速：0～4 000 r/min，±1 r/min；扭矩：20～100～500～2 000 N·m，0.2%。试验设备要求的环境条件如下：环境温度：-10～45 ℃；相对湿度：不大于90%(25 ℃)；海拔高度：≤1 000 m；安装地点为户内。

3 系统软件设计

该系统的软件设计按照模块化的程序设计思想，采用图形化编程语言LabVIEW软件来编写应用程序。图形化编程语言便于设计、观察和修改，因此大大降低了测试系统开发周期、编程量，提高了开发效率。系统软件结构由操作界面程序、通信程序、数据采集程序和数据分析处理程序四个模块组成[10-11]。系统软件提供友好直观的人机操作界面，且操作简单方便，可在测试过程中自动完成试验参数的采集、处理、显示和存储，能制作完整的型式试验报告。系统软件流程图如图2所示。

图2 系统软件流程图

(1) 操作界面模块是电动机测试系统的管理控制程序，包含各试验项目的控制算法和整个试验流程的控制。通过输入相关的电动机特性参数就可以完成数据采集、分析处理、显示试验波形、绘制各种曲线和生成试验报告等[12]。

(2) 通信程序模块实现系统内部数据传输交换和资源共享，LabVIEW通过计算机的串口与各个测量仪表之间进行串行通信，获取仪表中的测量数据，工控机、PLC和变频器之间通过建立PROFIBUS(Process Field Bus)网络来进行数据传输[13]。

(3) 数据采集模块主要是编写采集卡的驱动程序，数据采集卡的驱动设计分为接口驱动程序和对串口的驱动程序两个部分。数据采集卡是通过计算机对其内部寄存器进行读写操作，实现各传感器信号的读取及测量过程的控制。

(4) 数据分析处理模块是对采集得到的试验参数进行处理，保存实现结果，管理和分析试验数据。试验数据的分析处理包含预处理和二次处理。预处理主要是完成数字滤波和数据转换，降低采集信号中的噪声干扰，提高信号噪声比例；二次处理主要是完成试验数据的各种运算。根据最小二乘原理，构建了电动机测试特性曲线的各种拟合数学模型[13],如表1所示。

表1 特性曲线的数学模型

4 三相异步电动机性能测试

该系统可完成三相异步电动机型式试验中冷热态直流电阻测试、空载试验、堵转试验、负载试验、转矩试验和热试验等主要试验项目，系统的整体控制和测量具有手动操作和自动操作两种模式。在自动操作模式下，全部由上位机(工控机)控制，相关测量参数由仪表传输到工控机。整个操作过程，全部由软件提供相应界面来引导进行，并且自动完成整个测量过程。

4.1 直流电阻的测量

“5.24”事故起因是内蒙新能源公司检修部员工在红牧风电场35kV五回线预试作业过程中，走错间隔，误上运行中的四回线53号电杆，造成触电烧伤。所以预防触电造成的安全事故必须加强现场作业人员的安全意识，注重电气知识和业务技能培训，具备必要的安全知识和紧急救护法。规范作业行为，严格按照电气安规中要求进行电气作业，禁止工作班成员擅自扩大工作范围，禁止非工作班成员参加工作。部分停电的工作，工作人员与未停电设备安全距离小于《设备不停电时的安全距离表》的规定时，应装设临时遮栏，其与带电部分的距离符合《人员工作中与设备带电部分的安全距离表》要求，并悬挂“止步，高压危险！”的标示牌。

电动机直流电阻测量为自动方式，数字电阻测量仪通过接口与工控机进行通信，实现电阻参数的测量与采集。在环境温度下，采用数字电桥(四端法)测量电动机绕组的直流电阻，通过换算求出基准温度下的电阻值，如图3所示。

图3 电动机直流电阻测量图

4.2 空载试验

让电动机在额定电压、额定频率及转子不带负载的情况下运行，待机械损耗达到稳定值时，从1.2倍额定电压开始给被测电机施加电压，慢慢降低电压，直到电动机电流开始回升时停止。从这一过程中选取8～10点，测量并记录每个点的空载电压、空载电流及空载输入功率值。系统会自动绘制电动机的空载特性曲线，并计算分析铜耗、铁耗和机械损耗等[14]，如图4所示。

图4 电动机空载特性曲线图

4.3 负载试验

电动机在额定电压下运行，当电动机的温度接近热稳定状态时，通过人工调节电动机负载，并在额定负载0.25～1.25倍之间均匀选取6～8点，测量并记录每个点的电压、电流、输入功率、输出功率、转速和转矩值，可通过测量输入输出功率的损耗分析法(B法)或负载杂散损耗采用推荐值的损耗分析法(E1法)确定效率，并绘制电动机负载特性曲线，如图5所示。

图5 电动机负载特性曲线图

4.4 堵转试验

试验是在电动机处于接近冷态时进行，使用工具将电机转子堵住，从1.1倍的电动机额定电压开始，慢慢降低施加电压，直到电动机的电流接近额定电流时停止。在这过程中测取6～8点数据，记录电压、电流、功率及转矩值，系统自动处理每个采样点记录的数据，并绘制出电动机转矩特性曲线。当采用电阻法测堵转时，只记录电压、电流、功率的数值，每测完一点，测取定子绕组的电阻值，以此计算出对应的转矩值[15]，然后绘制出电动机堵转特性曲线，如图6所示。堵转试验中由于电动机一直都处在过载状态，要严格控制电动机的通电时间以保护电动机的使用寿命。

图6 电动机堵转特性曲线图

4.5 热试验

该系统采用电阻法测定电动机绕组的温升，利用电动机绕组在发热时其电阻值的变化来测量绕组的温度。当电动机在额定工作条件下运行到热稳定状态时，断电后测取其绕组的电阻值降落曲线，从而反推到断电瞬间的电阻值，并根据电动机温升计算公式来求出绕组的温升。在试验过程中，人工稳定负载，应采取措施减少冷却介质温度的变化。当电动机温升稳定后，系统会发出断电停机的提示信号，如图7所示。热试验一般从冷态开始，由电动机的工作制来确定试验结束的时间。为了缩短试验时间，在热试验开始时，可以适当过载。

图7 电动机热试验图

4.6M-S特性测试

试验通过人工调节电动机负载的方法，使被试电机在额定电压下从空载到堵转，再从堵转到空载，此过程中记录当时的转矩、转速以及对应点的电压值，可在屏幕上绘制其M-S曲线，并从升速曲线上寻找最小转矩点，从降速曲线上寻找最大转矩点，寻找结果最后用电压进行修正。以上两条曲线可由计算机自动完成，如图8所示。

图8 电动机M-S曲线图

按国标GB/T 1032—2012的要求，还有其他的试验项目，如绕组对机壳及绕组相互间绝缘电阻的测定、噪声测定、振动测定、工频耐压、匝间耐压测试等，是以系统提供输入界面，在人工测定后，将相关数据输入计算机，一并生成试验报告。

5 结 语

该系统以LabVIEW软件为开发工具，采用工控机和PLC为主要控制设备，配以高精度电参数测量仪表组成电动机型式试验系统，相对于传统电动机试验系统，减少了测试过程中人为的干预，缩短了检测周期，具有自动化程度高、实时性好、精度高和操作简单等特点，实现了从数据采集、分析处理至试验报告生成一体化的功能。

(1) 系统采用能量回馈方式进行试验，实现了能量循环使用，使配电容量要求大幅降低。一般仅约为被试电机额定容量的30%，从而可大幅节省配电投资。

(2) 能量在闭环系统中自我循环使用。用电量一般仅约为被试电机额定容量的30%(被试电机容量越接近该系统的额定值越省电)，可节约大量电费，使用成本大幅降低，节能效果显著。

(3) 变频电源具有无功补偿功能、软起动功能、并机功能及并机叠频试验功能，变频电源模块化设计，可在一定范围内比较方便地扩容。

(4) 变频电源是静止电源，采用DSP控制技术、冗余技术等设计，提高了系统的控制精度、响应速度、运行稳定性和可靠性。

(5) 由于采用了静止变频技术，减少了噪声和振动，有效控制和减少了环境噪声污染。另外，能量回馈使用是在系统内部，对电网没有污染，所以该系统绿色环保。

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Design and Implementation of Three-Phase Asynchronous Motor Type Test System*

PANYucheng1,SONGLili1,2,LEINaihua3,YEZongxian4

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering, Ningde Vocational and Technical College, Fuan 355000, China; 2.College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 3.Ningde Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Fuan 355017, China; 4.Fujian Mindong Electric Co., Ltd., Fuan 355009, China)

Aiming to solve the problems of low measure precision, slow response, large power, inefficiency, high labour intensity, etc, based on LabVIEW software platform, a new automatic three-phase asynchronous motor type test system with IPC core according to the relevant national standards for motor testing was developed.The new test system for automatically controlling the whole testing process with both manual and automated work mode, could realize the automatic data collection, analysis and processing, draw the corresponding characteristic curve and generate test report charts automatically.Test results showed that the system could satisfy the demands of the three-phase asynchronous motor type test, and test speed, convenient operation, high precision, energy-saving effect was obvious.

three-phase asynchronous motor; type test; industrial personal computer (IPC); LabVIEW

中央财政支持的高等职业教育电机电器实训基地建设项目(35123053352)

潘玉成(1964—)，男，副教授，研究方向为自动控制、人工智能。

TM 306

A

1673-6540(2017)03- 0110- 06

2016 -09 -19