高效节能数字化电机测控系统的研究

李谟发，张 碧，杨跃龙，周惠芳

(1.湖南电气职业技术学院，湘潭 411101；2.湖南工程学院，湘潭 411101)

0 引 言

电机在我国装备制造业中具有举足轻重的地位。电机出厂及型式试验是其出厂质量的重要保证，同时试验数据也是企业生产管理的依据。目前我国大部分电机制造厂的电机试验站主要由多套不同规格的“两机组”、“三机组”及机组控制设备、试验控制设备、操作试验台和普通测试仪器仪表组成，以满足不同品种、不同规格电机的试验需要。试验站有不少缺陷：试验设备繁多，占地面积大；机组噪声大，试验环境差；试验容量受机组功率的限制，不易扩容等缺陷[1-2]。

本文以变频器替代机组电源，利用计算机远程控制、现代电力电子、现代控制理论、超高数据采集、自动化集成等现代化技术手段，开发了高效节能数字化电机测控系统。该测试系统采用以工控机、数据采集卡及传感器等硬件与上位机图形用户操控界面的应用软件为核心，将试验控制、系统数据采集、电机性能曲线的自动拟合生成、试验报表打印以及查询集成在一起，提高了试验数据的准确性、工作效率和自动化程度，实现了电机试验系统的高效节能及数字化[3-4]。

1 系统整体研究

在电机试验系统中，为了灵活调节陪试机的输出转矩和转速，全面考核被试机的性能，要求试验用的变频系统、频率与电压都能独立可调，从原理上，我们采用正弦脉宽调制(SPWM)中独立调节调制波的幅值和频率的方案来实现，如图1所示。该试验方法通过产品变频器U1带动陪试机G1作电动机运行，然后拖动被试机G2发电，通过变频器U2回馈到变频器U1的直流侧，节能效果显著。试验中，被试电机只是运行在发电状态，对其性能及参数测试的准确性与合理性与在电动运行状态时是一致的。并且，在试验中，两台电机功率相同的的情况下。被试机与陪试机还可以互用，这体现了该试验方法的先进性。

图1共直流母线的变频电源试验方案

变频试验电源为数字电源组，数字电源组总功率以被试电机最大功率或最大电流为设计依据。每台数字电源包含在线检测电路、并联解并控制电路及并联解并执行机构[5]。

2 系统关键技术研究

2.1 电能回馈控制研究方法

在电机试验中，能量回馈必须安全平稳，试验过程中根据实际直流母线的电压值来确定回馈侧电力电子器件的触发脉冲。直流母线电压在能量回馈过程中是一个动态调整的过程[6]，关系复杂，简单的误差反馈控制不能胜任，宜采用自适应控制、模糊神经网络等智能控制系统来动态调节回馈侧主控器件的触发脉冲，以达到能量安全平稳回馈的目的。

本文电能控制采用基于单神经元的自适应PID控制方法，如图2所示。其具有自学习和自适应能力，能够在线整定、自动优化PID参数，对电能回馈控制的鲁棒性更强好。

图2单神经元自适PID控制方案

2.2 数字电源智能滤波研究方法

不同的被试机对供电电源的波形品质要求不同。智能滤波器的职能就是根据被试机规格型号，自动确定滤波方式，为被试机提供合格的供电电源。

智能滤波器由多级电抗器、电容器及交流接触器或断路器组成，如图3所示。系统根据试验电机规格及试验电压基波频率(等效负载试验基波频率为一个区间)，在智能滤波器中通过接触器或断路器的自动投切来确定电抗器、电容器投入的个数与方式，确定滤波参数及滤波器件，选择合适的载波频率，输出合格的波形。

图3数字电源智能滤波方案

2.3 分布式数据采集研究方法

为避免试验现场高电压、强磁场的干扰，本文的数据采集系统采用计算机数据分布式采集系统，系统包括通用电量测试组件、非电量测试组件、内部高速并行总线、FIFO存储器、主处理器、智能宽带电量传感器接口、智能宽带电量传感器、RS485/CAN/RS232扩展接口、2.4G无线通讯接口、Profitbus线技术、交换机光纤通讯及上位机等，如图4所示。

图4分布式数据采集方案

为了实现控制要求，方便主控室和现场的操作，并能与总控室的管理层上位机实现联网通信，将试验电源与被试机组、测控系统综合起来，设计成一个分布式网络群控系统。运行管理层计算机通过网络与管理层上位机实现通信，接收管理命令，传送测控系统的各项运行参数；运行管理层上位机通过现场总线与控制层下位机通信，对测控系统进行监视管理，下达控制参数等[7-8]。由此构成的多级分布式网络群控系统满足了电机的试验与电源控制要求，为电机的试验提供了良好的试验环境，整个测试系统的自动化程度和工作效率得到了提高。

3 系统软件设计与实现

3.1 系统软件开发流程

系统软件开发的程序结构图如图5所示。试验时，测控系统的动态参数设定，试验数据的采集、显示，都是分类别实现的[9]。上位机主界面包括分项试验界面、用户权限界面、试验报告界面、系统维护界面。分项试验界面又包括电机空载试验、负载实验与堵转试验等所需试验项目对话框类。这些类分别封装了试验的数据采集、存储与对数据的处理函数，能够实现相应的试验功能。

图5系统软件开发之程序结构图

3.2 试验样机及部分实验结果

试验样机如图6所示。根据试验类型的需要，可通过图7的变频电源远程通讯与控制界面来设置变频器U1与U2的电压与频率参数，实现远程控制变频器的启停，完成不同的试验类型。试验过程中简单选取了图8的电机特性曲线与图9的变频电源输出电压与电流波形，可见，本文的方案可行，实现了电机试验时的高效化与数字化。

图6试验样机

图7变频电源远程通讯与控制界面

图8特性曲线图

(a) 输出电压

(b) 输出电流

图9变频电源输出的电压电流波形

4 结 语

采用内回馈法，线路简洁，设备较少，节约投资，并且有较好的节能效果。试验时，电网只需要提供试验站所有用电设备的电能损耗，而主要电能来源于被试电机的回馈。

所有变频电源组共用整流单元，方便能源回馈及电源并联、解并控制。对于变频电机，提供与用户变频器谐波相符的交变电源；对于工频电机，提供完美无谐波的交变电源，以满足变频电机及工频电机试验要求。

先进的智能传感器用于每个变频电源，测试本电源的输出电压、电流及功率，还用于每台电机的输入侧，可在大范围的输入电压和输入电流下，精确测量电机相关电量。为电机试验数据的准确性提供了保证。

分布式网络多层管理测控系统采用远程监控、集散控制方式，测得试验参数并读取所有智能传感器的测量结果，共享数据库。