高精度三相异步电动机测试系统及技术开发.docx
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高精度三相异步电动机测试系统及技术开发
高精度三相异步电动机测试系统及技术开发
测试系统包括：
正弦波变频电源、高精度测试系统、负载模拟及稳定装置、自动控制系统等几大部分，如图35和图36所示。
图35为直流陪试电机模式，图36为交流陪试电机模式。
装置的容量可以根据被试验电机规格来选配，满足0.37～355kW电机的效率试验。
装置的容量满足效率试验需求，其正弦波变频试验电源容量250kW，负载部分容量同样为250kW。
考虑到电机堵转试验需求，电源的整流部分容量为400kW，电源和负载单元并联运行，提供更大的试验电流。
装置的额定电压380V50/60Hz，额定电流400A，短时过载1.36倍历时15秒。
装置采取多重保护模式，防止过载损坏。
图35.直流陪试机系统原理框图图36.交流陪试机系统原理框图
1、双反馈三稳（稳频、稳压、稳负载）正弦波变频试验电源
1）工作原理
最近几年来，国内的一些企业相继开发出正弦波变频试验电源产品，已被广泛应用在各个领域中，该电源采用大功率开关器件IGBT以交-直-交结构实现静止式变频电源，与传统的机组模式，静止式变频电源土建要求低、控制自动化程度高、噪声低，可以明显降低运行能耗，保证良好的控制精度，可扩展性强，在电机试验领域也得到良好的应用。
正弦波变频试验电源系统工作原理和组成如图37所示。
主电路为交－直－交结构，包括整流器（ZL），直流滤波器、逆变器（BP1和BP2）、交流滤波（L和C）等组成部分。
整流器将50Hz交流市电（380VAC）经桥式整流、平波电抗器、电解电容滤波后变为直流（P+和P-）。
桥式整流电路为半控结构，启动过程中，调节晶闸管的触发角，可以控制直流电压由低到高逐渐变化，减少冲击电流，实现软启动。
在大功率装置中，为考虑整流装置对电源的污染等因素可以将整流电路分为独立的两组，组成12脉波整流。
逆变部分（BP1和BP2）采用单相全桥结构，是本电源的核心。
逆变器选用IGBT作为开关器件。
利用IGBT开关频率较高的优点，采用正弦脉宽调制方式（SPWM）对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，输出SPWM（U10和U20）波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。
逆变器输出的脉宽调制波经LC滤波电路滤波后，得到纯正的正弦波交流电（U1和U2）。
图37.双反馈正弦波变频电源工作原理图
2）正弦波电源控制器的设计
目前在正弦波变频试验电源的开发中，国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、谐波补偿控制、无差拍控制、双环反馈控制、瞬时值反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。
瞬时值反馈控制结构简单，容易实现，鲁棒性强，控制效果好，应用的比较多。
本装置在设计正弦波变频电源的控制器时，采用一种带有输出电压有效值控制及负载电流控制的双环反馈控制模式，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确控制，稳定输出电压和频率，同时通过外环负载电流的反馈控制，在负载发生变化的时候同样能达到稳定电源的目的。
图38.双反馈正弦波变频电源控制器结构
图38中
是负载电流前馈控制，如图38所示，在很多系统中变频逆变单元后面通常要联结一级变压器，该变压器的主要作用有：
★改变变频电源的输出电压，满足不同电压等级的电机试验需求，增加变压器可以改善逆变器升压的局限，例如本装置可以利用380VAC的逆变器，经过变压器升压，满足660V被试验电动机的试验，可以充分利用逆变器的容量；
★通过变压器的Y-△变化，改变逆变器的输出波形质量；
★通过变压器输出端的负载电流变化，完成电流环的前馈控制，有效进行多单元并联运行的环流控制，改善电流环的响应速度。
3）电源系统并联和单独运行
实际使用中可以利用图38中KM10的合闸来实现BP1和BP2的并联运行，采用小电流器件实现大容量装置的功率变换，这种模式相对于直接利用IGBT功率元件并联来实现扩容，具有更高的可靠性，装置的并联运行和单独运行功能使得系统应用的灵活性大大加强，同时整个系统具有了后期可扩展能力。
并联运行时BP1和BP2之中要采取可靠的均流措施。
各功率单元的控制器采用双环控制，波形控制内环采用带负载电流的控制方式，均流控制相对较易。
控制模式为主从结构，一个单元为主，其它单元为从，主单元按电压模式运行，对装置输出电压的幅值、频率、相位及波形进行控制，并产生电流指令。
从单元按电流模式运行，对系统的输出电压不进行控制，只是完成分担负载电流的任务。
所有从单元的给定均为主单元产生的电感电流指令，只要各单元的电感电流控制内环增益一致，均流精度就可得到保证，在具有负载电流前馈控制的系统中，更容易进行并联运行单元间的环流控制。
通过并联运行，可以实现以小容量逆变器完成大功率应用，这一点在电机试验中特别适合堵转试验项目，也适合大电机的空载运行试验，可谓应用灵活多样，具有非常好实用性，所以，可并联运行的特点以及其衍生出来的可扩容性等特点，是这种类型的正弦波变频电源的主要生命力的体现之一。
在本装置的研发中，以交流陪试电机作为负载的模式，只需要将图37中一个电源作为被试机供电电源，另一路电源供给一台交流陪试电机，即可轻松实现对被试电机的加载，而且可以保证加载的稳定性及调节的全自动化。
此时BP1和BP2处于单独运行状态。
控制和调节的自动化是这种类型的正弦波变频电源的主要生命力的体现之二。
4）谐波电压因数（HVF）及滤波（LC滤波）环节
衡量变频电源的一个重要指标就是谐波电压因数。
按GB755–2000的规定，HVF值按下式计算：
式中：
谐波电压的标幺值（以额定电压
为基值）；
谐波次数（对三相交流电动机不包含3及3的倍数）。
为满足电机试验需求，电源必须满足：
。
因此必须对逆变器的电源输出进行滤波处理。
如图37所示，电感L和电容C组成低通滤波器LC，滤出高频载波。
低通滤波器LC输出设计，直接影响变频电源输出电压波形的失真度，因此滤波器的设计原则是考虑最高输出频率，只要最高输出频率下正弦波的失真度得到满足，则低频输出时由于载波比增加，正弦波失真度可自然满足。
在大容量电源的设计中，IGBT关断和开通电流都很大，主电路的引线的电感不容忽视，其将在IGBT功率回路中引起浪涌电压，较高的浪涌电压将增加功率器件的开关损耗，可能危及器件的安全。
因此在大功率应用时必须采取措施减少主回路的配线，降低逆变器输出主回路中的布线，特别是在并联运行的系统中必须保证并联运行的单元线路电感一致。
5）三相电压负序分量和正序分量比（
）
电源系统在额定工况下运行，三相线电压分别为：
URSUSTUTR，在下式中分别以
表示；
负序分量V-和正序分量V+分别按下式计算：
负序分量与正序分量之比为：
6）电压和频率的波动率
电源在额定工况下，稳定运行后，负载功率要求在（100±10%）额定负载范围内，分别在额定频率（50Hz和60Hz）下，连续运行10min且每隔1min中读取电压（RS）和频率值。
电压和频率的10min波动率按下式计算：
频率稳定率≦0.05%，得益于电子技术以及控制技术的发展，本装置最优水平可达0.01%以内，远远优于传统机组模式。
2、电机负载的模拟及稳定系统
电机负载的模拟及稳定系统主要功能是模拟电机机械功率输出，根据试验标准规定，达到调节负载、稳定负载的目的。
本负载模拟系统的其它功能还有自动调节、能量反馈（节能），适合各种类型和各种规格电机的试验需求，应用范围广泛。
本研究报告重点说明直流机作为陪试机的系统，交流机作为陪试机的负载模拟系统类似与直流机系统，二者主要区别在于：
直流陪试机系统通过直流装置调节直流机电枢和励磁来达到调节负载的目的，交流陪试机系统通过调节逆变器输出频率来调节负载。
1）负载系统工作原理及其组成
如图39，系统由工控机、直流调速器、直流机、转矩转速传感器及其测量仪、电源及隔离等五部分构成。
基本原理是利用直流调速器和直流机组成的执行机构，通过改变给定来调节直流电机的转速和转矩，从而达到调节被试验电机负载的目的。
在工控机中输入负载给定值，工控机采样来自转矩转速测量仪的实际负载值，作为反馈，由工控机对给定与反馈的误差值进行PID计算，并将数字给定直接通过接口传送到直流调速器，同样直流调速器也采集来自直流机的速度反馈信号并进行控制，由此改变直流机的转速和转矩。
直流调速器的主电源部分主要由隔离刀开关QK1、空气断路器QF和动作开关接触器KM1以及隔离变压器L等组成，其作用是供电给直流调速器并对直流调速器的逆变进行与电网的隔离，防止污染电网，对其它电设备和测量仪器仪表造成干扰等。
直流调速器是本装置的重要部件，用来驱动负载直流机，并对负载直流机的发电进行逆变反馈到电网，因此实际上本负载系统也是一种节电能型负载，特别适用于大功率被试验电动机，其中的W1和W2是保留作为手动调节负载的给定，J1的作用是在负载大范围突变的非正常状态下，对整个装置进行截止，防止装置的损坏。
直流机的作用是给被试验电动机加载，根据直流机特性可分为恒定转矩和恒定转速两种情况，特别适用于电动机试验，当然利用负载直流机有一个缺陷即是惯量大，影响了整个装置的响应速度。
在实际使用中，直流机必须能够具有很宽的转速范围才能够适应不同极数电动机的试验需求，否则将要配置多种不同转速的负载直流机，额外增加成本，同时需要重新整定PID参数，增加了控制的难度，另外在大功率的试验系统中，由于高转速（比如两极电机3000r/min）的直流机制造比较困难，成本高，还需要考虑利用减速机进行转速匹配。
转矩转速及其测量仪的主要作用是对实际负载进行测量，并输入到计算机作为系统的反馈，要求具有足够高的精
度和动态响应能力，通常应具有50ms以上的采样速度。
图39.直流陪试机负载系统工作原理图
2）采用位置式积分分离PID调节器算法
PID调节器是应用广泛的工业控制主要技术之一，特别适用于本系统这种被控对象变化比较复杂没有精确数学模型的场合，本系统的执行机构为调速器和直流机，电网、直流机励磁的波动，测量环节的干扰，被试机本身负载的不稳定性，均会对控制系统产生扰动作用。
近年来新兴了模糊控制、自适应控制、专家系统等控制算法，从理论来说，这些控制策略均能实现系统良好的静态和动态特性，但是传统的PID调节器相对于这些控制理论来说，优点在于算法简单，参数易整定，具有较强的稳定性和可靠性，本文介绍的控制系统在电机试验的负载模拟中，使用效果已经非常理想。
PID调节器的算法为：
公式中
表示误差，是PID调节器的输入，
是调节器的输出，
为比例系数、
积分时间常数、
为微分时间常数。
假设T为采样周期，设
为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式：
从上式可见，位置式PID算法的当前输出量
与历史状态有关，需要计算
的积累，计算量大，在自动进行试验的时候，工控机既要进行数据采集又要进行PID计算，还要进行与设备的通信，的确占用了相当多的资源。
引用积分分离算法的目的是消除积分饱和，避免在系统起动和停止或者在给定大幅度变化的时候引起系统振荡，例如在自动进行被试验电动机T-n曲线试验的过程中，给定必须在十几秒的时间内进行一个从大到小的循环过程，此时积分给定会造成系统超调甚至振荡，导致负载的变化不光滑，严重影响试验效果，但是积分环节又可以有效地消除静差，提高控制精度，因此采用积分分离PID算法即保证了控制系统动态性能，又可以提高稳态精度。
在系统中设置积分分离阈值ε，当给定负载与实际采样的误差
小于等于ε时，采用PID算法，大于ε只用PD算法。
其算式如下：
≤ε
＞ε
微分环节本系统中有着重要的作用，由于调速器和直流机组成的执行机构具有较大的惯性量，同时具有一定的滞后性，微分环节反应误差
的变化趋势，并进行有效的早期引导，加快反应速度，防止误差
变的太大，缩短调节时间。
根据上述原理，PID离散算式为（推算过程省略）：
式中
，
，
PID计算主要流程如图40所示，PD的算法类似于PID未再列出：
图40.位置式PID算法流程图
3）负载系统应用效果
基于数字PID调节的电机模拟负载控制系统，能根据电机试验项目对动态和静态性能的不同需求，自动在PD和PID调节中切换，在电机效率和温升试验中侧重于稳态性能，将负载转矩控制在±0.05%以内，满足高效率和率电机的特殊测试需求，同时在诸如T-n曲线的测试中，则侧重于动态性能，实现了负载的自动调节和跟踪，达到了全自动试验的效果。
系统以弱电控制强电，并进行隔离增强抗干扰能力，使得控制电路和控制系统大为简化，以往电机试验中烦琐的加载和调节的控制过程变的简单，实现了“一键搞定”。
本控制系统整合到整个电机试验系统中以后，提高了整个试验系统的测试自动化和控制精度，而且成本不高，操作简单，安全可靠，具有很强的实用价值，为低不确定测试装置的主要技术构成之一。
3、测量系统
1）低不确定效率测试方法
根据IEC标准和国标规定，IEEE112B法电机效率测试方法为低不确定度效率测试方法，该方法是通过测出电动机的输入和输出功率以及定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械耗，输入功率减输出功率得出电机的总损耗
，再以总损耗
减各项已知的损耗就得出电机的杂散损耗。
通过对不同负载点下测得的杂散损耗值进行线性回归分析，得出线性回归方程，可以求得电机额定负载点的杂散损耗。
从测量电机杂散损耗的基本原理上讲，IEEE112B法没有作任何理论上的假定和测定中模拟，用此法测出的是电机真正的各项附加损耗的总和。
IEEE112B法对测量仪表的精度要求较高，同时对测量的技术和实际操作过程中的技巧要求较高。
式中：
电机效率；
电机输入功率；
电机各种损耗总和。
本装置的主要用途就是依据标准规定的方法，通过各种试验，求取
然后计算得到电机的效率。
具体试验方法，参照标准规定，不再说明。
通过实际试验测得电机各项损耗值，是为低不确定度法。
对三相异步电动机来说，
包括铁耗、铜耗、风摩耗、机械耗、杂散耗等五大损耗。
2）主要测量仪器精度指标
依据试验方法规定，装置所需要测量的参数包括：
A输入电参数：
电压
、电流
、功率
、频率
；测试精度：
电压：
±0.1%rdg.±0.1%f.s；
电流：
±0.1%rdg.±0.1%f.s；电流互感器精度0.2级；
功率：
±0.1%rdg.±0.1%f.s；
频率：
±0.1%rdg.±1%dgt.；
B输出机械参数：
转矩
、转速
；测试精度：
转矩：
0.1级；
转速：
0.1级；
C其它非电量参数：
温度±0.5℃
直流电阻：
分辨率0.1μΩ；2mΩ～2kΩ，0.2级。
3）装置效率测量的不确定度分析方法
本装置的主要用途是用于高效、电机的效率测试（当然也适合普通电机的效率测试），具有高精度、高稳定性的特点，低不确定度是本装置的重要技术指标。
为保证效率测试水平，对本装置的效率测试的不确定度进行了分析研究，不确定度的状况与试验程序、试验条件、试验人员等均有很大的关系，在重复条件下（相同的试验程序、相同的条件、相同的人员、相同的测量仪器、相同的地点），以15HP，4极，60Hz，460V三相笼型电动机为例：
其中：
；
；
其中：
（W）；
（W）；
（W）；
（W）。
结论：
4、装置的自动控制系统和数据采集系统
1）控制结构
本装置的自动控制系统采用RS485总线结构模式，其网络拓补见图41所示意，主要组成有控制主回路的PLC，集线器HUB，RS485总线的服务器，用于进行各种数据采集的高精度测试仪器、用于整流单元、逆变单元控制用的光线传导部分，以及反馈数据的采集系统等等，由RS485总线将测量、控制、远传集为一体，实现装置的自动控制、测试数据采集、处理和共享。
图41.装置自动控制及测量系统结构框图
RS485是一个多引出线接口，可以有多个驱动器和接收器，能实现一台上位机与多台下位机之间的串行通信，其采用主从式通信方式，可以通过PC机与连接终端进行实时通讯，这种总线模式成本低、性能稳定、遵循统一的标准，在自动控制工程中被广泛应用。
整个装置可以分为三个层次，首先是控制计算机（上位机），其次是通信管理层，最后是各个终端，包括控制终端和数据采集终端。
通信管理层是负责沟通各下级单元监控装置、数据采集，通过通信管理层实现承上启下；控制计算机负责发布命令，并将通信上传色数据进行分类，建立数据库，并按照预先的设定进行处理。
终端的作用是对控制机算计的指令的执行机构，包括命令的输出和测试数据的输入。
装置控制基于RS485现场总线，通信协议自由定义，在总线上连接各下位机（控制终端和数据采集终端装置）和上位机（控制计算机），是由上位机统一管理的主从式总线型的控制和检测系统。
整个系统的检测数据和状态监控数据可以由通信管理层和远程系统进行通信，实现数据的远程共享和实时监控。
电源控制部分由自动控制和手动控制两部分组成，通过PLC实现整个电源系统的开关量控制、电压电流模拟量的采集监视和电压反馈量的闭环控制。
自动控制和手动控制是两个完全相互独立的控制部分，试验过程以自动控制为主，一旦计算机出现故障，可通过自动/手动按钮切换到手动，避免整个电源系统发生故障。
手动部分是通过操作台上控制面板实现开关量控制，并可通过变频器的操作板实现变频器模拟量的给定。
自动部分由上位机完成试验过程中开关量控制，模拟量给定和系统主电路开关量的监视。
其中模拟量给定环节分别由上位机根据功率分析仪采集的数据实现给定数据的闭环控制，在PLC中根据实际反馈电压量实现电压给定稳压的闭环控制，由于采用双闭环控制，可轻松实现稳定，可靠的模拟量给定。
在开关量控制环节，由于系统有多种开关量组合逻辑，操作者稍有不慎就可能出错酿成重大事故，为了简化操作者的工作流程，根据实际情况在上位机的控制界面选用了单独输出和并联输出的12种控制方式，用户可根据相应的电源工作状态选择相应开关的合闸，如要进行并联变压器400V状态，可直接选择并联变压器400V按钮即可，系统会自动合上相应的开关，简化了操作程序。
自动部分还可以实现部分试验的自动过程，自动过程由计算机根据测试点的设置控制试验电源调节到对应点，待数据稳定后自动采集试验数据存入数据库，并进行下一点控制。
测试部分由高精度功率分析仪、转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪组成。
功率分析仪通过工业以太网与计算机通信，在计算机上显示电压、电流、功率等电量。
转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪通过研华EDG4508服务器连接到工业以太网，并通过工业以太网与计算机实现通信。
试验过程中显示的电量和非电量数据可直接存入数据库，通过相应的软件平台实现被试电机的参数及性能计算、数据管理、数据分析和报表打印。
远程控制和测试实现了电机试验过程中的智能控制、数据自动采集，分析、计算和报表的输出。
系统自动化程度高，可靠性强，大大减少了工作人员的工作量。
2）通信协议的实现
本装置控制系统的设计思想基本如上所述，上位机根据试验状态发布控制命令，命令可能是由人工发送，或者由计算机处理后发送，下位机分为两类：
动作执行机构（定义为输出），数据检测类（定义为输入，包括开关量输入和测试数据输入），属于小型的集散测控系统。
基本通信协议可以分为两种机制：
★握手型：
每次发送一帧数据，均等待确认，收不到确认信息，将认为通信错误。
这种通信模式非常可靠，主要用来传送系统命令以及重要的系统参数。
但这种通信方式将会占用通信主体大量的资源，在等待的过程中无法进行其它工作。
★无握手型：
每次发送数据，均认为接收方能正确接收，不再进行数据的反馈确认，这种方式适合在测试过程中传送大量的数据，其缺点是无法保证传送的正确性。
本装置同时用到了上述两种通信模式，分别用在系统控制和数据采集上，既保证数据传送的可靠性也能保证在数据量大的情况下将通信主体解放出来，可以完成更多的工作。
在通信协议中，为了保证测试数据采集的实时性和同步性，在通信过程中，如果接收方未在规定的时间内接收到数据，就会发送一个复位数据帧，同时，接收方和发送方均将程序回到通信开始端，并清空缓存区的数据，双方重新回到同步位置。
系统控制的基本程序流程图如图42和图43所示。
图42.上位机工作流程图43.下位机工作流程
上位机的工作流程还包括一个专门的数据处理、共享，电机的各项试验完成后，需要对试验数据进行处理和计算，并提供数据的原始记录、计算清单，以及输出符合用户需求的试验报告，所有的数据编入数据库，实现共享。
装置采用的自定义通信协议，编程简单，扩展方便，适合测量和控制集成的小型系统，具有较强的实用性。
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