高效節(jié)能數(shù)字化電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的研究

李謨發(fā)，張 碧，楊躍龍，周惠芳

(1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院，湘潭 411101)

0 引 言

電機(jī)在我國(guó)裝備制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。電機(jī)出廠及型式試驗(yàn)是其出廠質(zhì)量的重要保證，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是企業(yè)生產(chǎn)管理的依據(jù)。目前我國(guó)大部分電機(jī)制造廠的電機(jī)試驗(yàn)站主要由多套不同規(guī)格的“兩機(jī)組”、“三機(jī)組”及機(jī)組控制設(shè)備、試驗(yàn)控制設(shè)備、操作試驗(yàn)臺(tái)和普通測(cè)試儀器儀表組成，以滿足不同品種、不同規(guī)格電機(jī)的試驗(yàn)需要。試驗(yàn)站有不少缺陷：試驗(yàn)設(shè)備繁多，占地面積大；機(jī)組噪聲大，試驗(yàn)環(huán)境差；試驗(yàn)容量受機(jī)組功率的限制，不易擴(kuò)容等缺陷[1-2]。

本文以變頻器替代機(jī)組電源，利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)代電力電子、現(xiàn)代控制理論、超高數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化集成等現(xiàn)代化技術(shù)手段，開發(fā)了高效節(jié)能數(shù)字化電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)采用以工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及傳感器等硬件與上位機(jī)圖形用戶操控界面的應(yīng)用軟件為核心，將試驗(yàn)控制、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電機(jī)性能曲線的自動(dòng)擬合生成、試驗(yàn)報(bào)表打印以及查詢集成在一起，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、工作效率和自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的高效節(jié)能及數(shù)字化[3-4]。

1 系統(tǒng)整體研究

在電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中，為了靈活調(diào)節(jié)陪試機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，全面考核被試機(jī)的性能，要求試驗(yàn)用的變頻系統(tǒng)、頻率與電壓都能獨(dú)立可調(diào)，從原理上，我們采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)中獨(dú)立調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅值和頻率的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。該試驗(yàn)方法通過(guò)產(chǎn)品變頻器U1帶動(dòng)陪試機(jī)G1作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，然后拖動(dòng)被試機(jī)G2發(fā)電，通過(guò)變頻器U2回饋到變頻器U1的直流側(cè)，節(jié)能效果顯著。試驗(yàn)中，被試電機(jī)只是運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，對(duì)其性能及參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性與合理性與在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)是一致的。并且，在試驗(yàn)中，兩臺(tái)電機(jī)功率相同的的情況下。被試機(jī)與陪試機(jī)還可以互用，這體現(xiàn)了該試驗(yàn)方法的先進(jìn)性。

圖1共直流母線的變頻電源試驗(yàn)方案

變頻試驗(yàn)電源為數(shù)字電源組，數(shù)字電源組總功率以被試電機(jī)最大功率或最大電流為設(shè)計(jì)依據(jù)。每臺(tái)數(shù)字電源包含在線檢測(cè)電路、并聯(lián)解并控制電路及并聯(lián)解并執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電能回饋控制研究方法

在電機(jī)試驗(yàn)中，能量回饋必須安全平穩(wěn)，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際直流母線的電壓值來(lái)確定回饋側(cè)電力電子器件的觸發(fā)脈沖。直流母線電壓在能量回饋過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程[6]，關(guān)系復(fù)雜，簡(jiǎn)單的誤差反饋控制不能勝任，宜采用自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制系統(tǒng)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)回饋側(cè)主控器件的觸發(fā)脈沖，以達(dá)到能量安全平穩(wěn)回饋的目的。

本文電能控制采用基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID控制方法，如圖2所示。其具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠在線整定、自動(dòng)優(yōu)化PID參數(shù)，對(duì)電能回饋控制的魯棒性更強(qiáng)好。

圖2單神經(jīng)元自適PID控制方案

2.2 數(shù)字電源智能濾波研究方法

不同的被試機(jī)對(duì)供電電源的波形品質(zhì)要求不同。智能濾波器的職能就是根據(jù)被試機(jī)規(guī)格型號(hào)，自動(dòng)確定濾波方式，為被試機(jī)提供合格的供電電源。

智能濾波器由多級(jí)電抗器、電容器及交流接觸器或斷路器組成，如圖3所示。系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)電機(jī)規(guī)格及試驗(yàn)電壓基波頻率(等效負(fù)載試驗(yàn)基波頻率為一個(gè)區(qū)間)，在智能濾波器中通過(guò)接觸器或斷路器的自動(dòng)投切來(lái)確定電抗器、電容器投入的個(gè)數(shù)與方式，確定濾波參數(shù)及濾波器件，選擇合適的載波頻率，輸出合格的波形。

圖3數(shù)字電源智能濾波方案

2.3 分布式數(shù)據(jù)采集研究方法

為避免試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分布式采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括通用電量測(cè)試組件、非電量測(cè)試組件、內(nèi)部高速并行總線、FIFO存儲(chǔ)器、主處理器、智能寬帶電量傳感器接口、智能寬帶電量傳感器、RS485/CAN/RS232擴(kuò)展接口、2.4G無(wú)線通訊接口、Profitbus線技術(shù)、交換機(jī)光纖通訊及上位機(jī)等，如圖4所示。

圖4分布式數(shù)據(jù)采集方案

為了實(shí)現(xiàn)控制要求，方便主控室和現(xiàn)場(chǎng)的操作，并能與總控室的管理層上位機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，將試驗(yàn)電源與被試機(jī)組、測(cè)控系統(tǒng)綜合起來(lái)，設(shè)計(jì)成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng)。運(yùn)行管理層計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與管理層上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，接收管理命令，傳送測(cè)控系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)；運(yùn)行管理層上位機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與控制層下位機(jī)通信，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理，下達(dá)控制參數(shù)等[7-8]。由此構(gòu)成的多級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng)滿足了電機(jī)的試驗(yàn)與電源控制要求，為電機(jī)的試驗(yàn)提供了良好的試驗(yàn)環(huán)境，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和工作效率得到了提高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

系統(tǒng)軟件開發(fā)的程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示，都是分類別實(shí)現(xiàn)的[9]。上位機(jī)主界面包括分項(xiàng)試驗(yàn)界面、用戶權(quán)限界面、試驗(yàn)報(bào)告界面、系統(tǒng)維護(hù)界面。分項(xiàng)試驗(yàn)界面又包括電機(jī)空載試驗(yàn)、負(fù)載實(shí)驗(yàn)與堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等所需試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)話框類。這些類分別封裝了試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與對(duì)數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的試驗(yàn)功能。

圖5系統(tǒng)軟件開發(fā)之程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 試驗(yàn)樣機(jī)及部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)類型的需要，可通過(guò)圖7的變頻電源遠(yuǎn)程通訊與控制界面來(lái)設(shè)置變頻器U1與U2的電壓與頻率參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟停，完成不同的試驗(yàn)類型。試驗(yàn)過(guò)程中簡(jiǎn)單選取了圖8的電機(jī)特性曲線與圖9的變頻電源輸出電壓與電流波形，可見，本文的方案可行，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)試驗(yàn)時(shí)的高效化與數(shù)字化。

圖6試驗(yàn)樣機(jī)

圖7變頻電源遠(yuǎn)程通訊與控制界面

圖8特性曲線圖

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流

圖9變頻電源輸出的電壓電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

采用內(nèi)回饋法，線路簡(jiǎn)潔，設(shè)備較少，節(jié)約投資，并且有較好的節(jié)能效果。試驗(yàn)時(shí)，電網(wǎng)只需要提供試驗(yàn)站所有用電設(shè)備的電能損耗，而主要電能來(lái)源于被試電機(jī)的回饋。

所有變頻電源組共用整流單元，方便能源回饋及電源并聯(lián)、解并控制。對(duì)于變頻電機(jī)，提供與用戶變頻器諧波相符的交變電源；對(duì)于工頻電機(jī)，提供完美無(wú)諧波的交變電源，以滿足變頻電機(jī)及工頻電機(jī)試驗(yàn)要求。

先進(jìn)的智能傳感器用于每個(gè)變頻電源，測(cè)試本電源的輸出電壓、電流及功率，還用于每臺(tái)電機(jī)的輸入側(cè)，可在大范圍的輸入電壓和輸入電流下，精確測(cè)量電機(jī)相關(guān)電量。為電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保證。

分布式網(wǎng)絡(luò)多層管理測(cè)控系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控、集散控制方式，測(cè)得試驗(yàn)參數(shù)并讀取所有智能傳感器的測(cè)量結(jié)果，共享數(shù)據(jù)庫(kù)。