永磁同步電機(jī)作為一種新型高效的節(jié)能產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、可靠性好、易于散熱及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。
隨著永磁同步電機(jī)大范圍的應(yīng)用，人們對(duì)其性能要求也越來越高，相關(guān)研究、設(shè)計(jì)人員和單位急需對(duì)所研發(fā)和生產(chǎn)的電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試的設(shè)備，希望通過對(duì)測(cè)試電機(jī)的空載特性、負(fù)載特性、機(jī)械特性、動(dòng)態(tài)特性等各種性能試驗(yàn)采集測(cè)試電機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理，達(dá)到研究、改進(jìn)和優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)的目的和確保新產(chǎn)品的質(zhì)量、性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
目前，永磁同步電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)主要有兩類：測(cè)功機(jī)測(cè)試臺(tái)和對(duì)拖式測(cè)試臺(tái)。測(cè)功機(jī)測(cè)試臺(tái)主要采用磁滯測(cè)功機(jī)、磁粉測(cè)功機(jī)或電渦流測(cè)功機(jī)作為電機(jī)負(fù)載，通過散熱裝置將電機(jī)測(cè)試過程中產(chǎn)生的能量消耗掉。對(duì)拖式測(cè)試臺(tái)通過能量消耗、能量回饋或?qū)ν匣仞伒姆绞浇鉀Q回饋能量。其中，能量消耗型通過功率電阻等消耗回饋能量；能量回饋型將電機(jī)測(cè)試產(chǎn)生的能量再回饋至電網(wǎng)；對(duì)拖互饋型通過共直流母線或交流母線的方式形成電功率閉環(huán)系統(tǒng)。目前，隨著社會(huì)上環(huán)保意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的提高，采用電功率閉環(huán)方式的對(duì)拖回饋型測(cè)試方案正逐漸代替能量消耗型測(cè)試方案成為主流方案。
根據(jù)測(cè)試規(guī)劃，本測(cè)試臺(tái)主要用來完成500-2200W小功率永磁電機(jī)的性能試驗(yàn)，測(cè)試項(xiàng)目包括空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、熱試驗(yàn)(溫升試驗(yàn))、失步轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)、牽入轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)以及反向電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)。
考慮盡量兼顧不同功率段和電壓等級(jí)電機(jī)的試驗(yàn)和靈活更換同步驅(qū)動(dòng)變頻器的要求，系統(tǒng)采用四象限變頻器交流母線回饋的對(duì)拖試驗(yàn)方式，通過調(diào)壓器為被試驅(qū)動(dòng)器供電，能量通過能量再生式變頻器回饋至電網(wǎng)，從而形成電功率閉環(huán)的試驗(yàn)系統(tǒng)。
該測(cè)試臺(tái)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、陪試系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成，各部分作用分別如下：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括調(diào)壓器、同步變頻器和被試電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)被試電機(jī)，使被試電機(jī)工作于測(cè)試工況。
陪試系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)加載變頻器和陪試電機(jī)，完成系統(tǒng)加載和能量回饋。測(cè)控系統(tǒng)由電參數(shù)測(cè)量儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、控制回路等部分組成，用來采集被試電機(jī)各類參數(shù)(如電參數(shù)、機(jī)械參數(shù)等)以及發(fā)出控制指令。
工作原理：變頻器選用由ICBT組成的具有能量再生功能的變頻器，ICBT 供電單元包括ICGBT 供電模塊，進(jìn)線濾波器，交流和直流熔斷器及其它選件。IGBT供電模塊將輸入的三相交流電逆變成直流電向逆變單元供電。對(duì)拖過程中，變頻器分別用于驅(qū)動(dòng)被試永磁同步電機(jī)和陪試電機(jī)，陪試電機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩控制模式下模擬電機(jī)負(fù)載，被試電機(jī)工作于轉(zhuǎn)速控制模式下，通過改變輸出轉(zhuǎn)速，可以研究在不同負(fù)載下，電機(jī)各種瞬時(shí)工況下的特性。當(dāng)被測(cè)電機(jī)拖動(dòng)陪試電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陪試電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，能量通過交流母線方式回饋到電網(wǎng)。
永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動(dòng)，不同于普通感應(yīng)電機(jī)的是永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)通常需要轉(zhuǎn)子位置信息才能啟動(dòng)。傳動(dòng)變頻器寬泛的功率和電壓范圍可適用于驅(qū)動(dòng)各種類型的電機(jī)，包括永磁電機(jī)，能夠滿足任何過程控制、自動(dòng)化系統(tǒng)的需求。同時(shí)，考慮永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率匹配和電壓等級(jí)問題，同步變頻器往往需要更換,以適配不同功率和電壓等級(jí)的電機(jī)，因此采用了調(diào)壓器為同步變頻器供電，并且將該變頻器設(shè)計(jì)成外置式接線，以便于更換。
陪試系統(tǒng)是本測(cè)試臺(tái)的核心部分，也是電機(jī)系統(tǒng)加載的關(guān)鍵，要求負(fù)載精確可調(diào)且響應(yīng)迅速。相較于交流異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，驅(qū)動(dòng)精度更高，可在零速至額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行加載成被試電機(jī)的性能測(cè)試。系統(tǒng)采用了交流母線回饋的方式，在此選用了壁掛式能量再生單傳動(dòng)變頻器，其供電單元采用ICBT 整流方式，精確的控制了系統(tǒng)的能量傳輸，既可以作為整流器工作，也可作逆變器工作?？梢杂行У奶岣咧绷髂妇€電壓，即使在電壓較低的電網(wǎng)，逆變器也可以獲得較高的功率輸出。壁掛式能量再生單傳動(dòng)變頻器的核心技術(shù)是直接轉(zhuǎn)矩控制，該技術(shù)是把轉(zhuǎn)矩作為直接跟蹤控制對(duì)象，強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，因此可以對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)變化做出快速反應(yīng)，其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間在開環(huán)應(yīng)用時(shí)1~5ms，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差0.4%，閉環(huán)應(yīng)用時(shí)為0. 1%，并且能實(shí)現(xiàn)低速大力矩、低電流大力矩和“零速滿轉(zhuǎn)矩”功能。為了充分發(fā)揮變頻器的優(yōu)良特性，提高測(cè)試臺(tái)的整體水平，選用5.5kW變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)，該電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩17. 5Nm,最大轉(zhuǎn)矩49Nm，50Hz以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50Hz以上恒功率調(diào)速，并配置光電編碼器，使整個(gè)系統(tǒng)的速度控制精度和力矩控制精度都有了可靠的保證。結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使陪試系統(tǒng)在各種條件的電網(wǎng)下均有卓越的速度控制特性和無與倫比的力矩控制特性。
電機(jī)試驗(yàn)過程中，需要采集被試電機(jī)電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等大量測(cè)試數(shù)據(jù)，所需測(cè)量的物理量中有電參數(shù)和非電參數(shù)之分。電參數(shù)主要有電壓、電流、電功率、功率因數(shù)及頻率；非電參數(shù)主要是指轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、振動(dòng)和噪聲等物理量。測(cè)量儀器儀表及傳感器是測(cè)試臺(tái)的核心部分，直接決定著測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測(cè)試臺(tái)的可靠性。另外，永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，不需要無功勵(lì)磁電流，因而其效率和功率因數(shù)通常比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高，更容易設(shè)計(jì)制造高效電機(jī)。
由于變頻器輸出的調(diào)制波既有頻率很低的基波，同時(shí)又有大量的高次諧波。目前一般工業(yè)用的電參數(shù)測(cè)量儀器儀表很難測(cè)量從幾赫茲到幾十千赫茲頻率范圍的電參數(shù)”。而電參數(shù)測(cè)量的正確性和準(zhǔn)確性是電機(jī)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，目前國內(nèi)能保證全局精度0.2級(jí)的比較少，基本只能考慮進(jìn)口品牌電參數(shù)測(cè)量儀。為了準(zhǔn)確評(píng)估被試電機(jī)的性能，本測(cè)試系統(tǒng)電參數(shù)測(cè)量采用帶電機(jī)評(píng)估模塊功高精度功率分析儀進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量和機(jī)械參數(shù)測(cè)量，可配置1~6個(gè)電參數(shù)測(cè)量通道，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸入和輸出的高精度同步測(cè)量，操作靈活且擁有寬帶寬，是電機(jī)測(cè)試和評(píng)估的理想工具。
通常電參數(shù)測(cè)量儀直接測(cè)量電流不超過5A，超過5A則需要采用電流傳感器測(cè)量，而采用電流傳感器測(cè)量則會(huì)損失測(cè)量精度。根據(jù)測(cè)試能力設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)峰值電流為42A，而功率分析儀提供了50A電流測(cè)量量程，因而測(cè)量系統(tǒng)選用了50A量程，省去了電流傳感器，在提高系統(tǒng)測(cè)量精度的同時(shí)也節(jié)約了建設(shè)成本。
轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是測(cè)試臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的核心組成部分之一，對(duì)測(cè)量精度、響應(yīng)速度和過載能力都有較高的要求。鑒于轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)電機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的重要影響和測(cè)量峰值轉(zhuǎn)矩44Nm，因而采用了數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行試驗(yàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量。
數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特、響應(yīng)頻率快、測(cè)量精度高的新型非接觸式傳感器，主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子用法蘭直接與電機(jī)的軸連接并隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，扭矩以脈沖頻率信號(hào)經(jīng)定子輸出。其扭矩標(biāo)定精度最高可達(dá)0.05%F.S,額定轉(zhuǎn)速8000 r/min 以上,擁有200%的過載能力，破壞載荷≥400%，完全滿足測(cè)試臺(tái)的使用要求。
為了確保被試電機(jī)電參數(shù)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集數(shù)據(jù)的同步，采用了集成電機(jī)評(píng)價(jià)模塊來測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸出(機(jī)械功率)，通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集同步源有效確保電機(jī)參數(shù)測(cè)量的同步。其它輔助測(cè)量包括電阻儀、溫度儀、噪聲計(jì)、振動(dòng)儀等均通過通訊接口集成接入測(cè)試系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中變頻器、被試電機(jī)、電參數(shù)測(cè)量儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、陪試電機(jī)、PLC 及工控計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備均是測(cè)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，通過上位機(jī)測(cè)試軟件完成設(shè)備的啟停、工況檢測(cè)、電源調(diào)整、負(fù)載整、數(shù)據(jù)采集、分析和計(jì)算等任務(wù)。
