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，人們對其性能要求也越來越高，相關(guān)研究、設(shè)計人員和單位急需對所研發(fā)和生產(chǎn)的電機(jī)進(jìn)行性能測試的設(shè)備，希望通過對測試電機(jī)的空載特性、負(fù)載特性、機(jī)械特性、動態(tài)特性等各種性能試驗采集測試電機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和處理，達(dá)到研究、改進(jìn)和優(yōu)化電機(jī)設(shè)計的目的和確保新產(chǎn)品的質(zhì)量、性能達(dá)到設(shè)計要求。
目前，永磁同步電機(jī)的測試平臺主要有兩類：測功機(jī)測試臺和對拖式測試臺。測功機(jī)測試臺主要采用磁滯測功機(jī)、磁粉測功機(jī)或電渦流測功機(jī)作為電機(jī)負(fù)載，通過散熱裝置將電機(jī)測試過程中產(chǎn)生的能量消耗掉。對拖式測試臺通過能量消耗、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)測試產(chǎn)生的能量再回饋至電網(wǎng)；對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，隨著社會上環(huán)保意識和節(jié)能意識的提高，采用電功率閉環(huán)方式的對拖回饋型測試方案正逐漸代替能量消耗型測試方案成為主流方案。
根據(jù)測試規(guī)劃，本測試臺主要用來完成500-2200W小功率永磁電機(jī)的性能試驗，測試項目包括空載試驗、負(fù)載試驗、熱試驗(溫升試驗)、失步轉(zhuǎn)矩試驗、牽入轉(zhuǎn)矩試驗、堵轉(zhuǎn)試驗以及反向電動勢試驗。
考慮盡量兼顧不同功率段和電壓等級電機(jī)的試驗和靈活更換同步驅(qū)動變頻器的要求，系統(tǒng)采用四象限變頻器交流母線回饋的對拖試驗方式，通過調(diào)壓器為被試驅(qū)動器供電，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)的試驗系統(tǒng)。
該測試臺由驅(qū)動系統(tǒng)、陪試系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成，各部分作用分別如下：驅(qū)動系統(tǒng)包括調(diào)壓器、同步變頻器和被試電機(jī)，用于驅(qū)動被試電機(jī)，使被試電機(jī)工作于測試工況。
陪試系統(tǒng)包括驅(qū)動加載變頻器和陪試電機(jī)，完成系統(tǒng)加載和能量回饋。測控系統(tǒng)由電參數(shù)測量儀、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。對拖過程中，變頻器分別用于驅(qū)動被試永磁同步電機(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)各種瞬時工況下的特性。當(dāng)被測電機(jī)拖動陪試電機(jī)轉(zhuǎn)動時，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)動器通常采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動，不同于普通感應(yīng)電機(jī)的是永磁同步電機(jī)的啟動通常需要轉(zhuǎn)子位置信息才能啟動。傳動變頻器寬泛的功率和電壓范圍可適用于驅(qū)動各種類型的電機(jī)，包括永磁電機(jī)，能夠滿足任何過程控制、自動化系統(tǒng)的需求。同時，考慮永磁同步電機(jī)驅(qū)動功率匹配和電壓等級問題，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)計成外置式接線，以便于更換。
陪試系統(tǒng)是本測試臺的核心部分，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機(jī)，永磁同步電機(jī)動態(tài)響應(yīng)更快，驅(qū)動精度更高，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象，強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，因此可以對電機(jī)的動態(tài)變化做出快速反應(yīng)，其動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間在開環(huán)應(yīng)用時1~5ms，動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差0.4%，閉環(huán)應(yīng)用時為0. 1%，并且能實現(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，提高測試臺的整體水平，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)矩等大量測試數(shù)據(jù)，所需測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、振動和噪聲等物理量。測量儀器儀表及傳感器是測試臺的核心部分，直接決定著測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測試臺的可靠性。另外，永磁電機(jī)采用永磁體勵磁，不需要無功勵磁電流，因而其效率和功率因數(shù)通常比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)高，更容易設(shè)計制造高效電機(jī)。
由于變頻器輸出的調(diào)制波既有頻率很低的基波，同時又有大量的高次諧波。目前一般工業(yè)用的電參數(shù)測量儀器儀表很難測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)測量的正確性和準(zhǔn)確性是電機(jī)性能評價的關(guān)鍵，目前國內(nèi)能保證全局精度0.2級的比較少，基本只能考慮進(jìn)口品牌電參數(shù)測量儀。為了準(zhǔn)確評估被試電機(jī)的性能，本測試系統(tǒng)電參數(shù)測量采用帶電機(jī)評估模塊功高精度功率分析儀進(jìn)行電參數(shù)測量和機(jī)械參數(shù)測量，可配置1~6個電參數(shù)測量通道，能實現(xiàn)電機(jī)的輸入和輸出的高精度同步測量，操作靈活且擁有寬帶寬，是電機(jī)測試和評估的理想工具。
通常電參數(shù)測量儀直接測量電流不超過5A，超過5A則需要采用電流傳感器測量，而采用電流傳感器測量則會損失測量精度。根據(jù)測試能力設(shè)計要求，本系統(tǒng)峰值電流為42A，而功率分析儀提供了50A電流測量量程，因而測量系統(tǒng)選用了50A量程，省去了電流傳感器，在提高系統(tǒng)測量精度的同時也節(jié)約了建設(shè)成本。
轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是測試臺測試系統(tǒng)的核心組成部分之一，對測量精度、響應(yīng)速度和過載能力都有較高的要求。鑒于轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測量準(zhǔn)確性對電機(jī)試驗檢測數(shù)據(jù)的重要影響和測量峰值轉(zhuǎn)矩44Nm，因而采用了數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行試驗電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量。
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%，完全滿足測試臺的使用要求。
為了確保被試電機(jī)電參數(shù)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號的采集數(shù)據(jù)的同步，采用了集成電機(jī)評價模塊來測量電機(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)測量的同步。其它輔助測量包括電阻儀、溫度儀、噪聲計、振動儀等均通過通訊接口集成接入測試系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中變頻器、被試電機(jī)、電參數(shù)測量儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、陪試電機(jī)、PLC 及工控計算機(jī)外圍設(shè)備均是測控系統(tǒng)的控制對象，通過上位機(jī)測試軟件完成設(shè)備的啟停、工況檢測、電源調(diào)整、負(fù)載整、數(shù)據(jù)采集、分析和計算等任務(wù)。
