3.1 設(shè)計(jì)的重要性及思想
1.主回路設(shè)計(jì)的重要性：
實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)試驗(yàn)首先必須解決的問(wèn)題之一是主回路的設(shè)計(jì)，這步非常關(guān)鍵，控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)都是基于主回路系統(tǒng)工作，并對(duì)它進(jìn)行自動(dòng)化、智能化控制及測(cè)量，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石。
2.設(shè)計(jì)的基本思想:
1)負(fù)載可調(diào)；
考慮系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能和設(shè)計(jì)的要求，既然是負(fù)載試驗(yàn)，首先必須解決負(fù)載問(wèn)題，為了方便起見(jiàn)，采用雙電機(jī)系統(tǒng)，只要讓負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，即成為被試電機(jī)的負(fù)載，但是又必須解決負(fù)載在一定范圍（被試電機(jī)允許的負(fù)載）之內(nèi)平滑可調(diào)，只要在一定頻率范圍內(nèi)改變負(fù)載電機(jī)的頻率，即可改變被試電機(jī)的負(fù)載，本系統(tǒng)中采用變頻機(jī)組來(lái)平滑調(diào)節(jié)頻率，這樣達(dá)到改變被試電機(jī)負(fù)載的目的。
2)高壓可調(diào)；
系統(tǒng)一般進(jìn)線(xiàn)電壓為380V，要實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的高壓，并且讓其可調(diào)，必須用到升壓變壓器和調(diào)壓側(cè)，所以在兩側(cè)都要用升壓變壓器和調(diào)壓器。
3)測(cè)量?jī)x表的選定；
在本系統(tǒng)中測(cè)量電流用電流互感器，考慮負(fù)載的大幅變化，被測(cè)電流的變化范圍，要用到幾組電流互感器來(lái)隨電流的變化自動(dòng)切換，提高電流測(cè)量的精度。電壓的測(cè)量采用電壓互感器。
4)穩(wěn)壓和穩(wěn)頻；
主電路中進(jìn)線(xiàn)電壓為電網(wǎng)電壓，難免會(huì)有所波動(dòng)，而且，調(diào)壓過(guò)程中電壓也會(huì)略有抖動(dòng)，因此，考慮在被試側(cè)的低壓側(cè)接上穩(wěn)壓器件。負(fù)載側(cè)由于變頻機(jī)組本身具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻功能。所以不需要再接穩(wěn)壓器件。
5)高壓保護(hù)裝置；
因?yàn)閮蓚?cè)都是高壓線(xiàn)路，所以在兩側(cè)必須裝有高壓斷路器和高壓隔離開(kāi)關(guān)，以便電路在異常情況下自動(dòng)切斷線(xiàn)路，也有利于手動(dòng)控制線(xiàn)路。
3.2 主回路的硬件接線(xiàn)及工作原理
基于3.1節(jié)設(shè)計(jì)思想主回路硬件接線(xiàn)如圖3.1所示：
QF：高壓斷路器；QS：高壓隔離開(kāi)關(guān)；TA：電流互感器；TV電壓互感器；TB：調(diào)壓器；T：變壓器；FU：熔斷器
本系統(tǒng)采用雙路高壓，一路為被試機(jī)（M1）供電，一路為作為負(fù)載用的負(fù)載電機(jī)（M2）供電。值得注意的是，在進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，負(fù)載能量經(jīng)電源機(jī)組、調(diào)壓器回饋到低壓側(cè)電網(wǎng)。具體為：負(fù)載電機(jī)與被試電機(jī)同軸聯(lián)接，通過(guò)電源機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被試電機(jī)與負(fù)載之間形成一定的轉(zhuǎn)速差，即使負(fù)載電機(jī)的頻率f<50HZ，處于發(fā)電狀態(tài)，從而為被試電機(jī)加了負(fù)載，改變變頻機(jī)組的輸出頻率，即可改變被試電機(jī)的負(fù)載大小。由于M2以發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，則產(chǎn)生的電能通過(guò)電源機(jī)組經(jīng)調(diào)壓器回饋至電網(wǎng)。因此，從整個(gè)系統(tǒng)角度來(lái)看，系統(tǒng)消耗的能量主要為系統(tǒng)內(nèi)各電機(jī)的損耗。所以，本系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，要限制變頻機(jī)組的頻率變化范圍，以防被試電機(jī)過(guò)載。在本系統(tǒng)中擬定輸出的變頻范圍為 8～50Hz。
在主回路中，如被試電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作時(shí)，首先在低壓下讓其旋轉(zhuǎn)方向相同, 啟動(dòng)負(fù)載電機(jī),將其電源頻率和電壓調(diào)到額定值左右,隨即被試電機(jī)通電，調(diào)節(jié)電壓至額定值,然后降低負(fù)載電機(jī)的電源頻率，讓被試電機(jī)逐漸加負(fù)載至額定值,負(fù)載電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，直至被試電機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。接著在滿(mǎn)足功率調(diào)節(jié)范圍在1.25～0.25PN內(nèi)用變頻電源平滑調(diào)節(jié)被試電機(jī)的負(fù)載, 測(cè)取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，被試電機(jī)應(yīng)保持頻率和電壓不變；輔助電機(jī)應(yīng)保持額定電壓不變。
3.3主回路相關(guān)設(shè)備的選擇
一、高壓試驗(yàn)對(duì)調(diào)壓器的基本要求
高壓試驗(yàn)必須有一個(gè)能滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的可調(diào)試驗(yàn)電源。通常在高壓試驗(yàn)變壓器的前級(jí)選配合適的調(diào)壓器，借助調(diào)壓器的電壓調(diào)整，使高壓試驗(yàn)變壓器輸出滿(mǎn)足要求的、無(wú)級(jí)連續(xù)、均勻變化的試驗(yàn)電壓。高壓試驗(yàn)配用的調(diào)壓器，除了其輸出容量、相數(shù)、頻率、輸出電壓變化范圍等基本參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足試驗(yàn)要求外，還要求調(diào)壓器應(yīng)具有以下性能。
1)輸出電壓質(zhì)量好 如要求調(diào)壓器輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波；輸出電壓下限最好為零；有些場(chǎng)合還要求輸出電壓與輸入電壓相位相同。
2)調(diào)壓特性好 如要求調(diào)壓器阻抗不宜過(guò)高；調(diào)壓特性曲線(xiàn)平滑線(xiàn)性；調(diào)節(jié)方便、可靠。
3)環(huán)境保護(hù)好 如要求調(diào)壓器運(yùn)行噪聲小。
二、調(diào)壓器和變壓器的選擇
高壓試驗(yàn)用調(diào)壓器，一般采用移圈調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和接觸調(diào)壓器三種類(lèi)型。在本系統(tǒng)中采用柱式接觸調(diào)壓器。
柱式接觸調(diào)壓器是一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的自耦變壓器。它具有輸出電壓波形正弦性好，輸出電壓下限可以為零，調(diào)壓特性平滑、連續(xù)、線(xiàn)性；短路阻抗可以控制在較小范圍內(nèi)，運(yùn)行噪聲小以及輸出電壓與輸入電壓相位基本相同等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的高壓試驗(yàn)用調(diào)壓器。
圖3中主回路進(jìn)線(xiàn)電壓為380V，但是高壓側(cè)電機(jī)的額定電壓為10KV，必須通過(guò)調(diào)壓器和升壓變壓器才能達(dá)到高壓，擬定調(diào)壓范圍為1KV～12KV，通過(guò)調(diào)壓器使其電壓在40～600V范圍內(nèi)變化，升壓變壓器的變比為0.4KV～10KV。值得說(shuō)明的是，調(diào)壓器和變壓器只分別給出了調(diào)壓范圍和變比，沒(méi)有選擇實(shí)際的型號(hào)。實(shí)際運(yùn)用時(shí)必須按標(biāo)準(zhǔn)選擇型號(hào)。
第4章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以GB1032三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法為依據(jù),保證試驗(yàn)過(guò)程滿(mǎn)足要求,根據(jù)此要求設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)由工控機(jī)(上位機(jī)) 、PLC(下位機(jī))和控制裝置等組成。上位機(jī)采用組態(tài)王組態(tài)軟件,下位機(jī)采用三菱FX2N型PLC,通訊采用RS - 232接口（實(shí)驗(yàn)用）。其中組態(tài)王軟件提供可視化菜單,試驗(yàn)人員按組態(tài)界面的提示,由工控機(jī)發(fā)出控制指令,通過(guò)可編程序控制器對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。
4.1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)
4.1.1 組態(tài)王軟件功能分析
本系統(tǒng)上位機(jī)采用了組態(tài)王6.0x,該軟件操作方便,結(jié)構(gòu)清晰,易于上手。而且采用了多線(xiàn)程、COM組件等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。該軟件把每一臺(tái)下位機(jī)看作是一臺(tái)外部設(shè)備，在編程過(guò)程中根據(jù)“設(shè)備配置向?qū)А钡奶崾疽徊讲酵瓿蛇B接功能。在運(yùn)行期間，組態(tài)王通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和這些外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通信程序和組態(tài)王軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效運(yùn)行，也可擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模。
工業(yè)自動(dòng)化通用組態(tài)軟件—組態(tài)王軟件系統(tǒng)與最終工程人員使用的具體的PLC或現(xiàn)場(chǎng)部件無(wú)關(guān)。 對(duì)于不同的硬件設(shè)施,只需為組態(tài)王配置相應(yīng)的通訊驅(qū)動(dòng)程序即可。組態(tài)王支持的硬件設(shè)備包括:可編程控制器(PLC) 、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等等。工程人員可以把每一臺(tái)下位機(jī)看作一種設(shè)備,而不必關(guān)心具體的通訊協(xié)議，使用時(shí)只需要在組態(tài)王的設(shè)備庫(kù)中選擇設(shè)備的類(lèi)型完成安裝即可,使驅(qū)動(dòng)程序的配置更加方便。
4.1.2 組態(tài)王6.0x的構(gòu)成及建立新程序的過(guò)程
“KINGVIW6.0”軟件包由工程管理器、工程瀏覽器和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)TOUCHVEW三部分組成。其中工程瀏覽器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內(nèi)嵌畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，即組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。工程瀏覽器和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的畫(huà)面應(yīng)用程序必須在畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)中才能運(yùn)行。
工程管理器主要用于KINGVIEW工程的管理。
利用KINGVIW建立新程序的一般過(guò)程是：
1)設(shè)計(jì)圖形界面；2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)；3)建立動(dòng)畫(huà)連接；4)運(yùn)行和調(diào)試。
在用KINGVIEW畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序時(shí)要依照此過(guò)程考慮四個(gè)方面：
圖形。就是怎樣用抽象的圖像畫(huà)面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備?！癒INGVIEW6.0”采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使用戶(hù)可以方便地建立畫(huà)面的圖形界面。用戶(hù)構(gòu)圖時(shí)可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對(duì)象完成畫(huà)面的生成，同時(shí)支持畫(huà)面之間的圖形對(duì)象拷貝，可重復(fù)使用以前的開(kāi)發(fā)結(jié)果。
數(shù)據(jù)。怎樣用數(shù)據(jù)來(lái)描述工控對(duì)象的各種屬性？也就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù)，此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量反映了工控對(duì)象的各種屬性，數(shù)據(jù)庫(kù)是“KINGVIEW6.0”最核心的部分。在TOUCVEW運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上，同時(shí)操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的是變量的當(dāng)前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶(hù)定義的變量。變量的集合形象地稱(chēng)為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶(hù)可使用 的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。
動(dòng)畫(huà)連接。所謂“動(dòng)畫(huà)連接”就是建立畫(huà)面的圖素與數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，在畫(huà)面上以圖形對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫(huà)效果表示出來(lái)；或者由軟件使用者通過(guò)圖形對(duì)象改變數(shù)據(jù)變量的值。這樣，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)當(dāng)它們變化時(shí)，先通過(guò)I/O借口，引起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中變量的變化再通過(guò)“動(dòng)畫(huà)”在畫(huà)面上反映出來(lái)。
硬件接口。KINGVIEW軟件系統(tǒng)與最終用戶(hù)使用的具體的現(xiàn)場(chǎng)部件無(wú)關(guān)。對(duì)于不同的硬件設(shè)施，只需為組態(tài)王配置相應(yīng)的通信驅(qū)動(dòng)即可。
4.1.3系統(tǒng)組態(tài)界面的設(shè)計(jì)
根據(jù)電機(jī)的負(fù)載變化，試驗(yàn)又分負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于時(shí)間有限，系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中主要設(shè)計(jì)了負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)和對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)界面。以下以建立主畫(huà)面為例，講述界面設(shè)計(jì)的過(guò)程。
打開(kāi)組態(tài)界面，新建工程，工程名為電機(jī)智能試驗(yàn)系統(tǒng)（主畫(huà)面）。
具體步驟如下：
1)在工程管理器中選擇菜單“文件/新建工程”，或者點(diǎn)擊工具欄的“新建”按鈕，出現(xiàn)“新建工程向?qū)е弧睂?duì)話(huà)框。
2)單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程向?qū)е睂?duì)話(huà)框。
3)單擊“瀏覽”按鈕，選擇所要新建的工程存儲(chǔ)的路徑。
4)單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程向?qū)е睂?duì)話(huà)框：
在對(duì)話(huà)框中輸入工程名稱(chēng)：“電機(jī)智能試驗(yàn)系統(tǒng)”
在工程描述中輸入：“測(cè)試電機(jī)的性能”
單擊“完成”。
5)彈出對(duì)話(huà)框，選擇“是”按鈕，將新建工程設(shè)為組態(tài)王當(dāng)前工程。
6)在菜單項(xiàng)中選擇“工具/切換到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)”，直接打開(kāi)組態(tài)王工程瀏覽器，則進(jìn)入工程瀏覽器畫(huà)面，此時(shí)組態(tài)王自動(dòng)生成初始的數(shù)據(jù)文件。
7)在工程瀏覽器中左側(cè)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)中選擇“畫(huà)面”，在右側(cè)視圖中雙擊“新建”。
工程瀏覽器將彈出“新畫(huà)面”對(duì)話(huà)框，然后在新畫(huà)面中首先進(jìn)行頁(yè)面設(shè)置，如畫(huà)面位置、畫(huà)面風(fēng)格等。
畫(huà)面中要新建的圖素主要以主回路為依據(jù)，以新建電壓互感器為例：
按F2鍵打開(kāi)圖庫(kù)管理器，選擇你所要的圖素—電壓互感器（若無(wú)，用戶(hù)可以自己根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建新的圖素），在工程畫(huà)面上單擊鼠標(biāo)，出現(xiàn)電壓互感器，然后調(diào)整大小并放到適當(dāng)?shù)奈恢眉纯伞?BR> 空載試驗(yàn)界面如圖4.1所示：
負(fù)載試驗(yàn)組態(tài)界面如圖4.2所示：
實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)如下圖4.3所示：
在本系統(tǒng)中，由于被測(cè)電機(jī)的容量可在一個(gè)較大范圍內(nèi)改變，測(cè)試的內(nèi)容也有空載和負(fù)載之分，因此電機(jī)的電流變化的范圍很大，從幾安培到幾十安培甚至上千安培?？紤]到工作方式為自動(dòng)/手動(dòng)兩種方式。并且手動(dòng)方式中由于用戶(hù)的需要仍要求采用指針式儀表讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此保證在大范圍內(nèi)都能精確讀取電流值是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。在本系統(tǒng)中，電流仍通過(guò)電流互感器來(lái)測(cè)量。考慮到電流的變化范圍必須要用到多組電流互感器。在本文中有代表性的選用了兩組電流互感器，它們分別為5/5、30/5兩種。如圖4.1中紅線(xiàn)框所示，方便起見(jiàn)，見(jiàn)下圖4.4所示：
其中TA1與TA2為不同量程的電流互感器，通過(guò)QF2、KM1和KM2之間的切換，可選擇不同量程的電流互感器接入。可以通過(guò)電流繼電器作相應(yīng)的切換，從而選擇出對(duì)應(yīng)的被測(cè)電流。由于電流互感器測(cè)量時(shí)次級(jí)是不允許開(kāi)路的，所以在進(jìn)行電流換檔時(shí)，要求將要換去的電流互感器，先短路原邊測(cè)量線(xiàn)圈，然后再斷開(kāi)副邊線(xiàn)圈。而要換上的電流互感器則先接通副邊線(xiàn)圈后斷開(kāi)原邊線(xiàn)圈。
在以上空載和負(fù)載組態(tài)控制畫(huà)面上，操作人員可直接點(diǎn)擊畫(huà)面上的控制按鈕，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。
（轉(zhuǎn)載）
