CN109085499A - 一种直线发电机性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线发电机性能测试装置，包括同步励磁旋转电动机、曲轴连杆机构、圆柱型连接件、球型连接件、基于NI系统采集卡的信号采集、记录和分析上位机，将功率为15kW、额定转速为1500转/分的同步励磁旋转电机通过曲柄连杆机构，将其旋转运动转换为往复运动。转换后的运动形式用于测试直线发电机。曲轴半径依据直线电机的行程进行选配，能测试平板型直线电机，能测试圆筒型直线电机等通过往复运动发电装置。圆柱型和球型连接件解决安装时引起的轴线水平不一致性问题，有效解决研发阶段单样机情况下，测试频率低、推力小和功率低问题，并通过曲轴半径变化，变频器频率变化，有效实现多行程，多运行状态下直线发电机的测试。

Description

一种直线发电机性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种单机大功率直线发电机性能测试系统，特别涉及一种直线发电机性能测试装置。

背景技术

直线发电机是一种直接利用电机动子的往复运动切割磁力线，将机械能转化为电能的装置，具有摩擦损耗低，能量转换效率高的优势，被广泛运用于斯特林发动机、自由活塞发动机、热声发动机和波浪发电等领域。目前，在直线电机性能测试中，大部分方案是利用两台功率等级相同的直线电机进行对拖测试。这样的方案在测试小功率，成熟直线电机产品时，由于易获取可靠的拖动直线电机，因此是有效的。然而，在面对缺乏现成的性能稳定的拖动直线发电机，对于实验试制的单机大功率直线发电机性能测试，其方案将不再适用的。因此，本发明设计了一类能够适用于单机大功率直线发电机性能测试的实验平台。

从被测实验试制直线发电机的变频率、高频率、多样机行程不一致以及大功率的特点出发。这对测试系统提出了较高的要求：一方面，动力拖动装置需要具有大功率、变行程、转速可调、运转可靠等优势；另一方面，需要测试系统能够高效、准确获取直线发电机性能相关运行状态参数，便于对发电性能的分析。

发明内容

本发明为达到解决单机大功率直线发电机性能难测试的问题，提供一种直线发电机性能测试装置，提出了一种将旋转电机旋转运动通过曲轴连杆结构转化为往复运动，拖动直线发电机的测试方案。特别地，还设计了解决安装过程中连接轴不同轴，不水平的圆柱型和球型连接件。在数据采集方面，结合高精度的激光位移传感器，大量程的霍尔电压和电流传感器采集直线发电机的性能参数，以及基于labVIEW编写的上位机，能够快速、准确的测试直线发电机的发电性能。

为达到上述目的本发明采用下述技术方案包含：大功率变频器（1）、同步励磁旋转电机（2）、联轴器（3）、曲轴半径可选配的曲轴机构（4）、滑块机构（包括圆柱型连接件）（7）、拉压力传感器（8）、球型联轴器（9）、被测直线电机（10、11、12）、直线发电机负载（14），霍尔型电压传感器（13）、霍尔型电流传感器（15）、激光位移传感器（17）、NI采集卡（5），基于Labview的信号采集上位机的计算机（6）、不控整流桥（16）等部件。所述同步励磁旋转电机（2）经过大功率变频器（1）连接电源，其输出轴由一个机械传动机构连接被测直线发电机的动子板（11）附近装有激光位移传感器（17），与直线电机输出电能相连的导线上连接由霍尔型电压传感器（13）和霍尔型电流传感器（15）、直线发电机负载（14）和一个不控整流桥（16）；所述拉压传感器（8）、激光位移传感器（17）、霍尔型电流传感器（15）、霍尔型电压传感器（13）经一个NI采集卡（5）采集电信号，并传送到包含Labview软件和上位机的计算机（6），所有的信号经过处理计算获得直线发电机性能。

可选地，所述的大功率变频器（1）直接与同步励磁旋转电机（2）相连，可为旋转电机（2）提供不同工作电源频率，达到可调节电机转速的效果。

可选地，所述同步电机（2）为同步励磁旋转电机（2）。其选用，是为保证测试系统在周期性易变大负载的工况下，具备不失速可靠的运动形式。可为测试平台的运行提供可靠的动力源。

可选地，所述联轴器连接了上述旋转电机（2）主动轴与从动轴曲轴机构（4），具有在启动、换向时，提供缓冲、减震和提高测试系统运动性能的效果。

可选地，所述曲轴连杆（4）置于旋转电机（2）与直线发电机（10、11、12）之间，主要用于将旋转运动转化为以曲轴半径两倍长度为行程的往复运动，曲轴的半径可依据被测直线发电机的运动行程进行选配。

可选地，所述滑块(7)连接到曲轴连杆(4)中的连杆件，具有保证滑块往复运动的水平度，消除往复运动的侧向运动分量的效果。

可选地，所述滑块(7)还包括一个圆柱形连接件(7)，圆柱形连接件(7)与拉压传感器(8)的一端相连，这一机构有利于当拉压传感器(8)没有完全安装在同轴线上时，保证滑块(7)与拉压传感器(8)之间的作用力在水平力方向上，不使因扭转力造成拉压传感器(9)测量不准确。

拉压力传感器，安装在球型连接件(9)与圆柱形连接件(7)之间，用于检测推拉力直线电机动子板（11）时所用的拉压力，其测量范围为±10kN。其中，传感器（8）与两端的连接件是通过螺纹连接的。

可选地，球型连接件（9）与拉压传感器（8）直接相连，这一机构是为了当传感器（8）与动子板（11）的连接不在同一高度时，保证拉压传感器不受到上下扭转力损坏传感器（8）以及系统在安装高度不一致时受力的水平性。

可选地，被测直线发电机（10、11、12）与球型连接件相连（9），便于直线发电机动子板（11）与传感器连接（8）。

可选地，被测直线发电机通过不控整流桥（16）与直线电机负载（14）相连，在直流侧连接线上外加霍尔电压、电流传感器（15、13），检测被测直线发电机直流侧的电参数用于计算直线发电机效率。

可选地，激光位移常感器（17）安装于动子板的水平方向上，其光路直接照射于动子板，用于检测动子板（11）的位移信号。同时，其精度较高，速度、加速度信号可通过一次微分，二次微分得到。

可选地，上述位移信号，电压、电流信号，拉压力信号，通过信号线连接到NI采集卡（5），并在包含LabVIEW语言编写的程序的上位机计算机（6）中完成信号的采集、计算与记录。最后，通过效率计算式完成直线发电机（10、11、12）发电效率的测试。

现有的该类型发明装置中，大多是通过两个直线电机对拖测试发电机的性能参数。然而，在面对新研制的大功率直线发电机时，难以直接匹配相同功率等级的对拖直线电机。因此，针对这一情况，本发明利用现有功率大、可靠性强的同步励磁旋转电机（2）结合曲轴连杆机构（4）、滑块机构（7）将旋转运动装换为直线往复运动，并通过相关传感器检测运动状态进行分析计算直线发电机性能（10、11、12）。这一机构具有往复运动频率无极调速（变频率）、往复运动可靠、可承受负载大、测试功率范围广的优势。有效的解决了大功率试验直线发电性能测试的问题。

附图说明

图1是直线发电机性能测试平台示意图；

图2是包含圆柱型连接件的滑块示意图；

图3是球型连接件示意图；

图4是直线发电机性能测试平台操作流程图；

其中：

大功率变频器（1）、同步励磁旋转电机（2）、联轴器（3）、曲轴连杆机构（4）、NI采集卡（5）、包含Labview软件和上位机的计算机（6）、滑块机构（包括圆柱形连接件）（7）、拉压力传感器（8）、球型连接件（9）、直线发电机上定子板（10）、直线发电机动子板（11）、直线发电机下定子板（12）、霍尔型电压传感器（13）、直线发电机负载（14）、霍尔型电流传感器（15）、不控整流桥（16）、激光位移传感器（17）。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例作详细说明：

图1至图3所示为本发明的结构示意图。

实施例一：

参见图1，本测试装置通过将旋转运动转化为往复运动，推动直线发电机动子板切割磁力线，发出电能，并配与拉力传感器和位移传感器检测运动状态，在外接负载的直流侧回路上检测电信号，经过检测、记录和计算处理得到被测发电机的性能参数。其中，提供动力源的装置包括：变频器（1）、同步励磁旋转电机（2）、旋转运动与直线往复运动形式转换机构主要包括：联轴器（3）、曲轴连杆机构（4）、滑块7以及圆形与球型连接件（7、9）。信号采集系统主要包括：霍尔型电压传感器（13）、霍尔型电流传感器（15）、激光位移传感器（9）以及NI采集卡（5）和计算机（6）。

参见图2，所述的直线发电机测试过程，包含如下步骤：

1.第一步骤：使能传感器（8、13、15、17）、NI采集卡（5）和计算机（6）电源，确保传感器能够检测到信号。由于传感器外接相应的选配电阻（14）和放大器，需保证线路连接的正确，启动的NI采集卡（5）也要保证能够正常的采集和记录信号。

2.第二步骤：启动变频器（1）、设置电机参数和电机运行参数辨识。首先通过旋转电机（2）铭牌设置变频器的相关参数，启动参数辨识功率，使系统设置参数与实际工况能够有效的适配，保证系统的平稳启动。

3.第三步骤：使能变频器（1），启动电机（2）。启动阶段，需要在较低的电频率下运行，根据实际工况逐渐缓慢增加电频率，提高旋转电机的转速。当然，由于较高的频率下系统运行具有较高的速度易引发事故，需要时刻关注运行状态，出现异常时进行及时的减速和停机。其中旋转电机的额定转速为1500转/分，额定功率为15kW，因此其可拖动测试的直线发电机的最高频率和功率分别为25Hz和15kW。

4.第四步骤：信号的采集。采集的信号包括：动子板（11）的位移，拉压力信号，直线发电机输出的直流侧电压、电流信号。这些信号是通过NI采集卡（5）传输到Labview编写的上位机（6）显示，并配有数据记录功能。

5.第五步骤：直线发电机（10、11、12）性能计算。将采集的信号进行记录，通过输入功与输出功的比值得到系统的发电效率。

6.第六步骤：减速停机，结束运行过程。

实施例二：

本实施例是在实施例1的基础上，以调节直线发电机性能测试装置往复运动频率为主。其特征在于可通过调节大功率变频器（1）的电频率来变换直线电机动子板（11）往复运动频率。从而，能够测试直线电机（10、11、12）在不同工况下的发电性能。

实施例三：

本实施例是在实施例2、3的基础上，通过调节直线电机负载（14）的大小为主。其特征在于通过调节直线发电机负载（14），结合常感器（8、13、15、17）采集直线发电机的运动性能，最后通过NI采集卡（5）和计算机（6）来计算直线发电机（10、11、12）在不同负载下的发电性能。

Claims (7)

1.一种直线发电机性能测试装置，包括大功率变频器（1）、同步励磁旋转电机（2）、联轴器（3）、曲轴连杆机构（4）、NI采集卡（5）、包含Labview软件和上位机的计算机（6）、滑块机构（包括圆柱型连接件）（7）、拉压力传感器（8）、球型连接件（9）、直线发电机上定子板（10）、直线发电机动子板（11）、直线发电机下定子板（12）、霍尔型电压传感器（13）、直线发电机负载（14）、霍尔型电流传感器（15）、不控整流桥（16）和激光位移传感器（17），其特征在于：所述同步励磁旋转电机（2）经过大功率变频器（1）连接电源，其输出轴由一个机械传动机构连接被测直线发电机的动子板（11）附近装有激光位移传感器（17），与直线电机输出电能相连的导线上连接由霍尔型电压传感器（13）和霍尔型电流传感器（15）、直线发电机负载（14）和一个不控整流桥（16）；所述拉压传感器（8）、激光位移传感器（17）、霍尔型电流传感器（15）、霍尔型电压传感器（13）经一个NI采集卡（5）采集电信号，并传送到包含Labview软件和上位机的计算机（6），所有的信号经过处理计算获得直线发电机性能。

2.根据权利要求1所述的直线发电机性能测试系统，其特征是：由变频器驱动的同步励磁旋转电机（2），所述机械传动机构是：同步励磁旋转电机（2）通过联轴器连接曲柄连杆机构（4），将旋转电机（2）的旋转运动转变到往复的直线运动驱动直线电机动子板（11）发出电能，使其由NI采集卡（5）采集传感器相关运行参数，并通过上位机接电脑（6）设定程序计算系统的性能参数。

3.根据权利要求1所述的直线发电机性能测试装置，其特征在于：使用了同步励磁旋转电机（2），可在直线电机（）周期性波动的电磁阻尼力下保证对直线电机提供期望运动规律的运动形式；并且，可根据直线发电机的运行需要或功率需求，提供不同频率的往复运动，能够满足<=25HZ，<=15kW的往复周期运动频率和功率。

4.根据权利要去1所述的直线发电机性能测试装置，其特征在于，使用了一个滑块机构（7）和一个圆柱形连接件（9），圆柱形连接件（9）与拉压力传感器（8）的一端相连，这一机构有利于当拉压传感器与滑块在没有完全安装在同轴线上时，保证滑块与拉压传感器之间的作用力在水平力方向上，消除因扭转力造成拉压力传感器（8）测量不准确的问题。

5.根据权利要求1所述的直线发电机性能测试装置，其特征在于：在拉压力传感器（8）与直线发电机动子板（11）之间设计了球型连接件（9），这一机构是为了当传感器（8）与动子板（11）的连接不在同一高度时，保证拉压传感器（8）不受上下扭转力而损坏传感器（8）。

6.根据权利要求1所述的直线发电机性能测试装置，其特征在于：利用了不控整流桥（16），外接负载的方式对直线发电机的发电性能进行测试，这较大程度保证了系统发电时电参数的真实性，并且仅通过直流侧电压、电流两个传感器（13、15）就能完全测试直线发电机的发电效率。

7.根据权利要求1所述的直线发电机性能测试装置，其特征在于：利用了高精度的激光位移传感器（17）检测位移信号，这能确保位移信号在一次微分和二次微分获取速度，加速度时，引入的信号噪声较小，保证速度，加速度信号的可读性。