交流异步电机试验自动采集与控制系统的设计毕业论文.docx

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交流异步电机试验自动采集与控制系统的设计毕业论文

交流异步电机试验自动采集与控制系统的设计毕业论文

交流电机试验自动采集与控制系统的设计

摘要:

近年来，计算机的大量推广应用为自动测试系统的发展开拓了新的途径，近代电子技术的迅速发展又为提高电机试验的精度和速度、进行动态特性测试及采用新的测试方法提供了可能性，进一步推动了电机测试技术的发展。

在这种发展背景下，我们进行了智能化电机自动测试与控制系统的探讨。

交流电机试验自动采集与控制系统的设计主要是通过对试验电源系统的设计、电机型式试验台的设计、智能仪表采集显示系统的设计、计算机采集处理系统的设计及电机试验报告自动生成等五大部分着手，实现了对电机试验的各项数据，即直流电阻、绝缘电阻、电流、电压、功率、转速、温度、振动、噪声等实行自动采样，所有数据经计算机处理分析后，自动生成试验报告。

关键词：

三相异步电机智能仪表计算机测试

DesignofautomaticacquisitionandcontrolsystemforACmotortest

Abstract:

inrecentyears,thepopularizationofcomputerautomatictestsystemdevelopmentdevelopnewway,therapiddevelopmentofmodernelectronictechnologyandimprovetheprecisionandspeedofmotortest,dynamictestandthenewtestmethodprovidesthepossibility,andfurtherpromotethedevelopmentofmotortestingtechnology.Inthisdevelopmentbackground,wehavecarriedouttheintelligentmotorautomatictestandcontrolsystem.

DesignofcontrolsystemofautomaticdataacquisitionandACmotortestisbegunbytestpowersystemdesign,typeofmotortestbeddesign,intelligentinstrumentdisplaysystemdesign,computeracquisitionprocessingsystemdesignandmotortestreportautomaticallygeneratedfivepartstoachievethedataofmotortest,namelyDCresistance,insulationresistance,current,voltage,power,speed,temperature,vibration,noiseandsoontheimplementationofautomaticsampling,allthedatabycomputeranalysisandprocessing,automaticgenerationoftestreports.

Keywords:

threephaseasynchronousmotorintelligentinstrumentcomputertest

第1章绪论

1.1概述

随着电机技术和计算机技术的不断提高，电机试验计算机采集处理系统作为电机测试领域的一个重要组成部分，也得到了迅速的发展。

它已经从传统的人工手动和人工读数方式发展为完全以计算机为中心，采用数据采集与传感器相结合的集中管理和分散控制的自动测试系统，能最大限度的完成测试工作的全过程。

它既能实现对信号的检测，也能对所获得的信号进行分析处理而获得有效的信息。

1.2课题设计的研究意义及其研究内容

电机测试技术对电机工业的发展起着举足轻重的作用。

近代电子技术的迅速发展。

计算机在测试系统中已作为测试设备的一部分，大大提高了电机试验的精度与速度，减少测量结果的误差，对产品质量起到了监督和保证作用，开辟了电机发展的又一新纪元。

然而，我国在微型计算机控制方面设备比较落后，尤其是测试设备的落后成为我们主攻的方向。

目前，很多大型企业和高校对其进行了一系列卓有成效的改造，测量精度越来越高，操作起来更加便利。

在工业快速发展的今天，电机作为主要动力，产量不断提高，那么对其各方面性能的测试（电机测试）方法和技术的改进问题也就突出的摆在人们面前。

交流电机试验计算机采集处理系统的设计正是根据电机测试技术发展的需要，结合电器控制、电力电子技术、计算机通讯等多种知识完成的。

交流电机试验自动采集与控制系统的设计主要是通过对试验电源系统的设计、电机型式试验台的设计、智能仪表采集显示系统的设计、计算机采集处理系统的设计及电机试验报告自动生成等五大部分着手，实现了对电机试验的各项数据，即直流电阻、绝缘电阻、电流、电压、功率、转速、温度、振动、噪声等实行自动采样，所有数据经计算机处理分析后，自动生成试验报告。

并可输出打印、存档、随时调阅。

1.3研究发展概况

国际上发达国家早已在20世纪80年代末就推出了跨世纪的总线测试系统及产品，它采用开放的总线标准，使用户在最短的时间内利用总线式仪器和软件，灵活组建自动测试系统，其系统的测试速度和测量准确性非常高，大大节约了测试时间并降低了测试费用。

与国外相比，我国自动测试技术的发展缓慢，测试手段落后。

为使我国的现代自

动测试技术和产品能跟上国际先进水平，与发达国家的测试手段相接轨，“九五”期间原国家机械工业局承担了97—772自动测试系统及设备技术研究科技攻关项目。

该项目的完成提高了我国机电行业自动测试技术的水平，为我国机电产品的性能和质量上台阶提供了保障。

“九五”期间对中小型电机的派生系列、专用系列产品进行了更新，将自动测试技术及电子计算机应用于电机测试中大大提高了电机试验的精度和速度，使产品水平达国际水平。

1.4目前此研究领域存在问题

传统的系统采用人工手动调节的模拟量控制，诸如继电器、接触器、定时器、计数器等。

其存在的主要问题是：

结构复杂、控制过程烦琐、控制精度低、成本费用高，设计与维护困难。

整个过程中的人工操作频繁，容易造成操作误差，不适合现代化的集中管理。

人工读数、人工处理试验报告，电机测试数据的重复性差。

随着电机技术的不断成熟和电机性能的不断提高，传统的测试技术越来越不适应现代化的要求，自动测试技术取代传统的测试技术势在必行。

1.5设计要求和试验项目

1.5.1设计要求

（1）转矩转速仪体积小，惯性轻，噪声小，寿命长。

（2）各种仪器的测试精度高，数字显示转矩、转速、功率、功率因素、电流、电压，电流、电压、功率、转矩以及转速的测量要准确。

（3）测试系统能完成1KW－315KW的各类型电机的直流电阻、绝缘电阻、空载试验、堵转试验、负载试验、温升试验和最大最小转矩的测定，并能进行自动测试，存贮数据，绘制曲线图，打印报表。

（4）转矩、转速测量仪采用单线控制，具有抗干扰特点，使系统可靠，运行稳定。

（5）系统的软硬件设计采用开放式系统结构，以利于系统的扩展，方便系统的二次开发，从而适应各种特殊试验要求。

1.5.2试验项目：

（1）绝缘电阻试验。

测量电机的绝缘电阻、以及此时的环境的温度。

（2）空载试验。

检测空载电流0、空载电压0、空载输入功率0，自动绘制空载特性曲线，并分离出铁耗、机械耗（杂耗）。

（3）堵转试验。

检测堵转电流、堵转转矩、电压，并自动绘制堵转特性曲线,开路电压试验。

测量绕线电机的开路电压。

（4）开路电压试验。

测量绕线电机的开路电压。

（5）温升试验。

检测电流、电压、输入功率、工频、扭矩、转速、效率、功率cosφ、转差率、输入功率，利用带电测温仪带电测量电机各部分的温度。

（6）负载试验。

检测电流、电压、输入功率、工频、扭矩、转速、效率η、功率cosφ、转差率、输入功率，自动绘制工作特性曲线。

其它试验项目，如过电压试验、过电流试验、超速试验、正反转试验等根据用户的需要另行确定。

第2章系统的测量原理

2.1系统各物理量的测量原理和方法

电机试验无论是型式试验还是出厂试验都要对被测电机的电压、电流、功率。

电网频率、转速、转矩、功率因数以及温度等一些物理量进行测试。

在这些物理量中又有电量和非电量之分，对于交流电机而言，电量的测量主要包括交流电压、交流电流及其有效值、平均功率、功率因数及效率、绕组冷态直流电阻的测量等，非电量的测量主要包括转速、转矩、温升的测量

电机的测试包括电机的电压、电流、功率、频率、转速、转矩、功率因数及温度等量的采样，本系统采用的都是智能仪器仪表对信号进行采样然后再用RS-485通信协议来通信从而测量系统的各电量参数。

系统的电量和非电量的采集由电参数测试仪、电阻测试仪和转矩转速测试仪、温度测量仪等来完成。

这些测试仪它们可以单独测量电机某些参量，又可根据灵活、方便的通讯协议，把采集得到的数据送到计算机[1]。

2.1.1电压电流的测量

在本系统中，用GAAZ-062、GAVZ-062采集电压电流，再经过RS485/RS232通信接口传到计算机和显示器显示。

2.1.2有功功率和无功功率的测量

交流电路的有功功率定义为电压和电流瞬时值的乘积，即（）（）（），对其进行离散化处理，对于第个采样点（）时的瞬时功率为[1]：

（）（）×（）（）

由式可知，计算瞬时功率，要求采用同一时刻的电压和电流值相乘，在本系统中

是首先利用电流互感器把线路电流变为5A以内的信号再利用三相三线有功无功功率变送器（GAP／Q3-062）测得系统中的有功功率和无功功率。

2.1.3功率因数和频率的测量

正弦波电压和电流供电时，交流电路的平均功率为[2]：

COSφ（2.2）

其中和分别为电压和电流的有效值，而φ为电压和电流之间的相位移。

在智能化电机测试系统中，功率因数的测量由功率因数变送器（GACOS-062）来完成。

电网频率的测量频率变送器（GAF-061）来完成

2.1.4转矩和转速的测量

测量转速的方法很多，主要分为数字式测速和模拟式测速两类，数字式测速是通过某种方法读出一定时间内的总转速或一定转速所经历的时间来计算转速，而模拟方法是测出有瞬时值转速引起的某种物理量的（如离心力等）的变化来表示转速的大小。

2.1.5温度的测量

电机各部分温度如机壳温度、铁心温度、轴承温度和绕组温度等，特别是绕组温度不仅表示电机的发热状态，而且与电机的寿命有密切的关系，一般认为，绕组温度每增加8～10℃，绕组寿命将缩短一半。

电机试验标准中规定要进行温升试验，其目的就是在于热稳定状态下测定电机各部分的温度。

为保证电机的正常运行，那么电机各部件的稳定温升不得超过国家标准的允许值。

国家标准中对电机的铁心，轴承，润滑油，冷却介质等规定了温度的极限值，对电机的绕组也规定了温升的极限值。

绕组的温升除了与各种绝缘结构的极限使用温度有关以外，还与环境温度，热点温度有关。

电机温升的测量方法根据国家标准的规定有四种：

温度计法、电阻法、埋置检温计法和迭加法（双桥对电测温法），红外线测温仪温度指示器等等。

在我们研制的电机测试控系统中，温度的测量由Pt100温度传感器测得电阻的变化值再利用多路智能巡检远传控制仪（WIDEPLUS-F08-8-04-08-H）显示和传给计算机进行处理。

2.2测量误差的原理

一切实验检测结果都具有误差，或者说，误差自始至终存在于一切科学实验及检测的过程中。

2.2.1误差的分类及定义

2.2.1.1按误差的实际含义分类

按误差的实际含义，可分为绝对误差、相对误差和引用误差三种。

（1）绝对误差

某量的给出值与它的真值之差，称为绝对误差，简称真误差。

用Δ、和分别代表绝对真误差、给出值和真值，则可用下式表示它们之间的关系[3]

Δ=-（）

给出值包括测量值、标称值、近似值等。

真值Δ是指在规定的时间空间内被测定值的真实大小，它一般是未知的，此时真误差也是未知的；有的真值是可知的，还有的从相对意义上来说是可知的。

可知的真值有如下几种：

①理论真值。

②计量学约定真值。

③标准器相对真值。

高一级标准器的误差与低一级标准器或者普通仪器的误差相比，比值为1/5（或1/3~1/20）时，则可以认为前者是后者的相对真值。

对于真值可知的测量值，我们可以对其进行修正。

修正值即是绝对真误差，但与真误差符号相反，即[5]

（2.4）

（2.5）

（2）相对真误差

绝对真误差与真值之比的百分数被称为相对真误差，用

表示，其式为

（2.6）

相对误差通常用于衡量测量（或量具及测量仪表）的准确度。

相对误差越小，准确度越高。

（3）引用误差

引用误差是一种简化的和实用方便的相对误差。

它常在多档和连续刻度的仪器仪表中应用。

为了计算和划分准确度等级的方便，通常取该仪器仪表量程中的测量上限（满刻度）作为固定的真值，由此得出引用误差的定义为：

引用误差是仪器仪表的绝对真误差与该仪器仪表量程最大值（满量程）之比的百分数，用式子表示为[9]

（2.7）

2.2.1.2按误差的来源分类

按误差的来源分类，可分为装置误差、方法误差、人员误差和环境误差四类。

（1）装置误差

①标准器误差。

标准器是提供标准量的器具，如恒流源，标准电阻等，它们本身的标称值都会有误差。

②仪表误差。

也称工具误差或简称仪差。

③装备、附件误差。

这里是指电源的波形、三相电源的不对称度和正弦交流电的波形畸变等，以及各测量附件如转换开关、触点、接线等所带来的误差。

（2）方法误差

方法误差也称理论误差。

它是由于测量方法本身的理论根据不完善或采用了近似公式所造成的误差。

（3）人员误差

人员误差是由于测量人员的感觉器官和运动器官所造成的误差。

如读表人员与仪表指针的相对位置不正确造成的读数误差等。

（4）环境误差

由于环境（如温度、湿度、气压、电磁场等）的变化使测量值偏离规定值而产生的误差叫做环境误差。

2.2.2提高精度和削弱系统误差的基本方法

2.2.2.1精度的含义

精度一词本身是一个泛指测量指准确度的广义名词，它可以分为三个比较具体的概念。

准确度。

反映系差大小的程度。

精密度。

反映随差大小的程度。

精确度。

反映系差和随差合成大小的程度。

2.2.2.2削弱系统误差的基本方法

消除或削弱系统误差主要方法是针对不同的误差源进行有针对性的事前处理和防范。

（1）仪器仪表误差和装置误差的削弱

坚持对所用仪器仪表和有关装置进行周期鉴定，检查其精度是否符合要求，给出误差修正值或修正公式，有些还要给出修正图表或曲线，以便使用时对测量结果加以修正。

在每次使用前，应对仪器仪表的接线，指针的位置（不通电应指零位的仪器仪表），使用环境条件等进行一次严格地检查，不符合要求的，应进行更正后再投入使用。

（2）人员误差的削弱

人员误差的大小主要决定于人员的技术素质和责任心。

其次是试验过程中的人员组织调配和相互配合问题。

在平时注意上述方面的培养，工作时就能最大限度地削弱由此

带来的误差。

（3）方法误差或理论误差的消除

由于测量方法所造成的误差，有的有一定规律和修正方法，如用电流电压法求取绕组的冷态电阻时，电压表或电流表在测量中造成的误差句可以按有关公式进行修正。

这些方法误差或理论误差应通过修正等方法消除，但是有些方法或理论误差就较难消除，如用反转法测取三相异步电动机的杂散损耗问题。

（4）采用特殊的测量方法消除或削弱误差

①零点法。

在测量时，使被测之量的作用效应与已知量的作用效应相互抵消或平衡，总的效应为零，于是被测量即等于已知量。

这种已知量一般称为标准器，它可以按需要做成较高的精度。

②微差法。

微差法是一种不彻底的零示法。

它的基本方法是用适当的手段测量出被测量x与一个数值相近的标准量N之间的差值（N-x），即可得到x=N-（N-x）。

微差法的优点是：

即使差值的测量精度不算高，因为差值和标准量相比很小，而标准量的精度较高，所以最后的结果精度也会较高。

另外，与零示法比较，它的优点还在于不一定要用可调的标准器，还可能在指示仪器上直接以最终测量结果来标度，从而成为一种较高精度的直接法仪器，简化了测量的手续等。

2.2.3测量结果的误差计算

测量分直接测量和间接测量两种。

在电机试验中，用温度计直接测量温度，用电压表直接测量电压等都属于直接测量；由几种仪器仪表组合后测得的最终读数或由几个读数再经过数学运算才能得到所要的结果的测量为间接测量，如通过电流互感器传递后测量的交流电流，用损耗分析法求得的电机输出功率和效率等。

直接测量的误差比较明确，而间接测量的误差则需通过一定方法的计算才能得到。

设间接测量值y由几个直接测量值xi（i=1~n）所决定，它们之间的函数关系为[6]

（2.8）

设各直接测量值xi的误差为

，则间接测量值y的误差

用下式求得[6]

（2.9）

设y的相对误差为

，则[6]

（2.10）

第3章电机测试方法

3.1绝缘电阻的测定

3.1.1试验目的及影响因素

绝缘电阻测定是一个颇为重要的非破坏性试验。

测定电机绕组的绝缘电阻可以反映电机电阻绝缘处理质量，以及绝缘受潮和表面污染情况。

绝缘电阻降低到一定值会影响电机的耐电压试验，也会影响电机起动和正常运行，甚至会危及使用者的人身安全并损坏电机。

因此，在各种电机的试验方法标准中，第一项试验便是测定电机绕组各相之问及其对机壳的绝缘电阻。

影响电机绝缘电阻测试值的因素有：

温度、湿度、测试电压值及作用时间。

绕组残存电荷和绝缘表面状况等。

电机绕阻绝缘电阻与绕组实际温度有关。

绝缘电阻随绕组温度上升而呈指数关系下降：

式中为温度时的绝缘电阻，为环境温度；为温度时的绝缘电阻。

3.1.2测试仪器的选择

在本试验系统中用到的是电阻仪。

三相电阻测试仪是由杭州威博仪器公司生产的专用带电测试电阻的仪器，其测试结果比较准确，测试数据直接由扩展的串行通信接口传送给计算机进行处理。

3.1.3测量的方法

（1）测试时电机的状态

测量电机绕组的绝缘电阻时，应分别在实际状态下和热状态下进行。

检查试验时，可只在实际状态下进行。

（2）测试方法

对电机的交流异步电机的定子绕组和绕线转子的转子绕组；交流同步电机的定子绕组、励磁绕组及某些自励电机的励磁系统中的电抗器、电流互感器等绕组，如果它们的两个线端都已引出到电机壳之外，则应分别测量每个绕组（包括三相交流电机的定子三相绕组）对机壳的绝缘电阻和各绕组相互间的绝缘电阻。

试验时，不参与试验是绕组应与机壳可靠连接。

对在电机内部已做连接的绕组（如三相绕组已接成Y形或△形），则可只测它们对机壳的绝缘电阻。

3.1.4测试标准

国家标准规定电机组在工作温度时绝缘电阻应符合下式[1]：

（3.1）

式中——电机绕组的绝缘电阻（MΩ）

——电机绕组的额定电压（）；

——电机额定功率（）。

3.2绕组冷态电阻的测定

3.2.1试验目的

（1）用来检查该绕组所用材料的电阻率、匝数、几何尺寸等是否符合设计要求。

在电机型式试验中分析电机效率时，用此电阻值来计算绕组的铜耗。

（2）在电机进行温升试验时，以此电阻值作为绕阻的冷态电阻。

温升试验完成后再测量绕组的热态电阻，利用两者差值来确定绕组的平均温度。

在检查试验时，在同一批设计的电机中，根据电阻值来判断绕组内部三相连接是否正常，相间是否有显著差别。

3.2.2测量仪器

本系统主要用电流电压表或数字电桥来测量绕组电阻。

3.2.3测量方法

测量绕组的冷态电阻有三种常用的方法：

电桥法、电流电压法和数字电桥测量法。

电流电压法按电流表或电压表所接的位置不同而有两种不同的接线，如图3.1（a）为电压表后接法，它适用于所用电压表的内阻远大于被测电阻的场合，有的标准中规定两者的比值大于或等于200时采用此法。

图3.1（b）为电压表前接法，它适用于所用电流表的内阻远小于被测电阻（如两者比值小于1/200）的场合。

V

图3.1电流电压法测量冷态电阻接线图（a）（b）

在精确测量时，无论采用上述哪一种接法，都应对测量值进行仪表误差修正。

（1）电压表前接法仪表修正方法

电压表前接法的测量线路中，电流表指示的电流值就是流过被测电阻的电流，而电压表指示的电压除被测电阻两端的电压降外，还包含着电流表两端的电压降。

设电压表及电流表指示值分别为U和I，电流表内阻为rA，则被测电阻的实际值RX为[1]

（3.2）

（2）电压表后接法仪表误差修正方法

对于电压表后接法，电流表指示值中含有被测电阻和电压表两个支路的电流，设电压表内阻为RV，其他同上式规定，则[1]

（3.3）

（3）电流电压法适用场合及注意事项

由于受仪表精度的影响，电流电压法的精度不如电桥法高。

但是它在通电的工作状态下进行测量，所以在某些电机的温升试验中可以较准确地反映出实际工作状态下的电阻值。

单独用于测量绕组的冷态电阻时，通入电流不应大于绕组额定工作电流的10%，通电时间应不超过1min。

3.3空载试验

3.3.1试验目的

三相异步电机的空载试验是给定子加额定频率的额定电压，空载运行的试验。

空载试验的目的是；

（1）求额定频率下的空载电流，空载损耗与外施电压的关系，即电机的空载特性。

（2）求额定频率和额定电压下的空载电流和空载损耗。

确定铁耗和机械耗。

（3）检查气隙，绕组参数和铁心质量是否正常，装配是否正常。

（4）检查三相空载电流的平衡度。

（5）验证新产品磁路设计的合理性。

3.3.2试验仪器的选用

空载试验时对仪表的选用和测量有以下要求：

（l）根据电流表和功率表电流量程的大小，接空载试验中所选最高电压下空载电流的大小来确定是否用电流互感器。

（2）由于空载时电动机的功率较低，为了保证测量精度，最好用低功率因素功率表测量功率，功率表的规格应一致。

（3）对于电机用户，试验时若无低功率因素表，可采用普通的功率表。

（4）功率表的读数应同时读取。

由于异步电动机的空载功率因数通常小于0.25，故采用两功率表测量H相功率时，其中一个功率表的读数应取负值。

（5）在起动期间，电流表和功率表的电流线圈应短路，在读数时才接入电流线圈。

根据上述原则，我们采用的是香港上润精密仪器有限公司生产的三相三线有功无功功率变送器（GAP／Q3-062）来作为本测试系统中的单相交流有功／无功功率的测量。

3.3.3试验步骤

被测电机起动之后，均应空转一段