电动机运行参数测量系统的设计.docx
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电动机运行参数测量系统的设计
摘要
本文所研究的是交流异步电动机的参数及机械特性的测量。
交流异步电动机是各行各业中使用最广泛的电动机。
因为其构造简单，运行可靠，效率较高，价格低廉以成为各种轻、重工业企业不可缺少的机电设备。
从广义上讲电动机就是电能转化成机械能的机电设备。
在它的发展历程中，经历了漫长的时期。
电动机的总类也繁多，按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机；按转子的结构又可分为鼠笼式电动机和线绕式电动机等等。
由于各种电动机的参数有所不同，使用时的选择性也较多。
因此在使用电动机之前，了解其参数及机械特性对正确使用电动机和提高电动机的使用率都是十分必要的。
在本次毕业设计中我所选用的是实验室某交流异步电动机为标准来进行实验要求的测定和计算。
关键词：
交流异步电动机；参数；机械特性
Abstract
ThispaperstudiedtheexchangeofACasynchronousmotorparametersandthemeasurementofmechanicalproperties.ACasynchronousmotoristhemostwidelyusedinvarioussectorsofthemotor.Becauseofitssimplestructure,reliableoperation,highefficiencyandlowpricestoavarietyoflightandheavyindustrialenterprisesoftheelectricalandmechanicalequipmentindispensable.Inbroadtermsthemotorisconvertedintomechanicalenergyoftheelectricalandmechanicalequipment.Inthecourseofitsdevelopment,afteralongperiodoftime.Thegeneralcategoryofmotorhasmanyusescanbedividedintothedrivebyusingelectricmotorsandmotorcontrol;accordingtothestructureoftherotorcanbedividedintomotorandwoundsquirrel-cagemotorsandsoon.Asaresultofavarietyofdifferentelectricalparameters,useisalsomoreselectiveatthetime.Therefore,beforeusingtheelectricmotor,itsparametersandmechanicalpropertiesoftheproperuseofelectricmotorsandelectricmotorstoimprovetheutilizationrateisverynecessary.Duringthegraduationproject,Iselectedalaboratoryasastandardasynchronousmotorforthedeterminationofexperimentalandcomputationalrequirements.
Keywords:
ACinductionmotor;parameters;mechanicalproperties
‘
1绪论
1.1交流异步电动机的使用及优点
电能是现代社会最主要的能源之一，电机是把电能转换成机械能的设备。
在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛的使用着。
随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电动机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。
此外在国防、文教、医疗及日常生活中（现代化的家电工业中）电机愈来愈广泛的使用起来。
各种电动机中使用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。
它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。
大容量低转速的动力机常用同步电动机。
同步电动机不但功率因数高，而且其转速和负载大小无关，只决定于电网频率。
工作较稳定。
在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。
但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。
20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到使用。
电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。
电动机运行时需注意使其负载的特性和电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。
电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。
一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。
从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：
1保持输入功率不变。
通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。
2控制电动机输入功率以调节电动机的转速。
在现实当中交流异步电动机的种类和型号越来越多，而且各种机械电子设备和家用电器等所需要的电机型号也不同，因此在选用交流异步电动机之前了解其参数和机械特性是十分必要的。
在毕业设计中，所选择的课题是《交流异步电动机的参数及机械特性的测量》，我选用的是实验室的某台鼠笼式交流异步电动机为测试对象，以进行所需要实验数据的测定和计算。
1.2国内外发展概况
在1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。
最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。
他于1834年前后制成了一种简单的装置：
在两个U型电磁铁中间，安装一个六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。
通电后，棒型磁铁和U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。
后来，雅可比做了一个大型的装置，并安装在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2km/h。
和此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刊《电磁和机械情报》。
但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。
直到第一台实用直流发动机问世，电动机才行了广泛使用。
1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。
后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。
于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。
效率也不断提高。
和此同时，德国的西门子接制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。
1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。
西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12—15马力。
但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。
1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。
它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛使用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。
1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。
同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，便转子绕组用直流供电，转速固定不变，不受负载影响。
因此同步电动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。
直流电动机是直流激磁，工作特性接其激磁绕组的接线方式不同而有区别。
串激电动机起动转矩大，适用于牵引和起重，并激电动机转速随负载大小而变动较小，且可以调节，可用为定速或调速之用，复激电动机兼有以上两种激磁方式发动机的特性。
交流换向器电动机，即转子具有换向器的交流电动机。
因它既可用于交流又可用于直流，故称作交直流两用电动机或通用电动机，多用于家用电器。
电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。
直流电动机其调速在过去一直占统治地位，但由于本身结构原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。
而交流电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优势，在工业生产中得到了极广泛的使用，也正在发挥着越来越重要的作用。
2总体设计方案
本次毕业设计中需要完成的是通过经典的测试方法测量交流异步电动机的参数及机械特性，并以实验室某一型号交流异步电动机为测量对象。
一．测量电动机的参数，分别通过直流法、交流法、电桥法测量及堵转实验。
二．测量电动机的机械特性，通过D-F系统对电动机在空载和加载情况下分别测量和计算，并绘制其机械特性曲线。
三．除交流电动机外还涉及到直流电动机、三相调压器、单相调压器、整流滤波、电桥、使用功率表、转速表等仪器仪表及相关内容。
电动机参数的测量如图2.1。
图2.1交流电动机的参数测量
D-F系统测量电动机空载和加载时的械特性如图2.2。
图2.2D-F系统测量电动机的机械特性
3电路及相关设备简介
3.1交流异步电动机
3.1.1交流异步电动机的结构及各部分的作用
一般电动机主要由定子和转子两部分组成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。
另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。
定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑。
电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。
定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换。
机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。
电动机运行时，因内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。
为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状。
电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。
转子绕组的作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩。
转轴是支撑转子的重量，传递转矩，输出机械功率的主要部件。
图3.1鼠笼式交流异步电动机结构
3.1.2交流异步电动机的工作原理
1．旋转磁场
定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。
当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如图3.2所示。
旋转磁场的旋转方向和三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。
图3.2旋转磁场
若定子每相绕组由P个线圈串联，绕组的始端之间互差360°/P，将形成P对磁极的旋转磁场。
旋转磁场的转速（同步转速）可用下式表示：
n=60f/P。
定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。
由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向和电动势方向相同，如图3.3：
图3.3电磁力产生
转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。
该力对转轴形成转矩（称电磁转矩），并可见，它的方向和定子旋转磁场（即电流相序）一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。
有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。
电动机长期稳定运行时，电磁转矩T和机械负载转矩T2相等，即T=T2。
2．转差率
旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差和旋转磁场的同步转速之比称为转差率。
描述转子转速和旋转磁场转速相差的程度。
3.1.3交流异步电动机的机械特性
电动机的机械特性是指电动机的转速n和转矩T的关系
机械特性是电动机力学性能的主要表现。
T-S的曲线图如下力图左；T-n的曲线图如下图右，即为电动机的机械特性曲线。
图3.4机械特性图
在机械特性图中，存在两个工作区：
稳定运行区和不稳定运行区。
在机械特性曲线的AB段，当复的损坏，还有可能导致触电、火灾等危险。
短路保护应该满足以下要求：
一是必须在很短的时间内切断电源；二是当电机正常启动、制动时，保护装置不应误动作。
常用的短路保作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。
机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。
3.1.4交流异步电动机的保护电路
1．短路保护
短路是由于绝缘损坏、接线错误等原因导致电流从非正常路径流过的现象。
瞬时短路电流可能达到电机额定电流的几十倍甚至上百倍，如果不能及时切断电源，则有可能造成电机不可修护装置有熔断器和断路器。
2．过流保护
过电流是指电动机的工作电流超过其额定值，如果时间久了，就会使电机过热损坏电机，因此需要采取保护措施。
过电流时，电流仍由正常路径流通，其值比短路电流值要小。
过电流一般是由于负载过大或是启动不正确。
为了避免影响电动机正常工作，过电流保护动作值应该比正常启动电流略大一些。
过电流保护也要求保护装置能瞬时动作。
过电流保护一般采用过电流继电器。
3．过载保护
电动机过载是指其工作电流超过额定值使绕组过热。
引起过载的原因很多，如负载的突然增加、电源电压降低、电动机轴承磨损等。
过载和过流类似，但也有差别。
主要的不同在于动作效应的不同。
过电流是由电磁效应来引发保护装置动作，针对电流的瞬时大小；而过载保护则是由电流的热效应，即电流对时间的累积结果来引发保护装置动作。
一般情况下同一电路中，过载保护动作电流值要比过电流小，而这两者又均比上面提到的短路保护动作电流值小。
值得注意的是，短路保护、过电流保护和过载保护是不能互相代替的。
过载保护应采用热继电器或电动机保护器作为保护元件。
4．失压保护
如果电动机在正常工作时突然掉电，那么在电源电压恢复时，就可能自行启动，造成人身事故或机械设备损坏。
为防止电压恢复时电动机的自行启动或电器元件自行投入工作而设置的保护，称为失压保护。
采用接触器和按钮控制电动机的启动制动就具有失压保护功能。
如果正常工作中电网电压消失，接触器会自动释放而切断电动机电源。
5．欠压保护
电动机或电器元件在有些使用场合，当电网电压降到额定电压的60%－80%时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠电压保护。
电动机在电网电压降低时，其转速、转矩都将降低甚至堵转。
在负载一定的情况下，一方面电动机电流增大，而其增加幅度还不足以使熔断器和热继电器动作，因此必须要采取欠压保护措施。
除了利用接触器本身的欠电压保护作用之外，还可以采用低压断路器或专门的电磁式电压继电器来进行欠电压保护，其方法是将电压继电器线圈跨接在电源上，其动合触头串接在接触器控制回路中。
当电网电压低于指定值时，电压继电器动作使接触器释放。
6．过压保护
当由于某种原因使得电动机电源电压超过其额定值时，电动机的定子电流增大，使电动机发热增多，时间久了就会造成电动机损坏。
如果电压比额定值高很多，则电动机定子电流就会超出额定值许多而可能烧坏电机。
因此，需要进行过电压保护。
最常见的过电压保护装置是过电压继电器。
电源电压一旦过高，过电压继电器的常闭触头就立即动作，从而控制接触器及时断开电源。
过电压继电器的动作电压整定值一般可为电动机额定电压的1.05－1.2倍。
7．断相保护
异步电动机在正常运行时，如果电源任一相突然断路，电动机就处于断相运行。
此时电动机实际上是在单相电源下运行，电动机定子电流会增大，转速要下降甚至会堵转，时间一长就会烧坏电机。
实践表明，断相运行是使电动机损坏的主要原因之一，因此应进行断相保护。
引起电动机断相运行的原因很多，如熔断器一相熔体烧断，电动机绕组一相断路、一相接触不良或松脱，电源一相线路断开等，其中尤以熔断器一相烧断的情况最为常见。
断相运行时，线路电流和电动机绕组连接因断相形式不同而不同；电动机负载越大，故障电流也越大。
断相运行时，通常可以根据电流或电压发生的变化特征检测出断相信号来构成断相保护装置。
断相保护有很多方法，如用带断相保护的热继电器，采用电压继电器，采用欠电流继电器，断丝电压保护，采用专门为断相运行而设计的断相保护继电器。
8.相序保护
一般情况下，电动机工作的接线顺序是有规定的，如果由于某种原因，导致相序发生错乱，电动机将无法正常工作甚至损坏。
相序保护就是为了防止这类事故发生。
相序保护可采用相序继电器，当电路中相序和指定相序不符时，相序继电器将触发动作，切断控制电路的电源从而达到切断电动机电源、保护电动机的目的。
9．温度保护
在电动机电流没有超过额定值时，由于通风不良、环境温度过高、启动次数过于频繁等原因，电动机也会过热。
这种情况下用以上的过流保护或过载保护都不能解决问题，因此需要直接反映温度变化的热保护器。
温度保护通常可采用温度继电器。
温度继电器主要有双金属片和热敏电阻式两种，它们都被直接埋置在发热部位。
温度保护和过载保护都是利用温度来触发保护，但并不完全相同。
过载保护是因为电流长时间超出额定值使得继电器升温触发保护；而温度保护是由于散热不良，环境温度过高等因素使得电机过热从而触发保护。
温度保护被触发时，电动机中的电流值有可能是正常的，因此过载保护不一定会起作用。
温度保护和过载保护也是不能互相替代的。
10．漏电保护
为了防止直接接触电击事故和间接接触电击事故，防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电气设备损坏事故，低压配电系统应该具有漏电保护装置。
漏电保护根据工作零线是否穿过电流感应器，分为零序电流保护和剩余电流保护。
零序电流保护和剩余电流保护的基本原理都是基于基尔霍夫电流定律：
流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。
不同之处是，零序电流保护检测的是各相线中电流的矢量和，而剩余电流保护检测的是各相线还有零线中的电流矢量和。
理论上来说，三相线负载平衡且电路正常工作的情况下，各相线电流矢量和应该为零。
但是在实际的产品制造中，由于生产工艺、使用条件及电源品质等因素的制约，理想的三相完全平衡的负载不大可能存在，其三相电流的矢量和不为零而且很容易达到漏电保护器的动作电流值例如30mA。
因此，“负载三相平衡”这个概念只具理论意义。
3.1.5交流异步电动机的控制
1. 启动控制
三相异步电动机从接通电源开始运转，转速逐渐上升直到稳定运转状态，这一过程称为启动。
按照启动方式不同，它可以分为直接启动和降压启动。
直接启动的启动电流大，对供电变压器影响较大，容量较大的鼠笼异步电动机一般都采用降压启动。
降压启动就是将电源电压适当降低后，再加到电动机的定子绕组上进行启动，待电机启动结束或将要结束时，再使电动机的电压恢复到额定值。
这样做的目的主要是为了减小启动电流，但是因为降压，电动机的启动转矩也将降低。
因此，降压启动仅适用于空载或轻载启动。
2. 正反转控制
根据电机学原理，只要把接到三相异步电动机的三相交流电源线中的任意两相对调，即可以实现反转。
正反转控制方法主要有以下四种：
手动控制、接触器互锁控制、按钮互锁控制、接触器和按钮双重互锁控制。
3. 制动控制
三相电动机在切断电源后，由于惯性，总要经过一段时间才能完全停止。
有时候，要求电机在断电后能迅速停止运转，这就需要对电动机进行制动。
制动方法大致可分机械制动和电气制动两类。
常用的机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种。
电气制方法有反接制动、能耗制动、回馈制动和电容制动等。
4. 变频调速控制
调速就是指让电动机在同一负载下能得到不同的转速，以满足实际需要。
改变电动机转速有三种可能：
一是变频调速，二是变极调速，三是变转差率调速。
在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围大、稳定性好、运行效率高。
3.1.6变压器
1变压器的工作原理
变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件，如图3.5所示。
图3.5变压器工作原理
变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能，主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。
和电源相连的项圈，接受交流电能，称为一相绕组。
和负载相连的项圈，送出交流电能，称为二次绕组。
设：
电压向量
电流向量
电动势向量
砸数
一次绕组
U1
I1
E1
N1
二次绕组
U2
I2
E2
N2
同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为Øm，该磁通量称为主磁通。
图各物理量的参考方向确定。
图3.6变压器原理图
2变压器的结构简介
铁心：
铁心是变压器中主要的磁路部分。
通常由含硅量较高，厚度为0.35或0.5mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成，铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用，铁心结构的基本形式有心式和壳式两种。
绕组：
绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。
变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：
当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：
E=4.44fNØm
式中：
E--感应电势有效值
f--频率
N--匝数
Øm--主磁通最大值
由于二次绕组和一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。
当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。
当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。
当电流乘以匝数时，就是磁势。
上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
3.1.7三相调压器
1简介
“三相调压器”又称“晶闸管电力调整器”“可控硅电力调整器”或简称“电力调整器”。
“晶闸管”又称“可控硅”（SCR）是一种四层三端半导体器件，把它接在电源和负载中间，配上相应的触发控制电路板，就可以调整加到负载上的电压、电流和功率。
“晶闸管调整器”主要用于各种电加热装置（如电热工业窑炉、电热干燥机、电热油炉、各种反应罐、反应釜的电加热装置）的加热功率调整，既可以“手动”调整，又可以和电动调节仪表、智能调节仪表、PLC以及计算机控制系统配合，实现对加热温度的恒值或程序控制。
注：
三相调压器对应三相负载使用。
2三相调压器特点
“可控硅调压器”通过对电压、电流和功率的精确控制，从而实现精密控温。
并且凭借其先进的数字控制算法，优化了电能使用效率。
对节约电能起了重要作用。
“可控硅调压器”采用德国原装进口：
SEMIKRON（西门康SKKT系列可控硅模块），先进的数字控制技术，改善了电网功率因数可以有效节省用电量；具有移相触发和过零触发。
双重工作模式，拨动选择开关即可轻松实现转换；多种控制信号输入：
开关量触点，电流信号：
DC4-20mA、DC0-10mA，电压信号：
DC1-5V、DC0-10V；适用于多种类型负载：
恒阻性负载、变阻性负载、感性负载（变压器一次侧）；具有完善的自我检测，齐全的故障保护功能，确保安全稳定运行；输入、输出端口均采用光电隔离技术，抗干扰能力强，安全性能高；通讯功能强大标准ModbusRTU通信协议，方便联机进行网络控制；内置报警蜂鸣器，无须任何额外接线就能轻松实现声光报
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