高压异步电机微机测控系统的设计Word下载.docx

1、 高压异步电机微机测控系统的设计 姓名 王旭东 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0705 学号 15 指导老师 赵毅君 职称 教授 教研室主任 谢卫才 一、 基本任务及要求： 设计一个高压异步电机特性测试微机控制系统。要求该系统能准确测试被试高压电机的 各项性能，并能自动生成试验报告。在规定时间内，完成以下工作： 1、整体方案的确定； 2、高压试验电源系统的设计； 3、微机控制系统的设计； 4、微机采集与处理系统设计； 5、提交设计说明书和图纸。 二、 进度安排及完成时间： （1）2月21日至3月12日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；熟悉相关知识。 （2）3月13日

2、至3月27日：整体方案的确定。 （3）3月28日至4月9日：毕业实习。 （4）4月10日至5月1日：高压试验电源系统的设计。 （5）5月2日至5月15日：微机控制系统的设计。 （6）5月16日至5月30日：微机采集与处理系统设计。 （7）6月1日至6月10日：撰写毕业设计论文 （8）6月11日至6月13日:毕业设计答辩 摘要：随着社会的的不断发展，工业用电机的输出功率和电压等级要求越来越高，为确保其质量安全，电机都需要进行大量的试验，因此，研制一套高准确度、高自动化程度的电机自动测试系统对提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量具有很大的现实意义。本课题用计算机作为自动测试系统的核心，各种数据

3、的采集利用互感器、变送器和由单片机组成的智能仪器仪表等设备组成测试系统的硬件设备。整个测试系统分为三部分：计算机数据处理和显示部分；现场数据采集；智能显示仪表和通信控制；其中计算机数据处理和显示部分由数据存储、输出部分以及绘图、计算部分组成，它可以实现数据的存取、计算、分析等功能，并能自动生成试验报告；现场数据采集负责采集试验数据，如电压、电流、功率、频率、功率因数以及高压电机各部分温度等等；智能显示仪表和通信负责试验数据的显示及传输。论文详细的论述了高压异步电动机的各个试验项目、试验方法和自动测控，最后得到高压异步电动机试验报告。关键词：高压异步电机，微机测控，智能仪表The high vo

4、ltage asynchronous motor microcomputer detection-control system design Abstract：Along with societys development, motor output power and voltage level required more and more high, to make sure that the quality safety, motor are need to do a lot of test, therefore, developing a set of high accuracy, h

5、igh automation degree of motor automatic test system to improve production efficiency and reduce the working strength and improve product quality has great practical significance. This topic with the computer as the core of automatic test system, various data collection using transformer, transmitte

6、r composed by single-chip microcomputer intelligent and instrument equipment composition test system hardware device. The test system is divided into three parts: the computer data processing and display parts; Field data collection; Intelligent display instrument and communication control; Which co

7、mputer data processing and display in part by the data storage, output part and graphics, calculation of parts, it can realize the data access, calculation, analysis, and other functions, and can automatically generate test reports; Field data collection is responsible for collecting test data, such

8、 as voltage, current, power, frequency and power factor and high voltage motor parts temperature and so on; Intelligent display instrument and communication is responsible for test data display and transmission. The paper detailed discussion of high voltage asynchronous motor each test project, test

9、 method and automatic measurement and control, finally get the high voltage asynchronous motor test report.Keywords: High voltage asynchronous motor ,Microcomputer detection-control ,Intelligent instrument第1章 绪论1.1 引言 21世纪最主要的能源电能的生产、传输和使用与电机有着分不开的关系，它是实现能量转换或改变电能性质的机械，更是工业的重要设备。随着工业的快速发展，对电机产品提出了越来

10、越高的性能和质量指标。在新的电机产品研制过程中，除了必须对设计、工艺过程及理论分析等方面进行研究外，还必须对电机进行大量的试验，以进一步探索改进和完善的方法。电机试验对电机设计及制造有着非常重要的意义，而传统的电机试验系统主要由模拟设备和机械式测量仪表构成，试验人员工作繁重，数据统计工作复杂，且由于人为因素，数据测量不准确。随着电机技术和计算机技术的不断提高，电机试验微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，能很好的完成测试工作的全过程。它既能实现对信号的检测

11、，也能对所获得的信号进行分析处理而获得有效的信息。目前，电机作为主要动力，产量不断提高，电压等级要求也越来越高，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。高压异步电机微机测控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、计算机通讯等多种技术完成的，该课题的研究对于自动测试技术的发展，尤其是电机测试技术的发展起到极为重要的作用。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发展方向。计算机在自动测试系统中的主要功能有：进行程序控制；监视测试过程；记录、整理并分析测试结果，即将测得的数据进行分析处理，最后以数字显示、打印和拟

12、合工作特性曲线。可见计算机在测试系统中己成为了测试设备的一部分。由于计算机的使用具有高度灵活性和扩展性，可以非常方便地实现多种的控制及测试功能。因此随着计算机价格的大幅度下降，它在电机测试中的应用具有广阔的前景。同时，随着新的测试仪器的出现，也为电机的计算机自动测试系统的实现和升级变的更为方便，也促进了新技术在电机试验工作中的应用。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。随着计算机的广泛应用，硬件性能的提高以及价格的下降，传统的电机测试方法己经不能适应社会和科学技术的发展，而采用计算机以及现代测试仪器的

13、自动测试与控制系统的研制是顺应潮流势在必行的。1.2 微机在电机测试中的应用 计算机具有运算速度快、实时控制功能强，可配置外围设备以及具有智能化、编程灵活、工作可靠等一系列优点，并具有很强的数据处理能力。在我们所设计的高压异步电机微机测控系统具有以下特点和优越性（1）： （1）精度高。普通仪器测量常用 0.5级和 0.2级仪表，加上读数的人为误差使测量精度难保证，计算机具有很强的数据处理能力，能对大量的测量数据进行再加工，有效地处理系统误差和随机误差，从而降低试验误差，明显提高了测量准确度。 （2）速度快。传统的测量方法要耗费许多人力物力，测量时间长，而使用电机微机测试系统可在短时间内完成对电

14、机各参数的测量、数据的处理和插值、工作特性曲线的绘制等工作，节省了时间，节约人力，大大提高了试验效率，减轻了实验人员的劳动强度。 （3）可靠性高。传统测量所得的数据一般都会有人为误差，特别是试验时间过长时，更易产生误差，并且传统的测量方法一般要逐点改变电机运行状态以便测量其参数，多为静态测量，而电机微机测试系统有合理的设计和严格的测试保证其可靠性，可以进行大量重复的测试，不易出错，不仅能测量电机的静态特性，而且可同时测量电机的动态特性。 （4）自动化程度高。传统的测量方法一般将测量数据逐点描绘成曲线，手工制作试验报告，而使用设计完善的智能化自动测试系统可以自动控制整个电极试验过程，实现自动检测

15、、自动校准、自动存储数据，自动进行曲线拟合绘制特性曲线、自动计算试验结果和打印试验报告，甚至自动进行系统故障诊断。测试人员只需进行简单操作、即可完成整个试验过程，并立即得到试验报告。 （5）计算机的开放式系统使其具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测量任务只需更换配在它上面的仪器设备就可以完成，特别是计算机软件技术的发展，使得某些硬件设备需要更换时，只需改变系统上的某一部分的硬件和计算机的软件，就可以对电机测试系统讲行升级改进。 微型计算机在电机测试中的应用主要有两个方面:其一用于控制;其二用于数据处理。前者强有力的推动了电机测量装置和控制装置的自动化和多功能化。因为人们可以将预先编好的程序

16、存放在只读存储器ROM中，使用人员接上被测设备后，只要按动面板或键盘上的功能键，测量装置或控制装置便可在微型计算机的控制下按程序自动操作;根据计算机的判断进行自动调节，使装置处于最佳工作状态下;根据预先给定的容差判断被测电机的性能指标是否合格，必要时可对被测电机进行自动分选;第二方面的功能用来处理测量结果，并对被测物理量进行量纲转换;指定函数关系的计算:可以对被测参数进行非线形校正:也可通过对机内测量基准进行自校并把系统误差存储起来，再从测量数据中扣除，以提高测量结果的准确度。 微型计算机与新的测试方法结合组成的测量或控制装置可充分发挥微型计算机的运算功能和逻辑功能，使硬件软化。例如在常规的电

17、机实验中常常要测取电压、电流、功率等，要准确地测出电压和电流的瞬时值，可以利用微型计算机的运算功能准确地算出功率值，使电路显著简化，提高了可靠性，并大大降低了测试难度。在电机的控制中，也可尽量用程序逻辑代替硬件逻辑，并可发挥软件功能，在一定条件下使电机按照人们的要求输出所需要的特性。1.3 电机试验 电机试验是利用仪器、仪表以及相关设备，按照相关标准的规定，对电机制造过程中的半成品和成品，或以电机为主体的配套产品的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性能等技术指标进行的检验。通过这些检验，可以全部或部分的反映被试电机的相关性能数据，用这些数据，可以判断被试产品是否符合设计要求、品质的优劣以及改进

18、的目标和方向。成品试验是针对组装成整机后电机进行部分或全部的性能试验，成品试验又分为型式试验和检查试验两大类。1.3.1 基本要求 首先我们所研制的高压异步电机微机测控系统的基本要求是（2）： （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220KW以上的各类型电机的绝缘电阻、空载试验、堵转试验、负载试验、温升试验和最大转矩的测定，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

19、稳定。 （5）系统的软硬件设计用开放式系统结构，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。 其次用微型计算机控制的测量装置必须具有以下功能:（1）测量装置必须具备接受某种程序控制的能力，即能接受数字指令，并按照这些指令来改变测量部分的电路状态，从而完成指定的操作或执行某一规定的任务。（2）测量装置电源的通、断，量程的改变及开关量的给出所用的手动开关必须改为电动的。（3）由于程序指令是数字指令，因而对一些连续变化的模拟量的调节、控制可用数模转换器D/A将数字指令变为模拟量，再进行模拟量调节。（4）由于计算机内部所有信息都是二进制数字量形式，因而要用计算机对外部模拟量进行计算

20、处理，需要将这些信息从模拟量变称数字量。实现数字化的重要器件是模数转换器A/D。（5）微型计算机的工作速度比硬件电路的速度高很多，因而整个系统的测量速度将取决于模拟量的测量速度。但是无论采取何种措施，硬件部分的测量速度始终跟不上微型计算机的工作速度，为了使测量部分与微型计算机工作协调，必须在微型计算机与测量装置之间设置必要的缓冲器或锁存器，以便更好地解决输入/输出数据传送的控制方法。微机测试系统是以微型计算机或微处理机为核心组成的数字化测试系统。它在实现快速测试、高准确度测试、综合参数测试和自动测量方面比一般测试装置具有突出的优点，同时由于微型计算机具有较强的数据处理功能，所以在测量数据计算处

21、理和最后显示测试结果方面可以实现数据表格、曲线和图形等各种形式的输出。1.3.2 试验项目 （1）绝缘电阻试验。测量电机的绝缘电阻、以及此时的电机的温度。 （2）空载试验。检测空载电流、空载电压、空载输入功率，绘制空载特性曲线。 （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。 （4）温升试验。检测电流、电压、输入功率、工频、转速、效率、功率、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。 （5）负载试验。检测电流、电压、输入功率、工频、转速、效率、功率、转差率、输入功率，绘制工作特性曲线。 （6）转矩转速试验。检测最大转矩，各转速情况等。第2章 系统结构与测

22、试原理2.1 系统总体结构 如图（2.1）所示,I、U、P分别为电流变送器、电压变送器和功率变送器；R为电阻/输入接口模拟开关被试电机与陪试电机结构fTPntRUI计算机键盘打印显示A/D转换D/A转换输出接口开关量控制电压调节频率调节负载调节报警图2.1 电机自动测试原理框图电压变换器；t温度变送器。以上各量为模拟量，经模拟多路开关和A/D转换器变换成数字量送入微机。转矩转速传感器产生的模拟信号经转矩仪变换成数字信号，连同频率信号一起经数字量接口电路直接送入微机。 电动发电机组的电压、频率调节以及被试电机的负载调节可在计算机的统一控制下自动实现。由微机送入控制信号，经D/A转换和模拟开关后，

23、可以利用晶闸管电路或伺服电机等对电机进行控制，以实现系统频率、电压和负载的自动调节。电机自动测试系统的主要组成有:微机系统及其外部设备、测试硬件平台、各种数字测试仪器。电机型式自动测试系统的主要功能有两个:一个是对电机试验工况的自动控制，二是对电机参数的数据进行自动采集与处理。试验的过程控制是由测试硬件平台来实现，要全面准确地完成电机的自动测试，该试验系统的硬件主要有（3）:（1） 试验电源设备（2） 高压型式试验台（3） 测试仪表:各种试验参数的智能测量仪器仪表（4） 微型计算机:用于实验过程中的控制，数据采集，处理，以及报告生成输出 2.2 各性能参数的测试原理 电机试验无论是型式试验还是

24、出厂试验都要对被测电机的电压、电流、功率、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。计算机对采集的数据进行处理，得到电压电流的有效值和平均值、功率、效率、功率因数、转矩转速以及温度的实际值。2.2.1 电

25、压电流的测量若将电压有效值公式（2.1）离散化，以一个周期内有限个采样电压的数量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则 （2.1）式中 Tm相邻两次采样的时间间隔； um第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值； N一个周期内的采样点数。这就是一个周期内采样瞬时值即每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同样电流有效值的计算公式为 （2.2）2.2.2 瞬间功率的测量交流电路的瞬时功率定义为电压和电流瞬时值的乘积，即P（t）=u（t）I（t）,对其进行离散化处理，对于第m个采样点（t=mt）时的瞬时功率为： （2.3） 由式（2.3）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，在实际的

26、测试过程中，可以采用下面的采样方式: 电压和电流同时采样。要对电压和电流同时采样，被测电压和电流必须配置独立的采样电路。由计算机对电压和电流采样电路同时下达开始采样命令，同时启动电压和电流A/D转换，数据转换完毕后先进行锁存，然后由计算机分别下达指令，取出电压和电流值。同时采样法的优点是电压和电流可以同时采样和进行A/D转换，可以提高测量精度，缺点是需要独立的电压和电流采集电路，成本较高。2.2.3 平均功率的测量平均功率为瞬时功率在一个周期内的平均值，即 （2. 4） 其中，um和im为在第m个采样点的电压和电流离散值，N为一个周期内的采样点数。2.2.4 功率因数和频率的测量正弦波电压和电

27、流供电时，交流电路的平均功率为: （2. 5） 其中U和I分别为电压和电流的有效值，而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计来完成。电网频率的测量主要介绍测周法来测频率的主要原理:将异步电机的端电压接至电压互感器，经隔离衰减后送入差分放大器，差分放大器的输出是一个不大于5V的正弦波，该正弦波由过零比较器变换后为一个TTL方波，由它所检测到的两次正弦跳变之间的间隔，即为电压周期T，故电网频率可求得: （2. 6）过零比较器电压互感器差分放大器图2.2 频率测量的电路框图在微机化电机测试系统中，频率的的测量也是由功率计来完成的，按照图2.2所示的原理图，在功率计的

28、接口程序中进行频率的求取，再把它引入计算程序中进行处理后直接在功率计中显示频率值。2.2.5 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。所以电机制造厂和用户都很重视电机温度的测量，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

29、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），此外，目前国内正在研制的有无线电测温、红外线测温核温度指示器等（4）。第3章 电机试验3.1 绝缘电阻测量 试验内容：测量所有绕组对机壳的绝缘电阻3.1.1 试验目的 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间及其对机壳的绝缘电

30、阻。3.1.2 试验过程本系统主要用电阻测试仪来测量绕组电阻。在实际冷、热两状态，试验人员人工分别测量三个定子绕组引出端U、V、W对机壳以及转子绕组对机壳的绝缘电阻，并将数据输入计算机。3.2 空载试验3.2.1 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，即求取电机的空载特性。（2）在检查试验中，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。3.2.2 试验过程被测电机起动之后，均应空转一段时间，使它的磨擦损耗达到稳定。空载试验的流程如下：（1）开始试验，在额定频率下试验时，施于定子绕组上的电压应从110130定电压开始，逐步降低到可能达到的最低电压值，即电流开始回升为止。对于基本系列的电动机，建议在 1.2、1.1、1.0、0.95、0.85、0.7、0.5、0