毕业设计（论文） 交流异步电机试验自动采集与控制系统的设计

毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 交流异步电机试验自动采集与控制系统的设计 姓名 系别 电气与信息工程系专业 电气工程及其自动化 班级 0104 学号 指导老师 教研室主任 一、 基本任务及要求： 在规定时间内，完成以下工作： 1、试验电源系统的设计； 2、低压电机型式试验台设计； 3、智能仪表采集显示系统设计； 4、计算机采集处理系统设计框图； 5、电机试验报告自动处理。 二、 进度安排及完成时间： （1）3月7日至3月26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26日至4月9日：毕业实习。 （3）4月10日至4月20日：试验电源系统的设计。 （4）4月21日至5月10日：低压电机型式试验台设计。 （5）5月11日至5月20日：智能仪表采集显示系统设计。 （6）5月21日至5月30日：计算机采集处理系统设计框图，电机试验报告自动处理。 （7）6月1日至6月14日：撰写毕业设计论文 （8）6月17日至6月20日:毕业设计答辩 计算机毕业设计购买 www.LunWenDz.Com 工科毕业设计代做:www.LunWen168.Net 开题:www.KtJia.Com目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 概述11.2 课题设计的研究意义及其研究内容11.4 目前此研究领域存在问题21.5 设计要求和试验项目21.5.1设计要求21.5.2试验项目：2第2章 系统的测量原理42.1 系统各物理量的测量原理和方法42.2 测量误差的原理52.2.1 误差的分类及定义52.2.2 提高精度和削弱系统误差的基本方法72.2.3 测量结果的误差计算8第3章 电机测试方法93.1 绝缘电阻的测定93.1.1 试验目的及影响因素93.1.2 测试仪器的选择93.1.3 测量的方法93.1.4 测试标准103.2 绕组冷态电阻的测定103.2.1试验目的103.2.2 测量仪器103.2.3 测量方法103.3 空载试验113.3.1 试验目的113.3.2 试验仪器的选用123.3.3 试验步骤123.3.4 分析计算133.3.5作空载特性曲线及分离铁耗和机械耗143.4 堵转试验143.4.1 试验目的143.4.2 对试验电源、仪表和测量装置的要求153.4.3 试验操作要点153.4.4 控制流程163.4.5 数据处理及计算分析163.5 温升试验173.5.1 温升试验概述173.5.2 各种工作制电机的温升试验183.5.3 温升试验控制流程203.6 负载试验213.6.1 试验目的及试验方法213.6.2 转差率的求取213.6.3 效率的直接测定213.6.4 定子铜耗的求取223.6.5 转子铜耗和杂散耗233.6.6 负载试验操作流程233.6.7 工作特性曲线拟合24第4章 系统的电源设计254.1 试验用电源设备的一般要求254.1.1 对谐波电压因数的要求254.1.2 对三相电源对称的要求254.1.3 对频率的要求254.2 50HZ回馈试验试验电源机组原理264.3 低频堵转试验试验电源机组原理274.4 励磁电路的设计284.4.1 三相桥式全控整流电路284.4.2 三相全控整流电路的触发电路294.4.3 晶闸管元件的保护措施314.4.4 产品介绍：KCZ6.3型晶闸管三相全控桥控制板32第5章 采集系统的硬件设计355.1 系统总体设计框图355.2 智能仪器仪表概述355.2.1 智能仪表与数据采集系统的基本组成：355.2.2 智能仪器的主要特点：365.2.3 智能仪器的自动处理功能：365.2.4 仪器测量精度的提高375.2.5 干扰和数字滤波385.3 智能仪器仪表的选择385.3.1 三相交流电流互感器和电流变送器385.3.2 组合型交流电压变送器405.3.3 三相三线有功无功功率变送器415.3.4 频率变送器425.3.5 多路智能巡检远传控制仪425.3.6 JCZ型智能转矩转速传感器435.3.7 数字显示仪455.4 串行传送的特点465.5 串行数据传送方向475.5.1 全双工475.5.2 半双工475.6 RS-485串行通信接口的简介485.7 RS-485/RS-232转换器的简介495.8 利用RS-485通信时要注意的几个问题495.8.1 接地问题495.8.2 终端匹配505.8.3 其他注意505.9 控制电路的设计50第6章 系统的软件设计536.1 系统软件设计概述536.2 程序功能及组成556.2.1 试验数据初始化模块556.2.3 试验控制模块576.2.4 数据处理与曲线绘制模块586.2.5 查询管理模块58参考文献59致 谢60附录A 低压异步电机试验原理图61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 The exchanges electrical engineering experiments the auto collects with control the design of the systemAbstract :In recent years, the large quantity expansion application of the calculator is to tests automatically the development of the system expanded the new path, the technical and quick development in electronics in modern age is again for increase the accuracy that electrical engineering experiment is with the speed, proceed dynamic characteristic test and adoption the new test method provided the possibility, further pushing electrical engineering test technical development. Develop at this kind of background next, we proceeded the intelligence turns the electrical engineering the automatic test and control the study of the system.The exchanges electrical engineering experiments the auto collects is the design, calculator that the design, intelligence gauge that the design to pass to experiment power supply system, electrical engineering pattern experiments the set to collect to show the system collect design and electrical engineerings that handles primarily with design that control the system the system experiment the report the auto the born waiting five big parts begin, realizing to various datas that electrical engineering experiment, namely direct current electric resistance, insulate the electric resistance, electric current, electric voltage, power and turn soon, temperature, vibration, noises etc. practices the auto adopts the kind, all data after calculator handles analysis, auto born experiment the report.Keywords: Three dissimilitudes and electrical engineering; Intelligence gauge; Computer; Test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97772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1KW315KW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I 0、空载电压U0、空载输入功率P0，自动绘制空载特性曲线，并分离出铁耗Pfe、机械耗Pfw（杂耗）。(3) 堵转试验。检测堵转电流I k、堵转转矩Tk、电压Uk，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I 1、电压U1、输入功率P1、工频f、扭矩T、转速n、效率、功率 cos、转差率S、输入功率P2，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I 1、电压U1、输入功率P1、工频f、扭矩T、转速 n、效率 、功率 cos 、转差率 S、输入功率P2，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1：P（mt）=u（mt）i（mt） （2.1）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（GAPQ3-062）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： P=UI COS （2.2）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 810，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x、x 和x 0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。x =x -x 0 （2.3）给出值x 包括测量值、标称值、近似值等。真值x 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： 理论真值。 计量学约定真值。 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1/31/20）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 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。 仪表误差。也称工具误差或简称仪差。 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 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。 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=1n）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：R1=R2-(t1-t2)式中R1为温度t1时的绝缘电阻，t1为环境温度；R2为温度t2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 R电机绕组的绝缘电阻（M） U电机绕组的额定电压（V）； P电机额定功率（KW）。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。RXRXAA AUAU V 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（GAPQ3-062）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，均应空转一段时间，使它的磨擦损耗达到稳定。空载试验的流程如下：（1）在主操作平台界面上选择空载试验，进入空载试验操作平台，如图3.2所示。图3.2 空载试验操作平台（2）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额定电压开始，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、0.4、0.3和0.2倍额定电压下进行试验，在空载试验的操作平台上点击采集第几次试验数据，就读取系统中三相线电压，三相线电流，输入有功功率（在测试时，每次所测量的三相电压、电流、功率因数以及频率的值都会在空载试验的操作平台上显示）。（3）试验结束时应立即将电机停下，并测量定子绕组的电阻，并记录测量电阻所用的时间，在此，电阻的测量是通过三相电阻测试仪未测量的，和前面所述的测量绝缘电阻的仪器相同。对空载电流大于70额定电流的电动机，应分别在额定电压点读数后和试验结束后测量定子绕组的电阻。试验完毕，计算机自动进行数据处理，数据库。（4）输出结果，可以打印单个的空载试验报表，也可以选择进行下一步的试验。3.3.4 分析计算空载试验的原始数据在试验完毕后会自动存入数据库，并会提示你是否实时打印空载试验的单个报表。报表中的数据，既有所测得的原始数据，也有分析计算所得到的各项数据，所有的计算都是通过编写的计算软件来实现。（1）求电压平均值取三相线电压测量值的算术平均值作为实际的空载线电压U0。在此，我们用每一次所测得的三相电压值的平均值。若读数时的电源频率与额定频率有偏差1，则额定频率时的空载电压为： U0=(f 0/f) U0 （3.4）（2）求三相线电流平均值取三相线电流测量值的算术平均值作为实际的空载电流。（3）求空载输入功率输入功率由三相功率计测得。（4）求空载功率因数CosCos0一般不要求计算，若有要求，可按下式计算2： （3.5）在此，功率因数由三相功率计直接测得，不需要作处理。（5）求定子绕组铜耗Pcu103Pcu10=3I 02R1 （3.6）式中I 0为空载相电流；R1为相电阻（6）求铁耗PFe和机械耗Pfw之 和P0空载时若忽略转子绕组的铜耗，则1：P0= PFe+Pfw=P0-Pcw10 （3.7）按照上式计算方法，算出各测量电压U0所对应的I 0, P0, Pcw10, P0（7）绘制空载特性曲线空载特性曲线就是空载电流I 0和输入功率P0与外施电压U0的关系曲线， PFE U0/UN , ( U0/UN)2 1.0图3.3空载特性曲线示意图3.3.5作空载特性曲线及分离铁耗和机械耗按照试验结果，作和的关系曲线，进而按电压平方分离法，分离铁耗和机械耗。按上述计算方法，作P0与电压标么值的平方的关系曲线，延长曲线的直线部分，与纵轴交于P点，如图3.3所示,P点的纵坐标即为电动机的机械耗。在此需要用到插值法来求得空载时的机械耗，再以额定电压时的总损耗减去机械耗就可以得到空载时的铁耗，在图3.3中，绘制的是以标么值表示的特性曲线。电压平方分离法是基于电机的基本铁耗和空载杂散耗与电机的端电压平方成正比的原理，但对于磁路比较饱和的电动机，在接近额定电压部分，由于基波杂散耗增大，使曲线上翘。此外，在电压很低的部分，由于出现了不可忽视的转子绕组铜耗，曲线也会上翘。因此，在分离铁耗和机械耗时，曲线的这两部分不予考虑。3.4 堵转试验 堵转试验也是异步电动机最基本的试验项目。试验时转子被堵住不动，通常在定子绕组上施加额定频率的三相电压。对于绕线转子电动机，应将转子绕组在集电环上短路。3.4.1 试验目的（1）测定电动机的堵转电流和堵转转矩，测取堵转特性曲线，即堵转时的电流IK，转矩TK与外施电压UK的关系曲线。（2）求额定电压时的堵转电流IKN和堵转转矩TKN，从而检查电机的起动性能是否符合产品技术条件的要求。（3）考虑笼型转子的铸铝质量及转子槽形尺寸设计的合理性。对于绕线转子电动机，堵转试验能确切反映定转子电抗是否正常，并能考核定转子绕线焊接质量及绕组端部的机械强度。3.4.2 对试验电源、仪表和测量装置的要求（1）对试验电源的要求：检查试验中堵转试验电源的输出电流应达到被试电机额定电流的1417倍（100kw以下）或 1115倍。在型式试验中电源的输出电流至少应达到被测试电机电流的2.54倍。通常要求调压器的容量为被试电机额定功率的3倍以上。电源电压应在被试电机额定电压的100150范围内调节。为了进行低频堵转试验，要求具有1/4，1/2被试电机额定功率的电源。另外，在型式试验中，笼型异步电机和绕线式异步电机的堵转试验有所不同，作绕线式异步电机的堵转试验时，一般只作额定点附近的两三个点即可，而笼型异步电机可以从额定点开始做79组数据。（2）仪表和测量装置的要求异步电动机堵转时，堵转的时间不能过长，以免电机过热而使电机烧坏，因此要求所用的仪表的灵敏度要高，在本系统中，用来测量电压、电流以及频率的仪器和前面所述的空载试验相同，以上仪器符合试验的要求。测量转矩和转速的仪器是由长沙湘仪公司所生产的JCZ型智能转矩转速传感器。JCZ型智能转矩转速传感器是湘仪动力测试仪器有限公司利用美国ECHELON公司的LonWorks技术，在原JC型转矩转速传感器基础上设计制造的新一代产品，JCZ型智能转矩转速传感器在保留原产品高精度、高可靠件等优点的同时，还具有自动零点补偿，自动环境温度修正传感器系数等智能化特性，从而消除了原来传感器与二次仪表互换时带来的误差，并在转速很低时也能精确测量转速，当使用tonWorks网络传输时，通讯距离可达2公里，因此，在现场进行试验时，其测量结果精确度较高。因此，在堵转试验时，JCZ型智能转矩转速传感器响应速度快、数据准确，完全能符合堵转试验的要求。3.4.3 试验操作要点（1）在套装JCZ型智能转矩转速传感器时，首先应测试电机的旋转方向，其转向应使所读出宋的转矩值为正值。（2）试验时，施与定子绕组的电压尽可能从接近额定电压开始，然后逐步降低电压，测取57点读数（绕线电机只测取额定点附近的两三组数据）。每点应读取三相电压，电流，功率，转矩和转速的读数。（3）堵转试验后，立即测量定子绕组的电阻。（4）施加堵转电压的方式按尽可能缩短被试电机连续通电时间的原则选择。（5）在测取堵转特性时，最低电压点应接近试验标准所列的数值或使堵转电流接近额定电流。（6）试验时，电源频率应保持稳定。3.4.4 控制流程（1）在主操作平台界面上选择堵转试验，进入堵转试验操作平台，如图3.4所示图3.4 堵转试验操作平台（2）开始试验，在额定频率下将电动机调至1.2倍额定电压下工作，并逐渐降低驱动电压至0.5倍额定电压。为了防止电机过热，在我们所研制的测试系统中，设置了自动测试选项，每次电机起动，系统会自动采集完数据，并且显示在操作平台中，一般的电机，运行58秒便让电机自动停转，计算机会提示操作步骤。（3）试验完毕，计算机自动进行数据处理，系统提示存入数据库。（6）输出结果，打印报表。（该试验需要画出曲线）3.4.5 数据处理及计算分析按堵转试验电压UK对应的I K，TK作堵转特性曲线I K= f（UK）和TK=f（UK），堵转试验特性曲线示意图如图 3.5所示。一般来说，若堵转试验的最大电压与额定电压相差不大于10，额定堵转电流IKN和额定堵转转矩 TKN可直接由堵转特性曲线查取，在本系统中，使用一元插值法得到额定时的转矩和电流值。 IK TK IK=f（UK） IKN TKN TK=f（UK） 0 UK UN 图35堵转试验特性曲线3.5 温升试验3.5.1 温升试验概述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 810oC，绕组寿命将缩短一半。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，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等。在研制的电机测试控系统中，温度测量由Pt100测得温度再传给工控机进行处理。温升试验的目的是测定电机额定运行时各部件的实际稳定温升，以检验电机设计是否合格，制造工艺是否良好。温升试验方法有直接负载法、等效负载法和间接换算法，在所研制的测试系统中，根据厂方的要求，采用的是直接负载法来进行温升试验。直接负载试验法的温升试验应在额定功率，额定电压，额定频率下进行。为了保证电机的正常运行，必须对电机个部分的温度进行准确的测量。首先是定，转子绕组的温度，不得超过国家标准的允许值。因为它受绝缘村料的极限温度所限制。国家标准中对电机的铁心，轴承，涧滑油，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。关系如表3-1所示：表3-1 绝缘等级绝缘结构极限温度环境温度热度温度温升极限A10540560E12040575B130401080F1554015100H1804015125本系统的温升试验主要用直接负载法，加负载的方法用电源回馈法：两台相同的异步电机用连轴器连接，负载电机的励磁电路由另外的电源供电。当负载电机的转速达到一定的值时，加入励磁电流使负载电机成为发电机，改变励磁电流的大小便可调节负载。此方法读数，比较稳定，耗电少，但设备较复杂。采用直接负载法做温升试验时，被试电机应保持额定负载，直到电机各部分温升达到热稳定状态为止。试验过程中，每隔半小时记录被试电机的电压，电流和输入功率，以及定子铁心，轴承，风道进出口处的冷却介质和周围环境冷却介质的温度。若采用带电测温法时，还应每隔半小时以及试验结束前测量绕组的电阻。在本系统中我们采用Pt100温度传感器来测量被试电机的温度，再通过RS485/RS232实时传输到微机中。3.5.2 各种工作制电机的温升试验电机的工作制是指电机在运行时承受负载的情况，包括起动、电制动、空载、断能停载以及这些阶段的持续时间和先后顺序。（1） 常用的旋转电机分十种工作制，分别用S1S10共十个代号表示。其中S1为连续工作制；S2为短时工作制；S3S8为各个不相同的周期工作制，在产品试验时，如果没有特殊要求，则一个周期时间为10min，负载持续率可为15%、25%、40%或60%；S9为非周期变化工作制；S10为离散恒定负载工作制。现将这十种工作制的内容叙述如下，其中各种工作制主要适用于电动机，S1、S2也适用于发电机。连续工作制S1工作制指在恒定负载下的运行时间足以达到热稳定的工作制。短时工作制S2工作制指在恒定负载下按给定的加载时间（应为10、20、60min或90min）运行，该时间不足以使电机达到热稳定，随即断能停转，使电机再度冷却到实际冷态的工作制。断续周期工作制S3工作制指按一系列相同的周期运行，每一个周期包括一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间的工作制。这种工作制中每一周期的起动电流不致对温升产生显著的影响。包括起动的断续周期工作制S4工作制指按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段对温升有显著影响的起动时间，一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间的工作制。包括起动和