基于虚拟技术的电机型式实验测试系统的设计
2014-02-25赵黎华李猛陈志亮
赵黎华+李猛+陈志亮
摘要：随着国民经济的快速发展与科学技术的不断提高，同时由于国际市场不断增长的需求，我国电机行业得到了快速发展。由于电机种类与数量的增加，用于电机性能与质量指标测试的电机测试技术也不断发展。针对职业院校教师开展电机测试实验教学效果差以及一些负责电机检测的企事业单位实验效率低、人员劳动强度大等问题，提出并设计了一套基于虚拟技术的电机型式实验测试系统，包括计算机、控制柜、测量仪器柜等，可以实现空载实验、负载实验、堵转实验、温升实验等电机测试实验。经实验验证，该电机型式实验测试系统性能稳定，效果良好，弥补了现有电机测试技术中的缺陷。
关键词：电机测试；型式实验；传感器；虚拟技术；LabView
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）02-0170-03
近年来，随着国家经济的高速发展以及国际市场对中小型电机的需求，出现了越来越多的电机生产企业，电机种类与品质各式各样，因此对电机性能和质量指标的检测技术及设备的需求迫切。电机测试技术是伴随着电机工业的发展而发展的，两者密切相关，相辅相成。电机测试技术就是根据电机标准参数，采用相关的设备，对生产的电机进行电机实验，从而得到测试电机的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性等技术指标。电机测试实验是电机制造与生产过程中的必要工序，是对电机生产技术和装备的综合评价，对生产的电机性能与质量指标起着重要作用。目前，伴随着科学技术的提高，电机生产在设计、工艺等方面的水平日益提高，电机的性能和质量指标也有了很大提高，对电机测试技术的要求也越来越高。
随着全球环境的日趋恶化以及国际能源的日益紧缺，近年来，许多发达国家在提高电机效率方面都提出了具体的时间规划。相应地，需要电机测试技术在测试理论、测试手段、测试装备等方面进一步提高，目的在于提高电机测试实验效率、降低人员劳动强度以及提高测试设备的精度等。
由于电机行业的快速发展，各类职业院校都开展了相应的电机实验课程。针对目前职业院校开展电机测试实验过程中出现的时间效率低、能源消耗大、精度不足等问题，笔者基于先进虚拟仪器LabView技术，结合各类测量传感器，设计了一套电机型式实验测试系统，将计算机、仪器仪表等硬件结合在一起，通过软件设计实现对实验的控制和资料的运算、分析、处理、显示、打印及存储功能。
系统总体结构
本电机型式实验测试系统将计算机、测量仪器等硬件设备与虚拟仪器LabView软件技术相结合来进行电机型式实验，从而实现电机型式实验的自动控制。系统组成包括计算机、打印机、控制柜、测量仪器柜、电源控制柜、转矩传感器、陪试电机以及被试电机等，其相应的系统总体组成结构框图如下页图1所示。
系统结构组成
计算机 本电机型式实验测试系统利用计算机强大的数据运算分析、图形处理等能力，通过软件设计为测试系统提供图形化的人机操作界面，用于实现系统硬件配置、数据采集、数据分析处理、数据波形显示及特性曲线打印报告等功能。
控制柜 控制柜负责整个测试系统的整体控制，用于实现被试电机数据的测量、采集和处理，包括PLC模块单元和由接触器、热继电器、中间继电器连接构成的电气线路。PLC控制柜上装有转换开关，用于切换手动和自动运行状态。PLC模块单元包括CPU模块、电源模块、数字量输入模块、数字量输出模块和模拟量输入模块。PLC模块单元与计算机之间采用CP 5611通讯卡连接，从而操作计算机软件控制窗口，实现对被试电机项目的自动选择和控制，并由软件自动生成数据报表。
测量仪器柜 测量仪器柜包含测量电机性能参数的各类传感器，比如多功能数字功率计、转矩转速测试仪、智能电机参数测试仪等，在计算机的控制下负责测量电机的电压、电流、功率等各项参数。多功能数字功率计实物如图2所示。
电源控制柜 电源控制柜用于给陪试电机和被试电机提供电源，电源设计采用了电子内回馈变频技术，将被试电机的正弦波电源与陪试电机的电源相结合。其电源工作原理为：把交流电整流为直流电，再经过逆变单元，变为正弦波，经过滤波，变压器隔离产生纯正的正弦波（失真度<3%），频率范围47～63HZ。回馈单元为一个智能控制同步整流，当陪试电机工作在第四象限时（发电状态），经DSP采用特殊算法控制该单元把交流电整流为直流电，回馈到直流母线（因为是直流回馈，对电网无污染）。其原理框图如图3所示。
系统软件设计
本系统的软件设计主要用来提供友好的人机操作界面，从而实现系统控制、数据采集、数据显示等功能。
虚拟仪器技术概述 虚拟仪器技术是利用计算机作为测量平台，采用虚拟仪器软件模拟实际仪器操作过程，通过设计人机交互界面来完成传感器信号的采集、处理、分析以及显示、存储等功能。虚拟仪器系统主要由硬件平台与软件平台两部分构成。硬件平台仅仅是为了完成信号的输入、输出，软件设计才是整个系统的关键。本系统采用LabView虚拟仪器软件开发平台进行软件的设计。
系统开发工具LabView 本电机型式实验测试系统的软件设计采用图形化的编程语言工具——LabView7.1。该软件主要通过使用相应的图标、框图和连线来进行程序设计，设计过程简单直观、容易操作、易于理解。LabView具备编程语言中的数据结构、数据类型、语法等基本要素，同时具备自己的扩展函数库和子程序应用模块。用户通过使用这些模块可以快速实现串口通信、数据采集、数据类型转换、波形显示等功能。另外，LabView也支持CIN节点，方便用户使用C、C++语言进行程序设计。
系统软件功能结构 根据本电机型式实验测试系统的功能需求，利用LabView软件设计了以下几个功能模块：（1）空载测试模块。控制电机在额定电压、额定频率的工作条件下空载运行，记录电压、电流及输入功率值，最后绘制空载特性曲线，分析计算铜耗、铁耗、机械耗。（2）堵转测试模块。电机接近冷状态下进行，采用电阻法进行堵转测试，读取电压、电流、功率的数值，绘制电机的堵转特性曲线。（3）负载测试模块。在被测电机的负载端加上测功电机，保持发电状态，实现被测电机的负载性能指标测试。（4）数据回放和分析模块。通过软件设计，在数据采集过程中加入存储过程，方便用户进行后面的数据分析，实现波形显示、生成报表等功能。endprint
系统软件结构功能框图如图4所示。
电机型式实验
利用本型式实验测试系统可进行的测试项目如下。
直流电阻 电机在环境温度下，用四端法测量其直流电阻，可换算出基准温度下的电阻值。
空载实验 让电机在额定电压、额定频率下空载运行，一直到机械损耗达到稳定，然后从1.1～1.3倍额定电压开始，逐步降低电压，直到电机电流开始回升为止，其间测取7～9点数据，记录电压、电流及输入功率值，最后绘制空载特性曲线，分析计算铜耗、铁耗、机械耗。
负载实验 当电机的温度接近热稳定时，给电机加额定电压，通过改变电机负载，在1.25～0.25倍额定负载范围内均匀测取6～8点数据，记录每点的电压、电流、输入功率、输出功率、转速及转矩，可通过输入输出法或负载杂散损耗采用推荐值的损耗分析法确定效率，并绘制特性曲线。
堵转实验 在电机接近冷状态下进行，实验时设备可通过外力将电机转子堵住，从额定电压的1.1倍开始，降低电压到接近电机额定电流时为止，其间测取6～8点，读取电压、电流、功率及转矩，并绘制转矩特性曲线。当采用电阻法测堵转时，只读取电压、电流、功率的数值，每侧完一点，测取定子绕组的电阻值，借此计算对应的转矩值。最后可绘制电机的堵转特性曲线。
温升实验 本设备采用电阻法做温升实验。电机运行热稳定以后，断电测取某一绕组的电阻值降落曲线，可以反推到断电瞬间的电阻值，并以此电阻值和冷态数据求取绕组温升。在实验过程中，可自动稳定负载，温升稳定后，提示用户断电停机，以进行下面的实验项目。
随着计算机控制技术、虚拟仪器技术、数据处理等技术的不断提高，电机测试技术也随之得到了广泛应用与快速发展。高性能的电机测试系统，由于具备测试过程自动化、测试时间短、测试精度高等优势，在电机测试行业中具有广泛的应用前景和市场。笔者基于虚拟仪器技术而设计的电机型式实验测试系统，实现了电机性能与质量指标的测试，具有操作简单、数据精度高、测试时间短、性能稳定等特点，使用效果良好。
参考文献：
[1]吴汉熙，韩宝江，李巧莲.检测技术及设备在电机制造中的应用[J].电机与控制应用，2012，39（5）：37-40.
[2]李舒阳，李波.电机自动测试系统[J].微电机，2000，33（6）：32-34.
[3]王宝军，丁轶成.智能化电机测功机实验装置的研究[J].实验室研究与探索，2003，22（4）：91-92.
[4]耿洪奎.电机型式实验站技术方案比较[J].电机技术，2008（4）41-43.
[5]张亚峰.基于虚拟仪器的电机自动测试系统[D].西安：西安交通大学，2002.
[6]顾绳谷.电机与拖动基础（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2012.
[7]张增楷.如何提高小型三相异步电动机效率测试的准确度[J].电工技术杂志，1983（6）：28-29.
（责任编辑：谢良才）endprint
系统软件结构功能框图如图4所示。
电机型式实验
利用本型式实验测试系统可进行的测试项目如下。
直流电阻 电机在环境温度下，用四端法测量其直流电阻，可换算出基准温度下的电阻值。
空载实验 让电机在额定电压、额定频率下空载运行，一直到机械损耗达到稳定，然后从1.1～1.3倍额定电压开始，逐步降低电压，直到电机电流开始回升为止，其间测取7～9点数据，记录电压、电流及输入功率值，最后绘制空载特性曲线，分析计算铜耗、铁耗、机械耗。
负载实验 当电机的温度接近热稳定时，给电机加额定电压，通过改变电机负载，在1.25～0.25倍额定负载范围内均匀测取6～8点数据，记录每点的电压、电流、输入功率、输出功率、转速及转矩，可通过输入输出法或负载杂散损耗采用推荐值的损耗分析法确定效率，并绘制特性曲线。
堵转实验 在电机接近冷状态下进行，实验时设备可通过外力将电机转子堵住，从额定电压的1.1倍开始，降低电压到接近电机额定电流时为止，其间测取6～8点，读取电压、电流、功率及转矩，并绘制转矩特性曲线。当采用电阻法测堵转时，只读取电压、电流、功率的数值，每侧完一点，测取定子绕组的电阻值，借此计算对应的转矩值。最后可绘制电机的堵转特性曲线。
温升实验 本设备采用电阻法做温升实验。电机运行热稳定以后，断电测取某一绕组的电阻值降落曲线，可以反推到断电瞬间的电阻值，并以此电阻值和冷态数据求取绕组温升。在实验过程中，可自动稳定负载，温升稳定后，提示用户断电停机，以进行下面的实验项目。
随着计算机控制技术、虚拟仪器技术、数据处理等技术的不断提高，电机测试技术也随之得到了广泛应用与快速发展。高性能的电机测试系统，由于具备测试过程自动化、测试时间短、测试精度高等优势，在电机测试行业中具有广泛的应用前景和市场。笔者基于虚拟仪器技术而设计的电机型式实验测试系统，实现了电机性能与质量指标的测试，具有操作简单、数据精度高、测试时间短、性能稳定等特点，使用效果良好。
参考文献：
[1]吴汉熙，韩宝江，李巧莲.检测技术及设备在电机制造中的应用[J].电机与控制应用，2012，39（5）：37-40.
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[4]耿洪奎.电机型式实验站技术方案比较[J].电机技术，2008（4）41-43.
[5]张亚峰.基于虚拟仪器的电机自动测试系统[D].西安：西安交通大学，2002.
[6]顾绳谷.电机与拖动基础（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2012.
[7]张增楷.如何提高小型三相异步电动机效率测试的准确度[J].电工技术杂志，1983（6）：28-29.
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系统软件结构功能框图如图4所示。
电机型式实验
利用本型式实验测试系统可进行的测试项目如下。
直流电阻 电机在环境温度下，用四端法测量其直流电阻，可换算出基准温度下的电阻值。
空载实验 让电机在额定电压、额定频率下空载运行，一直到机械损耗达到稳定，然后从1.1～1.3倍额定电压开始，逐步降低电压，直到电机电流开始回升为止，其间测取7～9点数据，记录电压、电流及输入功率值，最后绘制空载特性曲线，分析计算铜耗、铁耗、机械耗。
负载实验 当电机的温度接近热稳定时，给电机加额定电压，通过改变电机负载，在1.25～0.25倍额定负载范围内均匀测取6～8点数据，记录每点的电压、电流、输入功率、输出功率、转速及转矩，可通过输入输出法或负载杂散损耗采用推荐值的损耗分析法确定效率，并绘制特性曲线。
堵转实验 在电机接近冷状态下进行，实验时设备可通过外力将电机转子堵住，从额定电压的1.1倍开始，降低电压到接近电机额定电流时为止，其间测取6～8点，读取电压、电流、功率及转矩，并绘制转矩特性曲线。当采用电阻法测堵转时，只读取电压、电流、功率的数值，每侧完一点，测取定子绕组的电阻值，借此计算对应的转矩值。最后可绘制电机的堵转特性曲线。
温升实验 本设备采用电阻法做温升实验。电机运行热稳定以后，断电测取某一绕组的电阻值降落曲线，可以反推到断电瞬间的电阻值，并以此电阻值和冷态数据求取绕组温升。在实验过程中，可自动稳定负载，温升稳定后，提示用户断电停机，以进行下面的实验项目。
随着计算机控制技术、虚拟仪器技术、数据处理等技术的不断提高，电机测试技术也随之得到了广泛应用与快速发展。高性能的电机测试系统，由于具备测试过程自动化、测试时间短、测试精度高等优势，在电机测试行业中具有广泛的应用前景和市场。笔者基于虚拟仪器技术而设计的电机型式实验测试系统，实现了电机性能与质量指标的测试，具有操作简单、数据精度高、测试时间短、性能稳定等特点，使用效果良好。
参考文献：
[1]吴汉熙，韩宝江，李巧莲.检测技术及设备在电机制造中的应用[J].电机与控制应用，2012，39（5）：37-40.
[2]李舒阳，李波.电机自动测试系统[J].微电机，2000，33（6）：32-34.
[3]王宝军，丁轶成.智能化电机测功机实验装置的研究[J].实验室研究与探索，2003，22（4）：91-92.
[4]耿洪奎.电机型式实验站技术方案比较[J].电机技术，2008（4）41-43.
[5]张亚峰.基于虚拟仪器的电机自动测试系统[D].西安：西安交通大学，2002.
[6]顾绳谷.电机与拖动基础（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2012.
[7]张增楷.如何提高小型三相异步电动机效率测试的准确度[J].电工技术杂志，1983（6）：28-29.
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