【论文】变频调速电动机参数测试技术研究

变频调速电动机参数测试技术研究 摘 要 在当前的测试领域中， 传统的测试系统由于本身所固有的诸多弊端变得越来越不适应现代测试的要求， 需要从新的方向上寻找突破点， 以解决当前测试系统的问题。 基于虚拟仪器的测试系统集虚拟仪器技术、 测试技术于一体， 利用虚拟仪器的柔性、 可扩充性， 大大提高了测试系统的开发效率、 可维护性和测试精度， 使之更好地满足现代化生产的需求。 本文主要研究了基于虚拟仪器的开发平台 变频调速电动机参数测试技术，所需要的软件为 司（ 发的 言。首先本文分析了电参量测量、 计算的基本原理， 其次在此基础上根据实际电机系统的参数测量要求， 完成了系统硬件和软件的方案研究， 并进一步完成了基于 通过仿真检验证明， 用户应用程序的设计满足设计任务的要求。 关键词 ：变频调速，参数测试，虚拟仪器， is of of in It be to of by on of of of is in I is of is in on of of to of of is It of is of 目 录 第一章 绪论 1 2 7 .二章 基础理论及关键技术分析 17 参量测量原理 .算机数据采集系统的基本结构 .拟仪器设计步骤 .章小结 .三章 测试系统硬件方案研究 .体方案提出 .号调理电路方案研究与分析 .据采集卡总体方案研究与分析 .章小结 .四章 测试系统软件方案研究与仿真分析 38 件方案研究与分析 .户应用程序设计 .用程序仿真分析 .章小结 .五章 结论与展望 49 要结论 .进一步研究的展望 49 参考文献 50 致谢 .明 第一章 绪论 1. 1 研究目的及意义 交流电机以其结构简单、坚固耐用、环境适应能力强、电机维护简单等优点，至今为大部分传动装置所采用 。 随着自动化水平的不断提高， 新器件的不断问世，同时为了提高产品产量和质量， 大幅度地节省能源， 交流电机调速传动的比重正在迅速增加。随着电力电子技术的发展,交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统,被广泛应用于矿产、运输、纺织、风机、及空调家电等领域,其控制性能及经济性能都已接近甚至超过直流电机调速系统。为了对交流电机在变频调速系统中的工作状况进行更好的研究， 改善功率因数， 需要实时、 较长时间地采集电机的运行状态参数包括交流变频调速装置输出的三相电压、 电流等多路信号， 并对采得的信号进行存储、 分析处理和动态回放。 然而， 交流变额器输出的电压和电流中既有按调速要求输出的低频率基波分量， 又含有开关引起的很多高次谐波， 在对系统电参数如电机效率、 有功功率、 无功功率、 功率因数等重要技术指标进行综合测试、 评价时， 采用现有测试仪器和数字存贮示波器已经不能满足这些要求，原因有以下两个方面： 1(1) 变频调速系统是非线性设备， 其驱动电压信号是经过调制的矩形波， 电流呈现出强烈的非正弦性， 谐波分量极大 。 而现有测试仪器采样速度较低， 只能用于工频稳态参数测量，无法完成非正弦信号的测量 。 23(2) 在电机的启动、切除或负载发生变化等涉及电流大而且变化较快的场合，会出现瞬变过程 。对瞬变过程中电流的分析所需用的测试数据一般达上百万个，而普通数字存贮式示波器响应速度虽然快, 但存储容量不大,一般仅为 10k 级 ，由于受存储容量和存储路数所限，满足不了此要求。 45现阶段测变频调速输出电压、 电流特别是功率的专用数字测量仪器的价格十分昂贵， 非一般的工业应用单位所能承受。 有关变频调速电机的试验方法与测量手段,研究的较少。变频调速电机的主要电气参数包括三相电流、三相电压、有功功率、功率因数及频率等。变频调速电机的工作频率是变化的,大部分额定频率在低频或超低频,如果用传统的模拟测量技术进行测试,会因低频信号周期长、 幅值变化缓慢等原因,引起响应时间长、测量准确度低等问题。 1变频调速电动机参数测试技术研究 随着电力电子技术的飞速发展， 非线性设备和电子装置越来越多， 如电梯、 电力牵引机车、 大型整流设备等， 都存在非正弦电参量的准确测试、 记录和分析问题。基于非正弦电参量的测试及测量装置需要包含如下功能要求 ： 6(1) 直接测量三相电压、电流、有功功率及三相总功率或三相电能； (2) 间接测量无功功率、视在功率、功率因数、频率等； (3) 实时显示电压、电流、功率的瞬时值； (4) 可选择同时显示三相电压、 电流中任意两个瞬时波形， 或显示任意一相的瞬时功率波形； (5) 可选择三相测量或单相测量， 所测电压、 电流可实现历史存储和动态回放功能，存储容量可达 量级； (6) 图形和数字量测试结果可输出至打印机或绘图仪； (7) 具备 多种计算机联网和通讯接口功能。 现有测试仪器一般不具备上述的各项功能， 如果采用计算机技术同仪器技术相结合的虚拟 仪器（写 为 V I）技 术，由用户 定制功能， 依靠软件的强大数据处理能力， 可以解决现有测试仪器采样速度低、 存储容量小、 显示功能单调、 非正弦电参量测量误差大、 数据分析处理能力欠缺等问题， 对信号进行采样,在离线条件下,经软件处理得到测量结果,就会使变频调速电机的各参数得以准确测量,满足上述的功能要求。 动机参数测试的目的及技术概况 动机参数测试的目的 现代工业生产及我们的日常生活中， 几乎离不开各种各样的电机。 电机已是当今生产活动中最主要的原动力和驱动装置。 电机数量多， 应用范围广， 几乎是没有其他装备所能与之相比的， 其运行状况直接影响到工业生产的正常进行。 大型电动机的故障和停运, 不仅会损坏昂贵电动机的本身,而且直接威胁到整个电力系统的安全和可靠供电,造成巨大的经济损失. 长期以来, 针对大型电动机的各种严重故障, 人们主要采取了各种成熟可靠的继电保护措施,如过电流保护、过/ 欠电压保护、差动保护、负序保护、接地保护、振动超限保护和过热保护等等 必须认识到继电保护系统只是当被监视参数达到或超过继电器整定值时才起作用, 设备的继电保护, 并不意味着能够预防事故的发生,它72变频调速电动机参数测试技术研究 只能在事故发生后采取行动,而且当继电保护系统动作后,电动机被突然切断而使生产流程意外中止, 仍然可能导致重大的经济损失. 为了将因电动机故障造成的损失降低到最小的程度,及时对电机进行运行状态参数的检测，无论对于避免重大事故的发生还是查找故障原因及故障维修，都具有非常重要的意义。 动机参数测试的技术概况 (1) 电动机的主要故障 一般来说， 按照故障发生的部位进行分类， 电动机的常见故障主要可以分为定子故障、转子故障及轴承故障。 1) 定子部分的故障主要是定子绕组故障,主要是由绝缘破坏而引起的各种表现形式的故障. 2) 电动机频繁启动和过载运行,会使转子承受极大应力. 这种应力的长期作用,使转子导条和端环易产生疲劳,使之逐渐发生断裂或开焊,引起转子故障. 3) 轴承部分的故障主要是因负载过重、润滑不良和异物进入等原因引起的轴承磨损、 表面剥落、 腐蚀、 碎裂和胶合等故障. 轴承出现故障后, 将会引起电动机的振动。 (2) 主要故障监测技术 1) 定子电流的监测。定子电流的频谱分析是诊断和监测电动机故障的有效方法, 它可以诊断电动机转子的断条、 端环开裂、 气隙偏心和机械不平衡等故障. 如通过分析定子电流频谱图上( 1 - 2 s ) f 1边频分量( s 为转差率, f 1 为基频) 幅值以及它与基频电流幅值的差值大小, 可以推断出转子断条的估计数。 又如通过对电流频谱中反映气隙偏心的特征频谱的检测,能确定电动机是否存在气隙偏心。再根据检测特征频率分量幅值大小和变化情况, 就可以确定转子在气隙中的动态位移值 。 82) 振动的监测。 目前振动传感器(又称拾振器) 主要有磁电式、 压电式、 电涡流、光纤和电容式传感器等. 其中,非接触式的电涡流传感器和光纤传感器得到了更为广泛的应用。电涡流传感器的频率范围宽(10 k ,线性度好,常用来测量电动机轴的轴向窜动和静位移。光纤传感器的灵敏度可高达50 m ,响应频率也可达10 k 3) 温度的监测。转子温度的测量一般采用非接触式的红外光测量方法。这种非接触式测量技术,具有简单、方便、反应速度快,不接触带电体等特点,能有效地3变频调速电动机参数测试技术研究 解决某些用常规测温技术无法解决的难题。 近年来出现的光纤测温传感器也是一种很灵敏的检测元件,抗干扰能力强. 利用光纤温度传感器进行电机测温,是目前各国都在开发的一个应用技术领域,它能解决直接带电测温等技术难题。 4) 绝缘的监测。 电动机的绝缘诊断主要是用离线诊断方式， 采用各种传统电气检测和试验方法仍具有重要诊断价值. 近年来,电动机绝缘的在线检测技术有了很大发展,如绝缘分解物监测、局部放电监测、绝缘耐热寿命指示器等. 但绝缘在线监测不能完全取代绝缘诊断,这是由于存在技术上的困难，即如何实现隔离或区分电机的工作电压和试验电压。因而,很多绝缘试验项目目前还不能在电动机运转时进行。 最常见的测试参数有绝缘电阻、 极化指数、 介质损耗角、 局部放电和热分解气体等 。 9(3) 电动机状态监测研究现状及发展方向 从电机监测技术的发展上看， 随着工业生产的发展和设备日趋复杂和精密的发展趋势， 设备监视方法也在不断的改革， 它们经历了依靠人的五官感觉和简单工具进行检查和监视、 利用简单的检测仪器进行监测、 离线监测、 连续状态监测等几个阶段。 目前使用比较广泛的电机状态监测方式是离线监测和在线监测。 离线监测的特点是监测周期为间断的， 但是定时的， 监测点的位置是固定的， 机器的状态信号由人工采集， 由计算机进行处理和存储， 不能对迅速发展的故障作出及时的反应和预测。 在线监测是通过安装在设备上的传感器， 随时可以获取机器运行的各种状态信号， 可对机器进行连续的监测， 其特点是能在早期阶段发现故障， 并严密监视其发展情况。 从电机诊断技术研究的发展上看， 目前， 电动机故障诊断中应用最广泛的方法仍是 换、 短时 换、布 及最优估计 方法等。随 着科学技术的发展， 小波变换和人工智能模式识别等技术越来越广泛地被应用于电动机故障诊断领域。 定子是电动机最常出现故障的部位， 常出现的故障有匝间短路、 相间短路、 单相断路和局部放电等。电动机定子绕组匝间短路故障检测及诊断已有研究,但目前还没有十分有效的检测手段。 人们一直希望寻找到定子绕组故障独有的电流特征频率, 但结论不尽一致, 且用实验难以验证. 曾有文献绕过频域内对电流特征频率的分析, 从时域着手,寻找出新的判断定子绕组故障的特征参量三相电流之间4变频调速电动机参数测试技术研究 的相位差。其仿真结果表明,转子绕组故障或电动机发生偏心故障及三相电压不对称时,基本上不会影响三相电流之间的对称关系，三相电流之间的相位差可作为特征参量判别定子绕组故障的依据， 而且具有与故障状态相关性大、 反映灵敏的特点。用于定子绕组故障检测的方法还有 量法、电流分解法和定子电流重建法等。 经过二十多年的发展， 交流电机状态监测与故障诊断领域的应用也已取得了长足的发展，一大批状态监测与故障诊断系统相继投入使用，其中 司 研制的 转机械 监测系统、 司研 制的 械状态 在线监测系统以及 司研制的 功能电动机监测器最具代表性。 尽管电动机的故障监测技术目前已取得了长足的进步， 但仍存在相当不足。 主要表现在两方面， 即故障信号分析方法的滞后以及由此造成的故障检测准确度的不足， 使得真正能够进入实际应用的检测装置比较少。 有些能给出具有较高准确度的定性的诊断，但要做到具有一定准确度的定量诊断，却会遇到很大的困难。 目前， 国内大型交流电动机装备智能多参数故障检测系统的并不多， 有的即使安装了， 但由于故障检测的误判率较高， 准确度较低， 也不能真正地发挥作用。 国外一些发达国家在大型机组上安装的在线监测系统， 主要是针对电动机的机械性故障的监测和诊断， 如振动、 轴承、 转速、 温度等， 而能同时进行较高准确度的电气参数故障检测的还不多。 就信号分析方法而言， 在电动机故障检测中长期以来广泛运用的信号分析方法是 析。 但 析是建立在信号平稳的假设之上的， 实际应用中主要存在频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应等不足，这些因素严重影响了检测效果。而借助于 法实现的信号处理方法如频谱分析、相关分析、细化谱分析、包络分析和倒谱分析等的应用也就大打折扣。此后，针对 析的不足 ， 学者们提出了许多新的改进方法， 包括加窗、 内插值法、 同步采样技术和自适应调整周期采样技术等。 小波变换特别适合于对电动机中出现的非平稳信号的处理， 可以充分地提取出故障信号的特征， 小波分析在奇异性处理、 消噪及数据压缩等方面都具有优良的特性。小波分析是基于信号频段的分析，与基于“频点”分析的 换有 很大的不同。 不过， 小波分析应用于电动机的故障诊断才刚刚起步， 有待作更深入的研究， 并且由于电动机故障的复杂性， 仅仅依靠小波分析所获得的故障特征量还难5变频调速电动机参数测试技术研究 以满足实际的故障检测准确度的要求。 人工智能模式识别技术应用于电动机故障的诊断只是近几年的事情， 目前仍然处于探索阶段，还有大量的研究工作要做。将 换、小波变换与人工 智能模式识别技术结合起来， 才有可能从根本上解决电动机故障检测准确度不高的问题。 (4) 自动检测技术及其发展方向 自动检测技术是随着计算机的发展而发展起来的一门新兴学科。 自动检测使技术要求极高、 难度极大、 耗时极长的检修工作, 可在分、 秒级甚至毫秒级的时间内完成。 我们把由计算机控制对系统、 设备、 部件进行的性能检测与故障诊断的技术称之为自动检测技术。 自动检测技术被广泛应用于设备出厂前的性能测试、 维修中的定期测试以及使用过程中的连续监测, 它还可用于设备的故障检测和故障定位。自动检测技术作为可靠性工程的一个重要分支, 日益受到人们的重视。 按检测对象分， 自动检测系统可分为: 有电系统的自动检测和非电系统的自动检测。 在电系统的自动检测中, 又可按照信号形式分为数字检测和模拟检测; 按检测系统与被测系统的相互关系分: 有主动检测和被动检测、联机检测和脱机检测; 原位检测和离位检测。 所谓主动检测, 是指检测系统向被测系统注入一定的测试信号, 以便观察和分析它对测试信号的响应; 而被动检测时, 不注入测试信号， 而是从被测系统的关键检验点上测量所需的信号, 然后进行分析和判断。 联机测试又称为在线检测, 测试时不中断系统的正常工作; 脱机检测又称为离线检测， 在测试时需中断系统的正常运行。 原位检测中不对被测系统进行拆卸和分解, 而离位检测需对被测系统进行拆卸和分解。 自动检测技术主要经历了第一代、 第二代的发展历程, 正在向第三代过渡。 第一代自动检测技术的主要特征是计算机作为系统的控制器， 对设备或系统进行测试和故障诊断。 它存在的主要问题是: 计算机和被测机件之间、 计算机与测试仪器之间以及测试仪器之间的接口没有标准化， 成为组建通用或专用自动检测系统的主要障碍。 与第一代相比, 第二代自动检测系统的主要特征是采用标准化接口系统, 使自动检测系统的设计与构成大大简化， 把自动检测系统的结构特征变成了积木式结构, 可根据被测对象的特定要求, 灵活、方便地设计与构成相应的自动检测系统。但是无论是第一代还是第二代自动检测系统， 计算机只是作为控制器使用, 其任务是 “控制”系统各部件协调工作和进行数据处理, 而测试系统所需的信号源及测6变频调速电动机参数测试技术研究 量仪器本身则由相应的仪器进行,显然计算机的巨大潜力并未能充分发挥。随着计算机技术的不断发展， 发展中的第三代自动检测系统将充分开发和利用计算机的资源, 采用特定的软件算法和技术, 进行信号的分析、 测量和激励信号的形成, 从而能在硬件显著减少的条件下, 极大地提高测试功能， 使自动检测系统的控制器不仅仅只是控制系统的协调工作， 而且能直接参与信号的产生, 完成被测系统性能参数的测量等任务, 充分发挥计算机的巨大潜力。 自动检测技术的另一个发展方向就是人工智能原理在故障诊断系统中的应用。 它能根据各类专家所提供的特殊领域的知识、 经验进行推理和判断, 来排除需要专家们才能解决的特殊问题。 随着人工智能计算机的开发和应用, 定能使第三代自动检测系统产生一个大飞跃。 在对大规模、 自动化、 智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形势下， 计算机技术、 仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑虚拟仪器技术。 虚拟仪器技术的优势在于可以由用户自己定义自己专用的仪器系统， 且功能灵活， 构建容易， 所以应用面极为广泛， 尤其在军事、 科研、 开发测量、 检测、 计量、 测 控领域更是不可多得的工具。 变频调速电机的主要电气参数包括三相电流、 三相电压、 有功功率、 功率因数及频率等。 变频调速电机的工作频率是变化的,大部分额定频率在低频(50 下) 或超低频(10 下) ,如果用传统的模拟测量技术进行测试,会因低频信号周期长、幅值变化缓慢等原因,引起响应时间长、测量准确度低等问题。如果利用计算机技术同仪器技术相结合的虚拟仪器,对信号进行采样,在离线条件下,经软件处理得到测量结果,就会使变频调速电机的各参数得以准确测量。 拟仪器概述 测试仪器作为科学技术发展中必不可少的组成部分， 对科学水平的提高和发展起到了很大的推动作用。 人们正是通过测试获得了客观事物的概念， 掌握了其运动规律。 随着科学技术的发展， 特别是电子技术水平的不断提高， 极大地推动了测试技术的进步， 对信号采集、 数据处理、 控制操作等技术的要求也越来越高， 传统的测试仪器已越来越不可能满足时代的要求， 特别是在较为复杂、 测试参数较多的场所，其多方面的局限性也就更为突出。由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用， 新的测试理论、 新的测试方法、 新的测试领域以及新的仪器结构不断出现， 在许多方面已经冲破了传统仪7变频调速电动机参数测试技术研究 器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化,在这种背景下，八十年代未美国研制成功虚拟仪器(称 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命， 代表着仪器发展的最新方向和潮流， 是信息技术的一个重要领域， 对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 虚拟技术、 计算机技术与网络技术被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术。 虚拟仪器系统概念是对传统要求概念的重大突破， 是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。 它利用计算机系统的强大功能， 结合相应的硬件， 大大突破传统仪器在数据处理、 显示、 传送、 存储等方面的限制。 与传统的仪相比， 它具有灵活性，方便性等优点。 拟仪器的基本概念 虚拟仪器就是利用现有的计算机， 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件， 形成既有普通仪器的基本功能， 又有一般仪器所没有的具有特殊功能的高档低价的新型仪器。 20 世纪 80 年代， 美国国家仪器公司 （先提出了虚拟仪器的概念， 利用 算机独具的运算、 存储、 回放、 调用、 显示、 文件管理以及在线帮助等智能化功能， 建立中英文界面的虚拟仪器面板， 构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同， 同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。 它以微机为测量平台用虚拟仪器软件模拟实际仪器操作界面通过人机交互完成对信号的采集、 分析处理和结果显示输出等功能 它具有结构简单、一机多用和测量精度高等特点。 使用者操作这种计算机就像操作一台自己专门设计的传统电子仪器。 拟仪器的构成及其分类 从虚拟仪器外部结构的角度出发， 虚拟仪器由计算机仪器硬件和应用软件三部分组成。 仪器硬件是计算机的外围电路， 与计算机一起又合称为虚拟仪器的通用仪器硬件平台， 它是应用软件的基础， 而应用软件则赋予系统以特有的功能。 图 1(1) 虚拟仪器的硬件系统组成 虚拟仪器是基于计算机的测量设备， 其硬件由计算机及 I/I/放大、 模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。 不同的总线有其相应的 I/按总线分类， 虚拟仪器系统主8变频调速电动机参数测试技术研究 要有以下几种构成方式，如图 1口仪器口卡 现场总线设备图象采集、 器串行口仪器 信号调理 数据采集卡 /工作站测控对象 图 1拟仪器构成的基本框图块 块 串口仪器 器图 1虚拟仪器的构成方式 计算机 被测信号 1) 统是以数据 采集板、信 号调理电路 及计算机为 仪器硬件平 台组成的插卡式虚拟仪器系统。 这种系统采用 将数据采集卡9变频调速电动机参数测试技术研究 （）插入计算机的空槽中即可。 2) 3) 串口系统 串口系统是以 准总线设备与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 4) 5) 基于 虚拟仪器设计无论采取上述哪种 统，都是通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合的。 (2) 虚拟仪器的软件 软件在虚拟仪器中的地位非常重要,它肩负着对数据进行分析处理的重任,如数字滤波、 小波分析或频谱变换等。 在很大程度上虚拟仪器系统能否成功地运行就取决于 虚拟 仪器的 软件 。虚拟 仪器 软件体 系结 构 主要包含两个层次: 用户应用程序和 I/O 接口仪器驱动程序。 10应用程序,包含两方面功能的程序：实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。 I/完成特定外部硬件设备的扩展、 驱动和通信。 虚拟仪器可以在相同的硬件平台下， 通过不同测试功能软件模块的组合， 实现功能完全不同的各种仪器。 软件是虚拟仪器的核心， 体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具， 目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类: 基于文本式编程语言开发工具： 如 +， 等。 基于图形化编程语言开发工具：如 。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软 件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。 拟仪器的特点 (1) 软件是虚拟仪器的核心 虚拟仪器的硬件确立后,它的功能如抗混淆滤波、小波分析等主要是通过软件来实现的。 软件在虚拟仪器中具有重要的地位。 美国国家仪器公司就曾提出一个著名的口号:软件就是仪器。 (2) 虚拟仪器的性价比高 一方面,虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量。 同时,由于信号的传送和数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的。 所以还大大降低了环境干扰和系统误差的影响。此外,用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期；另一方面,采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节,从而降低系统的开发成本和维护成本。 因此,使用虚拟仪器比传统仪器经济。 (3) 虚拟仪器具有良好的人机界面 在虚拟仪器中,测量结果是通过由软件在计算机屏幕上生成的、与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现的。 (4) 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力 如和线或现场总线等的接口能力。此外,还可以将虚拟仪器接入网络如实现对现场生产的监控和管理。作为新型仪器,它有许多传统仪器无法比拟的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。据估计,到下个世纪初中叶我国将有60%的仪器为虚拟仪器。 (5) 利用标准的商业技术 虚拟仪器工具的持续发展依靠标准商业技术的不断进步,如个人电脑元件和因特网这些突飞猛进的商业技术必然带来性能的改进和大批量市场运作的成本降低。虚拟仪器产品使用这些技术确保以更低的价格为用户提供更为出色的性能。 举例来说使用者带来既可与简便易用图形化功能结合,同时又具有高性能多线程执行功能的11变频调速电动机参数测试技术研究 论是软件还是硬件产品,它们都是建立在个人或嵌入式计算机系统的内存芯片、处理器和显示技术快速发展的基础上。 (6) 模块化硬件 在虚拟仪器解决方案中， 信号先由硬件进行数字化， 再利用软件对数字化的信号进行处理。使用者可以根据应用系统要求的采样速率和分辨率对信号进行定义。模块化的仪器由软件组合在一起可以完成数据的采集、分析和报告。在某些方面，虚拟仪器可以部分或全部代替传统仪器的功能，甚至超越传统仪器。 拟仪器的发展及研究现状 (1) 测量仪器的发展阶段 电子测量仪器发展至今,大体可分为以下四个阶段: 1) 以电磁感应定律为基础的第一代仪表模拟指针式仪表 2) 以电子管或晶体管为基础的第二代测试仪器分立元件式仪器 3) 以集成电路芯片为基础的第三代仪器数字式仪器 4) 以微处理器为核心的第四代仪表智能式仪表 对于传统仪器，任何一台仪器的无非由以下三大功能块组成: 信号的采集与 控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件) 的形式存在。 这种框架式的结构, 决定了传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造, 用户无法改变的现实。 计算机技术的发展, 给传统仪器技术注入了强大的活力。首先是微电子技术、大规模集成电路技术的发展, 促进了数字化仪器、 智能仪器的快速发展。 仪器的精度越来越高, 功能越来越强, 性能越来越好。 但是, 传统仪器基本上没有摆脱独立使用、手动操作的模式。对于较为复杂的应用场合,测试参数较多的场合, 使用起来就很不方便, 其局限性非常明显。 微电子技术和计算机技术的飞速发展和测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命， 一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器的出现， 使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出, 软件才是整个仪器系统的关键。 任何一个使用者都可以通过修改软件的方法, 很方便地改变、 增减仪器系统的功能与规模。 虚拟仪器技术的出现, 彻底打破了传统仪器由厂家定义, 用户无法改变的模12变频调速电动机参数测试技术研究 式。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是仪器厂家) 可以随心所欲地根据自己的需求, 设计自己的仪器系统, 满足多种多样的应用需求。 与传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下优点： 传统仪器 虚拟仪器系统 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器功能规模确定 系统功能、规模可通过软件修改增减 封闭的系统, 与其他设备连接受限 基于计算机的开放系统, 可方便地外设、网络及其他应用连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢(周期510年) 技术更新快(周期12年) 开发和维护费用高 软件结构大大节省开发和维护费用 (2) 虚拟仪器的研究现状 虚拟技术、 计算机通讯技术和网络技术是信息技术最重要的组成部分。 虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜。20 世纪 80 年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分， 因此它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。计算机技术的迅猛发展极大推动了虚拟仪器技术的发展。 计算机具有仪器所需要的、 最先进及性价比最好的显示与存储能力。 目前， 计算机在显示、 数据处理与存储能力等方面一直按指数率提高并将继续高速发展。 并且， 随着众多虚拟仪器通用硬件产品厂家技术的日益更新， 必将进一步提高虚拟仪器的性能和实用性。 虚拟仪器技术目前在国际上已进入实用阶段， 以美国国家仪器公司 （司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品，而且 出 现了以 司开发 的 优 秀代表的 虚拟仪器软件开发平台， 这些开发平台大大方便了工程技术人员的开发工作， 从而更进一步促进了虚拟仪器的迅速普及和发展。在 司之后，著名的美国惠普（司紧紧跟上。该公司推出 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机， 用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。 除此之外， 世界上陆续有数百家公司也相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。 虚拟仪器的突13变频调速电动机参数测试技术研究 出成就不仅是可以利用 组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线， 组建不同规模的自测试系统。 它可以借不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、 带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元， 调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。 虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务， 而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。 美国 司推出模块化仪器的主流平台 是与 全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流 平台 00Mbs， 是目前已经发布的最高传输速度。 虚拟仪器的开发厂家， 为扩大虚拟仪器的功能， 在测量结果的数据处理、 表达模式及其变换方面也做了许多工作， 发布了各种软件， 建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等） ，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。 作为仪器领域中最新兴的技术， 虚拟式仪器的研究、 开发在国内已经过了起步阶段。从 90 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、 成都电子科技大学、 中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化 司、司的产品等方面做出了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。 术经过 10 余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化，硬/软件的模块化，编程平台的图形化和硬件模块的即插即用花等方向发展。目前 术已发展成具有 基于 提高了程序代码的复用性， 大大降低了应用程序的维护费用， 必将成为测控技术的主要基础技术之一。 随着测量控制过程的网络化， 一个真正的虚拟化的测控时代即将到来。 拟仪器的应用 虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化,硬、软件模块化,编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及。 在国内近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、 控制等功能的例子， 虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方法， 是技术进步的必14变频调速电动机参数测试技术研究 然结果。 虚拟仪器主要在以下几个方面得到应用： (1) 虚拟仪器在测量方面的应用 虚拟仪器系统开放、 灵活,可与计算机技术保持同步发展,将之应用在测量方面可以提高精确度,降低成本,并大大节省用户的开发时间。 因此已经在测量领域得到广泛的应用。 (2) 虚拟仪器在监控方面的应用 用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来的数据,并对之进行统计、数字滤波、 频域分析等处理,从而实现监控功能。 当前,气敏传感器正朝着快速响应、小型化和经济化发展,这种发展趋势引起了微电子气敏传感器的发展。 (3) 虚拟仪器在检测方面的应用 在实验室中,利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统,可以把一台个人计算机变成一组检测仪器,用于数据图像采集、控制与模拟。 (4) 虚拟仪器在教育方面的应用 现在,随着虚拟仪器系统的广泛应用,越来越多的教学部门也开始用它来建立教学系统,不仅大大节省开支,而且由于虚拟仪器系统具有灵活、 可重用性强等优点,使得教学方法也更加灵活了。 (5) 虚拟仪器在电信方面的应用 由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口,强大的检测功能,同时又能与 此很多工程师和研究人员都把它用于电信检测和场测试方面。 虚拟仪器还在其他很多领域包括航空、汽车、生物医学等方面得到广泛应用。从交通监控系统到大学实验室,从部件自动测 试到工业过程控制,虚拟仪器应用的例子不胜枚举。相信未来,虚拟仪器将得到更多的发展,应用范围也将越来越广。 文的主要研究内容及结构安排 文研究的主要内容 (1) 分析电动机参数测试的目的及其技术概况； (2) 分析检测技术的现状及其发展趋势； (3) 分析虚拟仪器在电动机参数检测中应用的理论依据、特点和方法； (4) 分析表证电动机运行状态的电参量测量原理； 15变频调速电动机参数测试技术研究 (5) 研究基于虚拟仪器技术的电动机运行状态测试系统的硬件构成； (6) 研究基于虚拟仪器技术的电动机运行状态测试系统的软件构成； (7) 应用 文的结构安排 第一章 绪论 提出本文的研究目的和意义， 叙述了电动机参数测试的目的及其技术概况， 简要分析了电动机故障及其监测， 提出近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器能和特点及其发展研究情况。 第二章 基础理论及关键技术分析 本章介绍了电动机运行状态测试的电参量测量 原理及计算机数据采集系统的基本构成并叙述了虚拟仪器的开发软件基本开发环境和它的三大模板控制模板、 功能模板的使用， 及用 第三章 测试系统硬件方案研究 在前一章的基础上针对电动机运行状态测试要求研究测试系统的硬件构成第四章 测试系统软件方案研究与仿真分析 本章针对电动机运行状态测试要求研究测试系统的软件构成并应用 最后通过仿真分析表明用户应用程序的设计满足了设计的要求。 第五章 结论与展望 简要分析了毕业设计的主要成果和不足之处。 16变频调速电动机参数测试技术研究 第二章 基础理论及关键技术分析 参量测量原理 参量的采样方法 模拟量的数据采集可分为常规的直流采样和交流离散采样两种方法 。 11直流采样的优点：易于实现滤波和去掉高频干扰，信号比较稳定，对 求不高， 软件设计简单； 缺点： 滞后大， 测量准确度受变送器准确度与稳定度影响。 交流采样的优点： 加快了对被测量突变的跟踪反应速度， 实时性好， 提高了系统检测精度和稳定性， 易于掌握输入信号动态关系， 可实现高次谐波采集分析； 缺点： 可靠性较低， 抗干扰能力较差， 算量较大， 对 换速度要求较高。 交直流采样各有优势，但从总体看，交流采样要优于直流采样。因为其速度、性/价比以及单通道内含的信息量都要优于直流采样，所以选用交流采样法。 样频率的选择 在交流采样技术中， 为了防止 “频率混叠” 现象出现， 使采样信号能够不失真还原， 根据奈奎斯特采样定理， 采样频率至少应等于或大于信号所含有的最高频率：但是如果采样频率选择得过高，即采样间隔小，每个采样周期采样点数过多，则会造成数据存储量过大和计算时间过长。 因此既要得到准确的计算参数， 又要满足快速性的要求， 采样频率的选择就显得很重要。 压、电流的采样及功率、功率因数的计算 根据周期连续函数的有 效值及平均功率的定义 ，将连续函数离散化，可得到电压、电流、功率、功率因数的表达式为： 12U=I=17变频调速电动机参数测试技术研究 P=S = U× I (2由 Q=22 (2得 ()22= (2由 P=U×I (2得 = 12 (2以上各式,N 为每周期均匀采样总数, 为第 对基于感应电机电参量的测量，需 要采用同步采样方式 采集其定子端的三相电压和电流，消除由顺序采样引起的各通道之间的相角差问题；需要采用跟踪采样技术，以抑制由泄漏效应和栅栏效应 引起的误差，提高测量系统的精确度。 314 15率采样 由于变频调速电机的频率不是恒定的 , 若要在交流采样中保持一个周期内采样点数 N = f s/ f 1 为恒定常数 ,式中 f s 为采样频率 ; f 1 为基频。采用跟踪采样技术 :即采样频率 f s 跟踪系统基频 f 1 的变化。具体方法是 :频率 f 的被测电压输入后 , 被变成方波 ,同时对它进行跟踪、锁相和倍频。另外该方波驱动一个反馈计数器产生一个被测电压周期为 矩形脉冲。该脉冲和晶振产生的频率 f p 的时钟脉冲相与 ,与门输出的脉冲数 m = f p 则被测电压的频率 f m = f p/ m。 算机数据采集系统的基本结构 数据采集就是将外部电压、 电流、 温度、 压力等物理信号进行数字量化后送入计算机系统进行处理的过程。计算机数据采集系统的基本结构如图 2前置电路 采样保持器 计算机总线图 2算机数据采集系统基本结构 计算机存储器18变频调速电动机参数测试技术研究 连续的模拟输入信号先经过一个低通滤波电路滤波，然后由采样保持器（简称 每隔一个采样间隔采集保存一个信号量， 再由模数转换器量化为二进制码， 即计算机可接受的数字信号， 接着转换的数据经过各种途径进入计算机系统进行处理。 计算机数据采集系统由传感器、 信号调理、 数据采集硬件、 数据传输总线、 计算机主机和软件组成 。简要介绍如下： 16(1) 传感器：把各种需采集的物理信号转换成电信号。 (2) 信号调理：从传感器输出的信号必须经过调理才能够进入数据采集部分。 (3) 数据采集硬件： 包括采样保持器和模数转换器， 是决定采集系统性能的核心。 (4) 数据传送总线： 数据采集单元和计算机通过各种总线实现连接， 各种总线的数据宽度和频率、传输协议等决定数据传输的快慢和采集卡在系统中的使用性能。 (5) 软件： 由驱动软件和应用软件组成。 驱动软件管理着系统的操作以及计算机资源的组合， 是驱动硬件工作、 发挥其作用的关键； 应用软件是一般计算机数据采集系统区别于虚拟仪器的关键所在： 一般计算机数据采集系统应用软件开发环境为普通高级语言开发环境；虚拟仪器应用软件开发环境为专门的虚拟仪器开发环境，其选择是否恰当与虚拟仪器系统功能是否容易实现有密切关系。 本开发环境 (1) 验室虚拟仪器工程平台）是美国 司（称 司）推出的一种基于 G 语言（形化编程语言）的虚拟仪器软件开