毕业论文-高压电机叠频试验方法及数据采集的研究.docVIP

毕 业 设 计题 目： 高压电机叠频试验方法及数据采集的研究 系： 电气信息学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2011年6月 10日 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 高压电机叠频试验介绍11.2 高压电机叠频试验方法的发展状况21.3 本设计的基本要求21.4 本设计的基本内容2第2章 高压电机温升试验概述22.1 温度的测量方法32.1.1 温度计法32.1.2 电阻法32.1.3 埋置检温计32.2 温升试验时冷却介质温度的测定32.3 电机绕组及其他各部分温度的测定42.3.1 绕组温度的测定。42.3.2 铁芯温度的测定42.3.3 轴承温度的测定42.3.4 集电环温度的测定4第3章 高压电机温升试验各方法的比较53.1 直接负载法53.1.1 连续定额(S1工作制)电动机53.1.2 短时定额(S2工作制)电动机63.1.3 周期工作制定额(S3工作制)电动机。63.2 等效负载法63.2.1降压负载法63.2.2 叠频法7第4章 高压电机叠频试验的研究84.1 叠频试验原理分析84.2 叠频试验方法概述124.3叠频试验数据处理及副频的选择13第5章 数据采集系统的研究155.1 试验中电量的测量155.1.1 电压电流的测量155.1.2 频率和功率的测量155.2 试验中非电量的测量165.2.1温升的测量165.2.2 转速的测量165.2.3 转矩的测量165.2.4 功率因数的测量175.3 数据采集系统175.3.1 数据采集的意义和任务175.3.2 数据采集技术概述185.3.3 数据采集系统的原理及构成195.3.4 数据采集系统中主要性能指标245.3.5 数据采集系统的工作流程265.4 数据采集系统的功能265.5 数据采集系统的设计285.5.1 输入输出的控制方式285.5.2 程序流程295.5.3 置位与数据传输305.5.4 程序规范化315.5.5 程序调试31结束语34参考文献35致 谢36II 高压电机叠频试验方法及数据采集的研究高压电机叠频试验方法及数据采集的研究摘 要：高压电机温升试验法有直接负载法和等效负载法，其中等效负载法又分为降低电压负载法与叠频试验法；为了对被试高压电机在不能采用直接负载法或降压负载法时进行温升试验，介绍了叠频试验法；通过采用变频机组提供试验电源，实现电源电压与频率的调节，并对变频电源提供试验电源做比较，体现出叠频试验的发展。采用专用变频电源完成叠频法试验，设备简单，操作方便，可以实现试验自动化、智能化，必将在电机试验领域大有作为。叠频法进行异步电动机温升试验时不需要进行机械联接，因此该法特别适用于高压立式异步电动机、超设备容量的异步电机及低速异步电机而又没有合适陪试电机的温升试验。通过高速采样仪表及高速采样数据卡的使用对有关温升值进行自动测取，得出、判断试验结果，自动生成、打印报表。关键词：叠频法；温升试验；变频电源；高压电机；数据采集Research on the Method of High-voltage Motors Superposing-Frequency Test and Data AcquisitionAbstract: High-voltage motor temperature-rise test method have direct load method and method of equivalent load, equivalent load and divided into lowering voltage load method and iterative method, the method of frequency test In order to try to be high voltage motor in the load method or not directly load method for temperature rise in blood pressure test, this paper introduces the fold the frequency test method; Through the variable frequency power supply unit, realize the power to provide test voltage and the frequency of adjustment, and the frequency conversion power provide test power supply for comparison, reflects the development of frequency test pile. Using special inverter power complete fold frequency test, the equipment is simple, the operation is convenient, can achieve test automation, intelligence, will in the motor test field go a long way.Fold the frequency of asynchronous motor temperature rise test dont need to mechanical connection, so the method especially suitable for high pressure vertical asynchronous motor, super equipment capacity of the induction motor and low speed asynchronous motor and no suitable with the rise of temperature of the motor test try. Through the high-speed sampling instrument and high-speed sampling data card to the use of the temperature rise measured automatically, it is concluded that, judge test results, automatic generation, printing reports.Keywords: Superposing-frequency; Temperature-rise test; Frequency power；Data acquisition; Experiment第1章 绪论1.1 高压电机叠频试验介绍电能是能量的一种形式。与其他形式的能源相比，电能具有明显的优越性，它适宜于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制、故电能在工农业及人类生活中获得广泛的应用。作为与电能生产、输送和应用有关的能量转换装置-电机，在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。电力工业中，将机械能转换为电能的发电机以及将电网电压升高或降低的变压器都是电力系统中的关键设备。在工矿企业中，各种工作母机、压缩机、起重机、水泵、风机；交通运输中的汽车电器、电力机车；农业中的电力排灌、农产品加工；日常生活中的各种电器；以及国防、文教、医疗等领域都需要不同特性的电机来驱动和控制。随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动控制系统中的重要元件。显然，电机在国民经济建设中起着重要的作用，随着生产的发展和科学技术水平的提高，它本身的内容也在不断的深化和更新。电机按原理分类，主要有变压器、异步电机、同步电机和直流电机四大类电机。 随着科学技术的不断发展，在社会生产的各个领域对电机的要求越来越高。在推陈出新的过程中，一方面要对其新性能进行开发，另一方面还要对原有的产品进行各种性能的改进，这就要求通过一定的试验来验证，来探索改进的方法。目前电机技术和计算机技术与原来相比已经得到了很大提高，电机试验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。随着测试手段的不断进步，测试水平的不断提升及测试设备的精度越来越高，自动测试系统及工控计算机的通讯使电机测试技术中测试数据的自动采集成为可能，大大减小了人为误差，提高了工作效率。对高压电机采用叠频法测量绕组温升的试验方法进行分析研究。大型异步电机的温升试验，由于受试验设备容量、陪试电机(即负载电机)诸多因素的限制，很难采用直接负载法进行温升试验，而是采用等效负载法，其中定子叠频法温升试验，深受国内外电机制造行业的普遍重视，广泛应用于电机工业试验中。叠频法试验使用两组电源，主电源和副电源，两组电源都是同步发电机，串联给被试电动机供电，主电源的频率为额定频率，对50Hz的电动机，副电源的频率在3842Hz之间。用主电源使被试电机在额定频率、额定电压下运行，然后给副电源发电机加上励磁，调节励磁电流使被试电动机的定子电流达到满载电流，调节过程中要随时调节主电源电压，使被试电动机的端电压保持额定值，并保持副电源机组的转速不变。一切正常后，使被试电机达到温升稳定状态，并用数据采集系统对有关温升值进行自动测取，得出、判断试验结果，自动生成、打印报表。由于叠频法要随时调节主电源电压，并同时保持副电源频率不变，控制起来复杂；指针式仪表摆动较大，普通的数字式仪表跳动频繁。国内外电机生产企业很少采用此方法进行温升试验。现如今随着电力电子技术、电气控制技术及微机应用技术的迅速发展，为叠频试验方法提供了良好的研究和应用平台。1.2 高压电机叠频试验方法的发展状况 高压电机温升试验有直接负载法和等效负载法，叠频法是等效负载法的一种。叠频法已经有传统的机组叠频法发展到利用专用变频电源完成叠频试验。传统的叠频试验方法所占用的设备复杂庞大，调整繁琐，自动化程度不高，大大制约了叠频法的推广。现在随着电力电子及其相关技术的发展，完全可以设计出专用的变频电源来完成叠频试验。而采用专用变频电源完成叠频法试验，设备简单，操作方便，可以实现试验自动化、智能化，必将在电机试验领域大有作为。 本项目已在华中某大型电机生产厂的高压大、中型电机试验站中得到实际应用，真正实现了智能化的试验操作与管理，保证了数据的客观性与准确性，为企业的自动化生产与信息化管理奠定了基础，并具有良好的应用前景。1.3 本设计的基本要求 本设计对高压电机的温升试验采用叠频试验方法进行分析和研究，对有关温升值进行自动数据采集、自动生成报表并打印。1.4 本设计的基本内容（1） 采用叠频试验方法对高压电机进行温升试验的基本原理；（2） 分析研究叠频试验法的实现；（3） 对温升试验时的有关试验参数进行自动数据采集。第2章 高压电机温升试验概述 温升可在任一方便的冷却介质温度下进行。2.1 温度的测量方法试验时,可用温度计法,电阻法、埋置检温计法测量电机绕组及其他各部分的温度。2.1.1 温度计法温度计包括膨胀式温度计(例如水银、酒精等温度计)、半导体温度计及非埋置的热电偶或电阻温度计。测量时,计应紧贴在被测点表面,并用绝热材料覆盖好温度计的测温部分,以免受周围冷却介质的影响。有交变磁场的地方,不能采用水银温度计。 2.1.2 电阻法 用电阻法测取绕组的温度时,冷热态电阻必须在相同的出线端上测量。此时,绕组的平均温升(K)按下式计算: （2.1）式中:Rf-试验结束时的绕组电阻,;R0-试验开始时的绕组电阻,;f-试验结束时的冷却介质温度,;0-试验开始时的绕组温度,;Ka-常数。对铜绕组,为235;对铝绕组,除另有规定外,应采用225。2.1.3 埋置检温计测量埋置式电阻温度计的电阻时,应控制测量电流的大小和通电时间,使电阻值不致因测量电流引起的发热而有明显的改变。2.2 温升试验时冷却介质温度的测定（1）对采用周围空气冷却的电机,可用几只温度计分布在冷却空气进行电机的途径中进行测量温度计应安置在距电机约12m处,球部处于电机高度一半的位置,并应防止外来辐射及气流的影响。取温度计读数的平均值作为冷却介质温度。（2）对采用外接冷却器及管道通风冷却的电机,应在电机的进风口处测量冷却介质的温度。（3）对采用内冷却器冷却的电机,冷却介质的温度应在冷却器的出口处测量;对有水冷冷却的电机,水温应在冷却器的入口处测量。（4）试验结束时冷却介质温度的确定。a .对连续定额和周期工作制定额的电机,试验结束时的冷却介质温度应取有整个验过程最后的1/4时间内,按相等时间间隔测得的几个温度计读数的平均值。b.对短时定额的电机,试验结束时的冷却介质温度,若定额为30min及以下,取试验开始与结束时温度计读数的平均值;若定额为3090min,取其1/2试验时间温度计的读数与结束时温度计读数的平均值。2.3 电机绕组及其他各部分温度的测定2.3.1 绕组温度的测定。电机绕组的温度用电阻法测量,应优先采用双桥带电测温法。如电机有埋置检温计时,则用检温计测量。2.3.2 铁芯温度的测定铁芯温度用检温计或温度计测量。对大、中型温度计应不少于两支,取其最高值作为铁芯温度。2.3.3 轴承温度的测定轴承温度用温度计测量。对于滑动轴承,温度计放入轴承的测温孔内或者放在接近轴瓦的表面处,对于滚动轴承,温度计放在最接近轴承外圈处。2.3.4 集电环温度的测定电机停机后,立即用温度计测量集电环表面的温度,取测得的最高值作为集电环温度。第3章 高压电机温升试验各方法的比较 高压电机温升试验有直接负载法和等效负载法，等效负载法又分为降压负载法与叠频法。等效负载法限于S1工作制电动机采用，如限于设备，对100kW以上的电机，允许采用降压负载法，对立式或300kW以上的电机，允许采用叠频法。采用直接负载法和降压负载法时，被试电机需要与陪试电机进行机械连接，而叠频法进行异步电动机温升试验时则不需要进行机械连接，所以该方法特别适用于难以对无合适的拖动电机如高压立式异步电动机、超设备容量的异步电机及没有合适陪试电机的低速异步电机的温升试验。叠频法温升试验还可以减少对组装配的时间，减少试验时的能源消耗6。3.1 直接负载法直接负载法的温升试验应在额定频率、额定电压、额定功率或铭牌电流进行。3.1.1 连续定额(S1工作制)电动机试验时,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、风道进出口的冷却介质和周围冷却介质的温度。如采用带电测温法时,还应每隔半小时以及试验结束前测量绕组的电阻。试验期间,应采取措施,尽量减少冷却介质温度的变化。为了缩短试验时间,在温升试验开始时,可以适当过载。如采用外推法确定绕组的温升,电机停机后,应立即测量绕组的电阻。对采用外接冷却器及管道通风冷却的电机,在电机切离电源的同时,应停止冷却介质的供给。如以铭牌电流进行温升试验,对应于额定功率时的绕组温升N(K)按下述方法换算:当-当在5%范围内时: （3.1） 式中-满载电流,即额定功率时的电流,A。从工作特性曲线上求得;-温升试验时的电流,A。取在整个试验过程最后的1/4时间内,按相等时间间隔测得的几个电流的平均值;-对应于试验电流It的绕组温升,K。3.1.2 短时定额(S2工作制)电动机试验应从实际冷状态下开始。试验的持续时间按定额的规定。试验时,按照工作时限长短,每间隔515min记录一次试验数据。其他要求同3.1.1。对应于额定功率时的绕组温升N按下述方法换算:当-当在5%范围内时,按公式(3-1)进行换算。当-当不在5%范围内时,应重做温升试验。3.1.3 周期工作制定额(S3工作制)电动机。如无其他规定,试验时每一个工作周期应为10min,直到是中部分温升达到热稳定状态为止。温度的测定应在最后一个工作周期中负载时间的一半终了时进行。为了缩短试验时间,在试验开始时,负载可适当地持续一段时间。对绕线转子电动机,每次起动时,应在转子绕组中串入附加电阻或电抗,将起动电流的平均值限制在2倍额定电流(基准负载持续率时的额定电流值)范围内。每一工作周期的运行结束时,电动机应在3s内停止转动。其他试验要求同3.1.1。对应于额定功率时的组温升N按3.1.2的规定换算。3.2 等效负载法3.2.1降压负载法采用降压负载法在进行下列温升试验:a.以额定频率和额定电压进行空载温升试验,并确定此时的绕组稳定温升。b.以额定频率、1/2额定电压和满载电流进行温升试验,并确定此时绕组稳定温升。通过试验测得的空载稳定温升和半载稳定温升，可以用如下公式计算额定功率时的绕组的稳定温升： （3.2）其中 Po-额定电压时的空载输入功率,由空载试验求取;Por-1/2额定电压时的空载输入功率,由空载试验来求取。3.2.2 叠频法 下面从理论上对三相异步电动机的叠频试验的试验温升值与直接负载法测得的温升值进行比较。 对叠频试验温升值的准确程度的分析，可以从电机的各种损耗的增减角度来进行分析。损耗增加，则意味着温升升高，损耗减小，则意味着温升减小。三相异步电动机的损耗总体可以分为机械损耗、铁耗、定子铜耗、转子铜耗、杂散铜耗五大类，现分述如下：铁耗，铁耗基本与直接负载法试验时相同。机械损耗：由于被试电机的转速接近于同步转速，高于被试电机的额定转速，从而使摩擦损耗和风扇损耗比直接负载法试验时略有增大，被试电机的转差率越大偏差越大。定子铜耗：因被试电机的电流为额定电流，故定子铜耗基本与直接负载法试验时相同。转子铜耗：由于转子电流的频率为节拍频率，其值高于直接负载法额定运行时的频率，转子导条中的集肤效应加大，而转子电流的有效值基本与直接负载法相同，故此时的转子铜耗比直接负载法时稍大一些。如果主副电源频率之差太大，将会导致转子铜耗比直接负载法时大很多。副电源频率应低于主电源频率20%为宜，一般应在38-42Hz范围内选择副电源频率。杂散损耗：因定转子电流的有效值基本与直接负载法时相同，杂散损耗基本不变。由以上分析可以看出，影响定子叠频法与直接负载法温升不同的因素主要有转子铜耗的不同、机械损耗的不同和由于定子叠频法时被试电机的转速高于额定转速而引起冷却效果的不同。其中前两项使定子叠频法温升试验值高于直接负载法温升试验值，后一项使定子叠频法温升试验值低于直接负载法温升试验值，但三者中转子铜耗的影响较大，故定子叠频法温升试验值往往略高于直接负载法温升试验值2。第4章 高压电机叠频试验的研究采用叠频法进行异步电动机温升试验时不需要被试电机与陪试电机进行机械联接，所以该法特别适用于高压立式异步电动机、超设备容量的异步电机及低速异步电机而又没有合适陪试电机的温升试验6。对于普通的异步电机，叠频法温升试验可以减少对组装配的时间及减少试验时的能源消耗，所以深受国内外电机制造行业的普遍重视，广泛应用于电机工业试验中。4.1 叠频试验原理分析该法适用于异步电机定子绕组的温升试验。叠频法温升试验使用两组电源，即主电源和副电源。两组电源都由同步发电机发电，电源频率不同，分别施于叠频变压器的原、次边绕组上，被试高压电机电源直接由叠频变压器原边输出而得到供电。主电源的频率为额定频率，对50Hz的电动机，副电源的频率在38Hz42Hz之间。主电源电压与被试电机额定电压相同，用以保证被试电机在额定电压下运行；副电源的电压等级应与被试电机的相同，其额定电流应不小于被试电机的额定电流。调节副电源发电机的励磁，用以保证被试电机在额定电流下运行。被试电机在额定电压和额定电流的条件下进行温升试验，其铁耗和定子铜耗满足试验标准的要求。转子铜耗和杂散损耗因转子导条中的集肤效应加大和被试电机的转速高于额定转速而引起的冷却效果不同而略高于直接负载法的温升值，但仍满足试验标准要求，故采用叠频法进行电机的温升试验符合试验标准。 机组电源试验原理如图4.1所示。试验系统为5机组供电系统：TF1可通过TD直接挂网发电，也可通过中间电源供ZF1发电。TF1提供试验所需的主电源；TF2 通过中间直流电源供ZF2发电，TF2提供试验所需的副电源。主、副电源通过叠频变压器给被试机组供电。调节TF1的励磁电流，可改变被试机的电压； 调节TF2的励磁电流，可改变被试机的电流。图4.1 叠频法温升试验原理图试验时，主副电源将产生两个不同频率的旋转磁场，分别定义为和，它们分别以各自的角速度和在气隙中旋转，所以气隙中的磁场为两个磁场的叠加，角速度为，如图4.2 图4.2主副电源及合成磁场选择矢量图合成磁场的幅值和角速度均随时间变化而变化，可以证明其角速度与时间t的关系式为： (4.1) 其中系数,所以主频为50Hz时电弧度/s,假设副频率选择44Hz的话，则电弧度/s，一般可假设取平均值0.2，则，由此可得合成磁场角速度的表达式： (4.2) 使用Origin v6.0软件，获得其函数曲线如图4.3所示 图4.3 合成磁场角速度函数曲线由图4.3可以判断出37.7t=0，即t=0时，合成磁场角速度达最大值316电弧度/s；而当，即t=0.08333时，合成磁场角速度达到最大值345电弧度/s。而合成磁场角速度与整个时间t的函数曲线如图4.4。从中可见其曲线周期,即以拍频频率振动，在这个例子中f=50-44=6Hz。图4.4合成磁场角速度随时间变化曲线通过分析合成磁场角速度表达式可以发现副电源电压会通过参数k影响合成磁场的角速度，当副电源未接入时， 随着副电源的接入不断升高会使合成磁场角速度产生如图4.4的周期性变化，并且变化幅度不断增大，但变的频率与副电源无关，仅与主副电源的频率差相关。在进行叠频温升试验时，用主电源使电机空载运行后，副电源接入，对于异步电机来说由于有转子本身空载运行时的转动惯量J的存在，所以转子转速并不能完全随定子合成磁场的变化而实时变化，它将周期性的加、减速来追赶定子合成磁场的变化趋势，但是始终不会追上。而平均转速则由于转差率s的存在而略低于合成磁场转速，见图4.5。所以，在合成磁场变化的一个周期内，部分时间会出现转子瞬时转速高于合成磁场瞬时转速，而其余时间转子瞬时转速低于合成磁场瞬时转速的情况，且合成磁场角速度的变化程度愈大，此现象愈明显。图4.5合成磁场角速度与转子转速示意图从能量守恒的角度我们可以知道，当转子转速低于定子磁场转速时，电机以电动机状态运行，消耗电能。而当转子转速高于定子磁场转速时，电机以发电机的状态运行，产生电能。不管哪一种状态，由于定子合成磁场转速不稳定，定子绕组内电流都将高于其正常稳定空载运行时的电流，而且合成磁场角速度的变化幅度越大，其定子电流亦越大，以上原理某种程度上可以类比为一辆频繁刹车并加速的汽车和一辆始终保持匀速运行的汽车，在平均速度相同的条件下前者油耗必然高于后者。所以，调节副电源电压即可达到调节定子绕组电流的目的，将定子电流调节至额定电流即可实现电流基准法的温升试验，这就是定子叠频温升法的本质。4.2 叠频试验方法概述主、副电源可以由发电机组构成也可以使用变频电源，近年来，随着变频控制技术的发展，已经越来越多地开始采用变频试验电源作为主、副电源使用。与一般变频器相比，这些新型变频器具备优秀的谐波消除能力，电压波形正弦性畸变率小于5%，输出波形接近完美无谐波，同时具备恒压、恒流、恒频率多种输出模式，完全符合国家对试验电源波形的要求。对于机组电源来说，试验时，发电机及的相序必须一致，这可以在图4.1的接线状态下由及供电分别启动被试电动机，若在两种情况下被试电机的转向相同，则说明它们的相序是相同的。确定及相序相同后，被试电动机即可由主发电机供电启动。将调整到相当于额定频率的转速，并将励磁调节到使其端电压约为被试电机的额定电压，再在辅助发电机未加励磁的情况下，用电动机拖动，将其转速调到相当于辅助频率的转速。增大的励磁电流时，被试电动机的电流随之增大，同时调节及的励磁电流，就可以将被试电机调节到额定电压和额定电流运转，进行温升试验。此时辅助电源的电压相对主电源电压来说是较低的，约为的15% 25% 。测量电机在额定负载下的电机温升：(1) 试验电机在额定电压、额定电流不变条件下进行（试验时的平均电流与额定电流之差不大于额定电流的5%）。(2) 试验过程中，每隔半小时测试（记录）电压、电流、输入功率以及铁心、前后轴承、机壳、冷却进出口的冷却介质和周围冷却介质的温度。当半个小时后铁心温度无变化，即可开始（停电）测量绕组热电阻。记录试验时的平均电流和功率，电压直接记为额定值。(3) 热电阻的测定：当电机切离电源，电机停转后，快速测取绕组热电阻以及对应时间t的10组左右的数据。(4) 作曲线lg=，延长曲线与纵轴相交，其交点即为断电瞬间的电阻值。(5) 电阻外推法计算电机定子绕组温升： (4.3)式中， 试验开始时的绕组电阻（）、环境温度（）；、试验结束时的的绕组电阻（）、环境温度（）；导体电阻温度系数，铜绕组取235，铝绕组取225。(6) 计算额定点的定子绕组温升： (4.4)式中，为试验时的平均电流，为工作特性计算中求得的额定负载点的值。(7) 铁心温度测定：将铂电阻值转换为温度（铁心温度），读入计算机。4.3叠频试验数据处理及副频的选择同一电机使用变频电源的叠频温升试验结果会略高于使用机组电源的温升试验结果9，大约会高出4K。这主要是因为一般变频电源产生的谐波含量会略高于机组试验电源，造成铁耗上的差异使得用变频电源的被试电机铁心温度高于使用机组电源的电机，而绕组温度也将因为热传导而出现一定差异。此现象如果采用有良好的高次谐波过滤能力的变频器的话，将得到大幅改善。而使用叠频温升法的温升结果又将略高于使用直接负载法的温升结果2，大量试验表明：叠频温升结果一般会高于直接负载法2K4K。分析异步电机的损耗构成我们可知两者在铁耗、定子铜耗，杂散损耗上基本相同，但转子转速的波动和空载工况，使用叠频法的电机平均转速将更接近同步转速而略高于其额定转速，所以由摩擦损耗和风扇造成的损耗将略高于直接负载法。而叠频法时，由于转子电流频率为拍频频率，它高于额定负载时的额定转差率s,且转子笼条中集肤效应增大，转子有效电流与直接负载法时一样，所以转子铜耗会大于直接负载法，且主、副电源频率相差越大，转子铜耗差异也越大。正是因为这样，主、副电源的频率不能相差过大，一般副电源频率低于主电源数赫兹在40Hz45Hz区间内选择。综上所述，使用叠频法温升结果将略高于直接负载法。其中，转子铜耗的增加是最为主要的一个影响因素。而使用变频电源的叠频温升试验结果又会略高于使用机组电源的温升试验结果，实际工作中若使用变频电源进行工频电机温升试验的话，可视情况将试验结果向下修正5K8K12。第5章 数据采集系统的研究系统实现虽然国内外文献对采用叠频法进行电机温升试验有所介绍，由于叠频法要随时调节主电源电压，并同时保持副电源频率不变，控制复杂。指针式仪表摆动较大，普通的数字式仪表跳动频繁。 随着电力电子技术、电气控制技术及微机应用技术的迅速发展，为叠频温升试验方法提供了良好的研究和应用平台。高速采样仪表及高速采样数据卡的出现使测量数据的自动采集得以实现。 5.1 试验中电量的测量5.1.1 电压电流的测量电压电流的测量采用霍尔电压电流传感器。霍尔电压电流传感器利用霍尔效应，可实现电压/电流变换和被测电路与控制电路间的电气隔离。它的核心元件是霍尔元件，它是一种对磁场敏感的元件，利用磁场作为介质，可以实现多种物理量，如电压、电流及电功率等的非接触式测量。霍尔元件是由一种具有霍尔效应的半导体材料制成的薄片，是一种磁电转换器件，可把磁场信号转换为电压信号。霍尔效应基本原理是把通有电流的导体放到磁场中，在该导体的两侧面就会产生一个电压，它是由于通电导体的电荷在磁场的作用下发生偏移引起的。霍尔电流传感器是以霍尔效应原理为基础的电流信号变换器。它由带有气隙的环形铁心、霍尔元件、产生控制电流的电源组成。霍尔元件放置在铁心的气隙中，被测导线直接穿过环形铁心。当被测导线中有电流流过时，在铁心中产生垂直于霍尔元件表面的磁场。根据霍尔效应原理，霍尔元件将产生极性霍尔电势。霍尔电压传感器也是以霍尔效应为基础制成的,但由于电压本身不能直接产生磁场，所以先将被测电压变换成电流，以产生霍尔元件所需的磁场。5.1.2 频率和功率的测量电网频率的测量主要有两种方法:一种为测周法，一种为测频法，可以根据实际的需要来选择所用的方法，本实验采用测周法来测频率。其主要原理是：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f=1/T.在智能化电机测试系统中，频率的的测量也是由功率计来完成的，在功率计的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。5.2 试验中非电量的测量5.2.1温升的测量定子绕组的温升数据测量一般采用内置测温元件法，即通过粘附于绕组上的热电偶或热敏元件外接数字式温度计的方法，直接显示绕组温度，为保证实时监测，应选用响应时间较短测温的元件12。温升的测量一般仍用电阻法，即利用电阻随温度升高而相应增大的性质来确定绕组温升。具体方法参考2.1.2。5.2.2 转速的测量测量电机的转速以每分钟转速（r/min）为单位，常采用数字式转速表，光电反射式测速仪、闪光测速仪和离心式转速表等进行测量。其中前三种的测量准确精度高，被广泛采用。而离心式转速表为机械式摩擦测量，准确度不高，测量精度为1.5%FS，被测转速范围为020000r/min，现在已经很少使用。光电反射式测速仪是在电机轴上粘贴一块特特制的反光薄片，当已知频率的光电接收器对准轴上薄片时，电机每转一转，薄片反光一次，接收器受到一个信号。仪器内部安装的自动记录和数字显示装置能及时测量电机的转速。闪光测速仪的闪光频率是可调的，当调到与实际转速相应的频率时，闪光灯所笼罩的旋转着的转子或轴端清晰的好像静止不动，此时闪光测速仪显示出当时电机的转速。测量范围为每分钟几十到几十万转，测量精度可达到0.003%FS，温度变化对其影响也不大。考虑到本试验对精度、温度以及实际的测量设备等因素的要求，并且由于光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点, 故采用光电测速仪进行电机转速的测量。5.2.3 转矩的测量本试验转矩的测量采用测功机来实现。测功机是利用电磁作用测量电机稳态机械转矩的设备，它使用方便，具有较高精度，按结构可分为电动式和涡流式两种。电动测功机通常为直流电机，定子由独立的轴承座支撑，可以自由转动一个角度，并且通过指针和刻度盘读数。电动测功机可作发电机用，也可作电动机用。如果要提高测量精度，则应对测功机中一部分不能在转矩读数上反映出来的测功机风摩损耗进行校正。设测功机的风摩转矩为，当测功机做发电机运行时，则应把加到测功机的转矩读数中去，而当测功机做电动机运行时，应从转矩读数中减去。还应注意使定子、转子轴承保持良好的润滑状态，应采用优质润滑油，不得采用脂类。轴上不应加装任何非必要物品。涡流测功机是利用涡流产生电磁制动力矩来测量机械转矩的装置。它的转子为一涡流盘，相当于短路绕组，它的定子上装有直流励磁的磁极，并可以自由转动一个角度反映在转矩刻度盘上。涡流测功率机只能产生制动转矩，不能作为电动机运行，只适用于测量转速上升（范围不大）而转矩下降的情况，例如测量异步电动的T=f（s）曲线。涡流测功机的误差和注意事项基本同电动测功机。5.2.4 功率因数的测量三相功率因数测量的关键在于无功功率的测量，无功功率的测量有很多种方法，如两瓦法、传统功率因数算法或电流或者电压移相法，考虑到本实验的实际情况，采用两瓦法进行功率因数的测量。两瓦法测量三相电网有功功率三相有功功率最常用最简单的测量方法是两个瓦特计法，简称两瓦法。在对称三相电路中，两瓦法的两个瓦特表的读数之和就是三相电路的有功功率，两个瓦特表的读数之差乘上系数便是三相无功功率。对于不对称系统，三相有功功率仍为两瓦特表的读数之和，但是三相无功功率却不是简单的与两瓦特表读数之差倍关系。5.3 数据采集系统5.3.1 数据采集的意义和任务“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。5.3.2 数据采集技术概述 数据采集技术Data Acquisition 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集存储处理以及控制等作业在智能仪器信号处理以及工业自动控制等领域都存在着数据的测量与控制问题，将外部世界存在的温度压力流量位移以及角度等模拟量Analog Signal 转换为数字信号Digital Signal再收集到计算机并进一步予以显示处理传输与记录，这一过程即称为数据采集相应的系统即为数据采集系统Data Acquisition,简称DAS数据采集技术，已经在雷达通信水声遥感地质勘探振动工程无损检测语声处理智能仪器工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用，图5.1 显示了数据采集技术与外部模拟世界的关系。图5.1 在模拟世界中的数据采集系统随着社会的不断进步，现代科学技术的发展已经在速度分辨率精度接口能力、抗干扰能力以及系统结构方面对数据采集系统的设计提出了越来越高的要求。微电子技术的一系列成就以及微型控制器的广泛应用不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响；而随着技术水平和市场需求的不断提高，8位微控制器已经越来越不能满足开发者的需要了，而且由于技术的进步已经使得32位系统不再高高在上，32位微控制器的价格已经不比8位机高多少，有些系统使用32 位机使其整体成本甚至比用8位机还要低，这样使用32位系统就没有技术和成本的障碍了。可以说微控制芯片的发展和数据采集技术的发展是联系在一起的，并且相互推动。当今很多新技术如光纤超导人工智能等都已经应用到数据采集领域了，并且随着大规模集成电路技术与计算机科学技术的发展，数据采集技术将有更加广阔的发展前途。5.3.3 数据采集系统的原理及构成 数据采集与处理技术是信息科学的一个重要分支。他研究信息数据的采集存储变换加工处理以及控制等作业。数据采集和转换系统将从一个或者多个源得到的模拟信号采集起来并且将这些信号转换成数字形式来被像数字计算机存储器或者通讯网络之类的数字设备所分析或传输。输入到数据采集系统的数据一般是由那些传感器或者转换器得到的。这些设备将现实世界的参数例如气压、温度、压力或者张力流速等等变成等值的电信号，然后这些等值的电信号再由数据采集系统转换成数字信号而被那些终端设备所用，实际中使用的数据采集系统都具有大致相似的典型结构，见图5.2。一般来说一个数据采集系统由如下3 个部分组成。图5.2 数据采集系统典型结构5.3.3.1 数据采集器 数据采集器包括多路开关MUX 、测量放大器IA 、取样保持放大器SHA 、模数转换器ADC 等。通过这部分可以将现场的模拟信号逐个采样再量化成为数字信号，在数据采集工作中往往需要同时使用多个传感器。对从这些传感器来的模拟信号进行模数数模转换时，如果对一个传感器专用一个模拟数字转换器显然将使系统成本大为增加，通常常使用公用的模数转换器或者数模转换器即利用模拟多路开关MUX 轮流切换各被采集的传感器信号。于模数数模转换器的通路常用的模拟多路开关有机械式开关，其主要特点是接通电阻小、不要求使用电源驱动、可配成多种组合结构；缺点是较大的几何尺寸而且也不便于遥控电磁式开关如各种继电器、步进选线器、纵横接线器以及干簧湿簧继电器等。这类电磁式开关便于遥控操作可以承受脉冲高电压的冲击但是开关时间比较长一般在1100ms 左右，MOSFET 开关很适合用于多路模拟开关，而且可以把驱动电路于开关集成在一起，其主要特点是功耗小、速度快、导通电阻随信号电压电源、电压环境温度变化小等。现在很多半导体厂家已经提供了多种自带多路开关的模数转换器ADC，只有在最简单的情况下才可以将传感器来的模拟信号直接连至数据采集系统，这一方面是因为传感器一般均不具有零输出阻抗，也不一定能直接提供公用的输出信号量值；另一方面因为传感器的工作环境往往比较复杂和恶劣，在传感器的输出端经常产生较大的干扰噪声，有时这种噪声以同样的方式影响到传感器的两个输出端，这通常称为共模噪声Common Mode Noise 。虽然运算放大器对直接接到两个差动端的共模信号均有较高的抑止能力，但是由于这种电路的低输出阻抗不平衡的输入阻抗以及放大器共模抑止能力直接与电阻比相匹配等缺陷使其不适合于一些要求较高的数据采集任务。测量放大器IA 又称数据放大器，是一种在不利于精密测量环境下能良好工作的精密的差动增益部件，其有高的输入阻抗，较低的失调电压于温度漂移系数以及稳定的增益与低的输出阻抗一般提供的功能有：（1） 输入缓冲提供高阻抗给传感器信号源当不采用信号滤波时测量放大器直接接受信号（2） 信号放大用户可选外接电阻或软件编程来改变测量放大器增益（3） 共模抑止能力测量放大器采用差动输入方式时可提供很高的共模噪声抑止能力（4） 单端输出采样保持电路又常称为采样保持放大器。SHA 由于模数转换对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，也即在转换时间内只有保持采样点的数值不变才能保证转换的精度，采样保持电路在逻辑输入的控制下跟踪采样并保持输入信号整个电路有两个稳定状态采样与保持两个转换暂态，即由采样转换为保持和由保持转换为采样状态。模数转换器ADC 的任务是将一个未知的连续模拟输入信号转换为数字信号，即n 位的二进制数以进一步用于处理显示记录和传输，这个二进制数代表这个未知输入电压V X 与ADC 的满刻度电压V FS 的比值。ADC 是数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标，ADC 也广泛用于各种数字面板表以及其他数字仪器中，ASC 可以根据他们的精度分辨率以及速度来分类，也可以按其测量方法分类。按测量方法一般可以分为对输入信号某一时刻的瞬时值进行采样测量和取输入信号一定时间间隔的平均值进行测量两种形式。由于大规模集成电路的迅速发展，许多ADC 产品已经实现单片集成化。5.3.3.2 接口电路 接口电路是用来传送数据采集系统运行时所需要的数据状态信息以及控制信号的电路，在选择接口电路的时候要考虑微处理器控制信号的使用、外设接口的构成、寻址方式、输入输出的控制方式、数据传输方式等因素。 数据传送的特点串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，它可以借助现存的电话网进行信息传送，避免了多条线路特性的不一致。因此，特别适合于远距离传送。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。 在Windows环境下，串口是系统资源的一部分。 应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求，通信完成后必须释放资源。 串行数据传送方向在串行通信中，数据通常是在两个站之间进行传送，按照数