（电力电子与电力传动专业论文）潜水电泵综合测试系统的研制.pdf

a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e sa n d r e g u l a rt e s t i n g r e q u i r e m e n t so ft h e s u b m e r s i b l em o t o rp u m p s ，t h i st h e s i s p r e s e n t s a n d d e s i g n s ac o m p l e x t e s t i n gs y s t e mw h i c h i s s u i t a b l ef o rt h et e s t i n go ft h es u b m e r s i b l em o t o rp u m p si n t h ew o r k i n gs i t e t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em e t h o d so ft h ed a t a c o l l e c t i n g ， c o m p u t i n g a n d p r o c e s s i n gf o rt h et e s t i n go f t h es u b m e r s i b l e m o t o rp u m pi nd e t a i l ，a n de m p h a s i z e st h ed a t ae x c h a n g i n g m o d ea n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t w e e nd i f f e r e n t s y s t e m s f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t saw a y f o rt h er e c o r d i n g a n d t r a n s f e r s t o r a g eo f t h et e s t i n gd a t a i nt h e s y s t e m s h a r d w a r e d e s i g n i n g ，8 0 c 19 6 k ci s a d o p t e d a s p r i m a r y c p ui nt h e s y s t e m ，a n d d a t a t r a n s m i s s i o na n dc o m m u n i c a t i o na l ew o r k e dt h r o u g ht h e r s 一2 3 2 cs e r i e sc o m m u n i c a t i o np o r t s t h ep c ss o f t w a r e ， w h i c hs u p e r v i s e st h e s u b s y s t e m sa n dp r o c e s s e s t h ed a t a c o l l e c t e d ，i sp r o g r a m m e d i n o b j e c t o r i e n t e dm e t h o df o r w i n d o w s ，h a sw e l lf u n c t i o n e dd a t a b a s ea n dv e r yf r i e n d l y i n t e r f a c e st oo p e r a t o r f o rt h i s s y s t e m ，t h e a n t i i n t e r f e r e n c ea n dr e l i a b i l i t y h a v eb e e nt e s t e da n d b a s i c a l l y a c h i e v e dt h e d e s i g n i n g d e m a n da n d p r a c t i c a ln e e d s k e y w o r d s ：s u b m e r s i b l em o t o r p u m pt e s t i n g d a t ac o m p u t i n gc o m m u n i c a t i o n ! ! 查錾望叁堂堡主堂建鎏茎 签二塑萱壹 第一章前言 一概述 潜水电泵是将电动机和水泵童接联在一起，同时潜入水 中，形成一种操作简便，结构紧凑的独特泵类。由于其优点很 多，在透2 0 年来发展很快，在我豳已广泛应用予嗣民经济各部 f 1 。强翦我国生产备类潜水电泵的生产厂家达2 0 0 余家，每年 的产量超过1 0 0 万台。因此，生产符合旗蠢要求的潜水电泵， 已成为促进我国工农业，土产节约能源和防止环境污染鲍重要因 素之一。 由于潜水电泵的电动机是和水泵鲞接联在起潜入水下 工作，因此电泵的试验无论在测试、项霞、方法、内容、设螯 和仪器上鄙与一般的电动机测试不同，具有一系列的特殊要 求。 潜东电泵在躅厂时都已通过了墅式试验或出厂检查试验， 值在涛水电泵销售至用户并运行段时闽后，需要对水泵进彳亍 定期巡检，检查水泵的流量、扬程和水泵的效率以及电梳的性 能等。鉴于潜水电泵测试的特殊瞧，如采用潢水电泵生产厂家 的专用检测设备对在王地现场使用的潜水电泵进行检测，一方 舀出于这些测试设备都比较庞大、笨重，另一方面也搬不经济。 为此我们专门研锏了一种可用于潜水电泵的疆式试验和运 行捡查试验黝灌承患泵综合测试系统。该系统是以单片微处理 机为核心，对水泵试验过程自动采样和计算处避试验数据的开 环试验系统。 二潜水电泵综合测试系统的工作方式： 港水电泵综合铡试系统有两静工作方式，一种是奁有上位 p c 桃情况下的联枫工作方式，种是在没有上位p c 机情况 下的便携杌式二 作方式，两种工作方式的框图分别如图l 1 ，l - 2 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 页 ! ! 塑銮望叁堂堡堂堡笙苎 苎二兰塑童 所示。 图1 1联机工作方式 图1 2 便携机式工作方式 在联机工作方式下，测试系统从参数测试仪采试验数据， 经过计算后，将试验结果传给p c 机，由p c 机显示、存储、 打印试验结果。 本测试仪的另一个主要目的是用于对在现场工地的水泵进 行定期巡检和测试，即在没有上位p c 机的情况下，作为一个 便携式仪器独立地对潜水电泵进行测试、计算、显示、存储、 打印试验结果。这种方式是本测试系统的主要工作方式。 三钡4 试系统的技术性能： ( _ ) 测试系统的技术特点 本测试系统在硬件设计上，c p u 采用了i n t e l 公司1 6 位 单片机家族中的新成员8 0 c 1 9 6 k c ，该芯片具有更快的运算速度 和更强的功能，其它外围芯片也都选取可靠性高、集成度大的 芯片来完成系统功能，减少故障的发生点。比如采用m a x 6 9 1 、 m a x 7 2 1 9 、i c l 2 3 2 等新型大规模集成芯片。减小了系统控制电 路的体积，增大了系统的集成度，提高了系统的可靠性。 系统在软件设计上，采用了多重抗干扰措施，计算上采用 潜水电泵综合测试系统的研制 第2 页 ! ! 至塞丝叁堂堡主堂壁垒茎 釜：皇篓室 浮点数t 上位机的应用软件采甩了广泛使用的v 转秘a c c e s s 凑 级语言编成，试验数据在测试仪的显示板和上位机上都可以屈 不e 由于采用了国内外先进的检测、控制技术，并在系统设计 中对系统使焉可靠往给予了充分的考虑，使率系统成为功能齐 全、适用藏围广、性能稳定、工 乍可靠、精度离、使熙维修方 便的潜水电泵综合测试系统。 o 溅试系绫静蠼辘撂标： 1 适用泵型： 疰要逶霜予采菊激铡葫法豹潜永魄泵( 食潜永电动钒) ，长轴 深井泵及离心泵，混流紧轴流泵旋涡泵等种裂型。 2 试骏项目： f 】) 各类水泵的型式试验，包挺： 水泵的性能试验、电动机的空载、负载、温升试验等。 f 2 ) + 各农泵酌出厂检查试验，毽括： 水泵电机的机组性能试验 潜水电动机的出厂检查试验 3 。主娶功熊： ( 1 ) 能对各类水泵及潜水电机试验中的各种参数进行自动采集 诗笺势以审文形式按援定格式努露摄袁。 ( 2 ) 根据各试验项目的蒙求，能进行曲线的拟合、平滑、外推、 内箍井绘翻电动机和承泵静各种试验魏线。 ( 3 ) 机组性能试验时能通过对输入功率的测定立即求得水泵效 率和电动机效率，按试验和产品技术标准要求对产品性能合格 与否避行判定。 ( 4 ) 本综合测试仪除了可将采集到的数据计算，打印以外，还可以 通过r s 一2 3 2 c 串行目将计算结果发送楚主像梳p c ，并在p c 上 显示。存储及打印。 4 系统的测量范黼及精度： t ) 。系绞可测参数及范曝： 潜水电泵综合测试系统的研制 第3 页 ! ! 銮至些厶堂雯：兰堂堡竣苎蔓二童整童 被溺参传感器、仪寝数量精度量程 数魄名称及型号 流量ql w 一8 0 涡轮 l0 5 1 6 1 0 0 渡量变送器( 掰3 h ) l w 1 0 0 涡轮 10 5 2 5 1 6 0 浚量变送器 10 5 ( m 3 ，船) l w 一1 5 0 涡轮 5 0 一3 0 0 流量变送器 ( m 3 h ) 扬程娃n v l 0 0 扩敬疆 lo 20 r 2 m p a 压力变送器 三提功 p c e 一l0 2 5o 5 0 0 v 擞p 1 2 0 p 3 e 2 c 5 x f 53o 2 0 5 a o w o z o a 2 三 3 0 0 2 0 1 5 相功率变送器 + 精密电流甄 感器 三相电 c e c l o 2 5o 5 a 漩1 1 3 0 b c 5 e 2 x f 5 030 2 3 0 0 2 0 5 z o a 2 三相交 溅电流变送嚣 十精密电流甄 感嚣 三相电 v c c lo 2 50 5 0 0v 纛v 3 0 b p 3 e 2 x f 5 0 z 1 a 2 三相交 浚毫压变送器 直流电z n r t a 数字 1o 1o 2 0 q 隈r式电阻滠度彼 o 。 o 5 0 。c 瀑度t 型之里翌皇叁鲎! ! 翌生堡塞 笙二童塑宣 ( 2 ) 系统的测试精度：2 型式试验：1 5 检查试验( 出厂试验) ：2 潜水电泵综合测试系统的研制第5 页 ! ! 互銮堕! ：堡堂生堡奎 墨三雯塑查生至盟堕鉴堕堡墨出查 第二章潜水电泵的试验原理及内容 潜水电泵的电动机和整个机组潜于水下工作，给电泵的试 验无论在测试项目方法内容设备和仪器上，都带来一系列的特 殊要求，潜水电泵的试验要求按g b t 1 2 7 8 5 9 1 潜水电泵试 验方法的规定执行 潜水电泵的试验分为检查试验( 出厂试验) 和型式试验两 种。 检查试验是生产企业对所生产的产品进行常规的一般检 查，经检查试验合格的产品才可以出厂。一般包括给定的标准 性能点的机组试验( 测定流量、扬程、电机输入功率、转速等 参数) ；电动机在额定电压点时的空载特性、负载特性和水泵的 性能试验。 型式试验的目的在于详细、全面检查试验样机的各项性能 指标是否达到了规定值的要求，并将测试结果提供给检查部门 参考。通常，型式试验是在有下列情况之一时才进行，即新产 品试制、定型产品转厂生产；批量生产的产品定期抽查；定型 产品在结构、材料、工艺等方面的改变影响到产品的性能：产 品长期停产后再次恢复生产：检查试验不和格；有关产品质量 监督检查机构进行质量抽查。 第一节潜水电泵的型式试验 一型式试验的项目，测量参数，潜水电泵的性能指标 及其相互关系 1 型式试验的项目潜水电泵型式试验一般包括下列各项： ( 1 ) 电动机的绝缘电阻的测定 ( 2 ) 电动机的冷热态直流电阻的测定 ( 3 ) 电动机的空载试验 ( 4 ) 电动机的负载试验 潜水电泵综合测试系统的研制 第6 页 些方交通人学硕十学位论文第二章满水电泵的试验原理及内容 ( 5 ) 电动机的温升试验 ( 6 ) 电动机堵转试验 ( 7 ) 电动机的躁声及振动的测定( 必要时进行1 ( 8 ) 水泵的性能试验 ( 9 ) 轴向力的测定( 必要时进行) 由于潜水电泵的电动机堵转试验、躁声及振动的测定以 及轴向力的测定，一般只在新产品或必要时进行，所以虽然本 测试系统在设计上也可以进行这些试验，但在本文中主要介绍 除这几项试验以外的其它各项试验。 2 型式试验的测量参数上述各项试验中测量的各种参数 有：电动机的线电流，。，线电压v ；电动机的输入功率日；绕组的 冷、热态直流电阻r 、绝缘电阻r ，、电网工频_ ，；、水泵的流量 q 、水泵的扬程h 、水泵的转速n ( 或电动机的转差s ，) 等值。 3 潜水电泵的性能指标通过型式试验可以实测得到潜水电 泵如下的性能指标：潜水电泵规定转速下的流量、扬程、水泵 效率、潜水电机的额定输出时的电动机效率、功率因数、电流、 温升、最大转矩等。 二试验的电源及水源条件 ( 一) 试验的电源及水源要求 目前国内常用的潜水电泵要求的电源频率为5 0 h z ，电压等 级一般有2 2 0 v ( 单相) 、3 8 0 v ( 三相) 及6 6 0 v ( 三相) ；因此对试验 电源的要求应满足三相异步电动机试验方法g b l 0 3 2 8 5 中的规定，既：电源的电源波形正弦性畸变应不超过5 ；_ - - - 相电 压对称系统应符合电压的负序分量和零序分量均不超过难序分 量的1 ；试验电源的频率与额定频率之差应在额定频率的1 范围内。 对水源的要求应符合离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡 泵试验方法g b 3 2 1 6 8 9 中对水质条件的要求。 潜水电泵综合测试系统的研制 第7 页 蔓堕! ! 堕丛堂堡堂笪笙塞 笙三皇塑查坐垂塑鎏丝星堡垦凼查 测试系统、设备及仪表 1 测试系统 任何一种试验潜水电泵的测试系统均应包括下述 三个基本部分：( 如图2 1 所示1 图2 1试验系统示意图 1 被试电泵2 放气旋塞3 一压力测量仪表4 输水管 5 一流量测量仪表6 一流量调节阀7 水池 ( 1 ) 水循环系统：主要用于形成稳定的液流，以达到提供试验水 泵各种工况参数的要求。 ( 2 ) 电气控制系统：该系统用于向被测试的潜水电动机提供符 合要求的电源，应满足试验项目和电动机容量试验过程中的不 同要求。 ( 3 ) 参数测量系统：该系统由各类仪器仪表组成，用于电泵试验 中的各种参数的测量。这些仪表大致可分为电工仪表、热工仪 表、各种传感器和电子仪表。所用的仪器仪表的精度等级应符 合g b t 1 2 7 8 5 9 1 的要求。各主要参数测量的系统误差均应 达到表2 一l 的要求。 潜水电泵综合测试系统的研制第8 页 北方交通人学硕士学位论文第二章潜水电泵的试验原理及i q 容 测定值 允许范围( ) b 级c 级 流量1 52 5 扬程、轴功率1 o 2 5 i 电动机输入功率 1 02 0 l转速0 21 0 表2 一l测定量的允许系统误差 2 测试设备及仪表 ( 1 ) 电动机输入功率的测量：潜水电泵试验时需要测量电动机 输入端的电压、电流和输入功率。三相输入功率采用两瓦特 表法测量。 ( 2 ) 流量测量仪表：流量测量采用最常用的涡轮流量变送器，该 变送器输出的矩形脉冲方波的频率与水泵叶轮的转速成正 比。因此电脉冲频率与通过变送器的流量之间的关系可以表 示为 q = f f q 一通过流量计的体积流量( l s ) ； 卜输出脉冲信号的频率( i - i z ) ，试验时实测； f 仪表常数，即频率一流量转换系数( 次l ) 。在变送器规定的 流量使用范围内，该系数为一常数，由计量单位或流量计生产工 厂标定求得。 ( 3 ) 。水泵出1 ：1 压力检测仪表：采用精密弹簧管压力表或精密压力 变送器，精度等级符合g b t 1 2 7 8 5 9 1 的规定。 ( 4 ) 转差、转速测量仪表：潜水电泵由于完全潜于水下工作，而且 电动机轴与水泵轴联为一体，有的潜水电泵的转轴甚至完全不 裸露，因此普通测量转速的仪表都不能在这种特殊条件下使 用。目前常用的方法是用感应线圈法测定异步电动机的转差而 间接测得水泵的转速。 j ! 岁交通人学硕十学位论文第二章滞水电泵的试验原理及内容 第二节 潜水电泵的试验方法及步骤 一试验前的准备 试验前应进行潜水电泵的各种检查及准 备，待确认无误和服从要求后才能开始试验。 二试验方法及步骤 试验时潜水电泵潜入水中，其最小淹没深度要求在水泵运 转时因足以防止水泵产生气蚀。完整的潜水电泵检查试验应按 以下步骤进行： 1 电动机绝缘电阻的测定：用兆欧表测量所有绕组对机壳的冷 态绝缘电阻，测量后将绕组对地放电。 对额定电压在5 0 0 v 以下的电动机用5 0 0 v 的兆欧表，额 定电压在5 0 0 v 及以上的电动机用1 0 0 0 v 兆欧表。 2 电动机定子绕组冷态直流电阻的测定在进行该项测定时， 应注意电动机一定要潜入水中足够长的时间，待电动机内部的 温度与周围的温度致时再测量。 测量时，电动机的转子静止不动，定子绕组的电阻应在电 动机的出线端测量。由于潜水电动机都是笼型异步电动机，因 此只测定定予绕组的冷态直流电阻。 每一电阻测量三次，每次读数与三次读数之差应在平均值 的范围内，取其平均值作为电阻的平均值。在引出端测得的电 阻值是线间电阻，各相电阻值应按下式计算： 设 r = 墨吐墨虹墨些 ”埘 2 星形接法时 r 。= r ，“一只打 r 6 = r ，叫一r 憎r ，= 尺，耐一月。6 三角形接法时 r 口2 r r m b d f _ 。一r 月e a + r 一r d 北方交通人学硕士学俺论文 第二章潜水电泵的试验原理及内容 r 。= j 粤+ r b 一只，。 m 耐一 打 尺。= 訾+ 尺。一r 。d 几_ 耐一n m 式中，r r k ，r 。一分别为引出电缆端a 与b 、b 与c 、 c 与a 间测得的电阻值。 3 电动机的空载试验电动机的空载试验是为了测定电动机的 空载特性而经行的一项试验，通过该试验求出外加电压与空载 电流、电动机内部固定损耗以及输入功率之间的关系。通过对 试验数据的处理得到电动机的铁损耗和机械损耗。 空载试验的方法与步骤： ( 1 ) 电动机不带负荷放入水中。在额定电压额定频率下运行 o 5 1 小时后可开始试验。 ( 2 ) 试验时施于定子绕组上的电压应从1 1 1 3 倍额定电压开 始，逐步降低到可能达到的最底电压值，即电流回升为止。其 间测取7 1 1 点读数。每点应取下列数值：电压、电流( 对三 相电动机应取三相电压、电流) 、输入功率。功率的测量应采 用低功率因素功率表。 ( 3 ) 试验结束停机后，应立即在引出端测量定子绕组的直流电 阻。 4 电动机的温升试验温升试验是为了测定电动机在正常运 转条件下，在额定负荷下是否超过了允许的温升。潜水电动机 采用电阻法测温，它利用导体直流电阻与温度成正比的变化关 系进行测量。通过电动机停机后测得定子绕组的直流电阻随时 间的变化曲线，从而求出在断电瞬间的绕组直流电阻值，然后 计算出该电阻值下电动机的实际温度，该温度与初始冷态时的 温度( 即水温) 之差，即为电动机的温升。 5 电动机的负载试验和水泵的性能试验 电动机的负载试验 是为了求得电动机的工作特性曲线( 或称负载特性) ，即带负 荷在额定电压和额定频率下，电动机的输入功率、定子电流、 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 l 页 堡堕! ! 堕丛堂堕堂壁笙塞 箜三童堂坐坐垂塑堕些璺堡墨凼查 效率、功率因素、转差率随输出( 电动机负荷) 变化的关系曲 线。 水泵的性能试验是为了求得水泵性能曲线即水泵的扬程、 轴功率和效率与水泵流量之间的关系曲线。在潜水电泵中，水 泵的轴功率即为电动机的输出功率，水泵为电动机的负荷，因 此在实际试验中，可将该两相试验在一次试验中完成。方法是： 将潜水电泵放于水中，在额定电压和额定流量下运转l 2 小时 使潜水电泵达到稳定状态试验应从功率最小点开始。对离心 泵一般从零流量丌始，逐步增大至大流量点流量的1 15 以 上，对混流泵、轴流泵或旋涡泵，应从阀门全开状念开始，逐 步减少至小流量点流量的8 5 以下。其问至少应取1 3 个不同 流量点，测点应均匀分布在整个性能曲线上。测量时各工况点 应有一定的时间间隔，以保证在工况稳定状态测量。工况是否 稳定按表2 2 的要求进行判定。 表2 2 测量参数最大允许波动范围 最大允许波动范围( ) 测定量 b 级c 级 流量 扬程 转矩 36 功率 转速12 每个工况点应在额定电压下同时测量下列性能参数：电 流、输入功率、电源频率、转差、水泵出口压力、水面至压力 表中心的垂直高度、流量等。 潜水电泵综合测试系统的研制第1 2 页 ! ! 塑銮望叁堂硕学傅论文第二章 许水电泵的试验原理及内容 第三节潜水电泵试验结果的整理及评价 一试验结果的计算和曲线绘制处理 所有试验项目的原始数据应分别填入相应的数据表中，逐 点进行计算，根据计算的结果绘制出相应的特性益线。 空载试验的结果整理 ( 1 ) 空载损耗的计算 三相电动机定子绕组，2 j r 损耗昂。按下式计算： r 。1 = 3 ，0 2 r l o 式中 r 。一空载试验时定子绕组的损耗( w ) ； ，n 一定子相电流( a ) ； r 。一空载试。验后定子绕组的相电阻( q ) ； 也可以使用测得的线电流( 平均值) 和线间电阻按下式计 算： e o 。l = 1 5 ，o l 2 r o l 式中l o l 一实测的输入定子的线电流平均值( a ) ； r 。一空载试验后测得的电动机引出电缆两线间的电阻 值( q ) ( 2 ) 单相电动机定子、转子绕组的1 2 r 损耗按下式计算： p o = i o z ( r o + o 5 r 2 0 ) 式中p o 。一定子主绕组和转子绕组的，2 r 损耗( w ) ； l 一空载试验时定子主绕组电流( a ) ： 尺：。一试验求得的转子绕组等值电阻( q ) ( 3 ) 铁损耗氏和机械损耗之和只。按下式计算 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 3 页 北方交通入学硕士学位论文第二章潜水电泵的试验原理及内窬 器= 只一只。； 式中只一铁损耗和机械损耗之和 只一空载试验时咆动机输入功率( w ) 。对三捆电动机， 该值为两功率表读数的代数和与仪表倍率之乘积。 2 。空载特性睡线的绘制 以实测的空载外掩电压与电动机额定电压之比( ) 、 ( ) 2 为横坐标，以菇、厶( 或) 、r 为纵坐标绘制空载特 r 性曲线只= ，( 净、只= ， ( 毒) 2 、耻，( 净，延长曲线 瑞= ， ( ) 2 的赢线部分与纵坐标轴交予p 点，p 点的纵坐 标即为电动祝的机械损耗。( 如圈2 - 2 所示) 圈2 - 2 空载特性曲线 滠升试验的结果整理 1 绘制澡舞鳆线r ；，( f ) 采用半对数坐标绘出电阻r 随时间t 变化的曲线。电阻标在对数纵坐标轴上，曲线岁 延与坐标轴辐 北方交通人学硕十学位论文第二章滞水电泵的试验原理及内容 交，其交点即为断电瞬间电阻值尺，。电动机在断电后1 5s 内测 得的第一点数值，则以该值作为r ，不必再绘制曲线。 2 计算试验时绕组温升 伽学( x o + a o ) + 岛一只 式中，目一试验时定子绕组的温升( k ) r ，一试验结束时的绕组电阻( q ) r 。一试验开始时绕组的冷态电阻( q ) k 。一常数，对铜绕组k = 2 3 5 ； 酲一试验开始时绕组的温度( 即为开始试验时电泵 周围的水温) ( ) ； 矽一试验结束时电泵周围( o 5 m 以内) 的水温( ) ； 3 额定功率时绕组温升靠的计算： 当量二生1 0 时 靠= 晶亭) 2 +。+ 坐 k + 汐+ 留 式中巩一额定功率时定子绕组的稳升( k ) ： ，。一满载电流，即额定功率时的电流，从电动机工作 特性曲线上查得( a ) ； ，一温升试验时的电流，取在整个试验过程内按相等时 间间隔测得的几个电流的平均值( a ) ； 矽一对应于时的定子绕组实测温升( k ) 。 稳升试验曲线如图2 3 所示。 坐! i ：! 型叁堂堕堂生堡塞 星兰兰塑查生垂竺堕些堕望墨凼查 图2 - 3 温升试验曲线 电动机负载特性计算 潜水电动机的负载试验是采用额定电压的损耗分析法，即 通过在额定电压下电动机的输入功率和各项损耗的测定、计算 与分析，得出电动机的输出功率，进而求出电动机的效率和工 作特性曲线。 1 三相潜水电动机特性计算 ( 1 ) 机械损耗和额定电压时的铁损耗心由空载试验求得 ( 2 ) 定子绕组，2 r 损耗气。按下式计算 气l = 3 1 1 z 蜀w 咏若鲁 式中，一定子电流( a ) ； r ，。一折算到基准工作温度时定子绕组的相电阻( q ) 尺一实际冷态时三相绕组电阻的平均值( q ) ； 一基准工作温度。可由表查得。 ( 3 ) 转差率按下式计算 汾即毒鼍 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 6 页 些方；堂人学硕十学位论文第二二章潜水电泵的试验原理及内容 式中 折算至基准工作温度时电动机的转差率( ) s 一实测转差率( ) 。 采用感应线圈法时，实测转差率e 按下式计算 s ：旦x1 0 0 f ： 式中n 一检流计光点摆动次数( 次) ； t 一摆动n 次需要的时间( s ) ； ：一电源频率实测值( h z ) ； ( 4 ) 转子绕组的，2 胄损耗按下式计算 巴：= t 一( 只一吃。一只。) ( 5 ) 输出功率按下式计算 最= 只一p = 只一( 只，+ p c 。l + 兄2 + 只) 式中只一电动机输入功率( w ) ，由功率表读出。 只一潜水电动机的杂散损耗( w ) 。当实测杂散损耗的试 验条件不具备时杂散损耗可按下列经验数取值小 型潜水电泵只= 2 5 只；井用潜水电动机穿铜条转 子：只= 1 2 p 2 ；铸铝转予：滑动轴承结构：只= 2 最； 滚动轴承结构：只= 2 5 只。 ( 6 ) 电动机效率巩按下式计算 2 詈。1 0 0 ( 7 ) 功率因数c o s按下式计算 c o s 妒2 志 式中u ，一线电压( v ) ； ，一线电流( a ) ； 2 单相潜水电动机特性计算 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 7 页 些互i 兰! 堕丛堂堡主堂堡笙苎 星三童鲞查生泵的注掉原理及内容 ( 1 ) 机械损耗和额定电压时的铁损耗如由空载试验采得 ( 2 ) 定子绕组的1 2 r 损耗按下式计算 分相启动和电容启动的电动机： 只。1 = 1 1 2 r 。w 咄。镨 式中 吃。一定予绕组的1 2 r 损耗 ，定子绕组 如呵一折算到基准t 作温度时定子主绕组的电阻( q ) 吃。一实际冷态时定子主绕组的电阻( q ) ： 电容运转和电容启动并运转的电动机： 吃l = ，。2 r ，一+ l 2 ( r 一+ r c ) 硼若鲁 r m r 矿= ”若鲁 硼一若鲁 r ，：乓 。+ 式中 ，用主绕组电流( a ) ； l 副绕组电流( a ) ； r 。一折算到基准t 作温度时副绕组的电阻( q ) 尺。一实际冷态时定子副绕组的电阻( q ) ； r ，一电容器等效电阻( q ) ； ( 3 ) 转差率的计算同三相电动机 “) 转子绕组的，2 r 损耗气：按下式计算 潜水电泵综合测试系统的研制第1 8 页 ! ! 互! 塑查堂堡堂垡笙奎 整三兰堂生生垂盟堕竺堕望垄塑查 分相启动和电容启动的电动机： p c 。2 = s r e l - ( 只峨吲+ 1 1 2 r 2 ( 揣蔷) 电容运转和电容启动并运转的单相电动机： 吃：= ( 只一吃。名) + k 2 + ( 七i a ) 2 2 k i o l s i n 妒j 幔c 毒蔷2 ， 。 、x ，+ 8 + 8 ，一s 口：眦。芷二坠：生1 2 i 。i 。 式中 妒电容运转电动机主副绕组间的相角差( 。) ； 吃：一转子绕组的1 2 r 损耗( w ) ； ，。一定子绕组总电流( a ) ； 一负载试验时转子绕组等值电阻( q ) 。2 惫r ：。 ( 以为负载试验后测得的定子主绕组的电g t ) ； k 一电动机主副绕组有效匝比 ( 5 ) 输出功率昱按下式计算 最= 只一p = 只一( 名+ 矗+ 吃，+ 兄2 + 只) ( 6 ) 电动机效率按下式计算： = 詈。1 0 0 ( 7 ) 功率因数c o s 按下式计算： c o s 伊= 击 3 。电动机工作特性曲线的绘制根据上面计算的结果，可以绘 制出电动机工作特性曲线巩= ( 最) ，c o s = 厂( 只) ， ，= 厂( 只) ，= ，( b ) ，只= 厂( 只) 。工作特性曲线如图2 - 4 所示。 潜水电泵综合测试系统的研制 第1 9 页 曼堕望塑塑苎望塑兰望堡堕 笙三童塑垒枭垂墼遮鳖鍪銎墨盘蠢 强2 - 4 魄动规芝终特性魏线 。水泵性能计算 ( i ) 流量： 采用涡轮流量计测量对按下式计算，其他滴量方 法参考g b t 3 2 1 4 9 l 水裂流量的测定方法。 o ：1 0 3 一皇 式中 q 。一流量，m 3 s ： 厂一涡轮流量变送器信号频率( 次s ) ； f 一漏轮浚量变送器仪表常数( 次l ) ( 2 ) 扬程：扬程按下式计算； t ：垒型+ z 。+ 堡 尸g ” 2 9 = l o z g + 磊+ c o 窖。1 0 。 式孛 表尽力，脚只； p 水的密度( 培m3 ) ； g 自由落体糯速庭，g = 9 。8 l l 时，可认为水泵 达到了规定流量和扬程的要求。 2 水泵效率的评价 水泵效率应按照规定性能点s 和坐标原点所连接的直线与 y = “q ) 曲线的交点p ( 图2 - 6 ) 所对应的效率值进行判定，p 点效 潜水电泵综合测试系统的研制 第2 3 页 北方交通人学硕十学何论文第二章渐水电泵的试验原理及内容 率为r p ，规定效率点a 的效率为。 当水泵效率应达到下列要求是可认为达到规定值 对b 级精度：r p 0 9 7 2 r l p ； 对c 级精度：1 7 。0 9 5 0 r l p h ( 1 1 1 盯p l ，s h 呀t 叮 图2 - 6 水泵性能判定图 北方交通火学硕士学位论文第三章测试系统的硬件设计与实现 第三章测试系统的硬件设计与实现 第一节系统的组成 一系统的功能 由于项目的技术要求是设计一种可用于对现场设备参数进 行检测的监测系统，所以要求本系统具有完整的对设备参数进 行检测、计算、显示、打印、评价等功能，故本系统的硬件组 成如下：本系统采用的是以m c s 一1 9 6 k c 微处理器为核心的 测控装置，系统所需的测量数据由一个专用的测量装置进行测 量，然后通过串行口发送给系统，系统对发送来的数据进行计 算、显示，并可打印出计算、评价结果。同时，系统也可以通 过自身的串行口将计算结果传给上位机，由上位机显示、打印 出计算、评价结果。 二系统的组成框图 以8 0 c 1 9 6 k c 微处理器为核心的测控装置是整个测试系统 的核心部分，担任着系统测量、控制、记录、通信等多项任务， 整个系统的核心技术在它的设计中都有重要的体现。它的组成 框图如图3 1 所示。 三m c s - - 1 9 6 k c 结构 i n t e l 公司9 0 年代推出的8 x c l 9 6 系列单片机是1 6 位单 片机8 0 9 6 b h 和8 0 9 8 的升级产品。这类芯片由于采用了c h m o s 工艺，因而具有更高的运算速度( 若外接的晶振为1 2 m h z ，则 每条指令的平均执行时间仅0 5 1 5 us 。8 0 c 1 9 6 k c 的操作采 用了寄存器一寄存器结构，片内的寄存器均可作为累加器使 用，因此消除了m c s 一5 1 系列单片机中信息流通时由硬件造成 的“瓶颈”现象，使程序运行效率大大提高，编程也更加方便， 从而使系统有更快的运算速度。新增加的p w m ( 脉宽调制) 输 潜水电泵综台测试系统的研制 第2 5 页 北方交通人学硕士学位论文第三章测试系统的硬件设计与实现 _ _ _ 参 数陋习 t 地址译码 测 f 船吨z 接口卜 主控c p u 程序存 8 0 c 1 9 6 k c 储器 试 一异步草行遁信口卜 数据存 仪 储器 串行e e p r o mi r 扩展串口 l c l r嚅孙 8 2 5 1“2 3 2 。 l - h l j、， 系坑 电源 r 忑：盈 上电复位、电源监 l 苎苎竺苎r 一视及看门狗电路 图3 - 1 系统框图 出口和外设事务服务器增强了控制功能并大大降低了中断开 销。同时8 0 c 1 9 6 k c 有两个不可擦除的可编程u p r o m ( u n e r a s a b l e p r o m ) ，增强了加密手段。 第二节系统的硬件设计与实现 一系统硬件各部分的组成与作用 根据系统的具体要求，整个系统的硬件设计紧紧围绕着“实 用、可靠”的设计原则，对于数据测量、数据通信到数据显示、 记录、转储等多方面的系统功能，以至整个系统的抗干扰能力、 抗振动能力、运行可靠性、使用的友好性等系统的品质特性， 进行了综合的考虑。采取了多方面的具体措施。效果良好，达 到了预期的设计目的。 北方交通人学硕士学位论文 第三章测试系统的硬件设_ tj - j 实现 由系统框图3 一l 可知，潜水电泵综合检测系统的硬件系统 主要包括以下几大部分： ( 1 ) c p u 一8 0 c 1 9 6 k c ：是系统的核心控制部分，它负责发出所有 的测量和控制指令，通信过程也是由它来协调，是整个系统的 “心脏”。 ( 2 ) 输入电路：这一部分电路主要包括串行口信号及系统必要 的控制按键的输入，是系统的前向通路，系统所有的测量源及人 为控制命令都是由这部分电路提供的。 ( 3 ) 基本小系统：是整个单片机系统的基本组成部分，主要包括 晶振电路、复位电路、电源监视电路、看门狗电路、地址译码 电路、程序存储器、数据存储器、电源、系统实时时钟及掉电 r a m 电路。是系统正常运行的基本保证。也是系统的核心电路。 ( 4 ) r s 一2 3 2 接口：本系统的标准2 3 2 接口是由可编程通讯接口 电路i n t e l - 8 2 5 1 a 将总线上并行数据变为标准异步串行数据， 然后经电平变换电路i c l 2 3 2 将t t l 电平变为r s 一2 3 2 电平，最 后按标准2 3 2 连接输出到其按口上。 ( 5 ) 显示板接口：本系统的显示功能是通过串行方式的r s 一4 2 2 电平接口来实现的，所以必须先经过t t l 一4 2 2 的电平变换后再 输出到显示板接口上去，系统中电平的转换是通过s n 7 5 1 7 4 和 s n 7 5 17 5 来实现的。 由图3 1 的组成结构及连接方法决定系统可以完成如下 功能： ( 1 ) 数据接收功能 接收从测试仪装置输入的试验数据，如：扬程、流量、电 压、电流、频率等试验、测试数据和系统的各种控制指令。 ( 2 ) 数据显示功能 通过显示板接口，在显示板显示所有的测量数据，计算及 试验结果。 ( 3 ) 检测系统与参数测量仪和上位机之间的通信功能 检测系统与参数测量仪和上位机之间以标准r s 一2 3 2 接口 潜水电泵综合测试系统的研制 第2 7 页 ! ! 查奎堂丛堂堡堂俯论文第三章测试系统的埂 ，j ：设计与实现 相联接，以串行异步方式进行通信，能够在线实时地交换测量数 据和设定参数。 ( 4 ) 数据记录功能 检测系统运行过程中自动记录潜水电泵试验中的数据，并 将计算、记录的数据存在r a m 和串行e e p r o mc m 9 3 c s 6 6 中，以 供打印和上位机读取。 二硬件各部分功能的具体实现 1 最小系统： 系统的最小系统是整个单片机系统的基本组成部分，是系 统正常运行的基本保证。也是系统的最核心的电路。 ( 1 ) 晶振电路采用8 m 卧式晶振系统中之所以采用卧式晶振， 主要是从系统抗干扰的角度出发。普通晶振利用c p u 内部电路 产生时钟，在强干扰的条件下如 果干扰到8 0 c 1 9 6 内部的晶振控 制位，则系统时钟电路停止振荡， 采用卧式晶振则可以避免上述情 况的发生。电路图如图3 2 所 示。图3 - 2 系统晶振电路图 ( 2 ) 复位、电源监控及看门狗电路 系统中的复位、电源监控及看门狗电路由m a x 6 9 1 a 实现 具体电路如下： m a ) ( 6 9 1 a b 蕾r e s h 2 v b u tr 器l 1 5r 0 t l a n b v c c i 3 v c cw d 0旦 i o k q g n d4 d n d c e 1 3 b 蕾o n c e o 1 21 3 8 4 1 u h l o c e o 6 l o l iw d i 1 lp 2 5 g n d7 o l p f o 1 0 8 9 o s p f i 图3 3 系统复位、电源监控及看门狗电路 潜水电泵综合测试系统的研制 第2 8 页 ! ! 互至塑叁警堡主堂笪堡寥第三章测试系统的硬件设计与实现 一个好的计算机系统，其电源监视电路、看门狗电路是非 常重要的。本系统中采用的是集电源监视、独立看门狗、上 电复位功能于一体的m a x 6 9 1 作为系统的监控电路核心。它的 电源接通复位脉冲宽度为2 0 0 m s ：1 叫等待状态电流，3 5 p a 工 作电流：具有片内芯片使能信号选通，且最大延迟仅为1 0 n s ； 电源比较器的精度为2 。 m a x 6 9 1 作为电源监视电路，当系统的电压降到4 6 5 v 以 下时，m a x 6 9 1 就会给出系统掉电复位信号，确保系统在电源 电压不正常时能够不进行误操作。 m a x 6 9 1 具有独立的硬件看门狗电路，它的作用是监视程序 的运行状态。程序工作正常时，能在每运行完一个循环时向看 门狗电路发一个脉冲；当程序走乱，无法正常工作时，就不能正 常地向看门狗电路发脉冲，看门狗电路能立刻向c p u 输出一个 复位脉冲以强制系统复位，使系统具有自恢复能力从而防止系 统长时间死机。看门狗电路停止期和复位脉冲宽度可以根据需 要把芯片的o s c s e l 和o s c i n 两管脚接成四种方式来选择，具 有很大的灵活性。本系统采用o s c i n 接地o s c s e l 悬空，此时看 门狗停止期为1 0 0 m s ，复位脉冲宽度为2 0 0 m s 。 作为上电复位电路，当电源上升过4 6 5 v 时，复位端保持 有效2 0 0 m s 。作到上电自动复位。 除上述的三项功能外，m a x 6 9 1 还具有芯片使能信号内部选 通功能，本系统中将c e i 接地，c e o 输出接到地址译码器7 4 l s l 3 8 的e l 输入端。当系统正常工作期间，m a x 6 9 1 片内的c e 选通门 处于使能状态且传输所有的c e 跳变，本系统中c e i 和c e o 均为 低电平，7 4 l s l3 8 正常选通。当发生复位时( v c c 降到复位门限 电压以下或看门狗功能发生作用) ，此路径变为禁止状态，c e o 输出为高7 4 l s l3 8 被禁止，从而防止此时系统对外部r a m 、时 钟及扩展i o 口的任何操作。提高系统的运行可靠性。 ( 3 ) 系统实时时钟及掉电r a m 电路 系统运行的实时时钟及设定参数的保持是由d s l 2 1 6 提供 潜水电泵综合测试系统的研制 第2 9 页 北方交通人学顼十学位论文 第三章测试系统的硬什设计与实现 的。系统中数据记录的重要标志就是时钟，同时系统运行的初 始参数也必须在掉电时能够加以保护。为了不占用i o 资源， 并且提高时钟的读取速度，本系统采用了d a l l a s 公司的新型日 历时钟芯片d s l2 1 6 作为本系统的实时时钟及掉电r a m 保护电 路。d s l2 1 6 芯片不需要外接晶振电路及后备电池，是一个具 有日历时钟功能非易失性存贮器控制电路和嵌入式锂电池的 c m o s 集成器件，封在一个标准d i p 2 8 外壳中，它上面的2 8 d i p 插座上可插入一片6 2 6 4 ( s kr a m ) ，它内部有一个切换开关，它 使芯片能分别从外部电源或内部电池获得供电，它内部的失压 控制电路能监视外部电源的变化，当外部电源下降到4 2 5 v 以 下时，它能控制开关动作，将芯片转到内部电池供电：同时禁 止对r a m 芯片进行任何操作，从而保证上面的r a m 数据不会丢 失。所以它不但是系统的时钟日历芯片，还是系统运行参数保 存的掉电r a m 区。这也是本系统的一个设计特点。 ( 4 ) 系统数据记录单元及外扩r a m 运行的中间数据和设置的参数由一片6 2 6 4 来存储。地址 范围从6 0 0 0 h 至7 f f f h 。 ( 5 ) 系统程序存储器及扩展i o 口 系统中的程序存储器由一片e p r o m2 7 c 1 2 8 来存储。它通过 地址锁存器和7 4 h c l3 8 译码器与c p u 连接起来，地址范围从 2 0 8 0 h 至5 f f f h ，共1 6 k 存贮空间。 ( 6 ) 系统地址扩展 8 0 c 1 9 6 的寻址空间为6 4 k ，因此采用7 4 h c l 3 8 译码器来对 系统进行地址译码及地址分配关系如图3 4 所示： 如图，系统的程序存储器2 7 c 1 2 8 的地址为2 0 0 0 h 5 f f f h ； 数据存储器及时钟电路( d s l 2 1 6 + 6 2 6 4 ) 的地址为6 0 0 0 h 7 f f f h ：可编程并行i o 扩展芯片8