（机械电子工程专业论文）zqf80kw直流电机能量反馈试验台研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 签名：磊堑崆h 期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的舰定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生c 签名，：劲，柳钞导师c 签名，：三军名等同期枷k ， ：， 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，铁路运输在社会生活中发挥着越来越大的作用。 为保证机车运行安全，机车检修需要由定期维修转变为状态维修，从而提高机 车检修的速度及质量，降低机车检修成本，实现机车检修自动化、数字化、智 能化。z q f 8 0 直流电机是机车辅助电气设备的电源，各机务段都非常重视它的 检修质量。本文根据实际需要，对z q f 8 0 直流电机自动测试系统进行了研究， 设计了z q f 8 0 直流电机能量反馈试验台。 该试验台可以对检修后的z q f 8 0 直流电机的各项性能进行测试。本试验 台由操作控制台、电气柜和电机安装台三部分组成，主要实现对电机试验工况 的自动控制和电机各项参数进行采集、处理与记录存储。与传统试验台相比， 陔试验台将被试电机所发直流电能输送给陪试直流电动机，陪试机与拖动电机 一起对被试机进行拖动，构成能量反馈。 电机调速是控制电机运行中最主要的问题。本文采用晶闸管三相全控整流 方式，将交流电变成电压可调的直流电，从而对电机进行调压调速。控制电路 中，由k c 0 4 和k c 4 1 c 组成六路双脉冲形成器对可控硅移相触发，通过改变可 控硅的控制角来实现输出电压大小的调整。 人机界面( h m i ) 采用通用组态软件m c g s 设计，可以动态显示z q f 8 0 电机各项参数状态，自动存储试验数据，实时打印图表文字。同时，操作界面 增加了操作登记管理和信息保密等智能化功能，实现记名记机检修，从而有效 提高了z q f 8 0 电机试验的自动化、智能化程度和电机检修生产管理水平。现 场试验表明，该系统人机界面友好，操作简单方便，可靠性高，具有重要的推 广应用价值。 关键字：电机；! 贝| 试，能量反馈，p l c ，组态软件 l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y ，r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n s a r ep l a y i n ga l le v e rm o r es i g n i f i c a n tr o l ei ns o c i a ll i f e i no r d e rt oe n s u r et h es a f e o p e r a t i o no fl o c o m o t i v e ，l o c o m o t i v em a i n t e n a n c em u s tb et r a n s f o r m e df r o m s c h e d u l e dm a i n t e n a n c et oc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c et oi m p r o v et h es p e e da n d q u a l i t y ，t or e d u c et h ec o s t ，t or e a l i z et h e a u t o m a t i o n ，d i g i t i z a t i o n ，a n d i n t e l l e c t u a l i z a t i o no fl o c o m o t i v eo v e r h a u l z q f 8 0m o t o ri s a u x i l i a r y e l e c t r i c e q u i p m e n t sp o w e rs u p p l yo ft h el o c o m o t i v e ，s oe a c hl o c o m o t i v ed e p o tp a y sc l o s e a t t e n t i o nt oi t sm a i n t e n a n c eq u a l i t y c o n s i d e r e dt h ep r a c t i c e r e q u i r e m e n to ft h e p r o j e c t ，t h et h e s i ss t u d i e dt h ez q f 一8 0m o t o ra u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，a n dd e v e l o p e da n z q f - 8 0d cm o t o re n e r g yf e e d b a c kt e s t b e d t h et e s td e v i c ef o rz q f 一8 0m o t o ri se x a c t l yt h ei m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c h t e s t st h eo v e r h a u l e dm o t o r s t h et e s t b e di sc o n s t i t u t e do ft h r e ep a r t s ： o p e r a t i n g c o n s o l e ，e l e c t r i c a lc a b i n e t s ，m o t o rm o u n t i n gt a b l e t h et e s t b e dc a na c c o m p l i s h a u t o m a t i cc o n t r o lo fm o t o rt e s tc o n d i t i o n ，a n da u t o m a t i ca c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g o fm o t o rp a r a m e t e rd a t a c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l t e s t i n gr i g s ，t h i st e s t i n gr i g t r a n s m i tt h ed ce n e r g yg e n e r a t e db yt e s t i n gg e n e r a t o rt op a t e r n i t yt e s t i n gd c m o t o r , p a t e m i t yg e n e r a t o ra n dd r a g g i n gg e n e r a t o rd r a gt e s t i n gg e n e r a t o r , f o r m i n ge n e r g y f e e d b a c k t h em o t o rs p e e da d j u s t m e n ti st h em a i np r o b l e mo fa u t o c o n t r 0 1 t h et h y r i s t o r t h r e e - p h a s ef u l l y c o n t r o l l e db r i d g ec i r c u i ti s u s e di nt h es y s t e mt ot r a n s f o r mt h e a l t e r n a t i n gc u r r e n ti n t ot h ev o l t a g e a d j u s t a b l ed i r e c tc u r r e n ts oa st or e a l i z ev o l t a g e a n ds p e e dr e g u l a t i o n i nt h ec o n t r o lc i r c u i t ，k c 0 4a n dk c 4 1cc o n s t i t u t es i xw a y so f d o u b l ep u l s ef o r m i n gd e v i c et o t r i g g e r t h et h y r i s t o r st os h i f t p h a s e s ，t h r o u g h c h a n g i n gt h ec o n t r o la n g l eo ft h et h y r i s t o r s ，t h ev o l t a g eo u t p u tc o a t ic h a n g e d c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r em c g si su s e dt o d e s i g n h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ( h m i ) i tc a nd y n a m i c a l l yd i s p l a yv a r i o u sp a r a m e t e r so fm o t o rz q f 8 0 ， a u t o m a t i c a l l ys t o r a g et e s td a t a ，a n dr e a l - t i m ep r i n tc h a r t i ta l s oh a st h ef u n c t i o n so f a u t o m a t i cp r o t e c t i o n ，r e a l t i m e u p d a t ea n dd o w n l o a dd a t a ，e t c w h a t sm o r e ， 武汉理t 大学硕士学位论文 i n t e l l i g e n tm o d u l e si si n c r e a s e di no p e r a t i n gi n t e r f a c e ，s u c ha so p e r a t i n gr e g i s t r a t i o n ， i n f o r m a t i o np r i v a c ys y s t e m ，r e a l i z i n gr e g i s t e r e do v e r h a u l ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e d t h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eo ft h ez q f 一8 0m o t o rt e s t b e d ，a n dt h ep r o d u c t i o n m a n a g e m e n tl e v e lo ft h el o c o m o t i v eo v e r h a u l f i e l dt e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sg o o df e a t u r e so ff r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l eo p e r a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y ，a n d w i d e l yu s e v a l u e k e yw o r d s ：m o t e rt e s t i n g ，e n e r g yf e e d b a c k ，p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 武汉理工大学硕士学位论文 口 罩 i = 1 习 第l 章绪论1 1 1z q f 8 0 电机和电机试验简介1 1 2 电机测试系统的发展现状l 1 3 研究的目的和意义2 1 4 论文研究的主要内容3 1 5 论文的结构安排3 第2 章电机白动测试系统总体结构一4 2 1 系统总体框架4 2 2 能琏反馈的实现方法5 2 3 电机试验川主要仪器介绍6 2 3 1 磁平衡式( 闭环) 电流传感器7 2 3 2 霍尔电压传感器8 2 3 3 光电转速传感器9 2 3 4 平波电抗器1 0 第3 章z q f 8 0 电机自动测试的试验方法1l 3 1 温升试验11 3 1 1 电机温升试验的重要性1 1 3 1 2 温升的试验方法1 1 3 2 电机调速试验1 3 3 2 1 电机调速系统的主要性能指标1 3 3 2 2 静态性能指标1 3 3 2 3 动态性能指标15 3 2 4 直流电动机的调速的试验方法1 6 3 2 5 双闭环控制系统1 8 3 3 空载实验2 0 3 3 1 空载特性试验原理2 0 3 3 2 空载试验的实现2 l 3 4 调整特性试验2 2 3 5 外特性试验2 2 3 6 换向试验2 4 3 6 1 火花级别一2 4 3 6 2 火花产生的原冈2 5 3 6 3 改善电机换向的方法2 5 3 6 4 换向试验的实现一2 6 第4 章电气系统设计2 7 l v 武汉理工大学硕十学位论文 4 1p l c 简介2 7 4 1 1p l c 的定义2 7 4 1 2p l c 工作原理2 7 4 1 3p l c 的一般特点2 8 4 1 4p l c 控制流程3 0 4 2 三相桥式全控整流电路3 2 4 2 1 可控硅简介一3 2 4 2 2 三相桥式全控整流电路3 2 4 2 3 工作原理3 3 4 2 4 全控整流电路的特点3 5 4 2 5 可控硅和变压器参数计算3 6 4 3 触发电路3 7 4 3 1 触发电路的要求一3 7 4 3 2 触发电路一3 8 4 4 保护系统4 l 4 4 1 可控硅的保护一4 l 4 4 2 电机保护4l 第5 章上何机界面设计4 3 5 1 系统软件设计的指导思想4 3 5 2 组态软件m c g s 概述4 3 5 2 1m c g s 简介4 3 5 2 2m c g s 功能特点4 4 5 2 3m c g s 实现监控的开发步骤4 5 5 3 试验界面的实现4 7 5 3 1 主界面4 7 5 3 2 数据查询界面一4 8 5 3 3 用户管理界面4 9 5 3 4 安全机制一51 5 4 与p l c 的通信5l 5 4 1 串口父设备设置一5 2 5 4 2l g m a s t e r k s 属性设置一5 3 第6 章结束语5 4 参考文献5 5 致i 射5 8 作者在攻读硕十学位期间发表的学术论文5 9 v ，k l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1z q f 一8 0 电机和电机试验简介 z q f 8 0 k w 起动发电机是电动和发电两用直流电机，用于内燃机车上柴油 机启动和机车运行中辅助电气设备之电源。它是机车重要的动力部件，主要用 于东风4 、东风5 、东风7 等系列机车。它的额定功率为8 0 k w ，额定电压为 11 0 v ，额定电流为7 2 8 a ，额定转速为1 11 5 2 7 3 0 r m i n 。 电机试验足按相关标准的规定，利用仪表、仪器和其它相关设备，对成品 或半成品电机，或电机的配套产品的安全性能、电气性能、力学性能及可靠性 能等技术指标进行的试验【2 】。通过试验，可以部分或全部的反映被试电机的相 关性能数据；利用这些数据，就可以判断被试电机是否符合设计要求及电机品 质的优劣，进而明确电机设计改进的目标与方向。 电机试验按试验性质可分为科研试验和工业试验。科研试验是根据研究需 要制定的特殊电机试验项目，如为新技术应用或新研究获得原始数据而进行的 试验。工业试验是由制造厂、产品测试检验站对电机产品按国家标准或技术条 件规定的项目进行的试验，一般分为型式试验和出厂试验( 检查试验) 【4 1 。型 式试验是按国家标准或技术条件规定的全部项目进行测试，是对产品全面的考 核，以确定该产品是否可以投入生产。出厂试验是按国家标准或技术条件规定 的部分项目进行测试，以检查该产品是否合格，能否出厂。本文中的电机试验 属于出厂试验，主要对电机小时温升、调速试验、空载特性、调整特性、换向 试验等项目进行试验。 1 2 电机测试系统的发展现状 目f j ，电机自动测试技术已经得到了广泛的应用，电机测试系统的主要经 历了三个发展阶段。 第一阶段即传统电s j l n 试。这个阶段里，很多电机制造企业，尤其是一些 小企业，一般采用人工读数、人工调节、人工整理数据、人工绘制曲线并编写 - t 、 3 武汉理工大学硕士学位论文 试验报告。一项试验往往要几个人同时读表，不仅工作效率很低，劳动强度大， 而且要求测试人员工作时精力高度集中且具有丰富的调试经验；即使这样，测 试精度也难以保证。在控制方面，人工操作各种开关，手动调节各种试验参量， 不仅延长了试验时间，而且很难与读表配合，引起测量误差。往往还会由于电 机参数的变化，导致试验失败，有时甚至会损坏被试电机。 随着电子技术和计算机技术的快速发展，从2 0 世纪中后期起，仪器仪表业 发生了历史性的变革。仪器仪表产品逐步实现了智能化和数字化，这也促使电 机测试技术获得了很大的进步。各种数字化测试仪的出现，例如绝缘电阻测试 仪、电参数测试仪、转矩转速测试仪，促进了电机自动测试技术的发展，解决 了一系列过去难以解决的技术难题，测试精度也得到了一定程度的提高【6 】。但 是，这类测试仪测量项目单一，不具有广泛的适用性。 测试系统与自动控制系统一体化足现代电机测试技术的主要特征。可编程 控制器以其良好的可靠性、丰富的指令集、简洁的操作、丰富的扩展模块和强 劲的通讯能力，广泛应用在工业控制行业；计算机拥有丰富的输入输 n 设备、 强大的软件支撑环境和高速的数据处理能力，两者的有机结合给电机测试带来 了全新的革命【8 j 。 目前，采用电机自动测试系统已经成为电机试验技术改造的重要内容，也 成为电机测试行业发展的必然趋势。电机自动测试系统主要有以下几个优点【5 l ： 1 可以实现测试数据的自动采集、计算处理，以及试验报告和绘制特性曲 线的自动打印，减轻了工人劳动强度。 2 数据采集速度快，精度高，大幅度提高了试验效率。 3 系统安全可靠，操作简便。 1 3 研究的目的和意义 本文研究目的是研制出一套z q f 8 0 电机自动测试试验台，可以对检修后 的z q f 8 0 电机进行各项试验，并测试其各项性能参数，从而检验电机是否达 到出厂试验的要求。本系统中，采用p l c 控制控制电机的工况，通过传感器采 集试验数据，并用数字仪表进行显示，同时将采集的数据通过4 8 5 总线送往上 位机；上位机负责数掘的分析处理、显示存储和报表打印。试验台可以保证电 机测试的高精度、实时性及良好的抗干扰能力。 武汉理工大学硕七学位论文 本试验台的研制改变了电机的传统测试方法，显著提高了z q f 8 0 电机检 修的速度和工作效率，降低了检修成本，实现了检修的数字化、自动化和智能 化。 1 4 论文研究的主要内容 本文研究的目标是应用系统控制理论和现代测试技术，设计出一套适用于 z q f 一8 0 直流电机的试验台，实现电机实验的自动测试。主要研究内容包括： ( 1 ) 试验台的整体框架设计。 ( 2 ) 电机调速的实现和各项试验的实现 ( 3 ) 系统电气设计 ( 4 ) 设计p l c 程序，有效控制试验台电机及其他电气设备。采用 l g m a s t e r k 1 2 0 s 型p l c 控制各个继电器、接触器，实现试验台的电气连接， 保证电机试验步骤的顺序性和条理性。 ( 5 ) 采用组念软件m c g s ，设计友好的人机界面，实现电机试验的数据采 集、记录储存、查询和打印。 1 5 论文的结构安排 第一章为绪论，简要介绍了z q f 8 0 电机、电机试验及其发展现状，本课 题的研究目的、意义和研究内容。第二章为系统总体结构，介绍了电机试验台 的总体结构框架、能量反馈的实现方法和电机试验常用设备。第三章介绍了电 机各个试验的实现，包括电机小时温升试验、调速试验、空载特性、调整特性 试验、外特性试验及换向试验。第四章介绍了电气系统设计，包括p l c 的基本 工作原理，p l c 控制程序流程，整流电路、触发电路和系统保护措施。第五章 介绍了软件监控界面、数据查询界面、试验数据打印界面、用户管理界面，以 及上位机和下位机的通信。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电机自动测试系统总体结构 与传统试验台相比，本试验台将被试电机所发直流电能输送给陪试直流电 动机，陪试机与拖动电机一起对被试机进行拖动，构成能量反馈。整个试验台 采用p l c 实现电机试验的过程控制，采用带通讯功能的数字显示仪表，利用 m c g s 组态软件设计操作界面，具有人机界面友好、操作简单方便的特点。此 电机自动测试系统可以完成的试验有：小时温升试验、调速试验、空载特性、 调整特性试验、外特性试验及换向试验。 2 1 系统总体框架 图2 1试验台整体框架图 4 武汉理工大学硕士学位论文 本试验台包括电机安装台、操作控制台和电气柜三部分。其中电机安装台 由三台电机构成，即拖动电机、陪试电机和被试电机。操作控制台是由操作电 柜、控制按钮、显示仪表及工业计算机组成。电气柜是由变压器、整流模块、 电流电压传感器、p l c 、继电器及切换接触器等组成。 拖动电机为8 0 k w 直流电机，试验时由此电机拖动被试z q f 8 0 和8 0 k w 双轴伸直流陪试电机。被试电机为z q v 8 0 直流电机，试验时它被拖动电机带 动运转，工作于发电状态。陪试电机为双轴伸z q f 。8 0 直流电机，它由被试电 机z q f 8 0 发电驱动电机电枢，其电机轴与拖动电机的输出轴相接，通过调节 励磁电流大小，使其工作于电动状态，与被试电机构成能量反馈式试验系统。 电气柜是整个试验台配电、主电源、变压器、励磁电源、传感器等的安装 电柜。主电源提供8 0 k w 拖动电机的电楸电源，励磁电源提供各直流电机他励 励磁电源，如试验系统中的拖动电机、双轴伸陪试电机和被试电机励磁电源。 主电源和各励磁电源均采用可控硅调压整流电源方案。 操作台主要由测试仪表、调节旋钮、操作按钮和计算机系统组成。测试仪 表采用带通讯功能的数字显示仪表，不仅可以对电机各种参数实时显示，而且 可以与主机进行通信，方便数据的处理和储存。操作按钮可以实现电机启动、 停机、并车等操作。计算机系统提供友好的人机界面，可实现实验数据的存储、 处理计算、报表曲线打印等功能。 2 2 能量反馈的实现方法 能量反馈是指被试电机在做额定试验时，将其与陪试电机通过机械方式组 成一套试验机组。做试验时，被试电机工作于发电状态，双轴伸陪试电机工作 于电动状态。电能在被试电机和陪试电机之间反馈。利用能量反馈法进行电机 试验，节能效果特别明显，所消耗的电能仅仅等于被试电机和陪试电机之间的 损耗。其工作原理如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 q f l c 卜 c f 3 移舅触堡扳 t 4 l ：1 k v a 。二l r 4k 懈 1 ( ；) v 厂一 ，卜一 l k m 4 一： r 一一l 十_ 一 ：， 一 一一一 p ”、 【，一j 移柑触麓扳 c f 4 t 一，、 图2 2 能量反馈原理图 双轴伸陪试电机m 2 同时与被试电机m 3 、拖动电机m 1 相联，组成三联机 组。拖动电机m 1 采用单独的电源供电，拖动被试电机和陪试电机运转，用机 械能补偿被试电机和陪试电机的损耗。在被试电机与陪试电机之间形成的反馈 电流称为被试电机的负载电流。 系统中被试电机、陪试电机采用他励励磁，分别由电源t 4 、t 3 提供励磁 电源；电源t 1 、t 2 分别为拖动电机提供电枢电流和励磁电流。在电源t 4 电压 高于电源t 3 的时候，陪试电机m 2 工作于电动机状态，被试电机m 3 工作于发 电机状态，被试电机m 3 提供的电供给陪试电机m 2 ，陪试电机m 2 反过来再拖 动被试电机m 3 ，如此构成能量反馈。此时，拖动电机m 1 仅仅提供试验机组 所需的空载损耗。调节电源t l 、t 2 ，可以使被试电机达到一定转速，调节电源 t 4 、t 3 则可以改变陪试电机m 2 和被试电机m 3 的他励负载电流的大小。 2 3 电机试验用主要仪器介绍 要全面准确地完成z q f 8 0 电机的自动测试，本试验系统需要的硬件主要 6 l 门川二二m二= 武汉理工大学硕士学位论文 有： 1 试验电源设备：可控硅整流模块、变压器、平波电抗器。 2 控制台：继电器组、电流电压传感器、转速传感器、数字仪表、风机等 辅助设备。 3 工业计算机：用于实验过程中的控制、数据采集、计算处理及结果输出。 2 - 3 1 磁平衡式( 闭环) 电流传感器 一 10 v 图2 3 磁平衡式( 闭环) 电流传感器原理图 磁平衡式电流传感器也称作补偿式传感器，即原边电流i p 在聚磁环处所产 生的磁场通过一个次级线圈电流i s 所产生的磁场进行补偿，其补偿电流i s 精确 反映原边电流i p ，从而使霍尔器件处在检测零磁通的工作状态【3 5 】。 具体工作过程如下：当主回路有电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环 聚集并感应到霍尔器件上，经过运算放大器后，所产生的信号输出用来驱动功 率管并使其导通，从而可以获得一个补偿电流i s 。补偿电流再通过多匝绕组产 生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场刚好相反，从而补偿了原来的磁场，使 霍尔器件的输出逐渐变小。当i p 产生的磁场与i s 和匝数相乘所产生的磁场相等 时，i s 不再增加，此时的霍尔器件起指示零磁通的作用，这时可以通过i s 来测 试i p 。当i p 变化时，平衡受到破坏，霍尔器件会有信号输出，即重复上述过程 并重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去了平 衡，霍尔器件就会有信号输出。经功率放大后，立即就会有相应的电流流过次 武汉理丁大学硕士学位论文 级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次的平衡，所需时间理论上 不到l s ，这是个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数 在任何时问均与初级被测电流的安匝数相等。 磁平衡式电流传感器是近十年来出现的高技术模块化产品，其性能远远优 于开环霍尔电流传感器。同时，与传统的互感器或分流器的电流测量方法相比 亦有许多优点。磁平衡式电流传感器主要有以下特点【3 6 】： 1 ) 可以同时测量任意波形的电流，如交流、直流、脉冲电流； 2 ) 被测原边电流与副边测量电流间完全电气隔离，绝缘电压一般为2 0 0 v - - - - 2 k v ： 3 ) 电流测量范围宽，不存在因电流过载而烧坏传感器的现象； 4 ) 线性度优于0 1 i n ，测量精度较高，比老式直流互感器高2 3 倍； 5 ) 频率响应范围为0k h z1 0 0 k h z ，响应时f h j 小于1 u s ，跟踪速度( d i d t ) 高于5 0 a g s ； 6 ) 节能显著，传感器几乎不耗能，只需为它提供l m a 的工作电流； 7 ) 温度特性好，由于采用性能好的霍尔元件制成，传感器的温度系数可达 0 0 5 。 2 3 2 霍尔电压传感器 l i钾 图2 4 霍尔电压( 闭环) 传感器原理图 霍尔电压( 闭环) 传感器的工作原理与磁平衡式( 闭环) 电流传感器相似， 也是以磁平衡方式工作的。原边电压v p 通过限流电阻r i 产生电流，流过原边 武汉理工大学硕士学位论文 线圈产生磁场，聚集在磁环内；通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿 电流i s 流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流i s 精确的反映原边电压 v p 【3 5 1 。 2 3 3 光电转速传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元器件。它可以用 于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、辐射测温、光照度、气体成分分 析等；也可以用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如表面粗糙度、零件 直径、应变、振动、位移、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别 等。光电转速传感器一般有三部分构成：发送器、接收器和检测电路，如图2 5 所示。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，激光二 极管( l e d ) 、发光二极管及红外发射二极管。接收器有光电池、光电二极管、 光电三极管组成。在接收器的f 订面，装有光学元件如透镜、光圈等。在其后面 是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。 图2 5 光电传感器原理图 光电转速传感器分为投射式和反射式两种，它把转速转换为电脉冲信号输 出。转速传感器输出的电脉冲数可由下式 n ：= z n t 6 0 ( 2 1 ) 式中n 一输出电脉冲数 z 一一传感器倍增数( 即每转一转传感器发出的脉冲数) n 一电机转速，单位r m i n t 一测量时| 日j ，单位m i n 9 武汉理_ l ：大学硕士学位论文 在本设计中采用的是f s 5 4 0 光电转速传感器。该型号光电转速传感器具有 以下优点： 1 ) 光电转速传感器为非接触式 光电转速传感器采用光学原理制造，属于非接触式转速测量仪表，其测量 距离一般可达2 0 0 m m 。光电转速传感器的测量无需与被测量对象进行接触，不 会对被测量轴形成额外负载，因此测量误差更小，精度更高。 2 ) 光电转速传感器的结构紧凑 光电转速传感器的体积设计小巧、内部结构精致，重量一般不会超过2 0 0 9 ， 便于使用肯的携带、安装和使用。 3 ) 光电转速传感器的抗干扰性好 光电转速传感器采用l e d 作为光线投射部件，极少出现光线停顿的情况， 也不存在灯泡烧毁等故障危险。此外，光电转速传感器的光源是经过特殊方式 调制的，具有极强的抗干扰能力，不受普通光线的干扰。 2 3 4 平波电抗器 由于整流电路的脉冲数是有限的，在可控硅整流输出的电压中，总是存在 纹波。这些纹波一般是有害的，需要用平波电抗器加以抑制 1 。 平波电抗器按型式可以分为油浸式平波电抗器和干式平波电抗器。本系统 中使用的是干式平波电抗器。干式平波电抗器包括线圈、绝缘支柱、均压环、 支架、底座等五部分。线圈是由多层同心压缩铝线包组成，为了保证层问绝缘 及散热，每层线包均浇注环氧树脂绝缘，且层间挚有隔条；为了确保线圈振动 时不变形，每层线圈通过垂直紧固件固定牢靠。 干式平波电抗器的优点主要表现在： 1 ) 对地绝缘简单，暂态过电压较低。 2 ) 负荷电流与磁链成线性关系。 3 ) 噪声低，运行和维护费用低。 l o 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章z q f 一8 0 电机自动测试的试验方法 3 1 温升试验 3 1 1 电机温升试验的重要性 电机运行时，定子转子绕组中因电流流过而产生铜耗；铁心中由于交变磁 通在磁路中的磁滞和涡流而产生损耗；因转子的机械旋转而产生的摩擦损耗和 电机通风而产生通风损耗；电机中由负载引起磁路、绕组导体、。金属结构件的 杂散损耗，以及因换向而引起电刷附加损耗。电机上述的各种损耗，最终都转 化为热能，使电机的各个部分温度升高。 电机某一发热部件的温度与周围介质温度之差，称为该部件的温升。在电 机达剑稳定状态的时候，电机损耗所产生的热量全部散发到周围介质中，此时 电机的温升将会稳定在一定的数值。温升不仅是电机损耗与散热情况的量度， 也足电机设计和运行的重要指标。一般来说，绝缘材料所能承受的最高允许温 度决定了电机的额定容量；如果超过允许温升运行，将会使电机内各种绝缘结 构中的绝缘材料迅速老化而损坏，电机运行无故障周期及电机寿命都将大幅度 缩短，甚至会发生电机烧毁等危险故障。 温升试验是z q f 8 0 直流电机出厂试验中特别重要的试验。电机温升的测 量主要包括电机绕组、铁心、集电环和换向器等部件温升发的测量。温升试验 的目的是得到z q f 8 0 直流电机绕组等部件在规定的工作条件下运行并达到温 升稳定时的温升值，并以此来考核z q f 8 0 直流电机所用绝缘材料、生产工艺 能否满足电机设计要求【4 5 1 。 3 1 2 温升的试验方法 本文中主要做了电枢绕组温升试验。试验时电路中的接触器k m l 、k m 2 、 k m 3 、k m 4 、k m 5 、k m 7 、k m 8 接通，使拖动电机的可控电枢电源、励磁电 源，陪试机的可控励磁电源，被试机的可控励磁电源电路工作；速度表继电器 k l 接通；接通接触器k m 6 ，实现被试电机和陪试电机的能量反馈；调整拖动 武汉理工大学硕士学位论文 电机转速、被试机励磁电流和陪试机励磁电流，使被试机电枢的输出电压达到 1i o v ，电流达到6 8 0 a ，运行中保持电枢输出电流6 8 0 a 、电机转速和被试机励 磁电流不变，记录运行中输出电压的变化，由此电压变化计算电枢内阻的变化， 通过此内阻的变化反映各绕组的温升。如图3 1 ，得到被试电机电枢电压和时间 的曲线。 v 爪 保持艟试机助碰电渔币变 r 4 翌篓銎一一 图3 1试验原理图和电压一时间曲线 试验中由于保持被试电机转速( 使电机开始运转时输出电压为li o v 和电 流6 8 0 a 下的转速) 和励磁电流不变，被试电机的电势e 为一常数，调节负载 使电流在运转中保持6 8 0 a ( 曲线中只记录电流6 8 0 a 的点) 。此时，假设丌始 时电压u o = 1 1 0 v ，1 小时后电压为u l ，则可以测得被试机电枢内阻由于温升引 起的阻值变化为： a r ：r 2 - r l = ( u o - u o ( 3 1 ) 6 8 0 a a t ：( k a + t 。) ( r z - - r i ) + ( r 。一t ，) ( 3 - 2 ) “i 式中，a t ：试验结束时的绕组温升 r l ：冷态电阻值 r 2 ：热态电阻值 t o ：试验开始的室温 t l ：试验完毕时电动机周围的环境温度 k a ：常数，对于铜k 。= 2 3 4 5 ，对于铝k 。= 2 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 电机调速试验 3 2 1 电机调速系统的主要性能指标 所谓调速，是指在电机在某一负载下，通过改变电机或电源参数，使电机 机械特性曲线发生改变，从而使电机转速发生改变。调速系统中除了需要控制 电机的转速外，还对调速性能提出了定的要求。例如有级调速还是无级调速， 最高转速与最低转速之间的范围，从讵转运行到反转运行的时间间隔，在稳态 运行时允许转速波动大小，突加负载和突减负载时允许转速波动的大小等。一 般来说，电机调速系统主要包含两个方面：一方面，在一定范围内变速，实现 方式包括有级调速和无级调速。另一方面，保持稳速，即当在某一速度下运行 的电机受到外界干扰时，为了保证电机工作状念不受影u 向，必须对速度进行相 应的凋节，使转速接近或等于原来的速度。 就电机调速系统而言，主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。 3 2 2 静态性能指标 1 调速范围 电动机在额定负载下，运行的最高转速 m a x 与最低转速n 嘣。之比称为调速范 围【4 6 】，用d 表示，即 d ：坚 力m i l l ( 3 3 ) 其中对于非弱磁的调速系统来说，电动机的最高转速n 。即为其额定转速。 电动机的最高转速受电动机的换向和机械强度限制，最低转速受转速相对稳定 性( 即静差率) 的限制。d 越大，说明系统的调速范围越宽。 2 静差率 静差率，也称为转速变化率，是指电动机在一条机械特性上，额定负载时 候的转速n 与该机械特性的理想空载转速n o 之比【4 6 1 ，用6 来表示，即 万：竺：竺兰 n on o ( 3 4 ) 静差率反映了电机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关，特性 武汉理工大学硕士学位论文 越硬，静差率越小，转速的稳定性越好，负载波动时，转速变化越小。但并非 机械特性一致，静差率就相同，还与理想空载转速有关。一般来说，调压调速 系统在不同转速下的机械特性是相互平行的；当一个调速系统机械特性硬度一 定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。 调速范围和静差率是相互制约的，在系统设计中必须同时考虑两方面的因 素。当采用同一种方法调速时，静差率要求较低时，可以得到较宽的调速范围； 反之，静差率要求较高时，调速范围则较小。如果静差率要求一定，采用不同 的调速方法，其调速范围不同，如改变电枢电源电压调速比电根串电阻调速的 调速范f 翻要更宽。因此在电机调速时，必须综合考虑静差率和调速范围两项指 标，以便选择适当的调速方法【47 1 。 3 调速的平滑性 调速的平滑性是指相邻腑级转速的接近程度，用平滑系数( p 束表示1 46 i ，即 缈：旦( 3 5 ) 够2 【j 一) ， ，z f 一1 平滑系数p 越接近1 ，表明调速的平滑性越好。如果转速连续町调，其级 数趋于无穷大，称为无级调速；调速不连续，级数有限，称为有级调速。