（电机与电器专业论文）便携式电机效率测试仪的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i c p r o d u c t t h e i n d u c t i o n m o t o ri s a p p l i e d i nt h e i n d u s t r y a g r i c u l t u r ea n dd a i l yl i f ew i d e l y t h ee f f i c i e n c yl e v e lo f t h em o t o rh a sd i r e c tr e l a t i o n w i t h e n e r g ys a v i n g e n v i r o n m e n t c o n s e r v a t i o na n dc o s t s a v i n g s o i th a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t ot e s tt h e e f f i c i e n c y o ft h em o t o re x a c t l y a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e e f f i c i e n c yo f t h em o t o rw o r k i n gi nt h eo i lf i e l di ss ol o wt h a ti ti n d u c e se n e r g yw a s t i n g t h e e q u i p m e n t w h i c hi sp o r t a b l ef o rt e s t i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h ei n d u c t i o n m o t o ri sd e s i g n e d i nt h i s d e s i g n t h e r e 8 x e m a i n l ya b o u tf o l l o w i n gs t e p s f i r s t l y s t a t o rr e s i s t a n c e a r e d e t e r m i n e db yd c e x p e r i m e n t s e c o n d l yt h r o u g ht h ew a yo fs a m p l i n gc u r r e n ta n dv o l t a g e i n s t a n t a n e o u sv a l n eo ft h ei n d u c t i o n m o t o r ss t a t o r su n d e rt h en o 1 0 a da n dt h es h o r tc i r c u i t c o n d i t i o n s c a l c u l a t ee f f e c t i v ev a l u ea n dp o w e r f a c t o rb a s e do nw h o l e c y c l e f o u r i e ra r i t h m e t i c t h i r d l yb a s e do nt h ea m e l i o r a t i v ee q u i v a l e n tc i r c u i t t h ee f f i c i e n c yo f t h em o t o ru s e di no i l f i e l dc a nb eg o t t e n t h ed s pa n df f ta r ec o n n e c t e de f f e c t i v e l yi nt h i se q u i p m e n t s oi nt h i s t h e s i st h em e t h o do fe f f i c i e n c yt e s t i n gi si n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h ee q u i v a l e n tt c i r c u i ti s m o d i f i e di nc a s eo fc o u n t i n gf o rk e l v i ne f f e c t a tl a s tt h ei m p l e m e n to fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sr e c o m m e n d e dc o n c r e t e l y k e y w o r d s i n d u c t i o n m o t o r e f f i c i e n c yt e s t i n g t c i r c u i te q u i v a l e n tm o d e l k e l v i n e f f e c t 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及背景 第一章绪论 电动机广泛应用于国民经济各个领域 作为风机 水泵 压缩机 机床等各种设备 的动力 电动机的用电量占全国总用电量的5 0 以上 在工业领域其用电量则占2 3 左 右 而三相感应电动机的用电量占全部电动机用电量的8 5 以上 可见感应电动机在国 民经济生产和人民日常生活中起着非常重要的作用 抽油机是石油生产的重要设备 油田生产中的抽油机 均以三相感应电动机为动力 其负载特性为周期性位能负载 在电机工作过程中 由于平衡块配置不合适 可能会出 现周期性负功 使设备工作效率降低而导致能源浪费 若要提高工作效率和节约能源 就必须对感应电机的效率进行监测 调整抽油机的工作状态使之达到最佳状态 以达到 节能的目的 抽油机的实时工作情况是非常复杂的 其维护与管理也是很重要的 这些抽油机的 工作情况直接影响着油田的采油量 同时抽油机的运行状况也影响其电能的消耗 抽油 机用电量相当于油田总用电量的4 0 若抽油机不能正常工作将给国家经济带来非常 大的损失 如果对抽油机的维护与管理只凭借维护人员的经验来判断抽油机的工作状 况 这不但耗费大量的人力物力 而且效果很差 因为这要依赖于维护者的经验 缺乏 科学的依据 往往造成对抽油机工作情况的漏判 误判 极大影响了石油的产量 而如 果能够了解抽油机电动机的实时工作状况 根据其工作电压 电流等数据便可推断出抽 油机的工作状况 此方法依据科学数据及电动机动态性能来判断电动机的运行情况 因 此准确可靠 抽油机电机电参数的测量大多在野外进行 流动频繁 测试工作量大 然而现在的 一些用于测量抽油机电参数的仪器 由于测量原理和方案的不同 大多体积笨重 造价 较高 最主要的缺陷是不能显示电参数的波形 而在油田抽油机运行情况故障诊断当中 电压 电流 效率等电参数的波形具有最为重要的作用 为此研制一种低成本 具有波 形显示 数据通讯 界面友好的并能正确测量电参数的便携式电机效率测试仪就具有重 要意义 浙江大学硬士学位论文 1 2 感应电动机效率测试的研究现状 电动机的能效水平直接关系到国家的能源节约 环境保护以及资金节约 凼此电动 机本身效率的精确测定具有重要意义 由于在现场的条件下对电机进行评估或测试 因此所用的测试方法应能适应现场的 情况 并有一定的准确性 因为效率是由电机的输出功率与输入功率的比值来衡量 而 输入功率为电量 从电源输入端可相对较容易地测定 关键在于如何测定电机轴端的输 出功率 传统的电动机效率现场测试方法有下列几种 1 2 1 铭牌法 这是一种最简单的效率估计方法 即假定不同负载时电机的效率都等于铭牌所示的 效率 但实际上效率随负载变化而变化 尤其对于小功率 多极数的电机 效率随负载 变化甚大 另外如果电机经过维修 其铭牌数据更不能代表实际的状态 因此这种方法 所得效率的误差很大 在最坏的情况下 在半载与满载之间 效率误差可以超过l o 1 2 2 转差率方法 这种方法是假定电动机负载与额定负载的比例正比于转差率与额定负载时转差率 的比值 从而电机轴端的输出功率可近似用下式表达 电动机输出功率 型嘉筹 额定输出功率 1 1 此方法只需在现场测量转差率和输入电功率 因此较为简单 但是由于对电机基本性能 要求的标准中 容许电动机的实际转差率与额定转差率有 一2 0 的偏离 因此铭牌所 示的转差率可能与实际电机的数值有较大的偏差 从而给这种方法也带来了一定的误 差 1 2 3 电流方法 电流方法是假定负载的比例正比于所测得的电机电流与额定负载电流的比例 因此 电动机轴端输出功率可表示如下 电机输出功率 1 额定输出功率 1 2 式中 铭牌满载电流 浙江大学硕士学位论文 现场所测得的电动机输入电流 由于电动机电流中包含空载电流 这部分电流分量不会随负载的减小而相应减小 凼此给这种方法带来较大的误差 从而使得往往在低负载时 过高地估计负载值 如果 有可能对被测电机进行一空载试验 测得空载电流 则可由f 式求得轴端输出功率如下 式所示 rr 电机输出功率 导 额定输出功率 1 3 n 一 0 式中 空载电流 而由此式计算所得的负载要较实际负载低 因此较好的方法是将以上两式所获得的 轴端输出功率取平均值 这将能较好地接近电机实际的负载情况 应该指出 对于一般 通用的异步电动机其铭牌电流值与实际满载电流可能有1 0 的偏差 从而使这种方法的 准确性受到较大的影响 1 2 4 统计方法 统计方法是建立在经验公式基础上 以使仅需测量少量数据 即可求得电动机的效 率 这种方法往往对一特定系列或某一范围的产品已积累了相当多的试验数据 然后经 过统计处理后 用于经验公式中 统计方法比较简单 并对在数据统计范围内的产品有 一定的准确性 但对于不同设计或不在统计范围内的产品则误差就可能较大 1 2 5 等效电路法 电机效率的评估可以通过等效电路的计算求得 其中共有6 个阻抗 这些参数可通 过两个空载试验和电阻测试求得 一个空载试验是在额定电压下电机空载运转 测量其 电压 电流和功率等数据 另一是在空载情况下 电压降至转差率等于额定负载时的转 差率 在此状态下测量有关数据 借助于t 型等效电路可求得不同转速情况下的输入功 率 输出功率以及效率 等效电路法可达一定的准确度 但需进行改变电压下的空载试 验 这在一般现场条件下具有一定的困难 1 2 6 损耗分析法 损耗分析法要求通过获得5 项损耗 即定子铜耗 转子铜耗 铁耗 机械损耗和附 加损耗后求得总损耗 然后获得效率 由于在现场条件下不易测得这些损耗值 因此往 往将此方法与前述统计方法结合 通过对电压 电流 输入功率 绕组电阻和转速的测 浙江大学硬士学位论文 定 结合采用一些经验数据 然后求得5 项损耗的数值 从而求得效率 应用这种方法 国外已有一些仪器投入应用 可以测量已经安装在现场的电机的效率 1 2 7 转矩仪方法 这种方法是将转矩传感器代替联轴器放在电动机与负载设备之问 通过电机轴端输 出转矩和转速的直接测定来求取电机效率 不包含任何假定值 如风摩耗 负载杂耗等 因此在原理上是最准确的 其测量精度约为 1 对于各种电动机效率的现场测试方法 无疑转矩仪方法具有相对最高的准确度 铭 牌方法的精度最低 效率误差可达土1 0 其他各种方法的精度介于铭牌方法与转矩直 接测量法之间 其中统计方法精度范围变化甚大 取决于样本的代表性和应用范围 应该指出 除了准确性之外 尚应考虑现场实施的可行性和经济性 例如转矩仪方 法方法虽然精度较高 但在现场很难实施 等效电路法和损耗分析法是精度尚可的测试 方法 但在某些电机运行现场 没有可改变电压的电源 因此就不能进行空载试验来确 定铁耗和风摩耗 为此本文将等效电路法加以改进并与统计方法结合 使既能方便操作 又能达到一定的准确度 1 3 本论文的研究内容 本设计主要采用交流采样技术对电压 电流信号进行采集 通过基于d s p 的全周 波富氏算法进行有效值和功率因数角的计算 进而实现感应电动机的效率测试 本课题 的主要任务是 研制开发如一台便携式电机效率测试仪 以适应油田用感应电机效率测 试的发展需要 主要工作包括 第一章绪论 简要介绍课题来源及背景 感应电动机效率测试的研究现状及本论文的 研究内容 第二章感应电动机的效率测试原理和方法 详细介绍了通过改进的等效电路法进行感 应电动机效率测试的原理和实验方法 第三章感应电动机效率测试系统的硬件设计 包括定子电阻测量电路 电压 电流数 据采集电路 数据处理电路 d s p 和m c u 通讯电路 人机接口电路 第四章感应电动机效率测试系统的软件设计 包括系统软件的总体设计 d s p 单元软 件设计 m c u 单元软件设计 m c u 和d s p 通讯单元软件设计及相关程序流程 浙江大学硕士学位论文 第五章实验结果及分析 包括空载 堵转实验波形和效率特性实验波形 第六章总结 对本论文的工作做一个总结 并提出当前工作存在的问题 浙江大学硕士学位论文 第二章感应电动机效率测试原理与方法 2 1 三相交流感应电动机的工作原理 2 1 1 三相培应电动机的基本结构和额定值 三相感应电动机主要是由静止的定予和转动的转子两部分组成 定子由定子铁心 定子绕组和机座三部分构成 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分 用丁 嵌放定 子绕组 通过定子铁心的磁通是交变的 定子绕组是异步电动机的主要电路部分 它是 由许多线圈按一定规律连接而成 其作用是通过时变电流产生旋转磁场以实现能量转 换 机座的作用是固定和支撑定子铁心并形成散热风路 转子由转子铁心 转子绕组 转轴等部分组成 转子铁心是电动机主磁通磁路的一部分 也由硅钢片迭成 转予绕组 的主要作用是感生电势 流过电流和产生电磁转矩 转轴的作用是支撑转子和传递机械 能 定子和转子之间有一个很小的气隙 气隙的大小和异步电动机的性能关系极大 此 外 感应电动机还有端盖 轴承和其他结构部件 感应电机的铭牌上标有额定值和有关技术数据 感应电动机的额定值 1 额定功率r指电动机额定运行时 由轴端输出的机械功率 其单位一般为k w 2 额定电压u 指电动机额定运行时 加在定予绕组上的线电压 其单位为v 3 额定频率厶我国电网频率为5 0 也 故国内用的异步电动机额定频率为5 0 t 4 额定电流 指电动机在额定电压 额定频率和额定功率输出时 电动机输入的 线电流其单位为a 三相感应电动机的额定功率为 晶 4 3 u i r l c o s p 2 1 式中玑和c o s c n 分别为额定运行时的效率和功率因数 5 额定转速 指电动机在额定电压 额定频率和额定功率输出时 转子的转速 其单位为r r a i n 这里r 为转数 此外 铭牌上还标出定子相数 定子接法 绝缘等级 额定运行时的功率因数 效 率 温升等 6 浙江大学硬士学位论文 2 1 2 三相感应电动机工作原理 异步电动机是种交流电机 主要作为电动机用 异步电机运行时 在气隙中的旋 转磁场与转子绕组之间存在相对运动 依靠电磁感应作用使转子绕组中感应电流 产生 电磁转矩 从而实现机电能量的转换 由于转子的转速与旋转磁场的转速之间总是存在 差异 所以称它为异步电机 又因它的转子电流是靠电磁感应作用而产生的 因此 异 步电机也称为感应电机 三相感应电动机中实现能量转换的前提是产生一种旋转磁场 旋转磁场是种极性 和大小不变 且以一定转速旋转的磁场 在三相感应电动机的定子上装有对称j 相绕组 在圆柱体的转子铁心嵌有均匀分布的导条 导条两端分别用铜环把它们连接成一个整 体 当对称三相绕组接到对称三相电源以后 即在定子 转子之间的气隙内建立了以同 步转速喝旋转的旋转磁场 由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割 根据电磁 感应定律 转子导条内会产生感应电势 因为转子上导条已构成闭合回路 转予导条中 就有电流通过 如不考虑导条中电流与电势的相位差 则电势的瞬时方向就是电流的瞬 时方向 根据电磁力定律 导条在旋转磁场中 并载有由感应作用所产生的电流 这样 导条必然会受到电磁力 电磁力的方向由左手定则决定 转子上所有导条受到的电磁力 形成一个逆时针方向的电磁转矩 于是转子就跟着旋转磁场逆时针旋转 其转速为n 如转子与生产机械连接 则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功 从而实现能 量转换 在一般情况下 感应电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速 总是略小 于确 即与旋转磁场 异步 的转动 转速玮与疗之差称为 转差 转差 啊一n 的存 在是感应电机运行的必要条件 2 1 3 三相感应电动机工作特性分析 感应电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下 电动机的主要物理量 转差 率 转矩 电流 效率 功率因数等随输出功率变化的关系曲线 如图2 1 所示 1 转差率特性感应电动机空载时 县 0 则 m o 电动机只需很小的转子 电流 因此 p 2 很小 而只 p c 2 故由s p c 2 圪可见 当最 o 时 s z 0 随 着负载功率只 肘 q 的增加 要求感应电动机供给更大转矩 故电磁转矩 a t m 如也增加 由感应电动机稳态运行的机械特性可知 s 是随着 的增加而 浙江大学硕士学位论文 增人 因此 只增大时 s 也增大 转差率特性是一条略微上翘的曲线 2 转矩特性感应电动机轴端输出转矩m 只 f 2 由于电动机从空载变到额定负 载的范围内 转速 仪略有减小 所以输出转矩特性益线足一条接近直线略微上翘的曲 线 3 定子电流特性空载时 z l 随着负载的增加 s 增大 转子电流 增加 根据磁动势平衡关系 定子电流负载分量也随之增加 因此 定子电流特性曲线是一条 不经过原点的上翘曲线 4 功率因数特性空载时 定子电流基本上用来产生主磁通 有功功率很小 功率 因数也很低 随着负载电流增大 输入电流中的有功分量也增大 功率因数逐渐升高 在额定功率附近 功率因数达到最大值 5 效率特性空载运行时 输出功率b 0 故效率叩 0 随着负载逐渐增加 总 损耗增加较慢 则效率上升很快 当负载增大到使可变损耗等于不可变损耗时 效率达 到最高 若负载继续增大 由于铜耗增加很快 与负载电流的平方成正比 将使得效 率下降 感应电动机额定效率值在7 4 9 4 之间 最大效率的转速发生在 0 7 1 0 倍 额定转速处 p w 图2 1 三相感应电动机的工作特性 2 2 感应电动机的稳态等效电路 2 2 1t 形等效电路模型 当三相交流感应电动机的定予绕组接到三相对称的交流电源时 将在气隙中产生旋 8 浙江大学硕士学位论文 转磁场 根据磁通经过的途径和性质 如图2 2 a 所示 可以把磁通分为主磁通和漏磁 通两大类 主磁通是指同时与定 转子绕组交链 在气隙中以同步转速旋转的基波磁通 由于 这部分磁通同时交链定 转子绕组 存定转子绕组产牛感应电势 进行能量转换 故称 其为主磁通 感应电动机的主磁通是旋转磁通 其磁密波延气隙圆周按正弦规律分布 且以同步转速旋转 其值的大小代表磁密波每半个波的磁通量 漏磁通是指仅与定子绕组或转子绕组一方交链的磁通 定子绕组的漏磁通分成三部 分 一部分为槽漏磁通 一部分为端部漏磁通 另一部分为谐波漏磁通 槽漏磁通是指 横穿定子槽的漏磁通 端部漏磁通是指与定子绕组端部交链的漏磁通 谐波漏磁通是指 气隙中除主磁通 基波磁通 外的谐波磁通 又称差漏磁通 同样 转子绕组的漏磁通 也包括槽漏磁通 端部漏磁通和谐波磁通 a b 图2 2 感应电动机的磁通和t 形等效电路 如图2 2 b 所示 感应电动机t 形等效电路的左边支路表示定子电路和定子漏磁路 其中定子每相电阻 是表征定子铜耗的参数 定子每相漏电抗五 是表征定子漏磁路特性 的参数 中间支路表示主磁通磁路 其中励磁电抗靠和励磁电阻 是表征主磁通磁路 上 铁心的磁化特性及铁损耗的两个参数 右边支路表示转子电路和转子漏磁路 其中转 子每相电阻 是表征转子铜耗的折算后参数 折算前为巧 即把实际转子绕组折算为 一个m 0 2 c o l 屯 丸 的仍以转速 旋转的等效绕组 以 也t 吒 而转子每相漏 电抗x 乙是表征转子漏磁路特性的折算后参数 折算前为x 2 同理可知z k e k x 图2 2 b 中转子电流 流过纯电阻字t 产生的电阻损耗m 厶2 字 代表电机中 浙江大学硕士学位论文 总机械功率 因此等效电路中的纯电阻 m s 实际是一个以电工率损耗的形式来模拟异 s 步电动机总机械功率的模拟电阻 2 2 2 集肤效应对转子阻抗影响的分析及修正 随着电机转速的f 降和转子电流频率的升高 转子导条的涡流效应将使得转了电流 被挤向导条的上层 导致导条中的电流分布不均匀 这就是集肤效应 集肤效应引起转 子电阻的增加和转子漏电抗的减少 所以感应电动机的转子绕组参数在不同转差频率下 实际上是变化的 为提高计算精度 需考虑集肤效应的影响 因此 对转子阻抗的辩识需增加修正系 数七 k 从前面的分析可知 转子的电阻和电抗分别是 和t 的函数 而女 和七 在 电机总的起动过程中并不为常数 由于感应电动机在起动过程中转予电流的频率从 频 逐渐减小到几个赫兹 集肤效应由强到弱 起动电流逐渐减小 因此 和女 不断变化 引起转子绕组的电阻和电抗在不断变化 但正常运行以后 这两个影晌可以忽略 f i 计 t 和 近似为1 转子绕组的电阻和电抗可以认为是恒值不再变化 厂 a b c 图2 3 常见感应电动机转子槽形 浙江大学硬士学位论文 常见感应电动机转子槽形如图2 3 所示 组成槽的基本单元块有二种形式 梯形 矩 形块可作为其特例 口朝上的半圆 口朝下的准半圆 指半圆中有一平顶 一般小容量电机采用 a b 所示之梯形槽或梨形槽 中容量电机多采用 c d 所示之深槽鼠笼槽形及凸形槽 e 和 f 为双鼠笼槽形 而对于绕线式的转子 槽形基 本卜以矩形槽为主 可以看到 它们都可经有限分割分成前文提到的几种基本形状 我们拟采用以下方法 其基本思想是通过剖分转子槽形 计算实际的功率和电感 储能而获得k k 将转子槽先分块再分层 以计算各层中实际电流为基础 根据导 条损耗求出导条电阻 根据槽漏磁场能量求出槽漏感 注意到所计算的是在集肤效应下 的各层的实际电流 而集肤效应又与交流电频率有关 因而 所计算得出的参数就已计 及了集肤效应的影响 这种计算方法 通过槽的分块 把所有的转子槽形分成梯形和半 圆形等基本形状 解决了通用性问题 通过分层则考虑了不同槽形不同频率下的集肤效 应 提高了计算准确性 这样求得的不同频率下的电阻和漏感 再除以直流电流下相应 的值 得出不同频率下集肤效应对电阻 漏抗等参数影响的系数 这些系数可以放入表 格 在程序中通过查表法等使用 在计算各层参数时 作出如下假设 1 不计铁心磁阻 即认为磁势全部消耗在转 子槽中 2 槽中的磁力线与槽的对称中心线垂真 各块中矩形层的高度为此层所在单元块的高度除以该块中所要分的层数 矩形层的 宽度为该层的中位线处所对应的槽宽 己知某单元块的形状特征 相关尺寸及所要分的 层数 则不难根据简单的几何关系求出各矩形层的高度h i 与宽度 1 第i 层导条电阻 第i 层导条已等效成矩形导条 其电阻为 r 一 2 2 嵋吩 式中f 为转子导条的轴向长度 p i 为第i 层导条电阻率 2 第i 层导条自漏感 第i 层导条自漏感为 铲似砉 薹 静 c z 叫 渐讧大学硕士学位论文 式中 为转子导条的磁导率 若交流电的频率为 则第i 层导条的自感漏抗为 x 2 7 r f l 2 4 3 第i 层导条与第j 层导条的互感漏抗 从槽底向槽顶第i 层导条与第j 层导条互漏感分j i 两种情况考虑 其表达 式为 m u x s 2 疗刀毛 4 各层电流值 ji i 2 5 i j 2 6 分为n 层后 各层间仍然相互并联 这样 n 层导条就构成有2 个节点 n 条支路 的网络 因并联的各层导条两端电压相等则有下列矩阵方程 z 1 1z 1 2 z 2 1z 2 2 z l z 2 z n lz n z n n u u u 2 7 式中丘 厶 为各层导条电流 d 为端电压 z j 为第i 层导条自阻抗 z o 为第i 层导条和第j 层导条间互阻抗 从上式可以看出 厶 l 厶均可用第1 层电流表示 而流过导条的总电 流为各层电流之和 则总电流也可用第l 层电流表示 因此 各层电流之阃的比值只与 导条的材料 形状及流过电流的频率有关 而与电流的大小无关 进一步分析可知 集 肤效应系数同样与电流大小无关 为计算的方便且不失一般性 可令第1 层电流为1 则其它各层电流不难从方程式求得 5 集肤效应系数 根据已求出的备层电流可知流过导条的总电流为 丘 2 8 生 魄一 一 生弛 虿 浙江大学硬士学位论文 小计集肤效应时导条总损耗为 p j 1 2 r 2 9 式中r 为每槽中导条的总电阻 不考虑端环处电阻 计及集肤效应时 导条的总损耗为每层损耗之和 即 p 露 2 1 0 所以电阻增大系数为 k p 2 1 1 不计集肤效应时 电流在导条截面上均匀分布 各层电流相位相同 有效值与该层 面积成正比 在已知总电流 总面积及各层面积的情况下 不难求出各层电流有效值 其大小分别用 表示 第i 层导条中位线处磁力线所包围的电流有效值 为 y k i l k 2 1 2 k l 二 总漏磁场能量 圭喜丛w 切d 2 2 13 计及集肤效应时 与第i 层导条中位线重合的磁力线所包围的电流为 每 丘 寺t 2 1 4 女 i z 总漏磁场能量 形 互1 台u i i m h 2 2 1 5 所以漏电感减小系数 kx 石w 2 16 2 瓦 在考虑集肤效应影响的情况下 修正后的感应电动机t 形等效电路如图2 4 所示 浙江大学硕士学位论文 王一 t 一三矗 x 2 r 广r r v l 厂 厂 一r l r 弋一 l j j 2j i l j 一 卜叫 水 爿 2 3 感应电动机功率传递与损耗 从电机学可以得知 电机在能量转换过程中 在电机内部必然产生各种损耗 这些 损耗是 1 定子绕组铜损耗p m 砰1 2 转子绕组铜损耗p m 1 鬈 3 铁芯损耗p n m l 4 电机旋转时 由轴承摩擦和通风引起的机械损耗 5 由于定 转子齿槽的相对运动以及磁场中的高次谐波分量的影响 在定 转子铁 芯中产生附加损耗p 感应电动机的功率传递过程可用图2 5 表示 图2 5 异步电动机功率图 由电网输入感应电动机定子的功率只为 只 m 1 u 厶c o s 仍 2 1 7 式中脚l u i c o s 仍分别为定子相数 定子相电压 相电流和功率因数 1 4 浙江大学硬士学位论文 从只中扣除定子铜耗p 和铁耗p 之后 余下的功率乙通过电磁感应作用借助气 隙磁场传递到转子 因此称 k 电磁功率 故柯 只 只一 一p 朋 2 r 2 2 1 8 j 电磁功率p 卅扣除转子铜耗p 之后 余下的功率全部转化为机械功率只 称为总 机械功率 即 只 1 s 乙 2 1 1 2 1 0 j 从以上介绍可知总机械功率是电磁功率的 1 一s 部分 而转子铜耗则是电磁功率 很小的8 部分 所以转予铜耗也称为转差功率 总机械功率再扣除机械损耗p 和g i n 损耗p 后才是电动机轴端输出的净机械功 率 即 b 只 p 一p d 2 2 0 综上所述 电动机由电网输入的电功率在扣除电机内部五项损耗之后才转变为从轴 端输出的机械功率 故有功功率平衡方程式为 弓 昱 p l p n 口曲2 p 雕 p d 2 2 1 2 4 定子绕组直流电阻的测量原理 对于已制成的感应电动机 等值电路的参数可以通过空载和短路 堵转 实验柬测 定 但在实验前必须测取定子每相绕组的电阻 当定子绕组通交流电时 由于存在着集 肤效应 其电阻值要高于直流电阻值 这对于槽形深而长的线圈边特别明显 因此一般 要将所测得的直流电阻值增加5 1 0 在测取直流电阻值时 要取三组以上的数据 然后算出平均值 由于测取的是每相的电阻值 所以测量时要根据定子三相绕组的不同 接法来取值 在图2 6 a 接法中 可以直接从端接上测取各相的电阻 即 氅 出 在图2 6 b 中 一 7 一 2 i c 在图2 6 c 中 从端接上测取的两相电阻 故每相直流电阻为 从端接上测取的三相混联的电阻 故每相直流电阻为 2 2 2 2 2 3 浙江大学硬士学位论文 一3 一瓦 a 22 4 b c 图2 6定子电阻的测量方法 于是定子每相绕组的交流电阻为 1 0 5 1 1 0 r d o 再折算到标准温度7 5 则 7 5 2 历丽 式中0 一室内温度 2 5t 形等效电路参数辨识原理 2 5 1 感应电动机堵转方法的实现 2 2 5 2 2 6 通常情况下 三相供电电源以及三相感应电动机均为对称的运行情况 但是 电机 在运行中有时会遇到供电电源三相不对称 或电源对称而定子或转子绕组断线造成电机 本身不对称的情况 分析三相感应电动机在不对称电压下运行的基本方法是对称分量 法 即将不对称电压分解为正序分量 负序分量 零序分量的三个对称的三相系统 然 后分析电机在各分量单独作用下所得结果 再把它们叠加起来就得到电机在不对称电压 下的实际运行情况 在不对称电压下运行时由于负序磁场的存在 致使电动机最大转矩 减小 过载能力降低 定 转子铜耗增加 效率降低 温升提高 因此感应电动机不允 许在常期严重不对称电压下运行 但合理有效的利用电机的不对称运行可以达到即不损 坏电机又能事半功倍的效果 由对称分量法可知 任意不对称的三相相量 疙 疙 见图2 7 a 可分解为 三组相序不同的对称分量 浙江大学硬士学位论文 1 正序分量宽 疙 丘 见图2 7 b 2 负序分量e 圪 e 见图2 7 c 3 零序分量e e 戽 见罔2 7 d 2 a 即存在如下关系 c f o f o l f 0 2 f o o f b e l 圪2 圪o c 疋1 c 2 疋o c f 1 1 图2 7 三相不对称向量分解为对称分量 每 组对称分量之间的关系为 矗 p f 0 1 口2 岛 矗 e 0 0 岛 哦 庶2 p 删 j 0 2 玎览2 览2 e f 0 2 口2 疙2 吒o c o r o o 式中复数算符 1 7 r 2 2 7 2 2 8 浙江大学硕士学位论文 山o u 一圭 一 孚 扛 4 纠 p 等 a 2 d 1 0 将式 2 2 8 代入式 2 2 7 中可得 e 巧 e 111 口2a1 口a 21 c c e 式中系数矩阵是非奇异的 它的逆矩阵存在 所以有 e c e 1aa 2 1a 2a 11l e 圪 c 2 2 9 f 2 3 0 1 2 3 1 任意三相不对称的电压或电流都可咀用式 2 3 1 求出他们的正序 负序和零序电压 或电流分量 已知三序分量时 可用式 2 3 0 合成三相相量 在电机测试现场 电机的堵转通常无法通过调压的办法实现 我们采用如图2 8 所 示方法 将三相定子绕组串接 a b 两相正串 c 相反串 接3 8 0 v 交流电源 由于此 时通过三相定子绕组上的电流在时间上的不对称 不能产生旋转磁动势和建立旋转磁 场 因此不能在转子绕组中感应出三相对称电流和旋转磁动势 也就不能产生电磁转矩 驱动转予旋转 从而实现了电机的堵转 同时 三相绕组的串接起到了分压作用 降低 了加在定子每相绕组上的电压和电流 避免过大的冲击电流对电机造成的损坏 减小了 转子铁耗 图2 8 堵转的实现方法 下面我们用对称分量法对上述堵转实验进行分析 如图2 8 所示 有l 厶 一 设 一j j 由于堵转时转差率s 1 所以等效阻抗为 1 8 坠 浙江大学硬士学位论文 z 1 j x l x 2 根据式 2 3 求得电流 的正序 负序 零序分量 一 舯 l 3 1a 1 盯2 ll 1 3 1a 1a 2 1l 根据t 形等效电路图及式 2 3 2 得 乩 u 一 u o 卜 睡 凡 1 口一目2 1 口2 一日 1 z d 0 0 一 吼 3 z j z j 根据 2 2 8 式得 d a 2 日2 d 一 2a 1 a t 22 w z d 一 口0 月一 j 1d 1 n 2 一 z d 0 j z 驴 0 0 b u 1 口 2 a 3 a i z 0 c 口0 l a 1 a a2 z 0 一 z 0 一 晏口z 1 z 一口 j z d 0 昙j z 1 d 日2 l d 一a 1 吼 0 以一 口 1 口 2 a 2 2 a 3 a 4 j z 0 吼 吼一0 3 z 当定子绕组接3 8 0 v 交流电时 通过定子绕组的相电流为 t 3 8 0 拈1 3 3 2 8 0 2 3 2 2 3 3 2 3 4 f 2 3 5 2 3 6 2 3 7 f 2 3 8 f 2 3 9 2 4 0 由于正序分量是对称分量 所以 将采样来的电压 电流数据进行正序分量分离后 1 9 k h 一 lpiijiiijjr 矿 盯 以 k k rjiiiiiiiiiiiiiiiiikj 矿 口 浙江大学须士学位论文 根据堵转时t 形等效电路模型 可求出折算后的转予电阻和转予漏抗值 2 5 2 短路实验 短路实验的目的是确定等值电路短路阻抗 实验在转子堵住不转的情况下进行 图2 9 堵转时 异步电动机t 形等效电路 堵转时 o j 1 上 0 所以转子实际上是短路 此时由于转子漏阻抗z 比 激磁阻抗z 卅要小很多 因此在测定阻抗时 可以将激磁支路看成开路 堵转实验等值 电路如图2 9 所示 1 a a 2 j 2 4 1 阢 1 a a 2 驴l 2 4 2 由于堵转时p m o p a a 0 根据堵转实验测得的额定电压时的堵转电流l 以及 经全周波富氏算法求出的功率因数角口 得 3 u c o s o t 3 坛 3 珐砟 2 4 3 生竺掣 2 4 4 疗 3 u l l k s i n t z 3 1 2 x l k x x 2 2 4 5 基于传统的估算方法 0 5 玉 屹 昂 l o o k w 0 5 7 x l x 2 晶 1 0 0 k w p 4 5 2 4 6 0 6 7 x 1 x 目 1 0 0 k w 坼 l 2 3 本次实验选用电机目 1 0 0 k w 坼 2 浙江大学硕士学位论文 所 鬻 u l s i n o r a 2 唷历赢 2 5 3 机械损耗和附加损耗的确定 附加损耗 2 4 7 2 4 8 近年来 国际电工委员会 i e c 参考美国i e e e l l 2 b 方法已制定了一个新的电动机 效率实验方法标准 标准号为i e c 6 1 9 7 2 该项工作自1 9 9 6 年起动 于1 9 9 8 年提出草 案 c d 文件 经过近5 年的工作 终于在2 0 0 2 年1 1 月获得批准 称为i e c 正式标准 颁发 该标准具有方法i 和方法2 两种 前者与i e e e l l 2 一b 方法基本相同 用输入输出 法测定附加损耗 所不同处是铁耗试验方面做了些修改 使更接近实际情况 方法2 是仍对附加损耗采用了一假定值 其数值与电机输出功率有关 在电动机功率为l k w 时 p 假定为2 5 输入功率 到l o k w 时 p 降至2 到l o o k w 时降至1 5 到 1 0 0 0 k w 时降至1 而到i o m w 时降至0 5 这里我们采用了方法2 来确定附加损耗l l 由于实验用电机为2 2 k w 所以取p 2 5 鼻a 机械损耗 由于油田用电机与普通地面三相感应电动机结构不同 不能在电磁设计程序手册中 查到相应的油田用电机机械损耗公式 在以往的计算中 通常用机械损耗占电机总损耗 4 的近似值进行估算 这样一是数据不准确 二是估算没有理论根据 为此 本文采 用计算油田用电机机械损耗的近似公式 1 8 1 以解决机械损耗的问题 由分析可知 油田用电机其机械损耗由三部分组成 a 止推轴承动 静块的摩擦损 耗所 b 转子与润滑油的摩擦损耗p c 扶正轴承摩擦损耗乃 将以上三部分损耗相 加 得油田用电机总机械损耗 当运行温度为5 0 0 c 时 乃 乃 办 o 8 5 9 1 0 3 2 6 1 以 厄 1 0 o 8 5 9 1 0 5 4 2 5 q t i 扼 1 0 2 4 9 2 1 浙江大学硬士学位论文 肖运行温度为1 0 0 0 c 时 几 办 p 见 o 4 4 6 6 0 2 8 8 3 z 4 2 t 0 o 4 4 6 6 0 4 6 1 4 4 2 z 1 0 2 5 0 式中l 一转子长度 a m 2 5 4 空载实验 空载实验的目的是确定激磁参数乇 x m 实验是在转子轴上不带任何负载 定子绕 组接到额定频率的对称三相电源 取转子转速 喁的情况下进行的 空载时 n 码 j 0 生巧 可以认为转子实际上是开路 所以 空载时 j 感应电动机的等值电路如图2 1 0 所示 图2 1 0 空载时t 形等效电路 由于空载时b o p c o l 五 厶 根据空载实验测得的额定电压时的电压u 和 电流厶 以及经全周波富氏算法求出的功率因数角口 得 3 u l l o c o s a 3 矗a l 3 p r p p 耐 3 尼一 3 m p 耐 m 弛号产丛一一 由3 u z os i n z 3 1 2 0 x 得 x m s i n a l o 一 2 5 1 r 2 5 2 r 2 5 3 f 2 5 4 淅讧大学硕士学位论文 2 6 负载转矩和效率特性 感应电动机稳态运行时的损耗包括 铜耗 铁耗 机械损耗 杂散损耗等 f 而给 出了考虑电机铜耗和铁耗 机械损耗 附加损耗时 异步电动机的效率特性 其中 互 矗l 之 蔓 j 近 z m 扛 s z t z 1 z z l z z 感应电动机稳态运行时 电磁转矩为 耻s 肛崔簪 五 2 5 5 电机参数一定时 电机运行的效率只与负载转矩t 和电源频率z 有关 对于任一静 态工作点 负载转矩是确定的 所以可求得效率玎 由于b 厶一名 一己 一匕 3 四iz 埘f 2 i 乙1 2 s r 2 1 一s 一只 一只d 2 5 6 他心岈篙簪 椰 船带删叫半卜 c u 鼢 胁熹 南 驾黑茅旷 q 熹2 丽去丽2 且 杀杀 z s s 所以电机效率即为 7 王 p p o l 墨匕 只 吃 2 5 9 从而求出r 一疋关系曲线 t 形等效电路是串并联电路 复数运算比较麻烦 较准确r 形等效电路计算误差不 浙江大学硕士学位论文 大 计算比较简单 因此 程上普遍采用 一般感应电动机o l 1 x 靠的数值在 1 j j 0 8 范围内 并目 电机容量越大时q 越小 所以令0 1 l 即简化f 形等效电路 如图2 11 所示 图2 1 1 感应电动机的简化r 形等效电路 乙毋 讪 杀象 巴 只 一名 一只 一 i j i 辜朱 巧 1 一s 一己 一只 只 名 只 i j i 象 五 3 矸 3 f 2 6 0 2 6 1 蒜小 听c 南 南hq 尚 2 昧孝恭 青务 2 6 2 胁熹 赢 尝p 叩 鲁 觜 一 2 4 浙江大学硬士学位论文 至 二 塑 笠 c 考恭 斋务 2 6 4 淅江大学硕士学位论文 第三章感应电动机效率测试系统的硬件设计 3 1 系统硬件的总体设计 常用的单片机应用系统设计 往往都用一个c p u 加以一系列外围辅助电路以达到 相应的设计目标 这种设计方法在复杂的系统中要进行繁琐的译码 逻辑变换 使得系 统硬件电路复杂 调试困难 而采用双c p u 设计 两片c p u 可以根据系统的总体功能 要求进行合理的分工 采用并行处理技术 各自完成不同的控制和处理功能 可以适当 的简化硬件电路和软件资源的分配 设计也相对独立 程序的修改和移植也变的容易 从而适用于很多系统 在d s p 芯片没有得到广泛应用之前 双m c u 结构的测试设备占 据着主流 但是由于单片机的计算能力不强 特别是进行f f t 算法时 会出现计算速度 慢而影响实时性要求 而采用m c u d s p 的结构设计 就可以充分发挥d s p 芯片的运 算优势和m c u 的控制功能 系统中的复杂软件算法特别是数字信号处理算法就可以很 容易的得到实现 运算速度也得到了很大程度的提高 最大限度地提高了整个系统的效 率和性能 图3 1 测试仪器系统总体框图 根据上面的分析 本文提出如图3 1 所示的设计方案 此方案采用主从式系统硬件 设计 采用m c u d s p 的双c p u 并行处理技术 配以适当的外围接口电路来完成各项 浙江大学硕士学位论文 功能 主要包括数据采集单元 数据处理单元 d s p 单元 主机控制单元 m c u 单元 m c u 与d s p 的数据通讯单元和人机接口单元 交流电压 电流采样后 经过低通滤波 信号调理 再将其分别送入d s p 单元的a d d 接口进行运算处理 并通过s p i 串行外设 接i 与单片机串口进行通讯 实现快速数据交换 m c u 单元作为控制主电路完成人机 接几单元的控制管理功能 3 2 定子直流电阻测试单元 3 2 1 电阻测试原理与方法 电阻的数字化测量通常是将电阻转换为直流电压后进行数字化测量 由电阻变为电 压的转换器为欧姆一电压转换器 简称为欧姆转换器 欧姆转换器的种类很多 但可归 纳为以下几种 一 电桥法 电桥法测电阻是最常用的方法之一 它是将电阻的比较转化为电压的比较 最终电 桥平衡时得月 i r 2r 如果用比较器代替检流计对电桥平衡进行判断 以逻辑控制代 替手动操作 则可构成自动平衡数字电桥 实现电阻的数字测量 电桥法的缺点与普通 电桥一样 为了获得较高灵敏度需用大的电流 二 补偿法 补偿法克服了电桥法的缺点 可以在较小的电流下工作 灵敏度受电流的制约较小 补偿电路中有两个并联支路 一个由参考电势e 及参考电阻r 组成 另 个由可调电 源e 和被测电阻疋组成 其输出电压u 送至比较器与电压反比较 对一定的被测电阻 通过控制电路调节e 使达到e 0 便可得 b 去e 3 一1 于是 胄 可按一定比例以e 0 时的e 值来代表 三 比率法 比率法同经典的电位差计测电阻原理相同 即用同一电流流过被测电阻和标准电 浙江大学硬士学位论文 阻 则它们的压降比即为电阻比 只要在两次测量压降的过程中工作电流i 不变 则i 的大小不会引起测量误差 这就大大降低了对电流源的要求 并可最终用标准电阻r o 来 表征见之值 四 恒流法 恒流法的基本原理是让 个已知的标准恒定电流流过被测电阻r 则电阻两端的电 压己 正比于被测电阻 由于恒流法的方法不同 又可分为电位降法 比例运算器法 积分运算器法和自举法 综合阻上方法的优缺点 考虑到中小型电机定子绕组值较小 而电位降法较适合于 测量低值电阻 所以宜采用恒流法中的电压降法测定子绕组电阻 3 2 2 定子电阻测量电路设计 定子绕组电阻测量电路如图3 2 所示 1 2 v 图3 2 定子电阻测量电路 图3 2 中包括恒流源电路 绕组电压测量电路及绕组电流测量电路等 r z i r z 2 接 被测绕组 r u 对应绕组两端电压 对