基于LabVIEW的三相異步電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為了改進(jìn)傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足，本論文利用LabVIEW軟件，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先，確定了三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，分別是三相異步電機(jī)控制運(yùn)行方案和虛擬儀器測(cè)試方案；其次，對(duì)三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含數(shù)據(jù)采集方案分析以及空載實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程；最后，對(duì)整個(gè)三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)過(guò)程做了詳細(xì)的分析和說(shuō)明，對(duì)空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和概括。通過(guò)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)方面的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的電機(jī)實(shí)驗(yàn)方法相比，三相異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在采集和處理數(shù)據(jù)方面更加準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析與處理。

關(guān)鍵詞：labview；三相異步電動(dòng)機(jī)；空載實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.135

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是二十世紀(jì)八十年代末，由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instru-ments Corporation，NI）提出的新概念，它是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破。虛擬儀器技術(shù)通過(guò)利用高性能模塊化硬件，并且結(jié)合高效靈活的軟件，來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)最重要的組成部分，應(yīng)用在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中。虛擬儀器的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的儀器的使用方法，其采用可視化儀器界面進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，能完成工程數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。

傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)往往使用普通的電工儀器儀表，通過(guò)操作人員來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，電機(jī)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)比較多，隨著時(shí)間和環(huán)境的不同，電機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，給操作人員記錄數(shù)據(jù)、進(jìn)行整理數(shù)據(jù)、繪制電機(jī)特性曲線以及編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。都會(huì)帶來(lái)很大麻煩。新的電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的采用，能很好的解決上述的所有問(wèn)題。

基于虛擬儀器的三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)把控制、測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化，最大限度減少人為干預(yù)。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)出電機(jī)的機(jī)械特性和各項(xiàng)性能指標(biāo)。該電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，完全可以應(yīng)用于電機(jī)的教學(xué)中來(lái)。

1 三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本小節(jié)主要介紹基于LabVIEW的三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的電機(jī)控制運(yùn)行系統(tǒng)，虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能。

1.1 三相異步電機(jī)控制運(yùn)行系統(tǒng)方案分析

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的三相異步電動(dòng)機(jī)控制運(yùn)行系統(tǒng)，主要采用歐姆龍可編程控制器、三菱變頻器以及其它的電器控制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)軟件編程，硬件布線可以模仿各種類型轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，在堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)控制磁滯制動(dòng)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，并測(cè)試在堵轉(zhuǎn)過(guò)程電機(jī)的特性參數(shù)，通過(guò)參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)我們對(duì)三相異步電機(jī)系統(tǒng)的改造。如圖1所示為三相異步電機(jī)控制運(yùn)行系統(tǒng)方案圖。

1.2 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)方案分析

基于LabVIEW的測(cè)試系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件部分主要包括計(jì)算機(jī)、傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)控制裝置以及傳感器等；軟件系統(tǒng)一般用LabVIEW等，在虛擬儀器軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行編寫。

作為被測(cè)對(duì)象的三相異步電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們通過(guò)傳感器來(lái)獲取電機(jī)的各種參數(shù)，主要有電機(jī)的溫度、電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，將采集的信號(hào)進(jìn)行處理后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，最終送到計(jì)算機(jī)端口，計(jì)算機(jī)分析處理后，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及打印處理。如圖2所示為虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)

2.1 三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案分析

LabVIEW的電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，主要是在三相異步電機(jī)上裝上需要采集的信號(hào)傳感器，如采集電壓的電壓傳感器，采集電流的電流傳感器，采集轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，采集轉(zhuǎn)矩的壓力傳感器，采集溫度的溫度傳感器等，傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡MPS-010601的采集傳送到LabVIEW軟件程序系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以及保存存儲(chǔ)。

2.2 三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)施方案分析

三相異步電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)可以得出空載損耗P0與空載電壓U0曲線，還能得到電機(jī)的磁化曲線，即為空載電流I0和空載電壓U0之間的關(guān)系曲線，它能夠反映出電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、相關(guān)原材料質(zhì)量以及加工工藝的實(shí)際情況。例如鐵心材料的性能和幾何尺寸、定子繞組匝數(shù)及形式、定轉(zhuǎn)子氣息的大小等參數(shù)選擇得是否合理等。

①空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，待電機(jī)開始空轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，磨擦損耗達(dá)到穩(wěn)定值，測(cè)量其輸入功率，達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

②空載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)在額定工頻頻率下進(jìn)行，從1.2UN開始給定子繞組加電壓，逐步降低電壓值，直到轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯變化，空載電流到達(dá)不穩(wěn)定狀態(tài)為止。采集上述范圍內(nèi)的7—9組數(shù)據(jù)，如空載電流I0、空載電壓U0，空載輸入功率P0等。

③通過(guò)采集卡可以在前面板對(duì)上面采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)采集的點(diǎn)進(jìn)行曲線的繪制以及存儲(chǔ)。

④數(shù)據(jù)計(jì)算分析完成后，整理空載實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程分析

3.1 空載實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

電機(jī)測(cè)試電路連接好后，先將三相電壓調(diào)至最小，接通電路，再將電壓調(diào)到額定電壓220V，保證電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，空載運(yùn)行數(shù)分鐘后，使電機(jī)的機(jī)械損耗達(dá)到穩(wěn)定后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這時(shí)登錄LabVIEW三相異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，登錄成功后，點(diǎn)擊空載實(shí)驗(yàn)進(jìn)入空載實(shí)驗(yàn)前面板，我們就可以看到前面板上數(shù)據(jù)顯示控件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，這時(shí)將空載電壓調(diào)到額定電壓的1.2倍，點(diǎn)擊前面板上的數(shù)據(jù)采集按鈕，進(jìn)行第一次數(shù)據(jù)采集，我們逐步降低電源電壓，每降一次進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

這個(gè)計(jì)算是靠LabVIEW的算術(shù)運(yùn)算來(lái)自動(dòng)完成的。如圖3所示為空載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算程序圖，隨著電壓的逐步降低，我們共采集10組數(shù)據(jù)。

3.2 空載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以分析在三相異步電機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎接近同步轉(zhuǎn)數(shù)，將所測(cè)得數(shù)據(jù)中的空載電壓和空載電流輸入到LabVIEW顯示控件的XY圖表中，可以看到我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采集的點(diǎn)，并用這些點(diǎn)擬合的一條曲線。圖4所示為的特性曲線，圖5為 特性曲線。

3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)總結(jié)

電機(jī)在進(jìn)行空載運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流很小，所以轉(zhuǎn)子的銅耗可以忽略不計(jì)，即，這樣電網(wǎng)上的功率全部消耗在銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗上。另外由圖4-5可以看出，在圖的底部有個(gè)拐點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)下降到一定程度時(shí)，由于空載轉(zhuǎn)矩基本不變，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)急劇降低，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)差率s大幅增加，轉(zhuǎn)子電流會(huì)急劇增加，定子電流也會(huì)反而增大。開始出現(xiàn)空載電流隨端電壓降低反而增大的回升現(xiàn)象。我們根據(jù)三相異步電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)可以得出空載損耗P0與空載電壓U0曲線，以及空載電流I0和空載電壓U0之間的關(guān)系曲線，這兩條曲線能夠反映出異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、相關(guān)原材料質(zhì)量以及加工工藝的實(shí)際情況。例如鐵心材料的性能和幾何尺寸、定子繞組匝數(shù)及形式、定轉(zhuǎn)子氣息的大小等參數(shù)選擇得是否合理等。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)保存等多種功能于一身，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作模式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用了測(cè)試精度較高的儀器儀表設(shè)備，可以對(duì)轉(zhuǎn)速、功率、功率因素、電流、電壓、溫度等電機(jī)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以及多種特性曲線的繪制和數(shù)據(jù)的記錄、處理、保存等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有參數(shù)反饋功能，抗干擾性好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，另外該系統(tǒng)還具有擴(kuò)展功能，擴(kuò)展后能應(yīng)用于異步電機(jī)的負(fù)載實(shí)驗(yàn)、過(guò)載實(shí)驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、溫升實(shí)驗(yàn)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

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作者簡(jiǎn)介：崔屹嶸（1981-），男，陜西戶縣人，碩士，講師，主要從事儀器儀表、電氣自動(dòng)控制技術(shù)方面的教學(xué)研究工作。