啟動電壓對異步電動機轉矩轉速特性的影響分析

陳凱 程維明 姜拴雷

摘 ?要： 實現動態無載法對異步電動機轉矩轉速特性的測取，根據GB/T1032-2012《三相異步電動機試驗方法》最大轉矩轉換公式，將不同試驗電壓下最大轉矩轉換至額定電壓最大轉矩并搭建一套異步電動機轉矩轉速特性測繪試驗平臺。試驗通過單片機對電動機轉速信號進行采集，MATLAB軟件對其進行數據處理，繪制轉矩轉速特性曲線。通過調壓器調節輸入電壓，分析不同電壓下電動機轉矩轉速變化特性。試驗表明，利用動態無載法測得最大轉矩與最大轉矩保證值誤差為6%。

關鍵詞： 啟動電壓;轉矩轉速特性;動態無載法

中圖分類號： TM343 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.032

本文著錄格式：陳凱，程維明，姜拴雷. 啟動電壓對異步電動機轉矩轉速特性的影響分析[J]. 軟件，2020，41（01）：148151

【Abstract】： The dynamic no-load method is used to measure the torque and speed characteristics of asynchronous motor. according to the GB/T1032-2012 test method of three-phase asynchronous motor > the maximum torque conversion method， the maximum torque under different test voltages is converted to the maximum torque of rated voltage， and a set of test platform for mapping torque and speed characteristics of asynchronous motor is built. The motor speed signal is collected by single chip microcomputer， and the data is processed by MATLAB software， and the torque and speed characteristic curve is drawn. The input voltage is adjusted by the voltage regulator， and the torque and speed variation characteristics of the motor under different voltages are analyzed. The test results show that the dynamic no-load method is used to measure the results. The error between the maximum torque and the maximum torque guarantee value is 6%.

【Key words】： Starting voltage; Torque speed characteristic; Dynamic no-load method

0 ?引言

電動機轉矩轉速特性是電動機一項重要特性，轉矩轉速特性曲線的形狀及曲線中的起動轉矩、最小轉矩、最大轉矩等參數，往往是衡量一臺電動機能否順利起動和穩定運行的指標，因此，準確測取轉矩轉矩轉速特性曲線對電動機的質量判斷具有重要意義[1-3]。

轉矩轉速特性曲線的測取方法主要包括兩種，分別是穩態法和動態法。穩態法是利用測功機等設備，在電動機穩定運行后，逐點加載，測量每個負載點的穩態參數，再逐點描繪出被試電動機轉矩轉速特性曲線，如以ZZ系列磁粉制動器作為負載，可以保證加載的均與性與穩定性[4，5]。動態法是在電動機啟動過程中，給被試電動機連續加載，利用轉矩轉速傳感器等設備，對輸出的轉矩、轉速信號進行處理，放大后上傳至計算機，直接繪制轉矩轉速特性曲線，如通過改變負載電動機的頻率，實現連續加載的過程，對降速與升速階段的轉矩通過取轉矩平均值得到轉矩轉速特性曲線[6，7]。穩態法測試精度相對較高，但試驗的要求也高，尤其在電機加載過程中電機的溫度升高，須實時檢測電機溫度變化[5]。動態法，因負載電機須與轉矩轉速傳感器及被試電機同軸，不同被試電動機的同軸度保證，需要試驗人員具有一定的經驗，多次檢測誤差較大[8，9]。

本文在動態法基礎上，提出了用動態無載法測試電動機的轉矩轉速特性。利用電動機轉矩與角加速度的正比關系，通過測取電動機主軸瞬時轉速，由此求得瞬時角加速度，在此基礎上計算出轉矩轉速特性。

1 ?測試原理

1.1 ?測試方法

通過查Y系列三相異步電動機詳細參數-1表[11]，電動機自身的轉動慣量理論值為0.0027 kg?m2。對于聯軸件的轉動慣量，將其看作由不同直徑和長度的圓柱體疊加而成。根據公式（3）計算，聯軸件的轉動慣量為0.000088 kg?m2，則測試系統的總轉動慣量為0.002788 kg?m2。

2.2 ?信號采集

試驗系統信號采集采用上位機與下位機結合方式，下位機采用單片機stm32f407，上位機采用PC機。系統信號采集如圖3所示，編碼器隨主軸旋轉并輸出穩定脈沖信號，脈沖信號傳送至stm32f407單片機PA0端口，利用定時/計數器的輸入捕獲功能檢測脈沖上升沿。每檢測到一個上升沿為記錄一個脈沖，在設定的時間內記錄的脈沖數寫入內存。啟動過程中，設定的時間相同即相同的時間內采集脈沖數，啟動結束后，把內存中多個脈沖數一同傳送至上位機，在上位機MATLAB[12]平臺上轉換為時間、轉速、轉矩等參數。

2.3 ?軟件實現

軟件程序包括兩個部分，分別是下位機程序和上位機程序，下位機stm32f407單片機利用IAR開發環境，使用C語言[13]編寫主程序和中斷子程序。主程序流程框圖如圖4，主要實現系統初始化、定時器賦初值、設定相同時間（如1 ms）、相同時間內脈沖數存儲及向上位機發送數據功能。子程序流程框圖如圖5，主要實現定時器2檢測脈沖信號并存儲脈沖數目功能。上位機采用MATLAB平臺接收數據，將接收數據轉換為轉速、轉矩等參數。圖6為上位機程序功能示意圖，計數每1 ms內脈沖數并轉換為每1 ms的瞬時轉速，繪制轉速時間曲線，經過微分求導獲得加速度，結合轉動慣量理論值算得轉矩，從而繪制轉矩轉速特性曲線。

3 ?測試結果及分析

試驗時，通過調壓器降低電動機的輸入端電壓，減少溫度對試驗結果的影響。經過多次輸入不同端電壓的試驗，電動機無載啟動時間如表1所示。

上位機通過串口接收啟動過程中采集到的脈沖數目并轉換為轉速、時間等數據，經過多項式擬合、微分求導得到電動機加速度、轉矩等重要參數，并繪制轉矩轉速特性曲線。試驗中，根據實測178 V、190 V、199 V電壓下轉矩，繪制如圖7所示不同啟動電壓下轉矩轉速特性曲線。

根據GB/T1032-2012《三相異步電動機試驗方法》中最大轉矩轉換至額定電壓下最大轉矩公式[14]如式（5），不同啟動電壓下的最大轉矩及對數值如表2所示。

擬合轉矩對數與電壓對數關系如公式（6），繪制最大轉矩值lg曲線，如圖8所示。延長線段至額定電壓對數，對應最大轉矩值對數點。

根據公式（5），當U為380 V時，Tmax為 ? 22.04 N?m。根據被試電動機的銘牌，額定轉矩為10.2 N?m，則試驗最大轉矩是額定轉矩的2.16倍。因該電機根據JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相異步電動機技術條件》設計、生產，最大轉矩與額定轉矩之比保證值為2.3[15]。則利用動態無載法測得最大轉矩與技術條件標準給定最大大轉矩相對誤差為6%，表明了動態無載試驗法是有效的。

4 ?結論

通過電動機動態無載啟動試驗，應用高分辨率編碼器實現電動機轉速脈沖采集，利用單片機的高速脈沖捕獲功能，上位機MATLAB平臺對數據處理，實現了轉矩轉速特性曲線的測取。通過在不同電壓下的轉矩，采用最大轉矩、電壓取對數法轉換到380 V電壓的最大轉矩值，與JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相異步電動機技術條件》最大轉矩的相對誤差為6%，表明了動態無載試驗法檢測轉矩轉速特性的有效性。

參考文獻

[1] 宋巧紅. 三相異步電動機的機械特性、啟動、制動與調速[J]. 內燃機與配件， 2018（4）： 91-92.

[2] 吳洪成， 吳大偉. 異步電動機的機械特性及其應用分析[J]. 機電信息， 2016（33）： 130-131.

[3] 李拓， 杜慶楠. 基于TMS320F28335的三相感應電機矢量控制系統的研究[J]. 軟件， 2018， 39（3）： 130-135.

[4] 劉振， 湯漾平， 馮清秀. 基于PC的電動機機械特性自動測試系統[J]. 機電工程， 2010， 27（8）： 26-29.

[5] 張銳， 王劍平， 楊曉洪. 基于改進SRUKF的感應電機直接轉矩控制[J]. 軟件， 2018， 39（4）： 56-62.

[6] 王傳軍， 童陟嵩. 對數曲線法求取異步電動機最大和最小轉矩[J]. 電機技術， 2012（5）： 6-8.

[7] 程捷. 三相異步電動機測試與分析系統的開發與研究[D]. 青島科技大學， 2017.

[8] 張源. 基于DSPACE的異步電動機新型控制策略研究與應用[D]. 青島大學， 2015.

[9] 張浩軒， 谷立臣， 田晴晴. 基于虛擬儀器的轉矩轉速監測系統設計[J]. 儀表技術與傳感器， 2016（3）： 38-40+107.

[10] 李浩， 戴志濤. 基于異構多核的H.264編碼器研究與實現[J]. 軟件， 2015， 36（1）： 110-115.

[11] 陸峰. Y系列三相異步電動機詳細參數-1[DB/OL]. https：//jz. docin.com/p-679140523.html.

[12] 雒明世， 張倩琳. 基于MATLAB的OFDM系統仿真與教學研究[J]. 軟件， 2015， 36（6）： 152-157.

[13] 汪友生. 電類非計算機專業C語言程序設計實驗教學研究[J]. 軟件， 2018， 39（3）： 99-101.

[14] GB/T1032-2012： 三相異步電動機試驗方法[S]. 2012.

[15] JB/T10686-2006： YX3系列高效率三相異步電動機技術條件[S]. 2006.