電機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀的研制

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種實(shí)用的電動(dòng)機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀的電路、工作原理及其軟件配置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，本測(cè)試儀大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；單片機(jī)；綜合參數(shù)；精確度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.123

1 引言

電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試是對(duì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中有關(guān)參數(shù)及特性分析的綜合性實(shí)驗(yàn)，是電類專業(yè)一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。但在實(shí)驗(yàn)過程中，須紀(jì)錄的參數(shù)比較多，實(shí)驗(yàn)過程的接線比較復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)中存在的缺陷，對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來，接線簡(jiǎn)單，安裝方便。

2 測(cè)試儀的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)思路

電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要測(cè)試的主要參數(shù)有：加到電動(dòng)機(jī)定子繞組上的三相電源電壓：Ua、Ub、Uc；過電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流：Ia、Ib、Ic；電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫升：T；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：N；電動(dòng)機(jī)的功率及功率因數(shù)：P、Q、cosΦ。

為了能夠測(cè)試上述所有參數(shù)，在以前的實(shí)驗(yàn)過程中，需要進(jìn)行較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)接線，并且需要接入電壓表、電流表、功率表、轉(zhuǎn)速表以及溫度計(jì)等儀表。

根據(jù)上述所測(cè)試的參數(shù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，確定了總體設(shè)計(jì)方案，采用多位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示各被測(cè)參數(shù)，采用電壓、電流變送器實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的定子電壓、電流，采用光電傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用集成溫度傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的定子繞組的溫度。同時(shí)，通過電壓、電流的交流波形進(jìn)行相位比較，實(shí)時(shí)檢測(cè)功率因數(shù)角，并自動(dòng)計(jì)算出有功功率P及無功功率Q的數(shù)值。

3 系統(tǒng)組成框圖及工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，電動(dòng)機(jī)的三相電壓、三相電流分別經(jīng)電壓、電流變送器得到正弦交流信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路后送至多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，由單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由89C52單片機(jī)進(jìn)行處理，通過計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的電壓、電流的有效值，并送到LED數(shù)碼管顯示器上進(jìn)行顯示；采用光電傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)信號(hào)處理電路后送至單片機(jī)的定時(shí)技術(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；采用集成溫度傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的定子繞組的溫度；通過電壓、電流的交流波形進(jìn)行相位比較，實(shí)時(shí)檢測(cè)功率因數(shù)角，從而由單片及計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，并通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出有功功率P及無功功率Q的數(shù)值。

4 電壓、電流有效值的采集及處理

電壓、電流的測(cè)量是采用測(cè)量工頻正弦信號(hào)的峰值Um、Im的方法，由軟件將峰值轉(zhuǎn)換成有效值；電動(dòng)機(jī)的三相電流、三相電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路變?yōu)?～3V的正弦交流電壓信號(hào)，分別接至CD4051的IN0～I(xiàn)N5， CD4051通道控制由74LS573控制。CD4051的OUT端輸出的正弦交流信號(hào)經(jīng)過RC低通濾波后分為兩路，一路送至由LM358組成的過零比較器形成方波，另一路經(jīng)過D1半波整流后送ADC0809的IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。過零比較器輸出的方波的下降沿恰好對(duì)應(yīng)于交流信號(hào)的過零點(diǎn)， 從此點(diǎn)延時(shí)5ms后再啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，則A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是峰值Um。因此，將方波信號(hào)送至單片機(jī)的，下降沿到來后引起單片機(jī)中斷，在中斷服務(wù)程序中立即啟動(dòng)定時(shí)器T0定時(shí)5ms，當(dāng)T0定時(shí)到時(shí)，在T0的中斷程序中啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)測(cè)量的方法是由單片機(jī)控制循環(huán)接通每一路信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)T0定時(shí)5ms，在T0溢出中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

5 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

轉(zhuǎn)速的測(cè)量采用光電傳感器，即在電動(dòng)機(jī)的軸上安裝一個(gè)圓盤，圓盤上開有一系列孔，光電傳電器的發(fā)光二極管與光敏三極管分別安裝在圓盤的兩側(cè)，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光通過開孔時(shí)被光敏三極管收到，光敏三極管導(dǎo)通，輸出低電平。當(dāng)無開孔時(shí)光敏三極管不導(dǎo)通，輸出高電平，即當(dāng)有一個(gè)開孔通過光電傳感器時(shí)，光電傳電器輸出一個(gè)脈沖。因此，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過檢測(cè)光電傳電器輸出的脈沖的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

設(shè)圓盤上開孔的個(gè)數(shù)為P，則電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，光電傳電器輸出P個(gè)脈沖，設(shè)定時(shí)時(shí)間為1S，在1S內(nèi)計(jì)數(shù)器共計(jì)了N個(gè)脈沖，則：

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)/分。

6 功率因數(shù)的測(cè)量及有功功率、無功功率的計(jì)算

假設(shè)Uv為正弦交流電壓，Ui為同一相正弦電流變換而成的電壓波。Uv與Ui分別經(jīng)過過零比較器后分別產(chǎn)生方波U1、U2，兩方波信號(hào)經(jīng)過與門相與后形成方波信號(hào)U3，電壓與電流的相位差φ與方波U3的寬度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即方波的寬度為T-φ，其中T為正弦交流信號(hào)的周期的一半，即10ms。當(dāng)U3的上升沿到來時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，U3的下降沿停止計(jì)數(shù)，設(shè)T1的計(jì)數(shù)值為N，對(duì)于12MHz的晶振，機(jī)器周期為1μS，則，計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為TN。則，相位差φ對(duì)應(yīng)的時(shí)間：Tφ=10ms-TN；，所以：Φ=18 Tφ，求出功率因數(shù)。對(duì)于有功功率P和無功功率Q可通過計(jì)算求出：P=UIcosφ，Q=UIsinφ。

7 結(jié)論

電動(dòng)機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中接線麻煩、測(cè)試項(xiàng)目少、測(cè)試精度低等缺點(diǎn)，使學(xué)生能對(duì)電機(jī)參數(shù)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：宋吉江（1963-），男，山東威海人，教授，研究生導(dǎo)師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)科研工作。