啟動電壓對異步電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的影響分析

陳凱 程維明 姜拴雷

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

關(guān)鍵詞： 啟動電壓;轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性;動態(tài)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性是電動機一項重要特性，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺電動機能否順利起動和穩(wěn)定運行的指標，因此，準確測取轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線對電動機的質(zhì)量判斷具有重要意義[1-3]。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的測取方法主要包括兩種，分別是穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是利用測功機等設(shè)備，在電動機穩(wěn)定運行后，逐點加載，測量每個負載點的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，再逐點描繪出被試電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(wěn)定性[4，5]。動態(tài)法是在電動機啟動過程中，給被試電動機連續(xù)加載，利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等設(shè)備，對輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號進行處理，放大后上傳至計算機，直接繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線，如通過改變負載電動機的頻率，實現(xiàn)連續(xù)加載的過程，對降速與升速階段的轉(zhuǎn)矩通過取轉(zhuǎn)矩平均值得到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線[6，7]。穩(wěn)態(tài)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(tài)法，因負載電機須與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(jīng)驗，多次檢測誤差較大[8，9]。

本文在動態(tài)法基礎(chǔ)上，提出了用動態(tài)無載法測試電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。利用電動機轉(zhuǎn)矩與角加速度的正比關(guān)系，通過測取電動機主軸瞬時轉(zhuǎn)速，由此求得瞬時角加速度，在此基礎(chǔ)上計算出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(shù)-1表[11]，電動機自身的轉(zhuǎn)動慣量理論值為0.0027 kg?m2。對于聯(lián)軸件的轉(zhuǎn)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(jù)公式（3）計算，聯(lián)軸件的轉(zhuǎn)動慣量為0.000088 kg?m2，則測試系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量為0.002788 kg?m2。

2.2 ?信號采集

試驗系統(tǒng)信號采集采用上位機與下位機結(jié)合方式，下位機采用單片機stm32f407，上位機采用PC機。系統(tǒng)信號采集如圖3所示，編碼器隨主軸旋轉(zhuǎn)并輸出穩(wěn)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(shù)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(shè)定的時間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)寫入內(nèi)存。啟動過程中，設(shè)定的時間相同即相同的時間內(nèi)采集脈沖數(shù)，啟動結(jié)束后，把內(nèi)存中多個脈沖數(shù)一同傳送至上位機，在上位機MATLAB[12]平臺上轉(zhuǎn)換為時間、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

2.3 ?軟件實現(xiàn)

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(fā)環(huán)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(xiàn)系統(tǒng)初始化、定時器賦初值、設(shè)定相同時間（如1 ms）、相同時間內(nèi)脈沖數(shù)存儲及向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)功能。子程序流程框圖如圖5，主要實現(xiàn)定時器2檢測脈沖信號并存儲脈沖數(shù)目功能。上位機采用MATLAB平臺接收數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。圖6為上位機程序功能示意圖，計數(shù)每1 ms內(nèi)脈沖數(shù)并轉(zhuǎn)換為每1 ms的瞬時轉(zhuǎn)速，繪制轉(zhuǎn)速時間曲線，經(jīng)過微分求導(dǎo)獲得加速度，結(jié)合轉(zhuǎn)動慣量理論值算得轉(zhuǎn)矩，從而繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

3 ?測試結(jié)果及分析

試驗時，通過調(diào)壓器降低電動機的輸入端電壓，減少溫度對試驗結(jié)果的影響。經(jīng)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(shù)目并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、時間等數(shù)據(jù)，經(jīng)過多項式擬合、微分求導(dǎo)得到電動機加速度、轉(zhuǎn)矩等重要參數(shù)，并繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。試驗中，根據(jù)實測178 V、190 V、199 V電壓下轉(zhuǎn)矩，繪制如圖7所示不同啟動電壓下轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

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

擬合轉(zhuǎn)矩對數(shù)與電壓對數(shù)關(guān)系如公式（6），繪制最大轉(zhuǎn)矩值lg曲線，如圖8所示。延長線段至額定電壓對數(shù)，對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩值對數(shù)點。

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

4 ?結(jié)論

通過電動機動態(tài)無載啟動試驗，應(yīng)用高分辨率編碼器實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的測取。通過在不同電壓下的轉(zhuǎn)矩，采用最大轉(zhuǎn)矩、電壓取對數(shù)法轉(zhuǎn)換到380 V電壓的最大轉(zhuǎn)矩值，與JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相異步電動機技術(shù)條件》最大轉(zhuǎn)矩的相對誤差為6%，表明了動態(tài)無載試驗法檢測轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的有效性。

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