基于虛擬技術的電機型式實驗測試系統(tǒng)的設計

　　隨著國民經濟的快速發(fā)展與科學技術的不斷提高，同時由于國際市場不斷增長的需求，我國電機行業(yè)得到了快速發(fā)展。由于電機種類與數量的增加，用于電機性能與質量指標測試的電機測試技術也不斷發(fā)展。針對職業(yè)院校教師開展電機測試實驗教學效果差以及一些負責電機檢測的企事業(yè)單位實驗效率低、人員勞動強度大等問題，提出并設計了一套基于虛擬技術的電機型式實驗測試系統(tǒng)，包括計算機、控制柜、測量儀器柜等，可以實現空載實驗、負載實驗、堵轉實驗、溫升實驗等電機測試實驗。經實驗驗證，該電機型式實驗測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，效果良好，彌補了現有電機測試技術中的缺陷。

　　《大電機技術》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，由哈爾濱大電機研究所主辦。本刊是全國中文核心期刊，主要介紹我國大中型水電機組、火電汽輪發(fā)電機組、交直流電機、特種電機及其輔助設備等產品的科學研究、技術開發(fā)、設計制造、試驗計算、安裝調試、監(jiān)測監(jiān)控和故障分析等專業(yè)技術領域的內容。發(fā)行至電力、石油、冶金、礦山、重工、化工等部門和高等院校、科研單位，覆蓋面廣，影響頗大。

　　近年來，隨著國家經濟的高速發(fā)展以及國際市場對中小型電機的需求，出現了越來越多的電機生產企業(yè)，電機種類與品質各式各樣，因此對電機性能和質量指標的檢測技術及設備的需求迫切。電機測試技術是伴隨著電機工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的，兩者密切相關，相輔相成。電機測試技術就是根據電機標準參數，采用相關的設備，對生產的電機進行電機實驗，從而得到測試電機的電氣性能、力學性能、安全性能及可靠性等技術指標。電機測試實驗是電機制造與生產過程中的必要工序，是對電機生產技術和裝備的綜合評價，對生產的電機性能與質量指標起著重要作用。目前，伴隨著科學技術的提高，電機生產在設計、工藝等方面的水平日益提高，電機的性能和質量指標也有了很大提高，對電機測試技術的要求也越來越高。

　　隨著全球環(huán)境的日趨惡化以及國際能源的日益緊缺，近年來，許多發(fā)達國家在提高電機效率方面都提出了具體的時間規(guī)劃。相應地，需要電機測試技術在測試理論、測試手段、測試裝備等方面進一步提高，目的在于提高電機測試實驗效率、降低人員勞動強度以及提高測試設備的精度等。

　　由于電機行業(yè)的快速發(fā)展，各類職業(yè)院校都開展了相應的電機實驗課程。針對目前職業(yè)院校開展電機測試實驗過程中出現的時間效率低、能源消耗大、精度不足等問題，筆者基于先進虛擬儀器LabView技術，結合各類測量傳感器，設計了一套電機型式實驗測試系統(tǒng)，將計算機、儀器儀表等硬件結合在一起，通過軟件設計實現對實驗的控制和資料的運算、分析、處理、顯示、打印及存儲功能。

　　系統(tǒng)總體結構

　　本電機型式實驗測試系統(tǒng)將計算機、測量儀器等硬件設備與虛擬儀器LabView軟件技術相結合來進行電機型式實驗，從而實現電機型式實驗的自動控制。系統(tǒng)組成包括計算機、打印機、控制柜、測量儀器柜、電源控制柜、轉矩傳感器、陪試電機以及被試電機等，其相應的系統(tǒng)總體組成結構框圖如下頁圖1所示。

　　系統(tǒng)結構組成

　　計算機 本電機型式實驗測試系統(tǒng)利用計算機強大的數據運算分析、圖形處理等能力，通過軟件設計為測試系統(tǒng)提供圖形化的人機操作界面，用于實現系統(tǒng)硬件配置、數據采集、數據分析處理、數據波形顯示及特性曲線打印報告等功能。

　　控制柜 控制柜負責整個測試系統(tǒng)的整體控制，用于實現被試電機數據的測量、采集和處理，包括PLC模塊單元和由接觸器、熱繼電器、中間繼電器連接構成的電氣線路。PLC控制柜上裝有轉換開關，用于切換手動和自動運行狀態(tài)。PLC模塊單元包括CPU模塊、電源模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊和模擬量輸入模塊。PLC模塊單元與計算機之間采用CP 5611通訊卡連接，從而操作計算機軟件控制窗口，實現對被試電機項目的自動選擇和控制，并由軟件自動生成數據報表。

　　測量儀器柜 測量儀器柜包含測量電機性能參數的各類傳感器，比如多功能數字功率計、轉矩轉速測試儀、智能電機參數測試儀等，在計算機的控制下負責測量電機的電壓、電流、功率等各項參數。多功能數字功率計實物如圖2所示。

　　電源控制柜 電源控制柜用于給陪試電機和被試電機提供電源，電源設計采用了電子內回饋變頻技術，將被試電機的正弦波電源與陪試電機的電源相結合。其電源工作原理為：把交流電整流為直流電，再經過逆變單元，變?yōu)檎也ǎ涍^濾波，變壓器隔離產生純正的正弦波(失真度<3%)，頻率范圍47～63HZ。回饋單元為一個智能控制同步整流，當陪試電機工作在第四象限時(發(fā)電狀態(tài))，經DSP采用特殊算法控制該單元把交流電整流為直流電，回饋到直流母線(因為是直流回饋，對電網無污染)。其原理框圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計主要用來提供友好的人機操作界面，從而實現系統(tǒng)控制、數據采集、數據顯示等功能。

　　虛擬儀器技術概述 虛擬儀器技術是利用計算機作為測量平臺，采用虛擬儀器軟件模擬實際儀器操作過程，通過設計人機交互界面來完成傳感器信號的采集、處理、分析以及顯示、存儲等功能。虛擬儀器系統(tǒng)主要由硬件平臺與軟件平臺兩部分構成。硬件平臺僅僅是為了完成信號的輸入、輸出，軟件設計才是整個系統(tǒng)的關鍵。本系統(tǒng)采用LabView虛擬儀器軟件開發(fā)平臺進行軟件的設計。

　　系統(tǒng)開發(fā)工具LabView 本電機型式實驗測試系統(tǒng)的軟件設計采用圖形化的編程語言工具——LabView7.1。該軟件主要通過使用相應的圖標、框圖和連線來進行程序設計，設計過程簡單直觀、容易操作、易于理解。LabView具備編程語言中的數據結構、數據類型、語法等基本要素，同時具備自己的擴展函數庫和子程序應用模塊。用戶通過使用這些模塊可以快速實現串口通信、數據采集、數據類型轉換、波形顯示等功能。另外，LabView也支持CIN節(jié)點，方便用戶使用C、C,,語言進行程序設計。

　　系統(tǒng)軟件功能結構 根據本電機型式實驗測試系統(tǒng)的功能需求，利用LabView軟件設計了以下幾個功能模塊：(1)空載測試模塊。控制電機在額定電壓、額定頻率的工作條件下空載運行，記錄電壓、電流及輸入功率值，最后繪制空載特性曲線，分析計算銅耗、鐵耗、機械耗。(2)堵轉測試模塊。電機接近冷狀態(tài)下進行，采用電阻法進行堵轉測試，讀取電壓、電流、功率的數值，繪制電機的堵轉特性曲線。(3)負載測試模塊。在被測電機的負載端加上測功電機，保持發(fā)電狀態(tài)，實現被測電機的負載性能指標測試。(4)數據回放和分析模塊。通過軟件設計，在數據采集過程中加入存儲過程，方便用戶進行后面的數據分析，實現波形顯示、生成報表等功能。

　　系統(tǒng)軟件結構功能框圖如圖4所示。

　　電機型式實驗

　　利用本型式實驗測試系統(tǒng)可進行的測試項目如下。

　　直流電阻 電機在環(huán)境溫度下，用四端法測量其直流電阻，可換算出基準溫度下的電阻值。

　　空載實驗 讓電機在額定電壓、額定頻率下空載運行，一直到機械損耗達到穩(wěn)定，然后從1.1～1.3倍額定電壓開始，逐步降低電壓，直到電機電流開始回升為止，其間測取7～9點數據，記錄電壓、電流及輸入功率值，最后繪制空載特性曲線，分析計算銅耗、鐵耗、機械耗。

　　負載實驗 當電機的溫度接近熱穩(wěn)定時，給電機加額定電壓，通過改變電機負載，在1.25～0.25倍額定負載范圍內均勻測取6～8點數據，記錄每點的電壓、電流、輸入功率、輸出功率、轉速及轉矩，可通過輸入輸出法或負載雜散損耗采用推薦值的損耗分析法確定效率，并繪制特性曲線。

　　堵轉實驗 在電機接近冷狀態(tài)下進行，實驗時設備可通過外力將電機轉子堵住，從額定電壓的1.1倍開始，降低電壓到接近電機額定電流時為止，其間測取6～8點，讀取電壓、電流、功率及轉矩，并繪制轉矩特性曲線。當采用電阻法測堵轉時，只讀取電壓、電流、功率的數值，每側完一點，測取定子繞組的電阻值，借此計算對應的轉矩值。最后可繪制電機的堵轉特性曲線。

　　溫升實驗 本設備采用電阻法做溫升實驗。電機運行熱穩(wěn)定以后，斷電測取某一繞組的電阻值降落曲線，可以反推到斷電瞬間的電阻值，并以此電阻值和冷態(tài)數據求取繞組溫升。在實驗過程中，可自動穩(wěn)定負載，溫升穩(wěn)定后，提示用戶斷電停機，以進行下面的實驗項目。

　　隨著計算機控制技術、虛擬儀器技術、數據處理等技術的不斷提高，電機測試技術也隨之得到了廣泛應用與快速發(fā)展。高性能的電機測試系統(tǒng)，由于具備測試過程自動化、測試時間短、測試精度高等優(yōu)勢，在電機測試行業(yè)中具有廣泛的應用前景和市場。筆者基于虛擬儀器技術而設計的電機型式實驗測試系統(tǒng)，實現了電機性能與質量指標的測試，具有操作簡單、數據精度高、測試時間短、性能穩(wěn)定等特點，使用效果良好。

　　參考文獻：

　　[1]吳漢熙，韓寶江，李巧蓮.檢測技術及設備在電機制造中的應用[J].電機與控制應用，2012，39(5)：37-40.

　　[2]李舒陽，李波.電機自動測試系統(tǒng)[J].微電機，2000，33(6)：32-34.

　　[3]王寶軍，丁軼成.智能化電機測功機實驗裝置的研究[J].實驗室研究與探索，2003，22(4)：91-92.

　　[4]耿洪奎.電機型式實驗站技術方案比較[J].電機技術，2008(4)41-43.

　　[5]張亞峰.基于虛擬儀器的電機自動測試系統(tǒng)[D].西安：西安交通大學，2002.

　　[6]顧繩谷.電機與拖動基礎(第4版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

　　[7]張增楷.如何提高小型三相異步電動機效率測試的準確度[J].電工技術雜志，1983(6)：28-29.

　　(責任編輯：謝良才)

　　系統(tǒng)軟件結構功能框圖如圖4所示。

　　電機型式實驗

　　利用本型式實驗測試系統(tǒng)可進行的測試項目如下。

　　直流電阻 電機在環(huán)境溫度下，用四端法測量其直流電阻，可換算出基準溫度下的電阻值。

　　空載實驗 讓電機在額定電壓、額定頻率下空載運行，一直到機械損耗達到穩(wěn)定，然后從1.1～1.3倍額定電壓開始，逐步降低電壓，直到電機電流開始回升為止，其間測取7～9點數據，記錄電壓、電流及輸入功率值，最后繪制空載特性曲線，分析計算銅耗、鐵耗、機械耗。

　　負載實驗 當電機的溫度接近熱穩(wěn)定時，給電機加額定電壓，通過改變電機負載，在1.25～0.25倍額定負載范圍內均勻測取6～8點數據，記錄每點的電壓、電流、輸入功率、輸出功率、轉速及轉矩，可通過輸入輸出法或負載雜散損耗采用推薦值的損耗分析法確定效率，并繪制特性曲線。

　　堵轉實驗 在電機接近冷狀態(tài)下進行，實驗時設備可通過外力將電機轉子堵住，從額定電壓的1.1倍開始，降低電壓到接近電機額定電流時為止，其間測取6～8點，讀取電壓、電流、功率及轉矩，并繪制轉矩特性曲線。當采用電阻法測堵轉時，只讀取電壓、電流、功率的數值，每側完一點，測取定子繞組的電阻值，借此計算對應的轉矩值。最后可繪制電機的堵轉特性曲線。

　　溫升實驗 本設備采用電阻法做溫升實驗。電機運行熱穩(wěn)定以后，斷電測取某一繞組的電阻值降落曲線，可以反推到斷電瞬間的電阻值，并以此電阻值和冷態(tài)數據求取繞組溫升。在實驗過程中，可自動穩(wěn)定負載，溫升穩(wěn)定后，提示用戶斷電停機，以進行下面的實驗項目。

　　隨著計算機控制技術、虛擬儀器技術、數據處理等技術的不斷提高，電機測試技術也隨之得到了廣泛應用與快速發(fā)展。高性能的電機測試系統(tǒng)，由于具備測試過程自動化、測試時間短、測試精度高等優(yōu)勢，在電機測試行業(yè)中具有廣泛的應用前景和市場。筆者基于虛擬儀器技術而設計的電機型式實驗測試系統(tǒng)，實現了電機性能與質量指標的測試，具有操作簡單、數據精度高、測試時間短、性能穩(wěn)定等特點，使用效果良好。

　　參考文獻：

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　　[7]張增楷.如何提高小型三相異步電動機效率測試的準確度[J].電工技術雜志，1983(6)：28-29.

　　(責任編輯：謝良才)

　　系統(tǒng)軟件結構功能框圖如圖4所示。

　　電機型式實驗

　　利用本型式實驗測試系統(tǒng)可進行的測試項目如下。

　　直流電阻 電機在環(huán)境溫度下，用四端法測量其直流電阻，可換算出基準溫度下的電阻值。

　　空載實驗 讓電機在額定電壓、額定頻率下空載運行，一直到機械損耗達到穩(wěn)定，然后從1.1～1.3倍額定電壓開始，逐步降低電壓，直到電機電流開始回升為止，其間測取7～9點數據，記錄電壓、電流及輸入功率值，最后繪制空載特性曲線，分析計算銅耗、鐵耗、機械耗。

　　負載實驗 當電機的溫度接近熱穩(wěn)定時，給電機加額定電壓，通過改變電機負載，在1.25～0.25倍額定負載范圍內均勻測取6～8點數據，記錄每點的電壓、電流、輸入功率、輸出功率、轉速及轉矩，可通過輸入輸出法或負載雜散損耗采用推薦值的損耗分析法確定效率，并繪制特性曲線。

　　堵轉實驗 在電機接近冷狀態(tài)下進行，實驗時設備可通過外力將電機轉子堵住，從額定電壓的1.1倍開始，降低電壓到接近電機額定電流時為止，其間測取6～8點，讀取電壓、電流、功率及轉矩，并繪制轉矩特性曲線。當采用電阻法測堵轉時，只讀取電壓、電流、功率的數值，每側完一點，測取定子繞組的電阻值，借此計算對應的轉矩值。最后可繪制電機的堵轉特性曲線。

　　溫升實驗 本設備采用電阻法做溫升實驗。電機運行熱穩(wěn)定以后，斷電測取某一繞組的電阻值降落曲線，可以反推到斷電瞬間的電阻值，并以此電阻值和冷態(tài)數據求取繞組溫升。在實驗過程中，可自動穩(wěn)定負載，溫升穩(wěn)定后，提示用戶斷電停機，以進行下面的實驗項目。

　　隨著計算機控制技術、虛擬儀器技術、數據處理等技術的不斷提高，電機測試技術也隨之得到了廣泛應用與快速發(fā)展。高性能的電機測試系統(tǒng)，由于具備測試過程自動化、測試時間短、測試精度高等優(yōu)勢，在電機測試行業(yè)中具有廣泛的應用前景和市場。筆者基于虛擬儀器技術而設計的電機型式實驗測試系統(tǒng)，實現了電機性能與質量指標的測試，具有操作簡單、數據精度高、測試時間短、性能穩(wěn)定等特點，使用效果良好。

　　參考文獻：

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