第1章 引言

    以前，我國(guó)對(duì)電機(jī)的試驗(yàn)一直是非智能化的，一般采用人工單機(jī)控制,時(shí)效性較差，誤差也較大，很難滿足測(cè)試的要求。

    近幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)電機(jī)的智能檢測(cè)有了很大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)的檢測(cè)裝備和檢測(cè)技術(shù)有了較快的發(fā)展,各種檢測(cè)傳感器、檢測(cè)儀器已比較齊備,而且性能也較穩(wěn)定,為電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的研制提供了有利的條件。但就高壓電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用而言，還存在著以下不足:高壓電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低、系統(tǒng)的可靠性、安全性不夠等等。

    高壓試驗(yàn)系統(tǒng)投資總額較高,而作為投資方的電機(jī)質(zhì)檢機(jī)構(gòu),希望在原有低壓檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備改造,研制出能進(jìn)行高壓電機(jī)試驗(yàn)的檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí),制造企業(yè)由于各種因素的制約,缺少完備的型式試驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員,對(duì)存在的性能缺陷往往不能準(zhǔn)確進(jìn)行地診斷,分析缺陷的原因,提出明確的改進(jìn)建議。

    所有的電機(jī)（包括高壓電機(jī)）在出廠之前都要經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)和性能測(cè)試，全面達(dá)到技術(shù)要求之后才能投產(chǎn)或繼續(xù)生產(chǎn)。這些測(cè)試或試驗(yàn)的數(shù)據(jù)包括電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)差率、頻率、效率、溫度、電阻等，這些參數(shù)是在滿足GB1032三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法等國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的精度及其安全要求的基礎(chǔ)上通過(guò)空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)等多種試驗(yàn)獲得的，本文所介紹的智能高壓電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)試功能，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠很好地反映電機(jī)性能及其質(zhì)量。

    1.1 電機(jī)型式試驗(yàn)簡(jiǎn)介

    電機(jī)試驗(yàn)是利用儀器、儀表及相關(guān)設(shè)備，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)電機(jī)制造過(guò)程中的半成品和成品，或以電機(jī)為主體的配套產(chǎn)品的電氣性能、力學(xué)性能、安全性能及可靠性能等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行的檢驗(yàn)。通過(guò)這些檢驗(yàn)，可以全部或部分的反映被試電機(jī)的相關(guān)性能數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)，可以判斷被試產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)要求、品質(zhì)的優(yōu)劣以及改進(jìn)的目標(biāo)和方向。

    所謂型式試驗(yàn)是一種全面的性能試驗(yàn)，能夠較確切地得到被試電機(jī)的有關(guān)性能參數(shù)的試驗(yàn)，其目的是為了確定電機(jī)的電氣和機(jī)械參數(shù)是否全面達(dá)到技術(shù)要求，各種型式電機(jī)均需要通過(guò)本試驗(yàn)才能投產(chǎn)或繼續(xù)生產(chǎn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和英、蘇、德等國(guó)家都把型式試驗(yàn)當(dāng)作一種性能試驗(yàn)，用來(lái)檢查電機(jī)的特性和參數(shù)。這種試驗(yàn)一般只對(duì)各種型式電機(jī)中的第一臺(tái)或首批的幾臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行，所以稱(chēng)為型式試驗(yàn)。

    根據(jù)需要，試驗(yàn)可包括標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有項(xiàng)目，也可以是其中的一部分項(xiàng)目。

    按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在下述情況下，應(yīng)進(jìn)行型式試驗(yàn)：

    1.新設(shè)計(jì)試制的產(chǎn)品；

    2.經(jīng)鑒定定型后小批試投產(chǎn)的產(chǎn)品；

    3.設(shè)計(jì)或故意上的變更足以引起電機(jī)的某些特性和參數(shù)發(fā)生變化的產(chǎn)品；

    4.檢查試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與以前試驗(yàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可容許的偏差的產(chǎn)品；

    5.產(chǎn)品自定型投產(chǎn)后的定期抽試。

    1.1.1空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)

    電機(jī)試驗(yàn)的項(xiàng)目很多，如空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)等等，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只介紹和設(shè)計(jì)了空載和負(fù)載試驗(yàn)。所以有必要弄清它們的試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)過(guò)程。

    1.空載特性試驗(yàn)

    （1）試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

    三相異步電動(dòng)機(jī)的空載試驗(yàn)是給定子施加額定頻率的額定電壓，試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

    a.檢查電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活情況，有無(wú)異常噪聲和較強(qiáng)的振動(dòng)；

    b.通過(guò)測(cè)試求得電機(jī)在額定電壓時(shí)的鐵心損耗和在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的機(jī)械損耗；

    c.通過(guò)試驗(yàn)得出空載電流與空載電壓的關(guān)系曲線。這條曲線其實(shí)就是一條磁化曲線。它可以反映出電機(jī)磁路工作的情況，例如鐵心材料的性能，轉(zhuǎn)子的氣隙等的選擇是否合理。

    （2）試驗(yàn)過(guò)程：

    將電機(jī)啟動(dòng)后保持額定電壓和額定頻率空載運(yùn)行到機(jī)械損耗穩(wěn)定。判斷機(jī)械損耗穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是：輸入功率相隔半個(gè)小時(shí)的兩個(gè)讀數(shù)之差不大于前一次輸入功率的3%，在實(shí)際應(yīng)用中，一般憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，對(duì)1KW以下的電機(jī)一般運(yùn)行15～30min,對(duì)1～10KW的電機(jī)一般運(yùn)行30～60min,對(duì)大于10KW的電機(jī)應(yīng)為60～90min.

    試驗(yàn)時(shí)，施于定子繞組上的電壓從1.1～1.3Un開(kāi)始，逐漸降低到可能達(dá)到的最低電壓值，使電流開(kāi)始回升為止，其間測(cè)取7～9個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)應(yīng)測(cè)取下列數(shù)值：三相電壓（如可確定三相平衡時(shí)，可只測(cè)一相），三相電流，輸入功率P0。

    2.負(fù)載試驗(yàn)

    （1）試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

    負(fù)載試驗(yàn)的目的實(shí)際上是要測(cè)取電機(jī)的工作特性曲線，考慮效率和功率因素是否合格，取得分析電機(jī)運(yùn)行性能的必要數(shù)據(jù)。

    （2）試驗(yàn)過(guò)程：

    測(cè)試應(yīng)在被試電機(jī)接近熱狀態(tài)下進(jìn)行，在額定功率和額定頻率下，改變負(fù)載，在1.25～0.25倍額定功率范圍內(nèi)測(cè)取6～8點(diǎn)讀數(shù)，每點(diǎn)同時(shí)測(cè)量：三相電壓，三相電流，輸入功率，功率因素，轉(zhuǎn)差率，輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差率實(shí)際是通過(guò)測(cè)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速計(jì)算出來(lái)的。

    1.1.2電機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

    本試驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先必須滿足GB1032三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法等國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的精度及安全要求：

    1.試驗(yàn)電源

    1）試驗(yàn)電源的電壓波形正弦畸變率（電壓波形中所包含的除基波分量以外的各次諧波的有效值平方和的根值與基波分量有效值之比的百分?jǐn)?shù)）應(yīng)不超過(guò)5%，在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)應(yīng)不超過(guò)2.5%。

    2）試驗(yàn)電源的三相電壓對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)應(yīng)符合下述要求：

    電壓的負(fù)序分量和零序分量均不超過(guò)正序分量的1%；在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，負(fù)序分量不超過(guò)正序分量的0.5%,零序分量的影響予以消除。

    試驗(yàn)電源的頻率與額定頻率之差應(yīng)在額定頻率±1%范圍內(nèi)。

    2.測(cè)量?jī)x表

    試驗(yàn)時(shí)，采用的電氣測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5級(jí)，三相瓦特表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.0級(jí)，互感器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2級(jí)，電量的變頻器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5%級(jí)（檢查試驗(yàn)時(shí)應(yīng)不低于1%），數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x及轉(zhuǎn)差率測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.1%±1個(gè)字，轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x及測(cè)功機(jī)的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1%（實(shí)測(cè)效率應(yīng)不低于0.5%）。

    選擇儀表時(shí)，應(yīng)使測(cè)量值位于20%-95%儀表量程范圍內(nèi)。

    3.測(cè)量要求

    進(jìn)行電氣測(cè)量時(shí)，應(yīng)遵循下列要求：

    1）三相電流用三電流互感器（或二互感器）法。

    2）采用電流互感器時(shí)，接入付邊回路儀表的總阻抗（包括連接導(dǎo)線）應(yīng)不超過(guò)其額定阻抗值。

    3）試驗(yàn)時(shí)，各儀表讀數(shù)同時(shí)讀取。在測(cè)量三相電壓或三相電流時(shí)，應(yīng)取三相讀數(shù)的平均值作為測(cè)量的實(shí)際值。

    1.2電機(jī)自動(dòng)測(cè)試的特點(diǎn)及和當(dāng)前電機(jī)測(cè)試的現(xiàn)狀

    以往的電機(jī)測(cè)試往往采用普通的指針式儀表由人工讀數(shù)、人工記錄，然后由人工整理成數(shù)據(jù)并描繪曲線或編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于某些原因如電源的波動(dòng)、頻率波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)等因素會(huì)使儀表的指針擺動(dòng)，為了能比較準(zhǔn)確的讀出某一瞬間的各項(xiàng)被測(cè)參數(shù)，往往需要幾個(gè)人同時(shí)讀表，工作效率低。不僅如此，由于讀表的不同時(shí)性以及讀數(shù)、記錄、計(jì)算中各種人為誤差還會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性大，試驗(yàn)經(jīng)過(guò)的準(zhǔn)確度低，重復(fù)性差，現(xiàn)在這種測(cè)試方法基本被淘汰。

    另外一種測(cè)量方式是使用各種電子測(cè)量?jī)x表，如多功能電參數(shù)測(cè)試儀可以測(cè)量電機(jī)在各種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率等，這類(lèi)儀器一般由單片機(jī)構(gòu)成，測(cè)量精度高，采用數(shù)字顯示，功能比較完備，提高了自動(dòng)化程度，但是對(duì)數(shù)據(jù)的處理、試驗(yàn)過(guò)程中的讀數(shù)同步等問(wèn)題，仍然不夠理想。

    在數(shù)字儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)字式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以控制測(cè)量過(guò)程，處理測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄與顯示測(cè)量結(jié)果。

    采用微機(jī)的電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試功能、測(cè)量精度等各項(xiàng)指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。使電機(jī)測(cè)試步入了新的時(shí)代。[21>

    近幾年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的功能不斷強(qiáng)大，各種人機(jī)界面軟件不斷涌現(xiàn)，這給電機(jī)測(cè)試提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面。這又使電機(jī)測(cè)試邁進(jìn)了一大步。

    1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及要求

    本課題實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)高壓電氣控制系統(tǒng)，擬在論證各種高壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，選擇一種方案設(shè)計(jì)。并以H400以下，500KW以下、額定電壓10KV樣機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng),能夠完成高壓電機(jī)一般性能的檢測(cè)。并且選定合適的變壓器、調(diào)壓器、高壓設(shè)施、電纜等，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓電機(jī)一般性能項(xiàng)目的檢測(cè)，滿足GB1032三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法等國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的精度及安全要求。繪制原理圖、主回路、控制回路、測(cè)量回路框圖，設(shè)計(jì)控制流程及程序、進(jìn)行量程分檔，選用合適的儀器設(shè)備及其參數(shù)設(shè)置，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

    1.4本文完成的主要工作

    本文完成的主要工作如下：

    （1）分析型式試驗(yàn)要求，查閱并檢索國(guó)內(nèi)外電機(jī)試驗(yàn)的文獻(xiàn)資料；

    （2）研究高壓試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方案，確定總體方案；

    （3）設(shè)計(jì)電機(jī)試驗(yàn)主回路系統(tǒng)；

    （4）按照標(biāo)準(zhǔn)精度要求選用儀器儀表，設(shè)計(jì)測(cè)量回路；

    （5）設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、下位機(jī)、保護(hù)系統(tǒng)及上位機(jī)和下位機(jī)的通訊；

    （6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)展望并對(duì)本文進(jìn)行小結(jié)。

    1.5論文的體系結(jié)構(gòu)

    根據(jù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，論文各章節(jié)之間的體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：    

    第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)   

    目前電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要組成很相似，主要有：微機(jī)系統(tǒng)及其外部設(shè)備、測(cè)試硬件平臺(tái)、各種數(shù)字測(cè)試儀器。在試驗(yàn)的方法上主要有兩種類(lèi)型：一個(gè)就是試驗(yàn)的過(guò)程控制是由測(cè)試硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，微機(jī)系統(tǒng)只進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線繪制等。比如浙江大學(xué)電磁研究所1995年研制的一套電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，它是用微機(jī)接口控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。還有就是美國(guó)西屋公司研制的電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程是由PLC實(shí)現(xiàn)的。

    隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)的性能越來(lái)越強(qiáng)大，軟件的發(fā)展也使實(shí)現(xiàn)控制變得極為方便、靈活，所以現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都把控制邏輯由微機(jī)控制，通過(guò)通訊口對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，因?yàn)檫\(yùn)行在微機(jī)上的軟件編寫(xiě)非常靈活，很多功能非常容易實(shí)現(xiàn)，能進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算、判斷，而且運(yùn)算速度非常快，系統(tǒng)靈活性大大增加。

    本課題所要設(shè)計(jì)的高壓電機(jī)智能試驗(yàn)系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)一樣，要實(shí)現(xiàn)負(fù)載試驗(yàn)，首先必須有一個(gè)總的構(gòu)思：

    高壓電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)首先要考慮為被試電機(jī)提供一個(gè)可調(diào)的高壓電源，有個(gè)可調(diào)高壓電源，考慮本系統(tǒng)完成的是電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)，必須讓負(fù)載變化，所以必須還得提供一個(gè)可調(diào)的大功率負(fù)載，而且這個(gè)負(fù)載必須平滑可調(diào)。在本系統(tǒng)中，負(fù)載是利用與被測(cè)電機(jī)電壓、功率相同的另一臺(tái)負(fù)載電機(jī)M2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了讓系統(tǒng)按設(shè)定的要求工作，必須采用PLC對(duì)其控制，而且試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)必須通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集才能上傳至上位機(jī)，通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)施監(jiān)控。

    2.1系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能

    1）系統(tǒng)能夠使變頻機(jī)組的頻率在允許的范圍內(nèi)（保證負(fù)載電機(jī)不過(guò)載）平滑可調(diào)；

    2）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)被試電機(jī)負(fù)載平滑可調(diào)；

    3）系統(tǒng)能夠按照試驗(yàn)要求對(duì)變頻電源和負(fù)載實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

    4）系統(tǒng)能夠按要求實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并能把數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，軟件提供可視化菜單；

    5）系統(tǒng)能夠在遇到異常情況（如過(guò)壓、過(guò)載等）自動(dòng)切斷電路或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

    2.2系統(tǒng)的組成

    本智能試驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)有所區(qū)別，本系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的試驗(yàn)，而且要實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化，數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，并能實(shí)現(xiàn)微機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控參數(shù)變化，更重要的是所涉及的試驗(yàn)電機(jī)為10KV的高壓電機(jī)，還要考慮高壓保護(hù)等，因此，勿庸置疑，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要涉及更多控制和保護(hù)模塊。

    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制要求，試驗(yàn)系統(tǒng)分為控制子系統(tǒng)、高壓子系統(tǒng)、可調(diào)負(fù)載子系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等部分。

    控制子系統(tǒng)由上位機(jī)（工控機(jī)）、下位機(jī)（PLC）和控制裝置三個(gè)部分組成。上位機(jī)采用組態(tài)王組態(tài)軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控；下位機(jī)采用三菱PLC進(jìn)行控制。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)考慮采用傳感器、變送器、A/D轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)RS-485接口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)或者通過(guò)自帶RS-485接口的高精度智能儀表直接把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，組態(tài)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)結(jié)果。

    同時(shí)，組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

    系統(tǒng)組成框圖如圖2所示：

    2.3系統(tǒng)的工作原理

    圖2中，虛線框中控制及其高壓保護(hù)裝置、被試電機(jī)以及可調(diào)負(fù)載構(gòu)成了主回路系統(tǒng)。PLC按要求控制主回路系統(tǒng)的工作，當(dāng)被試電機(jī)的電壓和負(fù)載滿足要求時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)，測(cè)量主回路中被試側(cè)和負(fù)載側(cè)的各個(gè)參數(shù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?span style="text-decoration:underline;">工控機(jī)，組態(tài)界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。PLC和工控機(jī)之間通過(guò)串行接口連接，工控機(jī)可通過(guò)PLC控制現(xiàn)場(chǎng)的工作流程。整個(gè)工作構(gòu)成了一個(gè)智能化電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。