（控制理论与控制工程专业论文）异步电机组温升测试系统设计研究.pdf

摘要 电机按照生产工艺流程，在完成总装之后，必须遵循行业或国家标准，对其主要 参数进行检测。目前电机自动检测系统，各有其自身的优缺点和适用范围，但有两点 是相同的：一是同一时间只能测试单规格的电机；二是一次只能对一台电机进行测 试。 为了提高电机测试的效率和准确度，本课题采用计算机对单相交流异步试验电机 的温升、电压、电流、功率等参数进行实时控制，采用带电绕组温升测试仪测量温升， 用先进的功率模块完成电参数的采集和传送。采用高性能工控机作为上位机，控制各 工位启停，温度数据采集，功率、电流、冷热态电阻的测量：实时监控，参数设定， 数据保存，数据查询，报表打印等。下位机采用现场控制可靠性极高的p l c + 智能仪表 + 智能模块的方式，负责完成现场逻辑控制、数据采集等功能。 根据控制要求，设计巡回切换工作方式，实现了l 台带电绕组温升测试仪对8 台 电机的巡回检测。设计系统的硬件和软件，完成了工控机、p l c 、带电绕组测试仪、电 参数采集模块的选型及配置。设计系统硬件接线图，对p l c 进行地址分配，完成了p l c 控制程序流程图和梯形图的设计。对上位机程序组态了画面，通过监控界面，可实现 对实验电机的监控，并可对各电气参数的实时趋势及历史趋势进行观察、打印，自动 生成生产报表等，还具有对电流异常、热电偶断线故障实时报警的功能。根据通信协 议，用v b 6 0 完成了上位机与下位机的通信设计。 关键词：巡回切换、监控、通信、工控机、温升测试、单相电机 a b s t r a c t o n c ea ne l e c t r i c a lm a c h i n eh a sb e e ng e n e r a la s s e m b l e da c c o r d i n gt oac e r t a i n p r o c e d u r e ，i t s m a i np a r a m e t e r sm u s tb ed e t e c t e df o l l o w i n gt ot h ei n d u s t r y o rn a t i o n a l s t a n d a r d s a l t h o u g hd i f f e r e n ta u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e mf o re l e c t r i c a lm a c h i n eh a si t so w n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o ns c o p e ，t h e r ea r et w op o i n t sc o m m o n f o rt h e m f i r s t l y , o n l yo n et y p eo fm a c h i n ec a nb et e s t e da to n ed e t e c tp r o c e d u r e s e c o n d l y ，o n l yo n e m a c h i n ec a nb et e s t e da tac e r t a i nt i m e i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h et e s tr e s u l t ，ac o m p u t e ri su s e d t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e - r i s e ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e ra n do t h e rp a r a m e t e r so fa s i n g l e p h a s ea ci n d u c t i o nm o t o ri nr e a lt i m e h e r e ，t h et e m p e r a t u r e r i s ei sm e a s u r e du s i n g l i v e w i n d i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t o r , a n da d v a n c e dp o w e rm o d u l ei sa d o p t e dt oc o l l e c ta n d t r a n s m i tt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s h i g h p e r f o r m a n c ei p ci su s e da sau p p e r - m a c h i n et o c o n t r o lt h es t a r t s t o po fe v e r yw o r kp l a c e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o no ft e m p e r a t u r e ，t h e m e a s u r e m e n to fp o w e r , c u r r e n t ，c o l da n dh o ts t a t er e s i s t a n c e ，w i t ht h ef u n c t i o n so fr e a l t i m e m o n i t o r i n g ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，d a t as a v e q u e r y , a n dp r i n t i n gr e p o r tf o r m t h ec o n f i g u r e ， w i t hh i g hr e l i a b i l i t y , o fp l c - i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o ns m a r tm o d u l ei su s e da su n d e r - s i t e ， r e s p o n s i b l ef o rt h ef i e l df u n c t i o n so fl o g i cc o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o na n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fc o n t r o l ，a ni t i n e r a n ts w i t c h i n gw o r km o d eh a sb e e n d e s i g n e d ，w h e r eo n ec h a r g e dw i n d i n gt e m p e r a t u r et e s t e re x a m i n e se i g h tm o t o r si nt u r n t h e s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a sb e e nd e s i g n e da l s o ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o na n d c o n f i g u r a t i o no ft h ei p c ，p l c ，c h a r g e dw i n d i n gt e s t e ra n dd a qm o d u l e sf o re l e c t r i c a l p a r a m e t e r s t h es y s t e m h a r d w a r ew i r i n gd i a g r a mi sp r o p o s e d ，a n dt h ep l ca d d r e s s a l l o c a t i o n ，p l cl a d d e rd i a g r a ma n df l o w c h a r td e s i g na r ec o m p l e t e d t h eu p p e r - s i d e m o n i t o r i n gs c r e e ni sc o n f i g u r e d ，t h r o u g hw h i c ht h ee x p e r i m e n t e dm o t o rc a nb em o n i t o r e d ， a n dt h er e a l - t i m ea n dh i s t o r i c a lt r e n d sf o re l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm a yb eo b s e r v e da n d p r i n t e d ，a n dr e p o r tf o r m sc a nb ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e d t h es y s t e ma l s oh a st h er e a lt i m e a l a r mf u n c t i o n sf o ra b n o r m a lc u r r e n t sa n db r e a kf a u l td e t e c t i o no ft h e r m o c o u p l e t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e si sf u l f i l l e di nt h ev b 6 0e n v i r o n m e n t u n d e rac e r t a i nc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：r o u n ds w i t c h i n g ；m o n i t o r ；c o m m u n i c a t i o n s ；s i n g l e - p h a s ea cm o t o r ； i p c ；t e m p e r a t u r er i s et e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 姗繇弩社期：跏卜p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 邛孚邑 导师签名： 签字目期：岬年月，2 日 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电机温升测试的重要性 电机在运行中，内部进行着能量转换。在能量转换过程当中，其中的一部 分能量没有被有效的利用，即电机在运行过程中存在着能量损耗。电机产生的 各种损耗最终都转变为热能，使电机各个部分发热，使他们的温度高于周围介 质的温度，电机部件和周围介质的温度差成为该部件的温升。电机在工作过程 中产生的损耗具体说有下面几种： 1 电机工作绕组中产生基本铜耗。这是由于负载电流流过工作绕组，因绕 组存在电阻而产生的，是一种负载损耗。 2 铁损，由于交变磁通在磁路中的涡流和磁滞现象产生的损耗，。它与负载电 流无关。 3 机械摩擦损耗，包括风摩损耗、轴承摩擦损耗和电刷摩擦损耗，它与负载 电流无关。 4 励磁损耗，包括励磁绕组铜耗和集电环电损耗。 5 杂散损耗，包括由负载引起的绕组导体、磁路、金属结构件的杂散损耗， 以及因换向引起的电刷附加损耗。 运行中电机上述各种损耗，最终都转化为热能，使得电机温度上升。温升 是电机损耗与散热情况的量度，是电机设计与运行的重要指标，不同绝缘等级 的电机具有不同的允许温度值。电机的额定容量通常由绝缘所能承受的最高允 许温度所决定，超过允许温升运行将会使电机内各种绝缘结构中的绝缘材料迅 速老化而损坏，缩短电机运行无故障周期和电机寿命，甚至会发生电机烧毁等 危险。众多资料显示绕组绝缘破坏占电机故障的绝大多数，而绕组温升是影响 电机绝缘的重要因素吲。 温升测试是电机出厂试验必做项目。温升测试的目的是通过试验得到电机 绕组等部件在规定的工作条件下运行并达到温升稳定时的温度或温升值，用于 考核被测电机所用绝缘材料、生产工艺能否满足电机正常工作及设计寿命的要 求。另外，温升试验值还是计算电机定、转子绕组热损耗( 铜耗) 求取效率的 必备参数。使用手动测量，实验繁重费时，测量精度低，计算及记录都比较繁 杂。高精度的测量结果，对于改进产品设计，提高电机质量有着非常重要的意 第一章绪论 义。随着微机在各个领域的广泛应用，电机测试领域也逐步微机化，将微机应 用于电机测试中，不仅可提高测试效率，而且可以对同一物理量重复测量多次， 以提高测量精度及可靠性，还可以对大量试验数据进行处理，直接得到高精度 的测量结果。5 1 。 电机绕组以及其它部件，只有低于其最高允许工作温度下使用，才能保证 其经济使用寿命和运行可靠性。涉及到电机发热程度的理论认识是：电机温升， 温升限度、耐热等级等。理解这几个名词的含义，才能更好地注意和修正电动 机的发热程度。 1 电机温升：电机某部件与周围介质温度之差，称电机该部件的温升。由 于电机是由各种材料( 铜、铁、绝缘材料等) 组成的形状复杂的不均匀体，所以 它的发热过程十分复杂。为了简化分析，把电机当成一个理想的均匀体来分析， 即“单级发热理论”。认为电机具有无限大的热传导系数，物体内部各温度点 在瞬时值上保持相等。在其表面，散热的速度也相同。某一段时间内电机运行 产生热量，一部分通过机体散失到空气中，另一部分则变成电机温升。 2 电机的温升限度：电机在额定负载下长期运行达到热稳定状态时，电机 各部件温升的允许极限。因为电机的功率是与一定温升相对应的，因此，只有 确定了温升限度才能使电机的额定功率获得确切的意义。 3 耐热等级：表示绝缘结构的最高允许工作温度，并在这样的温度下它能在 预定的使用期内维持其性能，在允许的范围内及其所分的耐热等级。当电机绕 组的温度超过其绝缘材料的最大容许温度时，电机很容易烧毁。由此可见温度 是导致电机损坏的直接因素，而电流只是间接因素。因此监测电机运行应以温 升为主，电流为辅，而这一点常常被人们所忽视睁7 1 。 由于电机温升对电机运行的重要影响，所以把电机温升测试作为电机型式 试验和出厂试验的重要组成部分。为了保证电机的长期可靠运行，必须对新设 计电机运行的温升变化进行实时测试，为将电机额定运行时的温升控制在允许 温度值以内提供依据。 1 2 电机测试系统的发展 电机测试系统的发展主要经历了三个阶段。 第一阶段，借助传统的模拟仪表( 电压表、电流表、功率表) 与转矩测定仪、 测速发电机，在人工的配合下，测得电机在各个运行状态下的特性。在这种传 第一章绪论 统的测试方法中，从测试结果的读取，非直铡量的计算，以及各种特性曲线的 绘制，都需要大量的人工处理，测试人员的劳动强度非常大。此外，测量结果 人为主观影响较大，难以达到精确测量的目的。 第二阶段，随着电子技术的进步与微型计算机的广泛应用，出现了代替模 拟表的各种数字化测试仪，比如电参数测试仪、转矩一转速测试仪、绝缘电阻 测试仪、绕组冷热态电阻测试仪、耐压试验仪等等。它们一般都只对电机的某 一项特性进行测试，比如电参数仪只测量电机中的电量( 电压、电流、功率) ， 转矩转速测试仪只测量电机的转矩与转速。这些仪表大都以单片机( m c u ) 作为主 控单元，利用单片机的运算与控制功能，完成传统电机测试中的某一试验任务。 单片机的可编程序控制给电机测试带来了很大的灵活性，它的运算能力基本上 代替了传统测试系统中的人工数据处理。所以，采用这些数字化测试仪的电机 测试系统中，测试人员的劳动强度大大降低，系统的自动化程度与测试精度都 大大提高。但是这些测试仪之间的配合仍然需要人工处理，整个系统的自动化 程度还有待提高。 第三阶段，随着计算机的出现与发展，人们渐渐发现计算机是实现自动测 试的最佳平台。计算机丰富的输入输出设备，强大的软件支撑环境，高速的运 算能力给电机测试带来了全新的面貌与概念。目前，基于计算机的电机性能试 验自动测试系统一般由计算机、外围输入输出设备、数字化测试仪、传感器等 构成，数字化测试仪在计算机的统一调度下依次完成各项试验，计算机与数字 化测试仪之间通过各种通讯接口交换数据。系统主要利用计算机丰富、成熟的 输入输出设备与控制、调度能力来实现与用户之间友好的测试接口。 测控系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用，它从现场获取各种参 数，运用科学规律和系统工程的做法，综合有效地利用各种先进技术，通过自 动控制手段和设备，使每个环节得到优化，提高产品质量，降低成本。 传统的测控系统主要是由硬件电路组成的，所具备的功能比较少，也比较 弱。而将微型计算机技术应用到测控系统中，使得传统的测控系统发生了根本 性变革，它代替传统测控系统中的一些常规电子线路，从而成为新一代的基于 计算机技术的测控系统。将微型计算机技术引入到测控系统中，不仅可以解决 传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强系统功能，提 高测试精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩 短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等。 第一章绪论 1 3 国内电机出厂检测的现状 我国国民经济迅速发展，正成为“世界的加工厂”，而机电产品是主要的 出口产品之一。电机按照生产工艺流程，在完成总装之后，必须遵循行业或国 家标准，对其主要参数( 温升、电压、电流、功率等) 进行检测，严把质量关。 目前国内电机厂家使用的电机出厂自动检测设备，视其产量、品种规格的 不同，可分为台式、转盘式、流水线式等几大类，它们各自有其自身的优缺点 和适用范围，在此不作细述和比较婚吲。但无论采用何种方式，有两点是相同的： 一是同一时间只能测试单一规格的电机，当被测试电机规格不同时需要停机再 重新进入系统才能继续进行测试。这对同时检测多品种电机来说，无疑是一个 很麻烦的问题。频繁换规格就需要频繁停机再重新进入系统，工作繁重、效率 低，大大地制约着测试速度，经济效益也受到影响。二是一次只能对一台电机 一个档位进行测试。 1 4 温升测试系统特点 上位机的计算机监控软件，界面友好，操作简单，使用方便，功能丰富， 性能稳定，画面美观。借鉴国内先进的上位机设计方法，使h m i ( 人机界面) 更 具有人性化、动态化等。它能够自动完成原来由操作人员所从事的工作，如数 据采集、单号设置、通道设置及维护等，还具有自动生成曲线，系统管理等功 能。它的使用必将极大的提高工作效率，方便企业管理。并且监控软件整合了 许多容错能力，足以确保数据库的安全性，防止数据的丢失。 下位机采用专用的三菱p l c 进行采集控制，p l c 提供r s - 4 8 5 接口。电量采 集模块( 功率模块) 提供r s 一4 8 5 接口，绕组温升测试仪提供r s 一2 3 2 接口，并 且具有报警、校正功能，能够满足厂方的采集需求。系统网络采用技术成熟的 r s 一4 8 5 ，总线网。 1 5 本课题研究内容、方法及意义 电机的出厂试验对电机设计、制造、使用至关重要，传统的电机试验中， 采用手动操作，存在着测量时间不同步、人为因素影响大、工作效率低等特点。 随着现代计算机技术及控制技术的发展，将计算机技术应用于电机测试中，可 第一章绪论 以大大提高测试效率、准确度，解决好同步采样与连续采样的问题，得到大量 可靠的测试数据。利用这些数据，可以判断被检产品是否符合设计要求、品质 的优劣以及改进的目标和方向引。 广东省中山市大洋电机有限公司，主要生产单相交流异步电机，此电机主 要用来出口，为提高检测效率和检测精度，克服当前测试系统的不足，应邀青 岛宏洋科技有限公司，自主开发、独立设计了单相交流异步电机组温升测试系 统。本课题采用计算机对实验电机的温升、电压、电流、功率等参数进行实时 控制，采用巡回切换的方式同时对8 台电动机多档位进行监控，并采用先进的 带电绕组温升测量仪测量温升，用先进的功率模块对电机电参数综合采集和传 送。本课题的研究将对单相交流异步电机出厂试验自动化水平的提高起到一定 的推动作用，并对其是否合格做出判断，有效地降低了电机的故障率，提高了 企业的经济效益和知名度。 本系统对电机温升测试设备进行自动控制、对各监控参数进行实时监控， 主要完成了以下工作： ( 1 ) 硬件设计 实现单相交流异步电机组温升测试系统主要功能的系统结构设计、相 关电路图及框图绘制。 ( 2 ) 软件设计 编制上位机工作站及下位机p l c 软件程序。 ( 3 ) 通信程序设计 根据协议，编写上位机与p l c 、温升测试仪、功率模块之间的通信程序。 第二章系统控制方案 第二章系统控制方案 2 1 电机温度( 温升) 测量方法 由于电机温升对电机运行的重要影响，所以把电机温升测试作为电机出厂 试验和电机运行状态监测的重要组成部分。国际电工委员会标准i e c 3 4 - 1 旋转 电机和国家标准g b 7 5 5 8 7 旋转电机基本技术要求中规定，电机绕组或者 其它部分温度测量方法有以下几种：电阻法、温度计法、埋置检温计法。 2 1 1 电阻法 电阻法是测定绕组温升公认的标准方法，1 0 0 0 k w 以下的交流电机几乎都用 此方法来测量。在一定的温度范围内，电机绕组的电阻值将随着温度的上升而相 应的增加，而且其阻值与温度之间存在着一定的函数关系。根据这一原理，可以 通过测定电机绕组的电阻来确定其温度，其测得的是绕组温度的平均值。冷态时 的电阻( 电机运行前测得的电阻) 和热态时的电阻( 运行后测得的电阻) 必须在 电机同一出线端测得。绕组冷态时的温度在一般情况下，可认为与电机周围环境 温度相等，这样就可以计算出绕组在热态的温度了。 2 1 2 温度计法 对电机中不能采用电阻法测量的部位，如定子铁心，轴承及冷却介质等，可 采用温度计法来测量。温度计法是用温度计贴附在可接触的表面来测量温度，所 测得的温度是被测点的表面温度。为了减小误差，从被测点到温度计的热传导尽 可能的良好，将温度计球面部分用绝热材料覆盖，以免周围冷却介质的影响。温 度计除包括水银、酒精等膨胀式温度计外，也包括半导体温度计及非埋置的热电 耦或电阻温度计。在电机中存在交变磁场的部分，不可采用水银温度计，因为交 变磁场在水银中产生涡流会发热，以致影响测量的准确性。 2 1 3 埋置检温计法 埋置检温计法是将电阻检温计、热电耦或半导体热敏元件埋植于电机内部不 能触及的部位，如定子绕组的槽部和铁心内等，经连接导线引到电机外的二次仪 表，从而测定温度值。在测量时应控制测量电流的大小和通电时间，以免因测量 第二章系统控制方案 电流引起的发热而带来误差。每个检测元件应与被检测点表面紧密相贴，以有效 的防止测温元件受到冷却介质的影响。此法所测温度为测点的局部温度，也可用 于监视局部温升状况。一般检温计应埋置于预计的最热处，对电机的绕组温度， 其数目应不少于6 个q 引。 2 ，2 温升测试方案 2 2 1 “温度计”法 该测试是基于“温度计”法测温升的原理进行设计的，整个测试过程分为两 个阶段：堵转阶段和运行阶段。在堵转阶段，电机断开电容后接通电源( 该阶段 的电源电压是额定电压的n l 倍) ，电机开始堵转运转，电机温度迅速升高，当电 机温度达到“a 1 - a 2 ”时，系统自动接通电容，进入运行阶段：在运行阶段，电 机接通电容后正常运转( 该阶段的电源电压是额定电压的n 2 倍) ，电机温度继续 上升，当温度达到热稳定a 3 后，继续运行x m i n ( 可设定) 左右，然后系统自动切 断电源，结束测试，这样电机的温升就是a 3 一a 2 ，如下图2 1 所示。 2 ，2 2 “电阻”法 “电阻”法测定子绕组温升，是利用被测绕组直流电阻在受热后增大的关系 来确定绕组的温升，所测量的温升是绕组的平均温升。具体计算如下： 绕组的温升a t = ( k a + t 0 ) ( r 2 - r 1 ) r 1 十( t 0 - t 1 ) t ：室温t 1 ( 实验终了时的) 条件下的绕组温升 r l ：实验开始时( 即室温t 0 下) 的绕组电阻值，即冷态电阻值 r 2 ：实验终了时绕组电阻值，即带电运行过程中电阻值，热态电阻 t o ：实验开始时的室温 t l ：实验终了时的室温，即绕组带电运行过程中的室温 k a ：常数，对铜绕组为2 3 4 5 ，对铝绕组为2 2 8 1 ( 对电子变压器) 或2 2 5 0 ( 对于小功率电机) ；实验开始的时候，绕组温度应等于室温。 电阻法测温分为断电测温和带电测温。电机断电测温，由于热稳定性条件 的变化以及测量仪表和操作经验等因素的影响，测得的热态电阻有一定的分散 性，影响准确性，不适用于在线监测场合，本系统采用电机绕组带电测温方法。 第二章 系统控制方案 2 3 系统原理及关键技术 2 3 1 问题描述 本系统中，需要采集的数据有两类：一类是模拟量：电压、电流、功率、温度。 电压、电流、功率、温升由智能仪表采集，智能仪表有r s - 2 3 2 或r s 一4 8 5 接口， 将信号传送到工控机中。温度由p l c 的热电偶模块采集，通过r s 2 3 2 4 8 5 转换 器后传送到工控机中。另一类是开关量，直接通过现场设备继电器动作反映到 p l c 中，然后送到工控机中。工控机对这些数据进行分析、判定、分类记入数据 库，实时显示在显示屏上并提供数据查询。这样由局部状态( 即数据) 和操作 集( 即对这些数据所进行的分析、记录和显示) 就组成了一个实体，这个实体 就是本次工作的对象。 2 3 2 系统测试工作过程 系统测试工作过程示意图如图2 - 1 所示。 首先，在电机断电且电容断开的情况下，测量各工位电机主、副绕组的电 阻值，并测量环境温度a 2 。采用一台温升测试仪轮巡检测8 台电机的检测方式， 来测量各开通工位的电机绕组电阻值，即冷态电阻值，为保证测量数据的准确 性，每个测量工位的测量时间约为1 分钟左右，采用上位机自动判断采集的数 据是否稳定为主要依据。 价运 段行 阶 段 定 阶 段 图2 1 系统测试工作过程示意图 第二章系统控制方案 冷态电阻测量完毕，切断温升测量仪测试电源回路，电机启动电容断开， 电机以n 1 倍额定工作电压运行，由于无启动电容，电机工作于堵转状态，电机 绕组温度急剧上升，p l c 实时检测绕组温度，并通过r s 一4 8 5 总线传给上位机， 当温度达到a 2 - a 1 时，p l c 控制启动电容接通，此时电机以n 2 倍额定电压正常 启动运转，绕组温度继续上升，最终达到热稳定状态，通过上位计算机自动判 断温度数据是否已经稳定。热稳定运行x 分钟( 可自由设定) 左右，立即开始 测量电机绕组电阻，即热态电阻值。仍然采用一台温升测试仪轮巡检测8 台电 机的检测方式逐台测量，由于温升测试仪从切入开始测量到数据稳定大约需要4 分钟左右的时间，因此每台测量4 分钟左右，这样8 台轮巡测量下来，热态电 阻测量时间至少为3 2 分钟。通过上位计算机自动判断采集的温度数据是否稳定 为主要判断依据。 在测量的过程中，逻辑顺序为：切断电机主回路一接入带电绕组温升测试仪 一读取测试绕组电阻值一判断数据稳定否。通过r s 一2 3 2 总线取1 0 个稳定的测量 值，传给上位机，然后做平均值处理作为最终测量热态电阻值。在整个测试过 程中，电动机功率、电流、电压实时检测，通过r s - 4 8 5 总线传给上位工控机。 2 3 3 温升测试仪巡回切换的实现 本系统中带电绕组温升测试仪采用轮巡切换检测的工作方式。电气原理示 意图如下图2 2 所示t 第二章系统控制方案 主绕组副绕组测试电源主绕组副绕组测试电源 图2 - 2带电绕组温升测试仪轮巡测试电气原理图 上图2 2 中n l 为电机堵转阶段电压，n 2 为电机正常运行阶段电压。现以 m 1 电机为例说明本系统工作原理。测量冷态电阻时k m l 、q f l 、k b i 4 、k a 2 、k a 3 、 k a l 、k a 4 ( 根据实际测量情况决定接入高档、中档、低档、微档中的1 个) 闭合， 带电绕组温升测试仪开始工作，上位机发出测量冷态电阻指令，测量完毕结果传 给上位机；然后k m 4 、k a 2 、k a 3 、k a l 断开，k m 3 闭合，电机开始堵转，当达到 a 2 - a l 温度时，k m l 断开，k a l 、k m 2 闭合，电机在n 2 电压下正常启动运行；当 绕组温度达到热稳定阶段x 分钟时，开始测量电机绕组热态电阻值：k m 3 断开， k m 4 、k a 2 、k a 3 、k a 4 闭合，带电绕组温升测量仪接入本系统，上位机发出热态 电阻测量指令，开始测量热态电阻值，测量完毕，将结果传给上位机，本工位测 量结束，k m 4 、k a 2 、k a 3 、k a 4 、k a l 断开。其它电机测量过程相同。 关于档位电机的测试：本系统共8 个测试工位，其中l 至4 工位中每个工 位最大可测试6 个档位的电机，5 至8 工位中每个工位只能测试1 个档位的电机。 实际测试中，操作人员只需把电机线所有档位线( 最大6 个档位) 全部接好， 然后通过软件选择要测试的档位，系统会自动测试选择的档位。 第二章系统控制方案 2 4 绕组温升测试系统关于测试主线调速电机的问题 本电机绕组温升测试系统核心技术采用威格r d c 2 0 2 1 双通道温升测试仪。 本仪器适用于测试如下单相交流异步电机： 副线副线 档1 主线公共端主线档2 图2 - 3 单相电容启动电机结构示意图图2 4 副线调速电机结构示意图 而对于如下主线调速电机，档1 可以准确测量，而档2 、档3 不能准确测量。 档3 图2 - 5 主线调速电机结构示意图 说明：主线指主绕组，副线指副绕组。电机在接单相电源时，图2 - 3 中的 公共端可接火线，也可接零线。 主线调速电机档2 、档3 不能准确测量的原因分析：r d c 2 0 2 1 仪器测量时 对于图2 5 中的档2 ，档3 与主绕组，副绕组之间有重叠绕组，仪器对重叠绕组 无法正确区分是属于主相还是属于副相。 因此，本电机绕组温升测试系统只能测试图2 - 3 、图2 - 4 以及图2 5 中的 档1 类型的单相交流异步电机。 第二章系统控制方案 2 5 温升测试系统操作及注意事项 2 5 1 操作步骤 ( 1 ) 合上开关o f 9 ( 功率模块) 、o f l 0 ( 继电器) 、o f l l ( p l c ) ，确保系统电源正 常。 ( 2 ) 开启带电绕组温升测量仪电源按钮( 按下为开启，在本系统中，当测量冷 态电阻或者测量热态电阻的时候，仪器才得电，其它过程中，仪器失电) ，一定 要确保在测试的过程中仪器电源按钮在开启位置，否则将烧毁仪器。 ( 3 ) 开启计算机，进入操作系统，打开温升测试系统软件。 ( 4 ) 进入软件界面后，进入“模块测试”界面，进行系统通信测试，各模块通 信正常后方可进行后面操作。注意只有在系统停止时通信测试有效。 ( 5 ) 委托单号设置。 ( 6 ) 参数设置，包括基本参数跟特殊参数设置。 ( 7 ) 合上所测工位的电源开关( o f l q f 8 对应1 到8 号工位) ，进入“模块测试 界面，调节堵转电压跟运行电压。 ( 8 ) 连接好测试电机，根据实际需要接好热电偶。若不接热电偶，系统不堵转， 冷态测量完毕直接进入运行阶段。 ( 9 ) 按下所测试工位的“冷态测量“按钮，然后按下“系统运行”按钮，开始 测量。 若要中途中断测量，只要按下要断开工位的“断开连接”按钮；若要提前 进入热态测量，只需按下“热态测量”按钮；若要在测量热态的过程中退出热 态测量，按下“断开连接按钮；若希望电机继续运行，按下“恢复连接”按 钮；若按下“系统停止”按钮，则系统整体所有工位停止。 ( 1 0 ) 测试结果定期导出，无用数据定期处理( 3 个月处理1 次) 。 2 5 2 操作注意事项 ( 1 ) 各工位额定电流1 5 a ，额定电压最大a c 4 0 0 v ，频率5 0 h z 6 0 h z 。 ( 2 ) 测量电机类型为交流双绕组异步电机，特别注意主线调速电机除最高档外， 其它档位主副绕组不能同时测量，否则测量结果不准确本系统中3 # t 位测量 时可以软件选择测量主绕组还是测量副绕组3 # 5 # 7 # 8 # 三个工位可以测量 1 9 0 0 0 欧姆范围的电阻，其余工位只能测量8 0 欧姆以上的电阻。 第二章系统控制方案 ( 3 ) 测试过程中不要随意触动带电绕组温升测量仪上的任何按键或关闭其电 源，热态测量时，带电绕组温升测量仪的热态按键自动切换，不要在热态测量 时按下冷态键，否则将烧毁仪器。 ( 4 ) 不要在工位通电的时候，直接插拔电机连接线；更严禁温升测量仪在测量 热态电阻的过程中直接插拔电机连接线，否则将烧毁仪器。 ( 5 ) 过程中若有突发危急情况，请及时按下控制柜体上的紧急停止按钮，则系 统整体停止。 ( 6 ) 定期检查电器元件的性能情况。 ( 7 ) 调压器端接线规定：每个工位有4 根电源线，堵转电源线2 根，运行电源 线2 根。标号说明：例如“l 3 1n 3 一l ，“3 ”代表3 号工位，“一1 ”代表3 号工位的堵转电源线，“l 3 2n 3 2 ”，同样“3 ”代表3 号工位，“一2 代 表3 号工位的运行电压。其它工位依次类推。 ( 8 ) 电机线跟接线盒的连接一定要可靠，否则将使测量电阻偏大。 ( 9 ) 热电偶不要直接贴在电机金属壳上，要先在机壳上贴上绝缘胶纸，然后将 热电偶贴在绝缘胶纸上，这样避免电机漏电时强电窜入系统，烧毁温度检测模 块。 第三章系统硬件设计 3 1 系统要求 第三章系统硬件设计 1 测试工位数：8 个 2 测试档位数：1 4 # 工位可测6 个档位，5 8 # 工位测1 个档位 3 可测量参数：电阻、温度、电压、电流、功率 4 测量温度路数：1 7 路( 卜8 # i 位每个工位2 路热电偶通道，另外1 路环 境温度) 5 测量温度范围：卜1 0 0 0 度 6 测量电阻范围：1 9 0 0 0 欧姆 1 铺工位和6 # i 位只能测试绕组电阻1 0 0 9 0 0 0 欧姆以上的电机 5 # 、7 # 、8 # i 位可以测试绕组电阻1 - 9 0 0 0 欧姆的电机 7 热电偶类型：j 型 8 电压测量范围：a c 卜4 0 0 v 9 电流测量范围：卜2 5 a 1 0 每个工位最大允许电流1 5 a ( 电机最大启动电流不能超过此上限) 1 1 每个工位最大电压：a c 4 0 0 v 1 2 系统组成：计算机控制台1 个，测量控制柜1 个，带电绕组温升测量仪 2 台( 其中1 台备用) ，现场电阻测量分布式接线盒8 个，现场温度测量 分布式接线盒2 个 3 2 控制系统概述 3 2 1 控制系统组成 本系统控制部分主要由工控机、可编程控制器( p l c ) 、带电绕组温升测试 仪、功率变送器等组成。基于上述测量原理，本方案采用高性能工控机作为上 位机，下位机采用现场控制可靠性极高的p l c + 智能仪表+ 智能模块的方式，负责 完成现场逻辑控制、数据采集等功能。控制系统结构框图如图3 - 1 所示。 第三章系统硬件设计 f 烈 田蕊 i n 玎习习麓 幡奄奄蟓 i 上点点占 l t i 珏丌习赣 参略谚谚 lii 魈琏耀箍 图3 - l控制系统结构框图 本系统采用分离元件“拼装”的方式，这样的设计理念能保证整套系统的 高度可靠性和高度的替换性。各分离元件之间无相互电气依赖性，某一元件模 块出现故障不会影响其它元件模块的继续工作。 322 系统功能 ( 1 ) 晟大测试工位数：8 个( 其中4 个6 档位，4 个1 档位) ( 2 ) 测试电机类型：交流单相( 带主副绕组、需电容启动) ( 3 ) 系统电气最大额定电流： 8 a ( 4 ) 工位最大热电偶数：2 路 ( 5 ) 测量值：主、副绕组温度；环境温度；主、副绕组的冷态电阻、热态电阻： 功率、电压、电流 ( 6 ) “温度计”法和“电阻”法测量绕组温升的方式可分别选择 ( 7 ) 手动测试跟自动测试方式选择：手动测试方式下，带电绕组温升仪工作于在 线状态，每次只能测试4 - 8 工位中1 个档位的电机；自动方式下，根据选择的 工位数，可多工位、多档位测试 ( 8 ) 自动计算绕组温升数值 ( 9 ) 温升测试报表、巡查报表自动生成、打印 m 冀、i啪! 第三章系统硬件设计 ( 1 0 ) 主、副绕组温度，环境温度，冷( 热) 态电阻，功率，电流，电压数据可 以上传到o i s 系统中。为减轻本机负担，不影响数据采集速度，本机数据实时 最多保存1 个月，多于1 个月的数据系统自动清除。历史数据导为a c c e s s 文件。 ( 1 1 ) 最大分辨率：温升测试仪：0 1 欧姆；温度模块：0 i 度；功率模块： o 0 1 3 2 3 控制系统各硬件作用 ( 1 ) 工控机：控制各工位启动、停止，温度数据采集，功率、电流、冷热态电 阻的测量。实时监控，参数设定，数据保存，数据查询，报表打印等。 ( 2 ) 可编程控制器：负责温度数据现场采集，通过r s - 4 8 5 总线，经r s 2 3 2 4 8 5 转换器，实现与上位工控机的相互通信。接受并执行上位机的实时控制命令， 并通过控制继电器、接触器等实现对现场检测电机的工位、档位、启动停止、 电容切换等。 ( 3 ) 带电绕组温升测试仪：负责测试电机绕组冷态热态电阻值，并通过r s 一2 3 2 总线送入上位机。 ( 4 ) 功率变送器：负责电机功率、电流、电压参数的采集，并通过r s - 4 8 5 总线， 经r s 2 3 2 4 8 5 转换器传入上位计算机。 ( 5 ) d i d o 模板均采用2 2 0 va c 类型。 ( 6 ) a i 模板主要类型为：差分双端4 2 0 m a 型、热电阻( p t - 1 0 0 ) 型、热电偶( m v ) 型。 ( 7 ) a 0 模板采用标准型，可组态为：4 2 0 m a 或1 5 v 及o - - 一l o v 。 3 3 工控机选型和配置 工控机是广泛应用于工业现场的控制设备，它具有结构简单、灵活、便于扩 充，易于实现，工作稳定可靠，抗干扰能力强，便于工作和管理等特点n 3 1 。 本系统选用台湾研华公司生产的工业专用计算机a w s 8 2 5 p 一5 8 6 2 0 0 型工控 机作为上位机，完成系统的监视、操作、控制等功能，硬件配置如下：3 2 m 内存， 4 3 g 硬盘，1 5 ”t v g a 显示器，3 5 ”软驱，触摸键盘，w i n d o w s2 0 0 0 操作系统。机 箱为全钢结构，内含1 4 槽无源底板，2 5 0 瓦工业电源，9 0 一- 1 3 2 v a c 或1 8 0 2 6 4 v a c ，4 7 6 3 h z 。是一种高速度、高性能、抗干扰性能极强的工控机，可方 便的实现升级和扩展，配有l q 一1 6 0 0 k 中英文打印机，打印报表。工控机由一台 第三章系统硬件设计 5 0 0 y a 的不间断电源u p s 供电，保证报表数据的完整记录1 。 3 4 温升测试仪选型与配置 3 4 1 系统对温升测试仪的要求 1 能带电测量冷态电阻、热态电阻、实验开始环境湿度、实验结束环境温度。 2 能提供r s 一2 3 2 4 8 5 通信接口，通过通信能连续实现整个测量过程。 3 能满足如下测量过程： ( 1 ) 在被测试电动机( 有主、副绕组，带启动电容的单相电机) 断电情况下通 过逐台切换的方式轮巡检测8 台被测试电机的冷态电阻值，每台测量完毕，通 过r s - 2 3 2 通信功能将测量结果准确传给工控机。 ( 2 ) 然后带电绕组温升测试仪脱离系统，每台电机在1 0 - 1 3 倍额定电压( 1 l o y 、 2 2 0 v ) 下运行，每台测试电动机在达到热稳定状态3 0 分钟左右时，通过切换的 方式接入带电绕组温升测试仪，通过逐台切换的方式轮巡检测每台被测试电动 机的热态电阻值( 为保证测量准确，能满足瞬间切入，保证测量结果在1 分钟 内读出) ，然后通过r s 一2 3 2 通信功能将测试结果准确传给工控机。 3 4 2 温升测试仪器分析与确定 1 以前绕组温升测试仪器、仪表的不足 电机的温升通常是通过测量其绕组的冷、热态电阻来获得的n 副。采用普通 电桥测量绕组热态电阻速度慢、操作繁琐，已被逐步淘汰；而现有的专用测量 仪表则普遍存在自动化程度低、功能不甚完善等缺陷；又由于被测试电机的温 升随时间大致按指数曲线变化，温升稳定后，电机断电制动，此时立即测量定 子绕组的热态电阻，并用外推法修正得到皂枧切离电源瞬阅的热态电腿，然后 计算得到温升值。电机断电后测量热态电阻时，由于热稳定条件的变化以及受 测量仪表和操作经验等因素的影响，测取的热态电阻有一定的分散性，外推时 会影响数据的准确性。 2 r d c 2 0 2 1 温升测试仪 绕组温升是衡量小功率电机、电子变压器性能的一个重要指标。根据现行 国际g b7 5 5 8 7 电机基本技术要求中推荐的带电测量定子绕组热态电阻和 温升的方法，根据温升测试系统要求，本课题采用杭州威格r d c 2 0 2 1 双通道温升 第三章系统硬件设计 测试仪。采用该温升测试仪，电机可在不切离电网的情况下，实时地监测电机 热态电阻和温升的变化及显示相应