（机械电子工程专业论文）机车电机微机测试与管理系统的研究.pdf

摘要 摘要7 7 0 7 g 机车电机微机测试与管理系统是为适应铁路现代化的迅速发 展和提高效率的要求而研制的。与传统的分立检测设备相比，系 统提出的综合测试技术，测量项目齐全、测试精度高、提高了作 业效率、实现了修验分离新的检修方式。 【机车电机微机测试与管理系统采用一种先进的测试电机方法 采用可控硅供电的反馈试验线路对大功率电机进行试验，对 小功率电机则采用直接负载线路，实现了对d f 4 型机车各种电机 ( 主发电机和牵引电机除外) 的性能检测，即空载、负载及超速 条件下运行检查试验；完成对电机的检测、故障判断分析、打印 报表及数据网络传输。、 本文介绍了系统结构和功能，阐述了系统的硬件构成，包括 传感器的选型，输入输出通道的设计；编制了软件；对系统从硬 件到软件进行了抗干扰设计；并且利用专家系统来实现对机车电 机的智能故障诊断。整个系统采用模块化、结构化设计，为系统 的可靠性、灵活性、可扩充性和可维护性提供了软硬件基础。 关键词：皮盎专家系统网络传输一、他劫 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p u t e rt e s t i n g a n d m a n a g i n gs y s t e m o f l o c o m o t i v e e l e c t r o m o t o ri s d e v e l o p e dt oa d a p tt o t h er a p i dd e v e l o p m e n to f r a i l w a ym o d e r n i z a t i o na n dt h er e q u i r e m e n to fi m p r o v i n ge f f i c i e n c y c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lp a r t e de q u i p m e n t ，s y s t e mp u t sf o r w a r da k i n do fi n t e g r a t e dt e s t i n gt e c h n o l o g y i tc a nd e t e c ta l l s i d e dt e s t i n g i t e m s ，h a sh i g hp r e c i s i o na n di m p r o v e se f f i c i e n c y i tr e a l i z e san e w o v e r h a u l i n gw a yb yw h i c h e x a m i n a t i o na n dr e p a i ra r es e p a r a t e d c o m p u t e rt e s t i n g a n d m a n a g i n gs y s t e m o fl o c o m o t i v e e l e c t r o m o t o ru s e sa na d v a n c e dm e t h o do ft e s t i n gm o t o r s f o rl a r g e p o w e rm o t o r s ，s y s t e ma d o p t s f e e d b a c kc i r c u i t p o w e r e db y c o n t r o l l a b l es i l i c o n ；f o rs m a l l p o w e rm o t o r s ，d i r e c tl o a dc i r c u i ti s u s e di td e t e c t st h ep e r f o r m a n c eo f m o t o r si nm o d e ld f 4e x c e p tm a i n d y n a m oa n dt r a c t i o ne l e c t r o m o t o ru n d e rt h ec o n d i t i o n so fu n l o a d ， l o a do ro v e r s p e e d t h et e s ts t a t i o nd e t e c t s ，d i a g n o s e s ，p r i n t sr e p o r t f o r m so f m o t o r s ，a sw e l la ss e n d sm o t o r s d a t at h r o u g hi n t e m e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e se n t i r ef i m c t i o na n db a s i cs t r u c t u r eo f s y s t e ma n de s p e c i a l l ye x p a t i a t e so nh a r d w a r ec o n s t i t u t i o ni n c l u d i n g c h o i c eo fs e n s o ra n dd e s i g no fi n p u t o h t p u tc h a n n e l ，s o f t w a r ed e s i g n ， a n t i - j a m m i n gd e s i g na n da p p l i c a t i o no fe x p e r ts y s t e m o nm o t o r d i a g n o s i s i nt h i ss y s t e m ，m o d u l a r i z e da n ds t r u c t u r e dd e s i g ni su s e d ， w h i c hp r o v i d e st h es y s t e mw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r et h a ti sr e l i a b l e ， f l e x i b l e ，e x p a n d a b l ea sw e l la sm a i n t a i n a b l e k e y w o r d s ：f e e d b a c k ；e x p e r ts y s t e m ；n e t w o r kt r a n s f e r 北方交通大学碳j 学位论文 第l 章概述 第1 章概述 1 1 国内外现状 随着铁路现代化和提高效率的要求，人们对电机试验在准确 性和快速性方面提出了越来越高的要求。为保证机车电机正常和 可靠的工作，防止故障的发生和发展，并延长其使用寿命，保证 机车安全运行，必须定期对电机进行检查和试验；而且测试内容 日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能、性能、测 试速度、测试准确度等方面的要求也日益提高。 近年来国内外对试验中各非电量传感器、仪器的研制以及新 的电机试验方法作了大量的工作，使测量的精度和速度有了显著 的提高。例如，俄罗斯全俄电力机车制造科学研究所的专家们研 制了一种独特的电动机试验方法。该方法主要利用b 兀8 5 电力机 车操纵装置和整流变换机组( 替代发电机发动机系统) 的相互载荷作用。该系统在试验台试验时使用微机对电机参数作 自动检测，可以获得电动机技术状态的信息资料“”。日本东海铁 路公司滨松工厂新近建成了3 0 0 系列新干线电力动车交流感应牵 引电动机的非解体检修生产线。将原有的独立检测装置特点总汇、 集约起来，在全检、台检的电机检修中可取得节省5 0 人员的效 果，具有检测精度高、自动化程度高、生产效率高和工程费用低 的特点1 3 7 | 。国内由于电子技术的飞跃发展，电机试验中已开始采 用各种数字式仪表及装置来检测各物理量。它能自动地将被测量 直接以数字形式显示、记录或输出。为研制和鉴定高精度、高性 能的电机提供了必要的条件。 国内电传动内燃机车上的电机种类繁多，例如东风。型内燃 机车上装有大、小电机3 2 台，分别担任着机车牵引和控制任务。 但是路内各段的电机检修水平落后。一般是手工操作，除了试验 北方交通大学硕上学位论文 第1 章概述 工况操作人员外，还需要多个试验数据记录人员。采用常规测量 仪表( 大量是指针式仪表) 来测量试验数据，不但由于仪表本身 精度差、人为读数误差大而使试验数据的准确性受到影响，而且 人工操作试验及整理试验报告工作效率低，达不到快速性的要求。 对于电机的故障修理大多凭工程师经验，而且对于故障修理数据 没有保留积累。为适应铁路现代化和设备自动化发展，同时为确 保电机检修质量，电机试验采用微机综合自动测试系统势在必行。 1 2 课题的意义及由来 随着我国铁路事业的飞速发展，为满足日益提高的机车电机 检修质量的需要，各科研单位、工厂和大专院校纷纷开发了各种 各样的电机试验台。但是，这些试验台都是分散的，各个试验台 间无共通性，测试项目不全。可以说，目前路内还没有可供多种 电机进行自动测试的综合微机系统。而且绝大部分试验台是靠手 工操作来完成测试的，这样就给机务检修部门的数据管理工作造 成了相当的困难。 课题“机车电机微机自动测试与管理系统”是与沈阳铁路局 签订的科研项目“机车电机电器微机测试管理系统”的子课题。 本课题所有技术要求是应现场实际需要提出的。 我们所研制的机车电机微机测试与管理系统，可以起到一定 的先诊断后修理的作用。系统主要对d f 4 型机车各种电机( 主发 电机和牵引电机除外) 进行测试。计算机根据自动检测到的数据 做出综合分析，由专家系统判定被试电机经中修后的使用性能是 否合格，并给出相应结论，如不合格，操作人员可根据结论给出 的故障点进行修理，修理后再回到试验台上进行自动测试。在测 试全过程中，系统实时显示电机状态信息，并具有声音、文字、 图形曲线等功能。对于测试后的数据，可按用户提出的要求进行 查询打印，极大地方便机务段进行数据管理；并可以通过网络向 北方交通人学硕士学位论文 第1 章概述 服务器传输数据，做成网页浏览，供管理人员参考、决策。 系统实现了电机数据自动采集，大大地方便了现场人员的操 作，并最大限度地减小了测试误差和人工干预因素，积累了知识 经验，做到了故障预报，为机车电机状态修提供了依据，从根本 上保证机车电机的检修质量，提高了检修效率。系统真正实现了 自动测试系统和数据管理系统一体化，具有一定的先进性和相当 广阔的应用前景。 1 3 课题的主要任务和系统特点 机车电机微机自动测试与管理系统为修理业务的发展和提高 电机检修质量起到一定的推动作用。本系统是依照“东风4 c 型内 燃机车中修工艺电机部分”有关规定，实现对d f 。型机车各 种电机( 主发电机和牵引电机除外，功率为8 0 k w 以下) 的性能检 测，即空载、负载及超速条件下运行检查试验。系统采用先进的 计算机控制技术、现代传感器技术和计算机自动测试技术，可实 现测试数据的自动采集、自动显示、储存、打印和传送，能利用 专家系统对电机进行状态评估和故障诊断，从而保证了修车质量。 系统具有准确度高、可靠性强、开发容易等优点。 系统特点： 1 采用专用的工业控制计算机，适用于恶劣的工作环境，抗 干扰能力强，运行可靠，各种应用软件众多，易于进一步 开发； 2 试验程序采用模块化结构，w i n d o w sn t 工作环境，安全性 强，人机界面友好，严格执行试验流程，操作简单明了； 3 采用良好的屏蔽、隔离、接地和多电源等抗干扰措施，保 证系统在强电场、强磁场的恶劣环境下可靠运行： 4 能自动精确地测量电压、电流、温度、转速等物理量，监 控试验过程工况转换，并自动进行数据处理与显示，报表 北方交通人学硕士学位论文 第1 章概述 ；f fe ；p ，同时可以对试验结果进行存储、试验数据网上传送； 5 微机自动测试与手动测试兼容，可由试验台上控制按钮进 行手动、自动切换，微机检测系统配备u p s ，以适应现场 要求； 6 可自动对试验过程中的过电压、过电流报警，并能采取措 施，以保证设备的安全； 7 各测量通道设计合理，采用多重隔离滤波技术，抗干扰能 力强，通过软硬件滤波，进一步提高了测量精度，保证试 验数据准确性。 北方交通大学硕士学位论文 第2 章 机车电机测试与管理系统方案设计 第2 章机车电机微机测试与管理系统方案设计 2 1系统测试方法的确定 在铁路运输快速发展的时代，机车上越来越多地采用新技术 和新产品。然而，对于电机的修理、验收手段及设备绝大多数还 比较落后。特别是修验一体的制度，使检修质量难以保证。沈阳 铁路局机务处和赤峰机务段共同提出一种修验分开的检修新方 式，它将检修和验收分成两个独立的互不相关的环节，检修员负 责电机的检修和单项及整体修后试验，测试员负责对检修试验后 的电机进行整体测试，如果测试结果正常，则修后产品入库，否 则由检修员重新进行检修和试验。这种方式，将修验彻底分开， 并且验收设备方式均先进于检修手段，所以从根本上保证了机车 检修质量。机车电机微机测试与管理系统是专为修后测试而设计 研制的综合测试管理系统，它最大限度地减少人工干预，只要完 成简单的接线，就可进行自动测试和相应的数据管理，而且采用 了国内最先进的测试机车电机的方法，并且用专家系统对电机进 行故障诊断，从而确保了电机检修质量。 2 1 1 试验电机种类 ( 1 ) z q f 一8 0 型启动发电机( 永济) ； ( 2 ) g q l 一4 5 型感应子励磁机( 永济) ； ( 3 ) z 2 8 2 a 型空气压缩机电动机( 西安) ； ( 4 ) z d 3 0 3 型空气压缩机电动机( 株洲) ； ( 5 ) z t p 一4 1 型d r b 启动滑油泵电机( 西安) ： ( 6 ) z ：- - 4 1 型d f 扭b 启动滑油泵电机( 株洲) ； ( 7 ) z 。一1 2 型车体通风机电动机( 株洲) ； ( 8 ) z t p 1 2 型d f 。b 燃油泵电动机( 西安) ： ( 9 ) z t p 一1 2 型测速发电机( 西安) ； ! ! 塑銮望叁兰堡：! ：堂焦堡苎 笙! 童盟! 皇! ! 型堕皇笪堡墨竺塑鲞! i 生 ( 1 0 ) z 。一1 2 型测速发电机( 株洲) ； ( 1 1 ) z ：一1 2 型预热炉滑油泵电机( 株洲) ； ( 1 2 ) z k l 3 一l 型d f 。b c 预热炉水泵电机( 博山) ； ( 1 3 ) 1 1 0 s z 5 9 型d f 。b c 预热炉水泵电动机( 博山) 。 2 1 2 测试项目 ( 1 ) 测量常温下各绕组的直流内阻； ( 2 ) 绝缘电阻测定( 绕组对地及相互间) ； ( 3 ) 绝缘耐压试验( 绕组对地及相互问工频1 0 0 0 5 0 0 伏1 分 钟耐压) ； ( 4 ) 匝间绝缘介电强度试验( 1 1 倍额定电压5 分钟) ； ( 5 ) 空载试验( 空转运行6 0 分钟) ； ( 6 ) 额定负载试验( 反馈方式与直接负载方式相结合) ； ( 7 ) 超速试验( 1 2 倍额定转速运行1 分钟) ； ( 8 ) 电压电流的测定； ( 9 ) 温度测量( 机壳、轴承及绕组) 。 2 1 3 试验原则 ( 1 ) 采用反馈方式自动手动进行负载试验； ( 2 ) 自动手动测量绕组内阻； ( 3 ) 自动手动测量绝缘电阻： ( 4 ) 自动手动测量绝缘耐压： ( 5 ) 自动手动测量匝问绝缘介电强度； ( 6 ) 自动手动测量温度； ( 7 ) 自动手动超速试验； ( 8 ) 自动手动空载试验。 2 1 4 试验原理 电机是电能与机械能相互转化的一种转换装置，电传动内燃 6 北方交通人学硕l ：学位论文 第2 章机车电机堡4 堕皇笪堡墨堑查墨堡笪 机车就是利用这种原理将柴油机的机械能通过牵引发电机转变为 电能，又由牵引电动机将电能转变成机械能输出的，电传动内燃 机车如本系统所测试的d r 型内燃机车装有各种类型的电机3 0 多 台，共同完成机车牵引和控制任务，虽然它们功率不同，形状各 异，但皆属于交流电机和直流电机两大类，有着相同的工作原理、 相似的结构及共同的检修技术要求，大部分工艺都是相似的，总 的作业过程也基本相同。本系统测试的电机主要为直流电机，所 以可以根据它们的功率不同，采用两种测试方法。 对于容量较小的直流电动机，比如本系统4 5 k w 以下的小电 机采用图2 1 所示的直接负载法。此时，被试电动机d 拖动一个 发电机f 作为它的负载，通过调节发电机f 的激磁或负载电阻r 来调节被试电动机的负载1 1 2 1o 这种直接负载线路，无论在调节或 计量试验参数时都是非常方便的，这种线路因为与电机的实际运 行状态完全相符而得到了广泛的应用。但是这种线路的主要缺点 是耗费大量的电能( 消耗于负载电阻中) ，同时也增加了大容量电 源设备的投资。考虑到系统中采用此法的电机如z k l 3 1 型预热炉 水泵电动机( o 8 k w ) 、z ：一1 2 型启动滑油泵电动机( 0 6 k w ) 、1 1 0 s z 5 9 型预热炉通风电动机( 0 4 k w ) 等都属于小功率电机，并不会消耗过 多的电能，所以采用这种直接负载的方法进行测试。 负载 图2 1直流电动机的直接负载试验线路图 7 北方交通大学碗l 学位论文第2 章机车电机测试i 筻坚塑堕壅然生 但是对于大容量的直流电动机如z q f 一8 0 型启动发电机( 8 0 k w ) 来说，若还采用直接负载法，势必会浪费大量的电能，所以采用 能量消耗仅为其本身损耗的反馈线路，即可测试其全部技术性能 的真实数据。本文将在下一节详细论述这种反馈线路的原理。 2 2 采用可控硅供电的反馈试验线路 对于大容量的电动机采用反馈负载法。它的基本概念为：把 两个同类型的电动机在电方面和机械方面都耦合起来，使其中一 个作为电动机运行，而另一个作为发电机运行，这时电动机发出 的机械能拖动发电机运转，使发电机作为它的负载，而发电机发 出的电能，通过线路的连接，又供给电动机使用。因此这两台同 型的电机互为能源，互为负载，而在试验时所消耗的电能仅为两 个电动机本身消耗之和 1 2 j 。 i 图2 2 有升压机的反馈试验线路图 本系统对于4 5 k w 8 0 k w 的直流电机采用可控硅供电的反馈 试验线路。由于可控硅供电的反馈试验线路是在带有升压机的反 馈试验线路的基础上发展而来，所以在论述这种可控硅供电的反 馈试验线路之前，先讲述一下带有升压机的反馈试验线路。反馈 试验线路原理图如图2 2 。将被试电机d 与另一同型牵引电动机f ( 称为陪试电机) 在机械方面用连轴器耦合，两电机在电方面也 ttlll|u ill土 北方交通大学硕- l 学位论文第2 章机车电机测试与管些墨堕塑塞堂生 按反馈线路连接，升压机s 在线路中和在发电机状态下运行的电 机f 串联。u s 为电源电压：c 。及c ，分别为电机d 及f 的串激绕组： h d 及h 。? 分别为电机d 及f 的换向极绕组；升压机s 为一个它激发 电机，其激磁绕组为t 。；u 。为被试电动机端压( 包括主极、换向 极和补偿绕组) ；u 。为升压机端电压。 现将此线路的工作情况简述如下： 当升压机s 没有激磁，则其电势e s - o ，这时d 与f 都是在电网 电压u 下空载运行的电动机，由电源输送空载电流i 。及i 。( 如 图虚线所示方向) ，由于d 与f 两电机机械耦合，其转速相同，而 且其激磁绕组串于同一支路，激磁电流相等，因此，两电机的电 势e d 与e f 相等，且小于电网电压u 。 如将升压机给予激磁，并按其发出的电势b 与e f 同向且二者 之和大于u 。，则e 。在电机f 及d 的回路中输送了电流i ，这时在电 机f 的支路中总电流为： if = i l o t 而在电机d 的支路中总电流为： ld = l + i ，与i 。的电流方向如图2 2 所示，按照图中所示的极性，i 。 的方向与e d 方向相反，d 作为电动机运转；i ，的方向与睇方向相 同，电机f 作为发电机运转。 此线路的升压机s 的作用可归纳为： 1 如没有升压机，则作为负载电机( 陪试电机) 的f 就不可 能作为发电机运转。 2 当升压机的激磁过低时，可能使e 。+ e f u 。，这时电机 d 与f 就是处于空载状态下的串激电动机，它们将处于飞速状态， 因此，在试验过程中，过分降低升压机的激磁是不容许的。 3 升压机的激磁愈强，则e 。及i ，( 发电机制动电流) 愈大， 9 北方交通大学硕卜学位论文 第2 章机车i 乜机测试与管理系统方案设计 于是被试电动机将在更大负载条件下运行；因此，要调节被试电 动机d 的负载，只要改变升压机s 的激磁即可。 如上所述，带有升压机的反馈试验线路具有下列优点： 1 只要改变升压机不大的激磁电流，就能简单平滑地调节被 试电动机的负载。 2 试验时所消耗的能量，仅为直接负载法所消耗的能量之 2 0 左右。 3 各种损耗可以直接由线路电源和升压机的输出功率来确 定，因此能很方便地确定电动机的效率。 但是这种带升压机的反馈试验需要一个特殊的发电机升 压机，它是一个低电压大电流的电机，另外还需要一个高压直流 电源，这些都是不容易解决的。而且增加电机不仅给设备投资、 试验耗电量以及维修等增加了费用，而且整个试验台都将充满了 噪音，这对于试验是非常不利的，因为在试验时我们仅仅希望听 到被试电机的运转声音，以便及时了解和观察到被试电机的运转 情况。所以本系统采用了由可控硅供电装置代替一些直流电机的 反馈试验线路。 可控硅供电装置的反馈线路图如图2 3 。用电压可调( o 3 0 v ) 的可控硅供电装置称为升压电源代替上述的升压机。o 1 l o v 可 调的可控硅供电装置称为励磁电源为被试电机d 和陪试电机f 分 别提供激磁，此时被试电机d 和陪试电机f 均为它励电动机，由 于两台电机是机械耦合的，因此转速相等，而同时用相同的直流 电源为它们提供相同的恒电流控制，使两台电机的励磁电流也完 全相等，所以两台电机的感应电动势是相同的。o l l o v 可调的 可控硅供电装置称为线路电源为线路机组提供电网电源。这种可 控硅供电的反馈试验线路的调节原理与带升压机的反馈负载线路 的调节原理基本相同。调节升压电源，使( 升压电源电压+ 陪试电 机电压) ) 线路电压，这样反馈即可实现，增大升压电源电压，使 1 0 北方交通大学顾上学位论文第2 章机车电机测遮! 三筻理墨堑塑塞壁! 得陪试电机f 电输出增加，也就是加大了被试电机d 的轴端机械 负载，连续调节升压电源电压，就可以使被试电机d 调节到额定 状态或所需要的负载状态。 g - i l e u 励磁电源 一 l 一 一：矬一： 一il l i e 一1 1 鲫钱黠电源 疆= ! dh h f o 一3 8 u 井压电潦 疆：i 电源框 图2 3 可控硅供电装置的反馈线路图 本系统率先在路内采用可控硅供电的反馈线路方法对大容量 电机进行试验，为电机试验开辟了种新思路和方法。与原有的 方法相比，无论在节省试验耗电量、节省试验台面积、节省投资 和大量金属以及改善劳动条件等方面都显示出它的优越性，大大 提高了机车电机检修质量和水平。 2 3 系统的总体设计 内燃机车电机的检修分为大、中、小、辅四个修程。大修是 对电机进行全面检查，大范围解体检修，恢复电机基本性能，需 要大量的专用设备，一般都安排在大修工厂完成。中修是对电机 进行全面检查，恢复电机主要性能，无特殊情况不解体绕组，但 需对绕组做必要的性能检查，大部分机务段只对电机做中修。小 修是对电机进行全面检查，有针对性地恢复电机运行可靠性。辅 修是对电机进行全面检查，保养清扫，做故障诊断，按状态修理“1 。 北方交通大学硕f ：学位论文 第2 章机乍电机测试与管理系统方塞! 竺堕 本系统就是应机务段要求，根据铁道部“东风4 c 型内燃机车 中修工艺电机部分”的有关规定，按照电机测试原理，实现 对d f 4 型机车各种电机( 主发电机和牵引电机除外) 的性能检测， 即空载、负载和超速条件下运行检查试验。计算机根据自动检测 到的数据做出综合分析，并判定被试电机经中修后的使用性能是 否合格。系统有如下功能： 对被试电机进行性能测试( 静态测试、负载动态测试和 空载超速测试) ； 自动分析电机的工作状态，用专家系统对电机故障进行 诊断，指出故障原因，判定是否合格； 生成测试数据及故障原因的数据报表； 自动显示、存储、打印测试数据及故障原因； 强大的数据库管理功能，并自动将数据传送到网络。 尽管内燃机车上电机种类繁 多，技术指标各异，但是它们的工 作原理相同，需要试验的项目内容 也基本相同。所以机车电机微机自 动测试系统可以对8 0 k w 以下的多 种电机进行试验。根据电机的功率 大小及电机特性分为四个机组进 行试验，整个系统由两套可控电源 供电，由一台工控机控制继电器选 择所要测试的机组。电机试验台形 图2 4 试验台形式示意图 式如右图2 4 。 对于容量较小的直流电动机，如本系统的3 、4 号机组( 功率 小于4 5 k w 的电机) ，采用直接负载法，整个测试系统组成框图如 图2 5 。 1 2 北方交通人学硕上学位论文第2 章机车电机测试与筻里墨竺查墨堂笪 图2 5 具有负载试验台测量框图 对于功率较大的电机，如本系统中的1 、2 号机组( 功率为 4 5 k w 8 0 k w 的电机) ，采用可控硅供电的反馈试验线路，整个测 试系统组成框图如图2 6 。 图2 5 反馈试验台测量框图 试验由三个阶段组成，即静态试验、动态负载试验、空载和 超速试验。静态试验主要测量冷态下绕组内阻、各绕组绝缘电阻、 工频耐压及绝缘介电强度：动态试验则进行负载试验、测试轴承 温度、转速特性以及被试电机的电压电流等；空载试验时，电机 ! ! 查奎望叁堂堡主兰竺堡壅 笙! 童盟羔皇塑型鎏兰笪丝墨竺塑墼! 上 空转运行6 0 分钟，测试电枢电压和励磁电流值；超速测试时，电 机在1 2 倍额定转速下工作2 分钟，观察其工作是否正常。 静态试验原理框图如下图2 7 。 图2 7 静态测试原理图 动态负载试验、空载和超速试验原理框图如下图2 8 。 l转速传感器 i - -计算 机采 热电阻传感器 i - - 接 口 集、 电流传感器 f - 电 显示 路 、控 l电压传 i ；器 _ 一 制 图2 8 动态试验、空载和超速试验原理图 1 4 北方交通大学硕士学位论文 第3 章机车电机微机测试与笪里墨堑堕壁堕生 第3 章机车电机微机测试与管理系统硬件设计 3 1系统的硬件组成 机车电机微机测试与管理系统的硬件主要由信号检测单元、 电源、电机测试台、接e l 箱和工业p c 机及其外围设备等组成，结 构框图如图3 1 所示： 图3 1机车电机测试与管理系统硬件组成框图 1 信号检测单元：由电压、电流、温度、转速传感器及多功能 电阻测试仪、匝间绝缘介电强度测试仪等测试仪器组成。 2 电源：包括净化稳压电源、试验可控电源、u p s 和接口电源四 个部分。 夺净化稳压电源用于消除电网的干扰和电网电压的不稳定，起 北方交通人学硕士学位论文第3 章机车电机微机型堕! 篁堡墨竺堡堡兰堕 到对电网电压净化和稳压的作用。 夺u p s 不间断电源用于在电网突然停电时对计算机的数据进行 保存和相应的处理时提供短时的电源。 夺两套可控电源为电机机组及试验台供电，k s f 2 l 一6 0 0 a 3 0 v 电源和k s f 2 1 一1 5 0 a 1 3 0 v 电源。k s f 2 1 - - - 6 0 0 a 3 0 v 电源为升 压电源，输出直流电流调整范围为o 6 0 0 a ，输出直流电压 调整范围为o 3 0 v ，只供1 、2 号机组做反馈试验时使用。 k s f 2 1 1 5 0 a 1 3 0 v 电源为线路电源，输出直流电流调整范围 为o 1 5 0 a ，输出直流电压调整范围为o 1 3 0 v ，为所有机组 提供励磁电压和电枢电压。 夺接口电源主要为测试和驱动接口箱电路提供所需的电源，包 括5 v 、1 5 v 隔离后一组电源和5 v 、1 2 v 、1 5 v 隔离 前的一组电源。 3 接口箱：箱内有a d 数据采集卡、i o 数字量输入输出卡、 d a 模拟量输出卡、定时计数卡、多功能电阻测试仪接口卡、频 率测量电路等，用于数据采集、隔离及调理功能，也对各自动控 制信号进行隔离、放大和驱动。 夺采集被测电机输出的电压、电流、电阻、转速和开关量等信 号。 夺向被测电机提供测试所需的电压、电流等信号或向试验电源 提供控制信号。 夺对测试对象的选择起控制作用。 4 电机测试台：其上有对应于各种电机的试验台位和接线端子， 根据测试对象的不同来进行相应接线和测试：对应电机各种参数 的数字表显示；用于机组选择启停、电源选择启停、紧急停机等 的控制开关和按钮。 5 工业p c 机及其外围设备：由主机、显示器、打印机等组成。 p c 机是整个系统的指挥与控制中心，保证系统协调、正确地工作， 1 6 北方交通大学硕1 学位论文第3 章机车电机微盟型堕兰笪堡墨竺型堡堂生 完成试验起停、输入信号的数据采集和处理、电机的故障诊断等 功能，主机采用工业p c 机。 3 2 主计算机的选择 由于本系统是实时工业控制计算机系统，环境条件比较恶劣， 它对主计算机性能的要求很高。因此，我们选择了工业控制计算 机。工业级p c 机有如下几个特点： 1 功能强大，价格合理。现在市面上的工控机，采用3 0 0 m h z 或3 0 0 m h z 以上c p u ，内存3 2 m b 或6 4 m b ，且可方便扩充至2 5 6 m b ， 硬盘大都在6 4 g b 以上，其数据处理能力强，运算速度快，保存 历史数据时间长，可实现无纸记录。而其价格只有几千元。 2 各种板卡标准化、系列化，系统集成灵活机动，为实际应 用提供了便利条件。 3 能使用通用操作系统和大多数计算机编程语言。工控机支 持w i n d o w s 、w i n d o w sn t 、d o s 、u n i x 等通用操作系统，并且可以 直接采用v b 、v c 、t c 等常用的高级计算机语言编程。 4 各种智能仪表的应用为工控机的应用提供了便利的条件。 目前许多智能仪表带有计算机通讯用接口，和计算机通讯十分方 便。 5 具有可靠性。工业控制计算机系统总是直接控制着工业生 产过程的操作，即使计算机系统发生故障，由于采用了相应的冗 余设计措施，不会对系统造成重大的经济损失。 6 抗恶劣环境。工控机的工作环境一般都比较恶劣，温度、 湿度、灰尘、振动等都会对计算机造成影响，由于工控机在设计 时采取了很多防护措施，所以能够在恶劣的环境下可靠地工作。 3 3 系统前向通道配置及接口技术 在计算机测试系统中，系统中一定要有被测信号的输入通道。 作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核 北方交通大学硕十学位论文第3 章机车电机微机测试与管理系堑丝笪兰兰! 心任务；作为控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制 条件的监测也是必不可缺少的，前向通道体现了被测对象与系统 的相互联系，是反映外界状态的信号输入通道。 3 3 1 信号输入通道的基本结构 被测信号通常可分为数字信号和模拟信号。数字信号输入通 道比较简单，而模拟信号的输入通道则比较复杂。在本测试系统 中大多数输入的都是模拟信号。微机检测系统往往需要同时检测 多个物理量，因此多通道数据采集输入电路应用更为普遍，其典 型结构有三种： 1 多路分时采集单端输入结构 多路信号分别由各自的传感器和信号变换电路组成的通道经 多路转换开关切换，进入公用的采样保持电路和a d 转换电路输 入主机。其特点是多路信号共同使用一个s h 和a d 电路，简化 电路结构，降低了成本。但它不能获得多个信号在同一时刻的数 据，因而适用于多路中低速微机监测系统。 2 多路同步采集分时输入结构 它是在多路分时采集各信号通道中加一个s h 电路，使多路 信号的采集在同一时刻进行同步采集，然后由各自保持器保持着 采集到的数据，等待多路转换开关分时切换与共用的s h 电路和 a d 电路接通，输入计算机。这种结构适用于中速微机监测系统。 3 多路同步采集多通道输入结构 这种电路原理是由多个单通道电路并列构成多路输入结构。 每个被测信号从采集到a d 转换都是单独完成的，各采样值在时 间上、数据上均不会产生误差，可以实现完全同步采集。这种电 路结构复杂，适用于高速采集检测系统。 本系统属于中低速微机监测系统，所要测试的电压、电流、 温度等模拟量变化都比较缓慢。所以系统采用了多路分时采集单 北方交通大学硕士学位论文 第3 章机车电材l 微机测试与管理系统硬件 5 计 端输入结构。 3 3 2 信号检测单元 系统的信号检测单元由电压、温度、转速等传感器组成。传 感器是信息获取的工具和手段。作为原始敏感元件，它首先从被 测介质接受能量，同时产生一个与被测物理量成某种函数关系的 输出量，再把非电量转换成便于运算、传输、存储和进一步处理 的电量，得到我们所关注的有用信息。传感器是被测有用信息的 源头，也是保障测量准确度的重要环节。传感器的选型对专家系 统的故障诊断来说是相当重要，如果选型不恰当，测试数据不准 确，会直接影响故障诊断的结论。考虑到系统的实际情况和可维 护性，传感器的选型要遵守以下原则：工作可靠、便于安装、结 构简单、测量精度高、经济耐用。 1 电参数的测量 测量电机的输入电压就能够判断供电系统是否正常；测量电 机输出功率就能够判断电机本身是否正常。所以测量电机的输入 电压和输出功率可以判断故障出现的原因，从而建议最合适的修 理方法及范围。测量输出功率只能用间接的方法，即测量电机的 输入电压和电机线圈的电流。根据下式就可以计算出电机的输出 功率： p ：n i v 式中：p 一输出功率 n 一电动机效率 i 一电枢电流 v 一电压 对于固定电机，n 是定值，所以只测i 、v 即可。 由于电机试验台是一个高电压、大电流的电力系统，为了保 证试验操作人员和测量装置的安全，同时又要保证测量数据的准 1 9 北方交通大学硕士学位论文 第3 章机车电机微机测试与管理系统硬件设计 确度，必须选择一种隔离性能好、精度高的传感器。测量电压电 流的方法有多种，传统的电流、电压测试方法是利用分流器或互 感器等，但它们存在着精度低、体积大、适用波形范围窄、不能 电隔离、响应慢等许多缺点，不能满足自动测试系统的要求。为 了能捕捉到直流、交流、甚至瞬变的电压、电流信号，系统采用 l e m 模块，将被测电机的电压、电流信号变为反映其真实波形的 o 5 v 范围内的电压信号。 瑞士l e m 公司生产的l e m 模块是利用最新技术磁补偿原 理研制而成的，符合现代控制系统的要求“1 。它具有以下特点： 可测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲波形 等，甚至对瞬态峰值的测量；l e m 模块为系统产品，电流 测量范围可达5 0 k a ，电压测量范围可达6 4 0 0 v ； 原边电路与副边电路之间完全绝缘，绝缘电压一般为2 k v 至1 2 k v ： 精度高，优于1 ；线性度好，优于0 1 ；动态性能好， 响应时间小于l u s ，而普通互感器的响应时间为1 0 1 2 m s ； l e m 模块尺寸小，重量轻，易于安装；抗干扰能力强； l e m 模块的高灵敏度，使之能够区分“高分量”上的弱信 号，例如在几百a 的电流分量上区分几m a 的交流分量。 图3 2l e m 电流模块连接图图3 3l e m 电压模块连接图 系统选用的l e m 电压模块为k v 2 0 a p 型，即输入o 5 0 0 v 电 压，通过输入电阻转换成o 2 0 m a 的电流。l e m 电流模块为k t 5 0 0 a 型，其测量范围为0 7 5 0 a 。通过外接输出电阻，可得到o 5 v 北方交通人学硕 ：学位论文 第3 章机乍电机微机测试与管理系统硬件设计 电压。电压模块与电流模块的连接图如图3 2 和图3 3 。 2 转速的测量 在正常电压下，正常转速有- - d , 的波动范围，当电机有故障 时，转速可能变化很大，可以通过设定正常转速的上下限来判断 电机是否有故障。所以转速的测量可以作为电机故障诊断的一种 手段，必须准确可靠地测得电机的转速。转速的信息可由测速传 感器输出得到。以下是目前几种常用的测速传感器的比较。 ( 1 ) 测速发电机 测速发电机将转速变换为与之成正比的电压模拟量输出。它 的特点是体积小，电特性线性度好，响应速度快，缺点是结构复 杂，电刷易磨损，万向联轴节加工困难，且容易发生断轴现象， 所以不适合本系统的要求。 ( 2 ) 磁电感应式速度传感器 磁电感应式传感器输出正弦交变电压，分为有源型和无源型， 具有测速精度高，结构简单，抗干扰能力强的特点。其原理是利 用齿顶齿谷的交替，造成气隙磁导的交变，使磁铁中的磁通脉动， 因而在测量线圈中产生交流电势，此电势的频率与转速成正比。 磁电感应式传感器用于测速时，其工作频率的下限较高，约 为5 0 h z 。而本系统所测电机的额定转速均在3 0 0 0 r m i n 以下，即 5 0 h z 以下，所以该传感器不适合本系统的要求。 ( 3 ) 霍尔式速度传感器 霍尔传感器的工作是基于霍尔效应原理的。霍尔式速度传感 器每转一圈输出的脉冲个数与转盘上的磁钢片数目成正比。由于 磁钢片较大，在转盘大小一定情况下，磁钢片数量较少，传感器 输出的脉冲个数也较少，脉冲周期较长。霍尔式传感器具有结构 简单、价格低廉、容易安装等优点，但是由于霍尔元件是由半导 体材料制成的，所以转换速率低，适用于测量较低的转速，本系 统所测电机的额定转速均在1 0 0 0 r m i n 以上，故该传感器不符合 北方交通大学硕l 学位论文第3 章机车电机微机测试与笸理系统醒堡丝生 本系统的要求。 ( 4 ) 光电式增量编码器 光电编码器是基于光电方法的一种码盘传感器。它最大的特 点是非接触式，因此使用寿命长，可靠性高。当光源经光学系统 形成一束平行光投射在码盘上时，转动码盘，光通过码盘的透光 和不透光区，在码盘的另一侧就形成了光脉冲，脉冲光照射在光 敏元件上就产生与光脉冲相对应的电脉冲。当码盘旋至不同位置 时，各个光敏元件根据受光照与否，就能将间断光转换成电脉冲 信号，它的输出脉冲数与转速成正比。 光电式增量编码器是光电编码器的一种。它的特点是可以检测 零速度，得到相位信息，分辨率高，精度高，抗干扰能力强，测 速范围宽。 本系统中，各电机的额定转速范围均在1 0 0 0 r m i n 3 0 0 0 r m i n 之间，测试系统尤其需要得到在额定转速附近的精确 值，只有光电式传感器可以满足系统转速范围宽、精确测转速的 要求。所以系统选用了o m r o n 公司的e 6 8 2 c w z 6 c 型光电式增量编 码器，该传感器体积很小，很容易安装到直流电机轴上完成对电 机的转速检测；同时，该传感器每转一圈输出1 0 0 个脉冲，可以 大大减小测量误差，提高测量精度。 其主要性能指标： 夺输入电压 夺电流损耗 夺电路输出形式 夺漏电流 夺最大响应频率 夺最大输出相位差 夺起始转距 夺转换速度 5 2 4 v 最大8 0 m a 集电极开路输出 最大3 5 m a l o o k h z a 、b 输出差为9 0 。4 5 。 9 8 g l u n m 6 0 0 0 r m in 北方交通人学硕：卜学位论文第3 章机车电机微机测试与管理系统噗堡堡生 光电脉冲变换电路如图3 4 所示，送出的信号为标准的方波 信号。图中t 1 为光敏三极管，t 2 和t 3 组成射极耦合触发器。当 有光照时，光电流i 增加，t 2 导通，触发射极耦合触发器，使其 输出为高电平。当无光照时，i = o ，t 2 关断，t 3 导通，输出为低 电平。由于该编码器的输出形式为集电极开路，需要连接上拉电 阻r i o ，其阻值为2 k q 。 z 图3 4 光电脉冲变换原理图 3 温度的测量 为了保证电机的正常运行，必须对电机各部分的温度进行准 确的测定。首先是电机各绕组的温度，不得超过国家标准的容许 值。因为它受绝缘材料的极限温度所限制，若超过了容许值，直 接影响到电机的使用寿命。其次是轴承、冷却介质等部分的温度， 办要进行监视，使其不超过国家标准规定的极限值。 本系统温度的测量包括两部分： ( 1 ) 各绕组的温升测量。采用电阻法测绕组温升，利用电机 温度变化时其绕组直流电阻相应变化的原理，通过对其绕组直流 电阻的测量，计算相应的温升。用电阻法测温，测得的是整个绕 组的平均温度。系统采用数字微欧仪测试电阻，其工作原理为电 流电压降法，将一精密恒定的直流电流源加到被测的电机绕 组上，通过测量绕组上的直流压降u = r x xi s ( 其中i s 为恒流源 北方交通大学硕士学位论文第3 章机车电机微机测试 j 管理系统石曼件设计 数值) ，压降与直流电阻r x 成 线形比例关系，从而得出r x 值。电路原理图如图3 5 ，测 试精度可达o 2 。测出电阻r x 的值后，用公式： 图3 5电流一电压降法测电阻图 t = r r - r l f 2 3 5 + 丁1 1 + 7 1 l r 。 r ， 其中： 肼试验结束时热态绕组阻值，q r 卜一实际冷状态下的绕组阻值，q 丁- 实际冷状态下绕组的温度， 7 1 0 试验结束时冷却介质的温度， 可以得到温升值，从而做出温升曲线，计算出对应绕组的温升。 ( 2 ) 机壳表面和轴承温升的测量。采用感温元件热电阻测量 电动机或发电机的前后轴承温度、环境温度以测量轴承温升。热 电阻是利用金属导体或半导体的电阻随温度而变化的特性来测量 温度的。热电阻传感器的主要优点是：测量精度高、有较大的测 量范围、易于使用在自动测量和远距离测量中。与热电偶相比， 它