（电机与电器专业论文）电机温升的计算机在线监测.pdf

竺竺! 竺里! ! ! ! 垒型! ! ! ! ! 兰! 塑! 竺墨型! ! ! ! ! 堑壁 垒璺芝i 垦垒! l a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r er i s i n gi so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rm o t o r ss a f e l yr u n n i n g a n di h ei o n g e v i t yo fi s o l a t i o n ；s ol h a tm o t o r st e m p e r a t u r er i s i n gt e s tt u r n so u t t ob eas i g n i f i c a n tp a r tb e f o r el e a v i n gf a c t o r y 1 nt h i sp a p e r ，s e v e r a im e t h o d st o t e s tm o t o r st e m p e r a t u r e r i s i n ga r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ej i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l u eo fs t a t o r sr e s i s t o r a n dj t s t e m p e r a t u r e t h eo n l i n et e s to fs t a t o r sr e s i s t o rc a nb eu s e dt 0d e t e c t t h ea v e r a g et e r n p e r a t u r e r i s i n g o fs t a t o r s w i n d i n g o ft h ei n d u c t i o nm o t o r b a s e do nt h a t ，l h e r ea r et w om e t h o d sa r ep r e s e n t e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r w h i c ha r et h e e q u i v a l e n td ci n j e c t i o na n dd o u b l ei n d u c t a n c e sr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ea b o v em e t h o d s ，t w oa u t o m a t i cc o m p u t e rt e s t i n gs y s t e m a r e d e s i g n e db a s e do no n e k i n do fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d f u r t h e r m o r e ，d e t a i l s o ft h ec o m p o n e n to fh a r d w a r e ，d e s i g no fs o f t w a r ea n d e x p e r i m e n tr e s u l t sa r e p r e s e n t e d 1 nt h el a s t p a r t o ft h i s p a p e r ，c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g no fe x p e r i m e n t s y s t e m s ，j tt a l k sa b u ls o m em e a s u r e sf oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fl h et e s t i n g s y s t e mb vh a r d w a r ea n ds o f t w a r et o o l s k e y w o r d s ：m o t o r st e m p e r a t u r er i s i n gr e s i s t o rm e t h o ds t a t o rr e s i s t o r o n l i n el e s t 1 1 浙江人学硕，r 学位论文 第一帚绪论 l 1 引言 第一章绪论 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。是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。 运行中电机的上述各种损耗，最终都转化为热能，使得电机温度上升。电机 温升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，甚至还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“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。同时，在电机的重要应用场台，还必须对电机运行的温升变化进 行实时监测，为及时采取措施避免电机故障，延缓绝缘老化提供参考。 1 1 1 电机型式试验 电机型式试验是电机制造厂家或有关计量部门对某种型号的电机所做的一 项全面的性能试验，其目的是为了确保所生产电机的电气和机械性能均达到国家 规定的技术标准。这种试验一般只对各种类型电机中的第一台或首批中的几台进 浙江人学硕 ，学位论义 第一章缡论 行，电机只有通过型式试验才能投产或继续生产。当电机的结构有所改变，或所 采用的材料有变更，或制造工艺有变化，或出厂试验结果与原来型式试验结果发 生严重偏差时，就应该进行型式试验。一般厂家为保证电机质量，还定期进行型 式试验，电机型式试验包括空载特性试验，负载特性试验，绕组绝缘性能试验， 温升试验，最大转矩测量，堵转特性试验，起动特性试验，绕组冷热态电阻测试 等等。 电机型式试验项目随电机种类的不同会有比较大的差别，比如直流电机试验 需要换向火花的测量，这在交流电机中是没有的。但是，有很多测试项目是各种 电机都共有的，比如绕组绝缘电阻与绝缘强度的测定；绕组电阻的测定；空载试 验；负载试验；温升试验等等。 绕组电阻测量 在异步电机中，绕组电阻的测量是指测量定子和绕线型转子绕组直流电阳， 它的目的是检验三相电阻是否平衡。测量时必须是电机实际冷态时的电阻；直流 电机中，绕组电阻的测量是指电枢绕组和励磁绕组( 永磁直流电机除外) 电阻的 测量。传统的测量方法有电桥法及电流表和电压表法( 即压降法) 两种，需要人 工读数，而且比较费时；目前，在绕组电阻的测试中，大都采用独立的绕组电阻 测试仪，它的原理是建立在压降法的基础上：往绕组中通入一定量的恒定直流电， 测量绕组两端的电压，而且，借助滤波网络，它可以在电机转动的过程中测量电 机绕组的热态电阻【3 i 4 1 。 空载特性试验 对异步电机而言，空载试验的目的主要是求取电机的空载特性，即求得空载 电流i o 、空载输入功率p o 、空载损耗与外施电压u o 之间的关系。测量前，电动 机应在额定电压、额定频率下空载运转，使机械损耗达到稳定，即输入功率相隔 半小时的读数之差应不大于前一个读数的3 ，对小功率电机，可空载运行1 5 3 0 m i n 便认为电机的机械损耗已稳定。检查试验时，空载运转的时间可适当缩短。 试验时，施于定予绕组上的电压应从1 1 1 3 倍额定电压开始，逐步降低到可能 达到的最低电压值，即功率和电流开始回升时为止，其间测得7 9 点读数，每 点应测取下列数值：电压、电流、输入功率。空载输入功率应采用低功率因数瓦 特表测量，检查试验时可仅测取额定电压时的空载电路和空载输入功率。 对直流电机而言，空载试验时，电机按他励空载发电机方式运行，维持额定 转速，测量电枢电压与励磁电流的关系。一般只测量空载特性的下降分支，为避 免磁路的磁滞影响，励磁电流的调节必须在单一方向上逐渐增加或减少，不可出 现“回复”现象。 空载试验需要借助电参数仪，冷热态电阻测试仪来完成【4 1 5 。 负载特性试验 2 浙江大学颂土学位论文 瓤- 奄特沦 负载特性试验的目的是要测取电机的工作特性曲线。 不管是直流电机还是交流电机，在负载试验时，都牵扯到稳定运行点的调节 问题。直流电机的机械特性曲线是一条直线，只要负载曲线的斜率大于零，稳定 性很容易得到满足。异步电动机的机械特性曲线中，在低速的时候，存在不稳定 区域的问题，要求负载的调节适应这种不稳定区域特性的测量。电机在各个运行 点上要达到稳定状态需要一段时间，如何使稳定时闻减小，减少测量b , - j - j 1 自j ，提高 测试效率，是负载试验中的关键之一。 负载试验需要电参数仪，转矩转速测试仪，冷热态电阻测试仪相互配合柬 完成5 1 。 温升试验 温升试验是为了测定电机在额定工作状态下各部分的稳定温升，它应该在冷 却介质温度为o 4 0 摄氏度，海拔1 0 0 0 米以下，额定电压，额定频率和额定功 率下用直接负载( 功率消耗法与回馈法) 进行测定，电机温度的测量一般采用温 度计法和电阻法。电阻法测得的是电机的平均温升，在不能使用电阻法的情况下， 采用温度计法。 温升试验一般由温升试验仪来完成1 4 】。 绕组绝缘性能试验 绕组绝缘性能试验包括绕组对机壳及绕组相互间绝缘电阻的测定，绕组对机 壳及绕组相互间绝缘介电强度试验，绕组匝间绝缘介电强度试验。绝缘介电强度 试验一般在其它项目完成后进行，而且，电机应尽可能处于热态。试验持续时间 般为1 分钟，它对电机的绝缘寿命有影响。 绕组绝缘性能试验一般由耐压试验仪，绝缘电阻测试仪来完成【4 】。 1 1 2 电机运行的状态监测 随着现代工业的不断发展，高压电机，大型电机使用日益广泛。这些电机一 方面本身造价很高，比较贵重。另一方面，使用场合往往是一些工业生产的关键 环节。因此，对于这些电机的长时间的运行可靠性要求很高。近年来，经过广大 科技人员的不断努力，这些电机的故障率正逐步减少。但是，仍然存在着一些问 题，一旦突然发生这些问题，造成的损失是难以估量的，必须进一步完善其故障 诊断和维护方法。因此，面向故障诊断的电机状态监测技术得到了迅速发展。 大型电机的故障诊断与状态监测密不可分，两者的结合使电机的维修方式从 事后维修转变为预知维修，同时也避免了电机恶性事故的发生。电机故障诊断以 电机故障信号的监测、检测为基础，采用各种分析方法对故障信号进行分析并利 用特征信号判定故障种类。由于电机故障往往与其表征信号出现多点对应关系， 浙江大学俩 j 学位论文 第一章绪论 因此应对电机进行多因子的故障监测诊断，即多种故障信号综合诊断分析。 电机状态监测是指连续或断续地监测电机的状态。如果监测的参数发生突变 或异常，就意味着电机状态发生了重大变化。状态监测可作为故障检测的诊断1 具和制订维修计划的依据。维修方法有两种：定期维修和故障后维修。状态监测 有利于更好地制定维修计划，这样可在最恰当的时候停机和维修，减少或者避免 突然故障带来的损失。 状态监测的一般方法有：性能监测、振动监测、冲击脉冲监测( p s m ，主要用 于轴承的转动部件) 、噪声监测、转速波动监测、电流监测、气隙转矩监测、瞬 态定子功率监测、局部放电监测、漏磁场监测( 端子绕组漏磁和轴向磁通等) 、温 度监测、油尘监测、空气分析、外观检查等等“”。 振动监测 振动监测使用的仪器是振动传感器和线性频谱压阻型虚拟测量加速度仪。振 动是由电磁力、机械力和( 或) 气动力引起的。测量的参数可以是位移、速度和加 速度。振动测量按方向进行，如径向或轴向，检测机械故障传感器一般安装在轴 承上。在定子上安装探头，也能检测不均匀的气隙、定子绕组或转子故障、不对 称的供电电压以及负载的不平衡。因为电机正常磁通分布的任何变化，都将引起 振动频谱的变化。将整个频谱或某些频率成份的铡量结果与新电机( 或某个已知 状态电机) 的测量数据进行比较，得到的检测结果准确率相当高。7 1 。 转速波动监测 转速波动监测是通过测量电机旋转时的波动来检测缺陷。对于转子故障、振 动、气隙偏心、转子不对称、轴承耦合器损坏以及不同轴等，此方法尤其有效。 正常转子导条中的电流将随转差频率作正弦波动，所产生的转矩以两倍于转差的 频率作正弦变化，损坏的导条不输出轴转矩。因此，每个转差周期，轴将慢两次。 相加之后，对于整个转子来说转矩包含两部分：恒定部分和两倍于转差频率的 变动部分。假设所有转子导条都完好，则转矩变化部分的平均值为零。然而，大 多数情况下电机负载转矩是变化的。测量仪器能识别负载波动和表明转子故障 的两倍于转差频率的波动“3 。 电流监测 电流监测是指分析电机供电电流，因为它在很大程度上受电机状态的影响。 分析电流，可以揭示损坏的转子导条和与旋转机械有关的机械问题。 转子导条中的故障将在定子供电电流中产生不同的频率分量。由于转子导条 损坏，转子电路出现不对称，因此，在频率s o ) 。( c o 。供电基波的角频率) 处转子电 流将产生正序和负序转子磁势。 通过分析，可以认为转子导条损坏和一般性的转子不对称一样将在定子电流 浙江人学坝】学位论文 中产生以下频率分量： ( 2 s 1 ) 1 ，( 4 s 1 ) 1 ，( 2 s + 1 ) 国l ，( 6 s 一1 ) 0 1 ，( 4 s 一1 ) o l 。 这些都是在供电频率周围的边频带2 瓯，4 颐，6 甄。 与供电频率分量相比，上述频率成分的幅值都较小，并随着谐波次数增加而 城小，因此较难检测到。尤其是在轻载和空载时这些频率成分都与供电频率靠 得很近，使得测最更加复杂”1 。 局部放电监测 现代高压交流电机的定子绕组主要采用环氧云母( 以前是沥青云母) 绝缘， 覆盖一层半导体层和表面涂覆。通常，导条都压入榴底，顶部用榴楔固定。l b 。 绝缘材料是采用充填和浇注的，其中不可避免有小的气孔或空隙，绝缘系统由不 同或相同材料层组成，层间经常会有一些小的滑动可能有的地方绝缘与导体粘 着不牢，或者定子绕组中预先经过绝缘处理的导条在槽中放置不当，或者可能榴 楔松动了。负载下的电磁力将造成微小的移动，擦掉线圈在槽内部分的漆。经常 能观察到的绕组端局部放电，大部分是油尘污染引起的，局部放电也可能发生在 采用气体绝缘的导体周围( 电晕) 。 为了对高压电机中的局部放电进行在线测量，采用相分解局部放电分析 ( p r d a ) 的方法，在电机供电电缆上夹装高( 射) 频电流传感器( r f g t ) ，使用快速响 应的计算机技术，分析出局部放电的次数、每次放电的电荷。如果除r f c t 外还 安装其他传感器，因为电缆或电容器抑制了来自主电路的干扰脉冲，局部放电脉 冲和干扰脉冲传到传感器的距离不同，所以还可以分析电机中局部放电的位置和 造成放电的故障类型n ，。 温度监测 电机的多种故障会引发电机内部温度的变化。通过对电机内部温度的检测， 可以有效地监测电机内部温度的变化，定点检测电机的内部温度不能充分反映电 机内部所有的温度变化。因此，可以结合对电机采用温度场的方式进行仿真分析， 有针对性选择多个电机内的定点测温部分，从而提高故障判据可信度”。 1 。2 电机温升测试方法概述 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 一l 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：埋 置检温计法、温度计法、电阻法。埋置检温计法和温度计法测量的是局部温升， 电阻法测量的是绕组平均温升。 浙江人学坝| 学位论文 第章绪论 1 2 1 埋置检温计法 对于额定功率为5 0 0 0 k w 及以上的交流电机绕组，应采用埋置检温计法测量 预计为最热点部伉的温度或温升。埋置检温计法是将热电阻、热电偶或半导体热 敏电阻等在电机制造的过程中，埋置于电机制造完成后所不能达到的部位。检温 计应适当地分布在电机的绕组中，其数量通常不少于6 个，在保证安全的前提h 都尽可能地埋置于绕组预计为最热的各个部位，并避免检温计与冷却空气的直接 接触。对于采用空气冷却电机来说，是以检温计中读数最高者确定绕组的温升是 否合乎要求。 对于配置有状态监测系统的电机来说，检温计就是监测系统的测温传感器。 熟电阻检温计是利用金属导体的电阻随温度变化而变化的特性来测量温度 的。对于纯金属来说，电阻率p 与温度r 的关系可用下式表示： p = p o ( 1 + a t l ( 1 1 ) 式中，风为摄氏度时的电阻率；口为电阻的温度系数。 铂、铜等金属材料的温度系数可以在很宽的温度范围内保持恒定，使铂、铜 导体的电阻值与温度的关系在很宽的范围内保持良好的线性度。另外，它们的物 理、化学性能稳定、易于提纯，可以拉成细丝，是较好的热电阻材料。铂热电阻 和铜热电阻是工程上广泛使用的电阻检温计，具有体积小、安装方便等优点，适 用于大中型电机定子绕组和定子铁心以及轴承等的温度测量。 热电偶的基本结构是由两种不同材料的导体组成的个闭合回路。如果两个 导体两端结点的温度不同，回路中会产生热电动势和热电流，热电偶两端的结点 分别称为测量端( 或热端) f 和自由端( 或冷端) t o 。原理如图卜l 所示： ， bb 吲1 - l 热电偶原理图 实际测量温度时，热电偶的自由端与二次仪表连接，组成测温装置。 在电机温度测量中，常用铜一康铜热电偶。由于康铜热一电特性的复制性差， 故不同的铜康铜热电偶的热电动势也不一致，因此测量仪表更换时，热电偶必 须另行校正。 采用热电偶测量电机绕组温度时，测得的是埋置点绕组的表面温度，与绕组 导体温度尚有一定差值，这一差值与绝缘材料厚度及该点散热条件等有关。 半导体热敏电阻按电阻值随温度变化的特性可分为三种类型，即负温度系数 6 第一章缔沦 热敏电阻、正温度系数热敏电阻以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的i i i 界 温度电阻。半导体热敏电阻的电阻值与温度之间的关系是： r ：即6 精 ( 1 2 ) 式中，r 为被测介质绝对温度为丁时热敏电阻的电阻值；r 。为绝剥温度为室温t o 时热敏电阻的电阻值：b 为热敏电阻的材料常数，与温度无关。 半导体电阻具有如下优点： 1 ) 半导体电阻温度系数是金属电阻的5 1 5 倍，测温灵敏度高； 2 ) 电阻率高，可制成极小尺寸的敏感元件，适于快速测量、点温测量及表 面温度测量等； 3 ) 结构简单，机械性能好，可压制成各种适用的形状，如棒状、珠状、片 状等。 半导体热敏电阻的最大缺点是互换性差。此外，电阻值与温度之间的非线性 关系使得要求线性输出的仪表需要进行线性化处理”。 1 2 2 温度计法 用温度计测量电机绕组、铁心、和其它部位的温度是温升试验中最常用的方 式。其特点是测量方法简单，测量部位灵活，主要用于测量用电阻法、埋置检温 计法无法测量的部位( 如换向器、绕组钢丝箍、铁心等) 。温度计法也有其局限 之处，它只能测量表面温度，而且温度计安装部位也受到限制。电机测温中使用 的温度计包括膨胀式温度计、半导体温度计等u 。 膨胀式温度计通常包括水银式、酒精式温度计。测量时，温度计必须紧贴被 测点表面，并用绝热材料覆盖好温度计的测温部分，以减少冷却介质的影响。对 于电机被测部位处于强交变磁场或移动磁场的情况，应采用酒精温度计而不应采 用水银温度计。因为处于上述磁场中的水银导体将感应涡流，从而影响测量结果 的准确性。 半导体温度计由热敏电阻和二次仪表组成。其原理类似于上述的半导体热敏 电阻。特点是测量反应速度快，使用灵活方便，在1 0 0 0 v 以下电机上使用可以带 电测温，体积很小，便于携带，在电机测温中已较广泛的应用。 1 2 3 电阻法 电阻法测温利用绕组金属导线的电阻随温度升高而增加的原理，根据电阻变 化计算得到温度变化的测温方法。在测得热态电阻、冷态电阻和室温后，根掘换 算公式就可以计算出绕组的工作温度和温升。 电机绕组电阻法测温的换算公式为： 浙江人学坝卜学位论文 第章绪论 扣拿一足 ) 。 式中：胄：为试验结束、温度为f 时的电阻，r 。为试验开始，温度为岛时的电 阻；k 为常数，与导线的材料有关。 电阻法测得的绕组温度是整个绕组的平均温度。因此使用电阻法在测量温度 场分布较均匀的单层绕组，匝数比较少的交流电机定子绕组和直流电机的电枢绕 组时，较为准确；对温度场分布不均匀，多层绕组和热负荷较高的绕组，测得温 度与最高点温度误差较大。 电阻法不需要在电机内部增添任何器件，给设计制造电机和电机运行监测， 带来极大的方便。因此，这种方法近年来得到了迅速的发展。比较常见的方法是 断电测温法、带电测温法。本论文主要研究的也是基于电机定子电阻辨识的电机 温升监测，因此有必要对电阻法的研究和应用现状进行较为详细的介绍。 断电测温法是在电机运行一段时间后，切断电机电源，在电机停止运行后， 连续测量绕组电阻随时间变化的曲线，再利用外推法推算电机断电瞬间的热态电 阻值，由此得到电机运行时的绕组温度。在电机断电测温的过程中，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，测取的热态电阻有一定的 分散性，影响测试的准确性，转矩脉动也比较大。而且，由于电机要断电以后才 能测试，此方法不能用于电机的状态监测场合。因此现在采用电机带电测温方法 已成为新的发展趋势。 带电测温法是在电机运行中，通过一定的装置向电机定子绕组回路中注入一 定的直流电，通过测量直流电压、电流计算得到定子电阻。这种方法优势非常明 显，首先准确性好，特别是不受电机模型的影响；其次自动化程度高，可以实现 全自动快速测试；再次注入电流微小且不连续，转矩波动不大，可以用于状态监 测场合。正是出于带电测温法的诸多优点，使得该方法成为电机温度钡8 试的发展 趋势。本文也主要对此种方法的两种实现方案进行了详细的讨论。 另外还有一种基于电机运行参数的电阻估计法，实际上也是不断电测温的一 种方法。该方法只需要采集电机的有关电压电流数据，结合电机理论，经过数学 运算，就可以得到电机绕组电阻的估算值。这种方法不会带来对电机运行性能的 影响，在一些电机状态监测场合得到了应用。但是由于电机模型的不精确性，所 以往往估算精度不够理想，不能用于电机型式试验。而且更为致命的一点是当电 机的模型参数变化时，这种估算就失去了意义，比如电机通风孔堵塞等。3 。 浙江大学顾j ，学位论文 第一帝绪论 1 3 虚拟仪器技术及其在电机测控系统中的应用 l 3 1 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；在这种传统 的测试方法中，从测试结果的读取，非直测量的计算，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( 因为很多特性的测量必须借助多个仪表的参与) 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 能力给电机测试与状态监测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。 随着计算机速度的不断提高，它的运算能力将成为系统中一项丰富的资源。 在计算机与数字化测试仪构成的自动测试系统中，大量的计算任务是由数字化测 试仪来完成的，计算机所做的只是一些综合计算而已，事实上，在这样的系统中， 由于计算机与数字化测试仪间的接口一般为慢速接口，它们之间大量的数据传输 是不现实的。当在直接测试的基础上做一些比较复杂的计算、分析时，这种不合 理的情况尤其明显，因为复杂分析时往往牵涉到大量的数据输入与运算。在计算 机与数字化测试仪构成的电机性能自动测试系统中，复杂运算最好由计算机执 行，而大量的数据输入会因为计算机与数字化测试仪之间接口的非高速而造成 浙江大学烦h 学位论文 笫一章绪论 “瓶颈”效应。解决方法有两个：由高性能的数字化测试仪来完成复杂的计算与 分析：改变计算机与数字化测试仪的接口以适应高速传输的需要。对于f i ：f 者，往 往可以采用一些高速，浮点型的d s p 来实现数据分析功能；后者则是采用数据采 集卡来执行大量数据的采集任务，由计算机来完成数据分析功能。在电机性能试 验中，高速，大量数据的计算与分析一般都与间接法测量有关；从电机测试的内 容上来看，电机参量中可以直接测量的主要是电压、电流、转矩、转速；如果能 够实现对这几个量的采集的话，电机的各项性能基本上都可以通过计算分析得 到。因此，从资源配置的角度出发，可以将基本数据采集与数据分析都由计算机 来完成，从而构成一个基于计算机的耦合更加紧密的电机性能自动测试系统。 1 3 2 基于计算机技术的测控系统的组成 测控系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用，它从生产现场获取各种 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，使每个生产环节得到优化，进而保证生产规范化，提高产品 质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。 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视 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。因此可以说现在测控系统的设计特别是高精度、高 性能、多功能的复杂测控系统，已经很少不采用计算机技术了。 基于计算机技术的测控系统是一个以微型计算机为核心，测控一体化的系 统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的测量结果决定的。因此，它 实质上是一种闭环控制系统，其基本组成框图如图1 2 所示。 测 控 对 象 传感器 执行器 传感器 执行器 模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道 开关量输出通道 操作员 其它微机 图1 2 基于微机的测控系统的典型结构 图中左侧的输入、输出通道，称为过程通道，它是微机与测控对象的连接渠 道，因此，我们称之为“测控通道”。测控通道又可分为模拟量输入通道、模拟 量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。带有模数转换器的模拟量输 入通道用来连接各类模拟信号输出的传感器，也可以直接作为模拟形式的电压或 口 一u 接 一接 机一 一信 人 一通 0 ，叫lrlllilll 微型计算机 浙江人学领l 学位论文 第一节绪论 电流的输入端。模拟量输出通道带有数模转换器，使计算机能对模拟形式的执 行机构或输出设备进行控制。开关量输入通道一般用来接收外界以“开关”形式 表示的信息；而开关量输出通道通常用来控制开关型执行结构或者以编码形式输 出信息。 图中右侧“人机接口”是微型计算机与操作人员的联结渠道，最常用的有输 入命令和数掘的键盘和显示测量结果和运行状态的显示器、打印机以及各种记录 器筹。 图中右侧的“通信接口”是图中的微型计算机与其他微型计算机的联系渠道。 在一个多微机测控系统中，各个微型计算机相互之间是通过“通信接口”来传送 指令或数据的卅。 1 3 3 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 技术是近年来随着微电子技术和计 算机技术的飞速发展而兴起的一门技术，它是测试技术与计算机技术相结合的产 物，也是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。从本质上讲，虚拟 仪器是以个人计算机为核，t l , 的、通过测量软件支持的( 若干独立仪器功能幽软件 实现) 、具有虚拟仪器面板功能的、足够的仪器硬件以及通信功能的测量信息处 理系统。 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的- - o e 计算机仪器系统。虚拟 仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种 形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析 和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功 能的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”： 被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及测量结果的“数值 显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“接触”进行 操作的；虚拟面板的外形是与实物相像的“图标”，而每个图标的“通”、“断”、 “放大”等动作则是通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪 器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设 胃。 浙江人学硕j 一学位沦义 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过软件编程来实现的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪 器的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能， 所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的醴法。这也体现了测试技术 于计算机深层次的结合j 。 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机技术应用于仪器领域而形成的一种新型的、富有生命力的 仪器类型。在虚拟仪器中微型计算机处于核心地位，计算机软件技术与测试系统 更紧密地结合，形成了一个有机整体。从构成和功能上来说，虚拟仪器就是利用 现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成即有普通仪器的基本功能，又 有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器；从使用上来收，虚拟仪器 利用强大的图形化开发环境，建立直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板，可以有效 地提高仪器的使用效率。 虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下几个方面的特点： 强调“软件就是仪器”的新概念。因为软件充当了仪器中相当重要的且以 往有硬件充当的角色，减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟 硬件电路，加上标准化总线的使用，使得仪器的测量精度、测量速度和可重复性 都大大提高。 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印 和其他管理集中交由计算机处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发 布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。 仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源 代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能， 实现与外部设备、网络及其他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想 像力的空间。 开放的工业标准。虚拟仪器的硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此 用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用 率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 便于构成复杂的自动测试系统。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用， 又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与 故障珍断 1 2 】。 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，它是利用汁算 机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数 据的采集、分析和显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方法，提高仪器的 功能和使用效率，大幅度地降低仪器的价格，是用户可以根掘自己的需要定义仪 器的功能。从总体上来说，虚拟仪器技术是测试领域的一个创新概念，改变了人 1 2 1 i j x , j 仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势p 1 。 目前，虚拟仪器已经在电子测量、电力工程、工业自动化、试验研发、大学 教育、汽车和通信等多种领域中得到了良好的应用。各个行业的工程师将虚拟仪 器的强大功能与自己领域的具体要求开发出了各种各样的自动测试系统，比如 “利用虚拟仪器概念和n i 技术实现纳米性材料动态铡量交流b h 曲线测试仪 1 ” ，、“印刷电路板( p c b ) 自动测试系统”、“基于虚拟仪器的大电机槽锲松动 检测系统【j 叫”等。 本论文中所开发基于p c i 数据采集卡的计算机自动化测试系统实际上就是 虚拟仪器这一创新概念的具体体现。 1 4 本论文所做的工作 交流异步电机型号繁多并且应用广泛，研究交流电机温升测试方法，丌发交 流电机温升测试系统，具有很强的实用意义。本论文针对在电机型式试验和电机 状态监测中都广泛使用的基于定子绕组电阻在线辨识的电机温升测试方法进行 了深入的研究。 第一章概括性地介绍了电机温升测试的意义，用途，方法，实现手段等。列 论了几种基于交流电机运行参数的定子电阻测试方法。介绍了各种方法的原理， 特色和使用范围。此外还概述了电机测试系统发展现状，以及开发电机测试系统 的常用硬件和软件技术手段。 第二章详细介绍了基于等效直流灌注法的交流电机定子绕组温升在线测试 的原理，给出了基于p c i 数据采集卡的计算机自动化测试系统的硬件设计和软件 设计方案，提出了多种提高系统测试精度的措施，对测试结果进行了深入讨论。 第三章详细介绍了基于双电抗器法的交流电机三相定子绕组温升在线测试 的原理，给出了基于p c i 数据采集卡的计算机自动化测试系统的硬件设计和软件 设计方案，对测试结果和系统性能进行了深入分析。 第五章详细介绍了电气测控系统可靠性设计的基本方法，同时阐述了可靠性 设计在上述的两套实验系统中的应用。 浙江大学颂l 学位论文第二章基于等效直流灌注法的交流b 机定了电托线棚试 第二章基于等效直流灌注法的交流电机定 子电阻在线测试 如第一章所述，带电测试技术由于准确性好，不受电机模型的影响；自动化 程度高，可以实现全自动快速测试：注入电流微小且不连续，转矩波动不大等特 点而在电机试验中得到了广泛的应用。 传统的带电测试方法是通过利用特定的恒直流电源向f 在运行的电机中注 入一定量的直流分量，再计算该直流分量在电机绕组上的直流压降，由此得到电 机运行中的直流电阻。这种方法的测试结果比较准确，但是也存在着一些问题： 由于电机电感的存在，因此注入电流至稳定的时间比较长，造成的转矩脉动和转 速脉动的持续时间较长，这种影响在测试容量较大的电机时将更为明显。 为此，本章介绍一种新的带电测试方法等效直流灌注法【】4 1 。该方法是 利用一种简单的电路装置，通过改变一个工频周期内此装置两端的阻抗，周期性 向电机定子绕组回路注入可控的等效直流。实验证明本方法测试结果比较准确， 测试过程迅速，转矩脉动可以控制在合理的范围内。 2 1 等效直流灌注法的原理【1 4 】 2 1 1 灌注电路结构 带电测量电机定子绕组电阻，关键是向定子绕组回路中注入一定的赢流电 流。首先要求注入绕组中的直流电流不能太大，以使电机转矩脉动控制在一定范 围内。其次要求可以间歇式周期性注入直流电流，因为电机的温度变化比较缓慢， 不必连续进行测量。而且，连续注入直流电会带来持续的转矩脉动以及电路功耗 的增加。因此，可以设计如图2 - 1 所示的由外接电阻屯和m o s f e t 并联的灌注 装置： g 图2 1 等效直流灌注电路结构 1 4 浙江人学坝士学位论文第二蕈基于等效直流灌注法的交流i b 机定予电阻础线测试 该电路的等效简化电路如图2 2 所示 图2 2 灌注电路的简化电路幽 图中，月。是m o s f e t 的导通电阻，咒。是与m o s f e t 并联的外接电阻，当 m o s f e t 的栅极电压吃为0 时，m o s f e t 关断，电路的并联电阻r 。= r 。，；当 m o s f e t 的栅极电压圪。为圪。，( m o s f e t 的栅极开通电压) 时，m o s f e t 导通， 电路的并联电阻r m = r 。，r 。r o 。( r o 。很小) 。 将感应电机直接与电网相接，将此直流灌注电路串接在一相定子绕组的回路 中，就构成了的测试主电路，如图2 3 ： 图2 - 3 测试主电路图 为了能够实现周期性间歇式直流灌注，每一个运行周期，电路可以分为两个 运行模式：直流灌注模式和正常运行模式。电路绝大部分时间处于正常运行模式， 只有在需要测量绕组阻值的时候才进入直流灌注模式。 2 1 2 直流灌注模式d i m ( d ci n j e c t i o nm o d e ) 在直流灌注模式d i m 下，为了向定子绕组中注入直流电，需要在一个工频 周期内，控制m o s f e t 的开通和关断，改变直流灌注电路两端的电阻值，产生 个等效的直流电流。 可以按照如下规律控制m o s f e t 的开通和关断：当 0 时，m o s f e t 关 断，灌注电路的并联电阻r a = r ，；当么 0 时，m o s f e t 开通，灌注电路的并 联电阻为吃。= 吃，r o m 如( 如为m o s f e t 的导通电阻，其值很小) 。直流灌 浙江人学啦f 学位论文第一二章摧于等效直流灌注法的交流电机定了电耻在线删：式 注电路两端直流v i 特性如图2 - 4 所示 厶。 毛| | j 。 。试j ，i o 疋 7 图2 - 4d i m 中灌注电路两端的耷流v i 特性 一个工频周期内电路的阻抗变化可以等效为向电机定子中注入一个直流分 量。灌注电路两端的电流么和电压波形如图2 - 5 所示： jl i 一、j1 、ii l 一一一一一 吲一 丘 1 i il v 一 i i i 跪除 、 i 一一 l f i i 图2 - 5 灌注模式下t t 。的波形 对电压和电流进行全周期积分，很容易得到灌注电路两端的直流电压分量 和直流电流分量匕。 由于电机与电网直接相连，电源电阻可以忽略不计，把灌注电路等效为一个 直流电源，得到如图2 - 6 所示的测试主电路的直流等效电路图。 根据图2 6 的直流等效电路，由欧姆定律容易计算得到定子电阻月： r 一 ( l )( 2 1 ) 浙江大学坝十学位论文第二章基于等效直流灌注法的交流电帆塞兰1 垫坠尘垡型! 苎 图2 - 6 测试主电路的直流等效电路 2 1 3 正常运行模式n m ( n o r m a l m o d e ) 由于电机定子电阻和温度的变化速度比较缓慢，我们不必连续测量r ：的值， 因此我们在两次直流灌注模式( d i m ) 之间的时间内，可以使电机工作在正常运 行模式( n m ) 。这个时候m o s f e t 导通，并联外接电阻值为心，i t r o ，“暑。，其 值很小，在n m 下灌注电路的功耗和所引起的转矩脉动都很小，可以忽略不计。 直流灌注电路两端直流v - i 特性如图2 7 所示。 4 、 l l ，缸 l x 峨 l 0 一 0 图2 7n m 中灌注电路两端的直流v - i 特性 实际测试中，依靠正常模式和直流灌注模式的交替切换工作，既可以保证 测得电机绕组的电阻，又可以防止持续的转矩脉动。电路运行周期如图2 - 8 所示 ； ) ， 。t u 。 一 7 0 1r r 一 图2 8 电路运行的时间周期 图中：。是直流灌注模式的时间，是正常运行模式的时间。整周期 t = 。十。由图2 - 8 可见，? 赢远小于的时问。 浙江大学颂 一学位论文第二章幕于等效直流灌注法的交流电机定亍二i u 阻“饿趔试 2 1 。4 直流灌注模式对电机性能的影响 直流灌注模式下，电机供电回路中串入外接电阻，肯定会对电机运行性能造 成影响。这种影响应该加以研究。 甘j 图2 5 我们可以设d i m 下的定子电流i 为：