电机起动过程动态检测系统

1、电机起动过程动态检测系统电机作为生活生产中的一个重要设备是不可或缺的，电机的起动问题也关系到设备能 否正常的工作，如果电机的起动电流过大则会使电机烧坏，也可能会影响同一变压器供电下的其他设备，所以为了延长电机 寿命，保护其他设备安全，我们需要对电机的起动过程进行检测。本次设计是通过单片 机对电机起动过程进行检测，将起动电流转化成数字量送入单片机进行显示，单片机通过霍尔元件产生的脉冲进行测速。电流采集是通过电流互感器和I/V变换电路 进行采集，最后经整流电路送入单片机的模数转换芯片。上位机的程序和界面通过LabVIEW进行设计，通过串口程序使上位机 与单片机的波特率等参数一致，并把起动电流波形在

2、上位机上显示岀來。本次设计中用理论仿真进行试验，并没有通过实物 连接。关键词：电机起动单片机LabVIEW波形Motor starting process dynamic detection system AbstractMotor as an important equipment in the production of life is indispensable, motor starting problem is related to the equipment canwork normally, if the motor starting current is too large w

3、ill make the motor burn out, may also affect other devices under the samepower transformer, so in order to prolong the life of the motor, other equipment safety, we need to test the motor starting process.Thisdesign is by single-chip microcomputer to test the motor starting process, the starting cur

4、rent is converted into digital quantity into MCUfor display, measuring speed hall element to generate pulse into single chip microcomputer Current collection is through the acquisitionof current transformer and the I/V transform circuit, the last of the rectifier circuit into single chip microcomput

5、er modulus conversionchipPC applications and interface design through LabVIEW, via a serial port application of PC and single chip microcomputerparameters such as baud rate is consistent, and the starting current waveform displayed on the upper machinehis design is just thetheoretical simulation, an

6、d failed to pass the physical connection. Key words： motor starting MCU Lab VIEW waveform 1 槪述1.1研究背景及意义“中国知网”大学生论文管理系统- 8 -电机是是基丁电磁原理并应用于信号传递和能量转换的电气设备，可以实现能量的生 产、变换、传输、分配、使用和控制的电磁机械装置。电机在工业、农业、交通运输、日常生活、文教、医疗以及国防和人 造卫星等领域。电机主要包括发电机、变圧器和电动机类型，不同的电机虽然性能不相 同，但它们都在经济建设中发挥着重要的作用，广泛应用于各行各业和人们的生活，随着电机在生活

7、和生产中的广泛应用出现了很多驱动控制电机的技术，不同的伺 服系统、调速系统、变频器等在各行各业飞速发展。在技术发展中，起动电流和转速的 检测是十分重耍的环节，准确的对电流和转速釆样是电机能够良好运行的前提。电流和转速检测有两个目的既是为了电机快速起动性能，二是为了保障电机在实际运行中出现 的短路、过流故障能够及时的反馈给控制器。不同型号和种类的电机往往它们的起动电流也是不同的，比如鼠笼式异步电机的起动 是额定的47倍，然而并不是不是绝对的，一般要求异步电机的起动电流不能超过他的额定电流的25倍。当电机的功率 超过30KW时不能够进行频繁的起动是由于30KW的电机的起动电流是它的额定电流的67倍

8、，起动过于频繁会使电机的内部温 度过热，最终导致烧毁电机。1.2国内外现状对电机的电流检测有通过电阻采样，将电阻串接到电机绕组中，当绕组中的电流流过 电阻时，在电阻两端产生电压，通过电阻把电流信号变为电圧信号，再通过模/数转换芯片读出数据送入微处理器。虽然这 种检测方法简单，但是电阻值是不稳定的,同阻值的两个电阻它们的实际电阻值有可能就是有差别的，并11没有与电流的隔离, 会对人生安全造成威胁。测电机电流也可以通过霍尔元件，在电流通过霍尔元件瞬间，在霍尔元件中就会产生电压差。还可 以通过电流互感器，将电流互感器二次侧电流通过I/V变换电路变成电圧值，将电圧值通过模/数转换芯片送入微处理器进行

9、处理，电流互感器可以有效的隔绝大电流，保护人生安全和设备安全。在实验室还可以通过示波器來测电机电流，在起动回路中接入电流互感器，将电流互 感器二次侧接入示波器，可以测得电流波形。可以通过故障录波装置來测电流，将电流互感器二次侧接入故障录波装置。现 在对电机电流或者其他交流电还可以通过钳形电流表來测，将定子端绕线直接通入钳形电流表的电流互感器测。对电机转速 的测量主要有两种，一种是测频法。通过一个周期内测到的脉冲个数來确定转速，由于检 测的起止时间不确定,所以通过测频率来确定转速存在一定的误差，但由于电机的转速较快，误差影响不 大。还可以通过测脉冲之间的时间來进行测量。美国仙童公司在1974年研

10、发出了首台单片机。这台单片机通过两个集成电路组成， 受到电器和仪表领域的关注。在19741976年期间，单片机的生产工艺差，集成度差，只有8位CPU, 64字节的存储 器和两个I/O 口，需要通过一个程序存储器芯片來进行拓展，通过这两个部分组合才能 形成一个完整的单片机。在19771978年期间，这个时期的单片机可以集成CPU、定时器/计数器、RAM和ROM等存储器还有I/O 口，但由于性能低，针对不同的行业种 类太少，所以没有被广泛应用，这时候的单片机主要由Intel公司生产。在19791982年期间，这时候的单片机已经具有 高性能，存储容量和寻址范围被增大，1983年至今的单片机巩固发展到

11、16位、32位，90年代由德州仪器、三菱、日立、飞利浦灯 公司生产了大批的工艺优良，性能优越的单片机。单片机主要向着CPU、高性能、外围电路的内装化、存储大、制造工艺不断提高、接 口性能不断提高、低功耗、编程及仿真技术的简单化和实时操作系统的使用发展，如今单片机的应用也十分广泛，在工业检 测和控制、仪器仪表、消费类电子产品、计算机外围设备、网络与通信的智能接口、军事航空、办公口动化、医疗器械、汽车 电子设备发展，并且在分布式多机处理系统中，单片机在解决工程应用系统的快速性问题，如数据采集系统、数据处理系统和 实时图像处理系统中也起着关键作用。据研究表明，消费者每夭接触到的物品中，就包含100个

12、嵌入式单片机，从家电到安 全系统到交通设备都包含了单片机。单片机每年在市场上销售达到50亿台。1.3本论文主要工作使用单片机测出异步电机的起动电流和转速，并把起动电流波形通过上位机显示出來。 第一步：选择合适的电流互感器将异步电机定子侧的交流电变为同频率，幅比较小的电流。 第二步：将小电流值经过I/V变换电路变成电压值，以便于单片机对电流值的测量。第 三步：将交流电压使用整流电路进行全波整流。第四步：用模数转换电路将电压值变成数字量送入单片机测量，并将测到的电流值显 示在LCD屏上。第五步：通过在电机转轴上绑上磁铁经过霍尔元件时产生脉冲，并用单 片机对脉冲频率进行处理测到电机的转速。第六步：改

13、变单片机的串口电平來与RS232电平匹配。第七布：设计LabVIEW程序 将波形通过上位机显示出來。2异步电机的起动过程分析2.1异步电机的结构异步电机主要由定子和转子构成，除定子和转子外还有一些如端盖、轴承、机座、风 扇等零部件。定子由定子铁心、定子绕组和机座构成，由于旋转磁场相对于定子旋转，定子铁心中 的磁通方向、大小都是变化的，定子铁心通过硅钢片叠压制成來减少磁滞和涡流损耗，定子铁心内圆分布均匀的齿和槽，如 图2-1所示。图2-1定子槽结构绕组安放在定子槽内，以一定规律连接，绕组由漆包铜线和铝线 制成对于大容量异步电机绕组由玻璃丝包扁铜线绕成，线圈放入槽内用绝缘材料与铁心隔开，來避免短路

14、并击穿铁心。电机的定子和转子之间是 气隙,而异步电机的气隙要比同容量的直流电机小，气隙较大会影响到电动机的功率因数，气隙太小了则会使定子与转子发生 碰撞，会增加损耗和产生高次谐波。转子由铁心、绕组和转轴组成。2.2异步电机工作 原理异步电机的定子接三相电后，便会在电动机内部产生一个圆形的旋转的磁动势，对于 鼠笼式异步电动机，在异步电机刚起动的时，转子没有旋转，旋转的磁场就会和导条产 生相对运动，在导条中就会产生感应电动势，于是就会在导条中产生电流，导条在磁场中收到力，转子跟随旋转磁场进行转动如图2-2所示。图2-2异步电动机 的工作原理图在转子转起來之后，只要导条与旋转磁场仍有相对运动，转子就

15、会跟着旋转磁场继续 运动。异步电机的转子与旋转磁场不能达到同步，如果转子与磁场达到同步，就会使转 子导条与定子旋转磁场之间没有相对运动,转子中就无法感应电动势和电流，电机就没有电磁转矩，异步电机就无法正常工作。 所以相电流通入定子绕组产生旋转磁场，旋转磁场切割转子的导条，在转子中产生感应电 流，电流通过与旋转磁场的相互作用产生力，使转子跟随旋转磁场转动，这就是异步电机的工作原理。2.3异步电机 的起动性能在异步电机起动时，转速为0,转差率为1,在异步电机刚起动时电流为：I2S* * =U1/(R1+R2, )2+(Xl+X2* )2=U1/ZK (2. 1)式中：I2S 一转子电流；U1一一相

16、 电压；“中国知网”大学生论文管理系统- 10 -R1一一定子每相绕组电阻：R2 一折合到定子侧的转子每相绕组电阻；XI一一定子每相绕组漏感：X2 一折合到定子侧的转子每相绕组漏感；如果不去考虑励磁电流，则起动电流接近I2S,起动电流很大，对于普通的异步电 机起动电流是额定电流的47倍。起动电流过大会会对供电变压器和其他负载造成影响，异步电机起动的时候，变圧器 提供较大的起动电流，会使供电变压器输出电压下降，如果变圧器额定容量比电机额定 容量大的多时，电机起动电流不会使变压器输出电压下降多少，但是如果没有 大的多时, 电机起动电流过大就会使变压器输出电压在短时间内下降很多，就会影响到同一个变圧

17、器 供电的其他负载，所以要检测异步电机的起动电流，下表2-1为一些电机起动电流和额定电流值。表2-1电 机起动电流和额定电流 电压额定功率额定电流起动电流380V 1. 5KW 3. 9A 21A 380V2. 2KW 4. 8A 38A 380V 3KW 7. 16A 43A 380V 4KW 8. 2A 50A 380V 5. 5KW 14. 4A 95A 380V7. 5KW 15. 7A 102A 2.4 本章小结本章主要工作是介绍了电机的工作原理、结构、起动电流，起动电流过大对设备的影 响，根据电机起动电流的特性，为本次设计的硕件设计提供思路。异步电机的基本工作原理是通过磁场切割转子

18、导体产生感应电动势，转子电流与磁场 作用产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场方向转动。3硕件设计3. 1硬件结构设计方案如图3-1所示，该系统将单片机作为处理器，通过电流互感器、I/V转换电路和整流 电路把电流值变为电压值，乂由于转换后的电圧值是模拟量，但是单片机内部全部是通 过数字量运算，所以我们无法直接去操作模拟量，因此我们要把模拟量转化成数字量在单片机中进行操作，可以使用模拟量/数字量转换器，简称模/数转换器（A/D 芯片）來将采集的模拟量变为数字量送入单片机进行处理，转速通过霍尔元件进行转换送入单片机进行处理，在下位机中通过 LCD进行显示。图3-1硬件设计结构框图3.2单片机结构与原理3.2.1单片机简介单片机是集中了 I/O接口、微处理器和存储器的芯片，由于芯片性能和计算机相