超高效三相感应电机

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Chinaistheworld'ssecondlargestenergycountrytoimproveenergyefficiencyinChinahasbeenregardedasthefurtherdevelopmentofthestrategicfocusoftheproblem.Inallhighenergy-consumingproducts,motorelectricityconsumptionaccountingforalmosthalfofthecountry.Atpresent,China'ssmallandmedium-sizedACmotoraverageefficiencythantheUnitedStatestolowertheminimumefficiencyof3-5%,sothecalculation,China'sannualenergy-savingpotentialofabout15,000megawatts.Asthenamesuggests,isthekindofhigh-performancemotortocompletethesameworklessthantheordinaryconsumptionoftheelectricmotor.Therefore,improvingtheelectricalefficiency,theuseofhigh-performancemotorisbeingusedtoreplaceordinaryelectricalandbecomeenergy-savingconsumption,loweroperatingcosts,animportanttool.Theshortageofenergyanddestroyoftheenvironmenthaveabsorbedmoreandmoreattentionofeverycountryallovertheworld．Highefficiencyandenvironmentalprotectionwillbethedevelopmentdirectionofproductsineveryfield．Asaprofessionalmotordesigner，designinganddevelopmentenergysavingandenvironmentproofEMisourduty．The350HPNEMAdesignhighefficiencymotorisintroducedinthispaper．Firstintroducedthedefinitionofhigh-performancemotorandtrendsfocusedontheapplicationofNEMAhighefficiencymotoranditscharacteristics,thechoiceofparametersandtechnicalrequirements,andthenidentifythemainmotorsize,thedesignofhand-count,high-performancemotorthroughtheelectromagneticNEMAcomputing,itiscleartoknowallofthedataorparametersonmotorperformanceandimpactindicators,throughcomputer-assistedcomparisonwiththehandcounttoidentifywaystoimprovethemotorefficiency,toachievemaximumefficiency.CharacteristiccurvedrawnusingMATLABKeywords:NEMAefficientelectromagnetic;motor;designandanalysisofenvironmental;protection目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 起动性能计算常用数据起动性能计算常用数据起动电流假定初值起动性能计算起动电流计算值与假定值比是否小于允许差值？输出各项性能结束否是计算机机算结果额定数据：额定功率=7.5kW额定电压=460V额定频率=60Hz定子相数m=3性能指标：槽满率0.7687效率0.9209功率因数0.8606最大转矩倍数2.52起动转矩倍数1.80起动电流倍数7.03经济性能：定子导线重量10.51kg硅钢片重量57.45kg结果分析：该方案的各项性能指标均满足要求，所设计的电机是一台性能合格的电机，经比拟可知，机算与手算结果根本一致，说明了此计算机辅助设计的可行性。表4－1第一套样机数据机算结果机算结果手算结果额定输出功率/kW7.57.5起动转矩倍数1.801.80最大转矩倍数2.522.52功率因数0.86060.8606效率92.09%91.90%槽满率76.87%76.87%起动电流倍数7.037.09曲线的绘制MATLAB是美国Mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大局部。MATLAB是矩阵实验室〔MatrixLaboratory〕的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创立用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的根本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也参加了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持,可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱〔单独提供的专用MATLAB函数集〕扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题[14]。高效电机的曲线高效电机的曲线高效电机的曲线结论为了节约能源、保护环境，高效节能型感应电动机将成为今后电机开展的主要方向。本文主要介绍了电机的开展、高效电机的特点、节能方法以及节能型感应电动机的电磁设计过程。其中电磁设计过程是论文的主体。电磁设计过程包括了手算过程和计算机辅助设计过程。手算核算过程是计算机辅助设计的根底。通过手算过程了解了电磁计算的根本过程和思路，明白了计算中各个参数的意义和计算方法，这都为编写计算机辅助设计程序做好了充分的准备。计算机辅助设计程序的编写，让我对C语言的结构、命令、函数的编写调用等有了深刻的认识，更加清楚了设计过程中参数的迭代处理、计算中的参数循环计算；通过调试程序、确定电机设计方案及选优的工作，让我对各个电机参数值对电机性能的影响有了理性和感性的双重认识。可以说，计算机辅助设计过程是对手算过程的一个补充，它能让人更其清楚地认识电机设计过程及电机性能的变化。二者联合在一起，互相影响，互相补充，使人们对电机设计过程有了一个完整的认识理解。通过本次设计，我不但了解了电机的开展历程及趋势，熟悉掌握了电机设计的过程，学到了许多知识，拓宽了知识面，而且提高了自身查阅资料，运用资料解决问题的能力，也认识到了做事时要细心、仔细，考虑问题要周全。这都为我今后的工作、生活提供了珍贵的经验。致谢在本次课程设计即将完成之际，我由衷的感谢魏静薇老师的指导和支持。设计过程中，魏老师给我们介绍了许多电机的知识，让我们拓宽了知识面，更加清楚地认识了电机的结构、功用。并且，针对不同的设计题目，魏老师都分别详细的讲授了设计中的重点、难点，让我们对所设计的电机的设计过程、性能指标的分析有了清楚地认识。设计中，魏老师还注重锻炼、提高我们运用所学知识自我思考问题、分析问题、解决问题的能力，这为我们以后的工作、学习打下了坚实的根底。同组同学的帮助也为我顺利完本钱次设计提供了不可无视的作用。当我遇到问题时，向他们的询问、和他们的讨论都让我增长了不少知识，弥补了我学习中的许多漏洞，从中也学到了考虑问题要多角度、多层次，全面的看待问题。此外，我还要感谢学校、学院领导对我们本次设计的重视和支持。他们为我们提供了良好的设计环境，可以方便的上网查阅资料，这些为我们设计的顺利完成提供了后备资源。再次感谢老师、同学、领导的支持和帮助！参考文献陈伟华，李秀英，姚鹏.中国中小型电机产业现状及开展趋势．电机与控制应用学报．2021：7～8杨罡.高效电机的自动测试系统.哈尔滨理工大学硕士论文.2003：2～3刘颖峰.350HPNEMA高效电机的研制.电机技.2007年3期：3～4郭少英.浅谈高效三相异步电动机的设计.电气制造.2021年7期：7～8许明本.中小型三相异步节能研究的现状及其开展.电能节约.1992年2期：杨顺昌.异步电动机的研究与应用.电工技术杂志.2003年3期：付丽娟.中小电机未来技术开展方向.电机技术.2005年5期：6～7贾建平，刘兰冰，马仰东.风扇对NEMA高效电机效率的影响，电机技术，2002年2期：5～6张银彩，史青录.中文版AutoCAD2021实用教程.机械工业出版社，2021：5～65陈世坤.电机设计第二版.机械工业出版社.2021：264～280蔡伟.小型三相感应电机CAD设计.机电技术.2002年6期：3～4M.Machmoum.DynamicPerformancesofaDoubly-fedInductionMachineforaVariable-speedWindEnergyGeneration.IEEE,2002:2431~2436XinXueandV.Sundararajan.TheApplicationofWirelessSensorNetworksforConditionMonitoringinthree-phaseInductionMotors.IEEE，2003:Zhangzengke,Zhaojiamin.Energyoptimizedcontrolofinductionmotorsbasedonadynamicmodel,JTsinghuaUniv(sci&tech),2001:vol,4~5.附录THEAPPLICATIONOFWIRELESSSENSORNETWORKSFORCONDITIONMONITORINGINTHREE-PHASEINDUCTIONMOTORSXinXueandV.SundararajanUniversityofCalifornia,RiversideAbstract:Themostcommonlyusedtechniqueforthedetectionoffaultsinlargethree-phaseinductionmotorsistomeasurethesupplycurrentfedintothemotorandanalyzethesignalspectrum.Thistechniqueiswellestablishedandhasbeenshowntobeindicativeofafaultycondition.However,currentsignatureanalysisisusuallyusedbyveryskilledtechniciansusingexpensiveequipment.Acosteffectiveconditionmonitoringtechniqueisneededforsmallermotors(thosesmallerthan200HP).Thispaperexploresthepossibilitiesofusingwirelesssensorsinsidethemotor.Wirelesssensorsaregainingpopularityinconditionmonitoringapplicationsbecauseoftheirrelativelylowcostandeaseofinstallation.Thispaperproposesasystemofconditionmonitoringofthethree-phaseinductionmotorusingwirelesssensornetworks(WSN)tomeasurethetemperatureandthevibrationsignals.Thesensornodesareplacedontherotorandthestator.Thedataacquisitionisaccomplishedatabasestationlocatedatadistanceof6feet.Issuesrelatedtoelectromagneticinterferencebetweenthewirelessdevicesandthemagneticfieldspresentwithinthemotorareinvestigated.KeyWords:WirelessSensorNetworks,Three-phaseInductionMotorConditionMonitoringI.INTRODUCTIONConditionmonitoringisimportanttomaintainsustainedoperabilityofmachinery.Theabilitytoeffectivelyandefficientlymonitortheconditionofindustrialmachinesallowstheusertohaveaclearunderstandingofanyproblemsthatmayariseduringmachineoperation.Conditionmonitoringhastheclearadvantageofofferingtheabilitytoperformjust-in-timemaintenancei.e.beforefailureoccursbutonlyasnecessary.Thisaspectallowscompaniestoreducedowntimewhenrepairingmachineryandensuresthatproductivitydoesnotsuffer.TheU.S.DepartmentofEnergyestimatesthatelectricmotorsconsume63%ofallelectricityusedinindustry.U.S.Industryconsumes33%ofU.S.energyandpresentssignificantopportunitiestosavecostandenergy.Inanefforttoreducepowerconsumption,condition-basedmaintenanceemploysmanydifferenttechnologiestomonitortheperformanceofmotorsusedinindustrialapplications.Itisbelievedthatareductioninmachinefailuresincreasesplantefficiencyandproductivity.Wirelesssensorsarebecomingamuchmorefeasiblemonitoringoptionbecauseoftheirdesirablecharacteristics.Theyaresmallandlightweight,allowingforplacementinlimitedspaces.Sincetheyarewireless,theycanbemountedonmovingparts,thuseliminatingtheneedforflexibleconnectors,slipringsetc.Thesensorsrequireverylittlepowerandareverylowcost.Thelowpowerrequirementmakesenergyscavengingfromtheenvironmentattractive.Theirabilitytocontinuouslyobservethevibrationsandtemperatureprovidethecontinuousmonitoringoftheperformanceofthemotor.Thisallowsthemotortoberepairedquicklyandeffectivelyasandwhenneeded.AsurveyexplainingmotorfailuresbyAustinBonnettandChuckYungestimatethatroughlyhalfofmotorfailuresthatoccurareduetotherotorandthebearings.Thesefailurescannotbeeasilypredictedbymerelymonitoringcurrent.Implementationofsensorstodirectlymeasurethephenomenaintherotorisnoteasybecauseoftherotationoftherotor.Awirelesssensornetworkcontainingtemperatureandvibrationsensorswouldbeidealincollectingthenecessaryinformationtodeterminemaintenancerequirements.Wehavebuiltaprototypesystem,whichiscomprisedoftwothermocouples,twothermistorsandtwovibrationsensors.Thisprototypewirelesssensornetworkisusedtomonitorathree-phaseinductionmotor.Theelectromagneticinterferencebetweenthewirelessdevicesandthemagneticfieldspresentwithinthemotorisinvestigatedbyanalyzingthepackagelossofthewirelesssensorslocatedindifferentpositions.II.ELEMENTSOFWIRELESSSENSORNETWORKSInconditionmonitoring,wirelesssensorscanhelpalleviatetheproblemsofembeddingadataacquisitionsystemintoexistingmachinery.Itisnotalwayseasytoinstallnew,wiredsensorsintoexistingmachinerybecauseofwiringrequirementsandlimitedaccessibility.Machineconditionmonitoringsystemsincludemeasurementhardwareandsoftwarethatacquireandinterpretsignalsgeneratedbythemachinebeingmonitored.Figure1providesanoverviewofthemotormonitoringsystemthree-layerframework.Thefirstlayeristhedataacquisitionlayerwhichiscommposedofintegratedsensornodes.Inthesecondlayer,abasestationboardcollectsthedatafromdifferentwirelesssensornodes.Thebasestationisconnectedtoaservercomputerthroughaserialportcable.Alaptopcanbeusedasaservercomputeraswell.Allthedatacollectedissavedinthedatabaseandthesignalscanbeprocessedbyusingvarioussignalprocessingtechniques.Thedecisionformaintenancethuscanbemadebasedonthewiderviewoftheinformation.Thethirdlayerprovidesaconnectionforhumanuserinterfacestothesystem.Theusercancatchtheglobalviewofthemachineandtheconditionmonitoringcanbecarriedoutremotely.SensorNodesAsensornodeiscomprisedofasensorboardandasensormote.Figure2showsoneofthesesensornodesinthefirstlayer.Thesensorboardandthemoteareconnectedthroughthepins.ThesensormoteshostanAtmel128L.Therearetwotypesoftemperaturesensorsusedinourexperiment.OneisanintegratedthermistorthathasarangefromO°Cto+50°CandcalibratedbyCrossbow,Inc.Theotherisathermocouplewithitssensorboarddesignedbyourselves.Thesensorboardcircuitisshownisfigure3.Thermocouplereadingscontainnoisefromtheenvironmentthatcanbereducedbycommon-modecurrentpath.Resistor,providesabiascurrentreturnpath.Thesignalgeneratedbythethermocoupleisamplifiedbyasinglesupply,lowpoweramplifier.GainiscontrolledbyasingleresistorRgastheequationTheoutputvoltageyieldsequation.Thetemperaturerangedependsonthegainneeded.Calibrationsaredonebyusingthetemperaturecontrolledwaterbath.B.BaseStationThedataacquisitiontaskisachievedbyadatalogger,whichconsistsofonesensornodeandaprogrammingboard.Theprogrammingboardisconnectedtothecomputerserverbyaserialcable.Thesensornodeandtheprogrammingboardtogetherarecalledabasestation.Thepurposeofthebasestationistocollectthedatafromeachsensornodeandtransferallthedatatothecomputerserver.EXPERIMENTANDRESULTSThewirelessaccelerometersensornodeattachedontheshaftgivesaclearresponsesignalasdisplayedinfigure5.Thepeakfrequencyknownasthefundamentalfrequencyistheshaftrotationfrequencythatis15Hzwhenthemotorisrunningat900rpm.Anotherfrequencypeakisthesecondharmonic.6.TemperatureDataathree-phaseinductionmotorfromNewmanElectricMotors,Inc.ismountedonasteelplate.Itisa1hpthreephaseinductionmotorandisconnectedtoanadjustablespeeddrivefromToshibaInternationalCorporation.Therunningspeedcanrangefrom0to900rpm.Therearesixsensorsandfivemotesusedintheexperiment.TwothermocouplesareconnectedtoonemotebecauseeachmotehasmultipleAnalogtoDigitalconverters(ADC)andwecandesignthesensorboardtousetwoADCs.Thethermocouplesarebothgluedonthestatorwindingandtheirleadspassthesideboxtoconnectthemoteoutsidethemotor.Theotherfournodesareallplacedinsidethemotor.Twothermistornodesandtwoaccelerometernodesareinstalledontheshaftandontheshellbesidethestatorwindingrespectively.Thesamplingrateofthetemperaturesensorsissetto10Hz,andthatoftheaccelerometersensorsissetto100Hz.Thedatacollectedfromwirelessthermocouplesensorattachedonthestatorandthethermistorbesidethestatorareshowninfigure6.Thetemperaturemeasuredbythermocouplequicklyincreasedafterthemotorstarted.Wirelesssensornetworkscanbeusedtoundertakethetaskofconditionmonitoringinawidevarietyofenvironments.Manyoftheseenvironmentscanbeharshforwirelesscommunication,especiallyinmanufacturingenvironments.Themostbasicaspectofwirelesscommunicationisthepacketdeliveryperformance:thecharacteristicsofpacketloss,anditsenvironmentaldependence.Inourthree-phaseinductionmotor,thereisastrongmagneticfieldinsidethemotorwhenitisrunningwhichcancausemorepacketlossduringtheperiodofdatatransmissionfromsensornodestothebasestation.Bytrackingthepacketlossofthesensorswhichareplacedatdifferentpositions,wecaninvestigatethestrengthofthemagneticfieldanditseffecttowirelesscommunication.Ineachpacket,acyclicredundancycheck(CRC)codeisembeddedattheendofthepacketdata.TinyOSnetworkingstackusestheCRCcodingschemetodropthecorruptpacket.Inordertodeterminepacketcorruption,weinvestigateboththeindividualbytesthatarecorruptedaswellasthepacketsthatfailtheCRCcheck.Bytrackingthepercentageofthesepackets,wefoundthepacketCRClossrateislessthan10%.IV.CONCLUSIONSThepossibilityofusingwirelesssensorsinthethreephaseinductionmotorconditionmonitoringisexploredinthispaper.Wehaveconductedexperimentstogathervibrationandtemperaturedatafrommotors.Thewirelesssensordataisnotasreliableaswiredsensors.However,itisanimportantwaytocollectdatawhenwiredsensorscannotreachtheplace.Duetothemagneticfield,thewirelesscommunicationbetweenthesensornodesandthebasestationisaffected.Althoughthemagneticfieldcausesmorepacketlossofthedatatransition,therearestillenoughdatatoanalyzetheanalogsignal.Byplacingseveralsensornodesaroundthemotor,wewillalsobeabletogatherenoughdatatoperformaccuratedataanalysisandconditionmonitoring.Theproblemofelectromagneticinterferencecouldbesolvedbyincreasingthepowerofthewirelesstransmission.Thishasthedisadvantageofincreasingpowerconsumption,butrotatingshaftshaveenoughenergythatcanbedirectlyscavengedfromtheenvironmentandusedtosupplytherequiredenergy.Alsofastersamplingratesneedtobeachievedtoperformaccuratemonitoringwithvibrations.Thepaperalsoonlyminimallyexploitsthelocalprocessingandstoragecapabilitiesofthewirelesssensornodes.Moresophisticatedsignalanddataprocessingalgorithmscouldbeemployedonthenodes.Inaddition,localcommunicationnetworkscouldbesetupwithinthemotortoenablecollaborationamongthesensornodes.ACKNOWLEDGEMENTS应用无线传感器网络状态监测的三相异步电动机Xinxue和V.Sundararajan加利福尼亚大学里弗赛德摘要：大型三相异步电动机最常用的技术检测故障是衡量电源电流馈入电机和分析信号频谱。这项技术是公认的，并已被证明是一个错误的指示条件。然而，目前的特征分析通常是非常熟练的技术人员使用昂贵的设备。小型汽车是需要具有本钱效益的状态监测技术〔那些小于200马力〕。

本文探讨的可能性，利用无线传感器内的马达。无线传感器状态监测的应用是越来越受欢送的，因为它们的本钱相对较低，而且安装方便。本文提出了系统的状态监测的三相异步电动机使用无线传感器网络〔无线传感器网络〕来测量温度和振动信号。该传感器节点放置在转子和定子。数据采集完成在基站位于距离6英尺。目前在电机调查电磁之间出现互相干扰的无线设备和磁场。

关键词：无线传感器网络，三相异步电动机，状态监测

引言状态监测是很重要的保持持续可操作性的机制。能够有效地监测条件的工业机器可以使用户清楚地了解在机器操作任何可能出现的问题。状态监测是必要的，有明显优势的，履行及时维修发生故障产品的能力。这一方面使公司可以减少停机时间修理机器，并确保生产力不会受到影响。美国能源部估计，电动机消耗63％的电力用于工业。美国工业消耗33％的总能源，并提出了重大的时机节省本钱和能源。为了降低能耗，状态检修采用许多不同的技术，以监测执行情况的汽车中使用的工业应用。据认为，减少机器故障增加工厂的效率和生产力。无线传感器正在成为一个更加可行的监测方案，因为它们可取的特点。它们体积小，重量轻，可安置在有限的空间。因为它们是无线，它们可以安装在移动部件，因此无需进行灵活的连接器，滑环等传感器需要很少的电力和非常低的本钱。

低功耗的要求使能源从环境吸引力去除。他们有能力不断观察提供振动和温度的连续监测的性能发动机。这使得修理迅速和有效地并在必要时。调查解释电机故障的奥斯汀估计，大约有一半的电机故障发生的原因是转子和轴承。

这些不容易预测的失败只是监测电流。实施传感器直接测量的现象在转子是不容易的，因为旋转转子。无线传感器网络载温度和振动传感器将是理想的必