《材料成形测试技术》课件-第5章 电机电参数测量

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电参数测量电机转速测量现代电机测试技术1235.1直流电动机电参数测量电机中的电量主要有电压、电流、电功率等。一般情况下，电机中电量的测量主要是指50HZ、正弦波形的电压、电流及功率等的测量。随着电力电子变流装置的广泛应用于电机控制领域，电力电子器件的应用使电机电流或电压成为非正弦波形，用普通指示式仪表测量时，测量的准确度大大降低。

在电机控制系统使用中往往需要了解电流或电压的波形、副值、有效值或平均值；不仅需要了解电机稳态运行时的情况，还常常需要了解电机电流、电压随时间变化的动态过程。这些情况下的测量工作，一般电工测量仪表是难以胜任的，此时采用示波器进行测量。5.1.1直流电动机的结构和工作原理图5-1直流电动机的工作原理图5.1.2直流电机电压、电流的测量5.1.2.1示波器振子测量法（1）电压的测量电压信号由电枢C、D两端引出，其测量电路如图5-1所示，电阻R1为振子限流电阻，R2为附加限流电阻。图5-1振动子记录直流电压原理图5.1.2.1示波器振子测量法图5-2为电压标定方法，即原测定线路输入端并接一只0.5级的电压表读取U标值。图5-2电压标定电路图5.1.2.1示波器振子测量法在测量较高电压时，常采用电阻分压器或电容分压器，图5-3(b)是用电容分压器测量较高电压的原理接线图。(b)分压器图5-3分流器与分压器5.1.2.1示波器振子测量法（2）电流的测量由于主机容量一般都比较大，因而常采用分流器（FL）来测量较大的直流电流。分流器为一阻止极小、功率很大用较低电阻温度系数金属材料制造的电阻元件，如图5-3（a）所示。(a)分流器5.1.2.1示波器振子测量法测量信号由分流器A、B点引出，其测量线路如图5-4所示。图5-4振子记录电流电路图5.1.2.1示波器振子测量法为了确定其标定特性曲线，多采用图5-5所示的电流标定线路。图5-5电流标定电路图5.1.2.2直流电参数测量特点由于直流电参数不能采取变压器原理进行电位隔离，一般情况下，测量线路与主回路直流接通，因而将直流高电位引入测量线路。特别是在一台示波器上同时记录电压、电流的场合，如果电压振子与电流振子不是接在同电位时，如图5-6所示。图5-6两振子间不等电位产生击穿现象5.1.2.3变送器测量法（1）直流电压变送器直流电压变送器如图5-7所示。图5-7直流电压变送器原理方框图5.1.2.3变送器测量法（2）直流电流变送器直流电流变送器的原理如图5-8所示。图5-8直流电流变送器原理方框图5.1.2.3变送器测量法（2）直流电流变送器直流毫伏变送器工作原理如图5-9所示。图5-9直流毫伏变送器原理方框图5.1.2.4使用操作要点（1）未了减少限流电阻的发热，应选用灵敏度较高的振子，如FC6-1200型等。（2）测量回路必须用测量电压大于电枢最高工作电压的兆欧表（摇表）进行对地、参数间的绝缘测定（将振子输入端短路），其绝缘电阻不应小于20兆欧。（3）为了保证电压振子与电流振子同电位，应按图5-10所示接线，此时D、A、B同电位。（4）标准毫伏表须按图接在A、B两点，且连接线愈短愈好。5.1.2.4使用操作要点（5）接入分流器的导线头部及分流器上的接线螺丝刮净，螺丝必须拧紧。导线截面宜大不宜小。（6）为了保证数据的可靠，应在现场标定。标定时，线路中的任何参数都要维持实测时一样。标准表也要事先予以校准。图5-10两振子间其电位原理图5.1.3直流电机功率测量对于直流电机，一般是测量电机电枢电流及电枢电压，按下式计算功率：，千瓦(5-7)5.2交流电动机电参数测量由于交流电信号是随时间周期变化的电量，在采用智能数字仪表测量或电机自动测试系统中，需要将被测电压、电流等变换成与其成正比的标准直流电流（或电压）信号，这一变换要由各类型的交流变送器来完成。表5-2为部分常用国产交流电量变送器的规格与性能。5.2.1交流电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机，是一种将交流电能转化为机械能的电磁装置，主要由静止的定子和转动的转子两大部分构成，广泛应用于机械、石油、化工、冶金等场合。定子由定子铁心、定子绕组和机座三个部分组成。机座主要用来支撑定子铁心和固定端盖，一般由铸铁或钢板制成。定子铁心是主磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片冲制叠压而成。在定子铁心内圆上冲有均匀分布的槽，用来嵌放定子三相对称绕组。转子由转子铁心、转子绕组和转轴等构成。转子铁心也是电机磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片冲制叠压而成。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽，槽内嵌放转子绕组，转子绕组可分为笼型和绕线型两种。笼型异步电动机转子绕组有铜条和铝铸两种形式，其结构简单、运行可靠、价格便宜，主要缺点是调速困难。绕线型异步电动机的转子绕组可通过滑环、电刷与外部附加电阻器连接，从而控制电机的启动或转速。5.2.1交流电动机的结构和工作原理当对定子三相绕组通入三相对称交流电时，在电机气隙内产生一个转速为的旋转磁场。定子旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势，由右手螺旋定则可知其方向如图5-11所示。由于转子绕组自行闭合，所以在转子绕组中就有电流流过，其电流方向与电动势方向相同。根据左手螺旋定则，这些载流导体在磁场中受力所形成的总电磁力矩方向是顺时针的，因此，电动机在电磁转矩的作用下，转子沿着旋转磁场方向进行旋转，从而拖动负载运动。图5-11交流电动机的工作原理图5.2.2交流电压、电流的测量5.2.2.1交流电压变送器其原理线路如图5-11所示。图5-11交流电压变送器原理线路图5.2.2.1交流电压变送器交流电压变送器连同记录仪表一起进行标定，标定线路如图5-12所示。图5-12交流电压变送器标定线路图5.2.2.2交流电流变送器原理线路图5-13所示。图5-13交流电流变送器原理图5.2.2.2交流电流变送器交流电流变送器标定线路如图5-14所示。图5-14交流电流变送器标定线路图5.2.3交流电机功率测量交流电机功率可采用功率变送器测量，它是把三相有功功率（或无功功率）量变换成为与功率成正比例的直流电流量或直流电压量的一种变换装置。三相功率变送器的原理框图如图5-15所示，它的主要部分为两个完全相同的功率测量部件。每个功率测量部件为一个时间差值乘法器，由磁饱和振荡器、恒流电路、桥式开关电路、电压互感器及电流互感器组成。5.2.3交流电机功率测量图5-15三相功率变送器原理方框图5.3电机转速测量电机转速一般指电机转子的每分钟转数，是电机运行中的一个重要参量。而作为轧机的驱动设备，电机的转速决定轧机的速度，尤其是在连轧过程中，轧制速度作为连轧关系的重要影响和控制因素，对其的随时测量已经成为连轧控制系统的很重要的内容。5.3.1日光灯法测速日光灯法是交流电机转速测量时常用的一种简便方法。日光灯是一种闪光灯，将其接入50HZ电源时，日光灯的实际闪光频率为每秒100次，闪频周期为10ms。而人的视觉暂留时间约为60ms，远大于日光灯的闪频周期，因此用肉眼观察时，感觉不到灯光的闪动而认为日光灯一直在发光。利用日光灯的上述特性就可以测量交流电机的转速。如图5-17所示。5.2.1日光灯法测速图5-17日光灯法测速的轴端标记5.3.1日光灯法测速当交流电机的转差率较小时，用日光灯测定转差率十分方便。如果电机略低于同步转速运行，则眼睛看到的轴端标记将逆电机转向缓慢旋转，用秒表测定每分钟转过的圈数，即为电机转速与同步转速之间的转速差，则电机转差率为

（5-8）转差率s测定后可按下式计算出电机转速：

（5-9）5.3.2闪频法测速如日光灯法实际上也是一种闪频法测速，只是其闪光频率为工频是固定不变的，这也是其应用受到限制的根本原因。如果闪光频率可以在较宽范围内均匀调节，则测速范围可大大提高。当轴端的扇面标记只有一个时，调节闪光频率使标记静止不动，则电机的转速为

（5-10）或

5.3.2闪频法测速即闪光频率等于电机的每秒转速。闪光数字测速仪就是根据这一原理制成的，其原理框图如图5-18所示。图5-18闪光数字测速仪原理框图5.3.3光电数字测速光电数字测速目前已获得广泛应用，具有测量范围广，准确度高，数字显示和可测量瞬时速度等优点。所用光电转速传感器为非接触式传感器，其结构简单、分辨率高、惯性小，可分为投射式和反射式两种。5.3.3.1光电转速传感器投射式光电转速传感器原理示意图如图5-19所示。图5-19投射式光电转速传感器原理图5.3.3.1光电转速传感器一种反射式转速传感器的原理示意图如图5-20所示。图5-20反射式光电转速传感器原理图5.3.3.1光电转速传感器另一种反射式光电转速传感器具有更为简单的结构，如图5-21所示。图5-21另一种反射式转速传感器5.3.3.2数字测速的测频法图5-22为一种采用测频法的数字式转速表的原理框图。所谓测频法测速，就是在给定标准时间内累计传感器发出的脉冲数，即以测量频率的方法来测量转速。图5-22测频法数字转速表原理框图5.3.3.2数字测速的测频法若电机转速为n(r/min)，电机每转一周，光电传感器所发出的脉冲数为Z，测量的标准时间为t(s)，则计数器计数的脉冲数N为：

（5-11）

Z的数值最好是60或60的整数倍。5.3.3.2数字测速的测频法门控电路对计数脉冲的控制如图5-23所示。图5-23门控电路对计数脉冲的控制5.3.3.2数字测速的测频法一种采用测频法的霍尔转速测试仪的工作原理如图5-24所示。图5-24霍尔转速仪工作原理5.3.3.2数字测速的测频法

5.3.3.3数字测速的测周法当被测转速信号的频率较低时，用测频法测速的误差较大，这时可采用测周法。测周法测速的原理框图如图5-25所示。图5-25测周法测速原理框图5.3.3.3数字测速的测周法若时钟脉冲周期为T0，计数值为N，则被测角位移周期为TX=NT0，若电机每转一周，传感器输出的脉冲数为Z，则电机每转一周所需时间为T=ZTX=ZNT0,电机的每分钟转数为(5-14)5.3.3.3数字测速的测周法测周法测速波形图如图5-26所示，这时电机的转速为(5-15)图5-26测周法测速的波形图5.3.4电容式瞬时转速测量法5.3.4.1电容式转速传感器瞬时转速测量时，转速传感器可采用电容式结构。随着电机的旋转，传感器的定、转子之间时而齿与齿相对，时而齿与槽相对，如图5-27(a)所示。图5-27电容式转速传感器5.3.4.1电容式转速传感器

5.3.4.2瞬时转速的测量5.3.5示波器转速测量法图5-28双闭环直流电机调速原理图。图5-28双闭环直流电机调速原理图5.3.5示波器转速测量法图5-29示出的是晶闸管双环直流调速系统当突加给定时转速的动态响应曲线。图5-29用示波器观察电动机的起动过程（a）原理框图（b）转速起动过程曲线5.3.5示波器转速测量法图5-30为采用测速发电机时加速法的测试原理图。图5-30测速发电机加速法原理图5.4现代电机测试技术随着电子技术、信息传感技术、自动化技术以及计算机技术和