一个新型数据采集处理系统在电机试验中的应用.pdf

文章编号：（）一个新型数据采集处理系统在电机试验中的应用倡栘曹健，赵文春，刘德志（榆林基地装备部，海南 三亚；海军工程大学 电力电子技术应用研究所，湖北 武汉）摘要：介绍了一个用于电机试验的新型数据采集处理系统，并举例说明了该系统在电机试验中的功能及应用关键词：数据采集处理；双绕组电机中图分类号：文献标识码：电机从新产品研制、投产，直至运行、维修的整个生产和使用过程，大体可分为 个阶段：研制阶段、正式投入批量生产阶段、运行和维修阶段 在其中任一阶段都要进行一系列试验，以便获取电机的各种物理参数和性能指标 目前，我国大多数厂家的电机试验还是沿用几十年来的手工操作、目测读数的方法，不仅劳动强度大、工作效率低，而且测试误差也较大 特别是近年来，随着一些新型电机的出现，要求测试的项目比较多，而且许多项目要求同时对多个电量信号进行测试，因此如果利用传统的测试仪表，一方面要求使用的仪表种类和数量比较多，操作变得更加复杂，另一方面处理这些仪表测量的数据也是一件相当费时费力的工作以双绕组电机为例，由于其独特的性能和优点，已逐渐被推广使用，但双绕组电机的独特结构也给我们带来了一些新的课题（）双绕组电机的直流侧供电需要通过整流桥，整流桥中非线性元件的引入会带来谐波，并通过磁场影响交流侧电压波形，使之畸变 对交、直流侧畸变程度和各次谐波含量的准确分析要求对传统的谐波分析方法即 算法进行改进并提高计算精度，而改进后的新算法需要用到数据采集处理系统（）对双绕组电机的动态性能如突加负载、突减负载、突然短路等的分析以及对各种参数的测量，需要对相关电压电流的波形进行采集、分析和处理（）双绕组电机交直流混合供电，使得所要分析的物理量路数较多，对多路信号同时分析要求能对多路信号进行同时采集总之，双绕组电机等新型电机产品的出现，要求我们建立一套相应的数据采集处理系统，以便对其性能做进一步的研究本文首先就作者为湖南湘潭电机集团特电分公司研制的用于某新型电机试验的多通道高速数据采集处理系统作一简要介绍，然后举例说明该数据采集处理系统在电机试验中的应用数据采集处理系统总体设计方案数据采集处理系统的硬件部分主要由传感器、接口电路、采集卡及计算机组成（见图）采集图 数据采集处理系统硬件构成开始前，通过控制软件对 采集卡进行初始化 采集运行时，模拟信号通过传感器产生一个电流或电压信号，经过接口电路后，输出一个适合于数据采集处理系统采集的电压信号 采集第 卷第 期 年 月 海 军工程大学学报 倡收稿日期：-；修订日期：-作者简介：曹健（-），男，工程师得到的数据置放于 采集卡上的 芯片中 采样结束后，数据可通过控制软件读入计算机内存进行显示和处理，亦可按文件方式存入硬盘，以备今后调用以下对上述框图中各硬件模块的作用分别予以简要介绍（）传感器对于电流电压的测量，本系统采用 公司的霍耳效应电量传感器 对于转速测量，本系统采用的是-磁电转速传感器 模块可以测量任意波形的电流和电压，而且具有精度高、动态性能好、测量范围宽、抗外磁场干扰能力强等一系列优点，非常适合电机试验数据采集系统中原始电量信号的获取（）接口电路接口电路的作用是将各传感器的输出信号转换成为 的电压，并将转速信号转换成为脉冲信号，以便 采集卡采集和计数 同时，也为 采集卡提供适当的保护（）采集卡 采集卡采用 高速数据采集卡 该卡提供 路单端输入 位 转换，转换速度最快可达 该卡采用板上 存储方式，板上 为 字，可以脱机采样，适合 系统的应用 该卡的以上特点完全能够满足新型电机试验的各项要求数据采集处理系统软件设计数据采集处理系统软件的主要目的就是利用计算机采集卡替代各种仪表来完成电机的各种试验并进行数据分析处理 故本软件主要包括以下功能：试验设置、采集控制和数据处理 试验设置就是针对不同的电机试验项目，利用不同的子程序设置不同的试验初始条件，同时引导用户完成试验 对于采集控制，主要包括 采集卡初始化、启动转换、判断转换结束及从 中读数等功能 数据处理则根据不同的试验要求，包括数据显示、数据分析、数据保存等一系列功能本软件总体结构是由多级下拉式菜单实现的，其中一级菜单代表各种电机，二级菜单则代表每一电机下的各类试验项目，三、四级子菜单则对应电机试验某一工况下的某个具体试验项目或数据处理模块，整个框架结构自顶而下逐步细化，清晰明了程序的总体框图如图 所示 其中“选择电机”指从直流电机、同步电机、主变流机及机组、主推进图 软件总体框图电机及机组共 种情况中选择一种；“选择试验项目”指电机在各种工况下的各种特性试验如起动试海军工程大学学报第 卷验、温升试验、空载试验、短路试验、调频调压性能试验、电磁兼容试验等等数据采集处理系统在电机试验中的功能及应用举例数据采集处理系统可以用于电机的各种试验项目，如空载特性测定、起动试验、应急自动转换试验、谐波分析等 该系统在电机试验中除能完成传统仪表的测试功能之外，还具有以下数据处理功能：谐波分析、参数计算、曲线拟合等 另外，软件中设计的存取和打印功能也使得对数据的保存和处理更为方便，从而对于那些测试重复率较高的试验更加有利以下通过对空载特性的测定及谐波的测定，举例说明数据采集处理系统在电机试验中的功能及应用 空载特性试验空载试验时，电机以空载方式运转（负载电流为零），转速额定并保持不变 此时从小到大逐步增加励磁电流值，每次改变励磁电流值测取相应的电枢电压，最后画出电枢电压随励磁电流变化的曲线过去的手工试验方法一般是通过事先准备好的电表，在每次励磁电流值改变后，测量并记下该点的励磁电流和电枢电压，最后在坐标纸上逐点描出，并用光滑曲线连接显然，用手工方法不仅劳动强度大、耗时多，而且测量精度也容易受到人为因素的影响而得不到保障现在利用数据采集处理系统，则只需在每次励磁电流值改变后，在采样控制界面发出一个采样命令，采样完成后，电枢电压 U 和励磁电流 I的值将自动显示在空载试验界面（见图）上 此时单击试验图 空载试验界面界面中的“保存数据”按钮，即可将该组数值保存到指定的文件中，每次保存不会覆盖原先的采样数据以直流电机主磁空载特性试验为例，对应从小到大不同励磁电流值的全部 N 次采样完成后，数据文件将形成一个数据表（见表）表 1采样得到的励磁电流与电枢电压励磁电流 I 苘v$揪X蝌寣&览电枢电压 U 媼%靠 Y 篌 崓 亮 图 拟合得到的空载特性曲线此时单击“曲线拟合”按钮即可通过该数据表自动拟合出空载特性曲线（见图）需要注意的是，由于是一次与三次分段曲线拟合，因此拟合前应根据实验经验输入分界点的位置信息从上述数据采集处理系统在空载试验中的应用可知，试验的自动化程度得到了非常大的提高，特别是在特性曲线的拟合上，更是大大减少了劳动强度、提高了拟合精度 谐波分析对电机测试中的谐波分析，传统方法是通过硬件实现，但硬第 期曹健 等：一个新型数据采集处理系统在电机试验中的应用件措施一般具有电路复杂、调试困难、受环境因素影响较大、对采样同步度要求较高和成本较高等缺陷 随着计算机技术的迅速发展、计算机功能的逐渐强大和运算速度的飞速提高，通过数据采集处理系统，利用计算机强大的数据处理能力，电机测试中的谐波分析完全可以借助软件采用高精度的分析算法得出准确的分析结果对一个双绕组电机原边电流波形的采样结果如图 所示 信号基波频率约 ，采样频率为，采样长度 点（约 个周期）对该电流波形进行谐波分析，只要单击“交流分析”按钮即可 分析结果如图 所示图 电流波形采样结果图 电流谐波分析结果从图 可以看到，谐波畸变率和最大单次谐波含量已分别显示在窗口右上角和左上角 此时，通过计算机键盘上的上下左右方向键可以移动一个谐波次数指示球，当指示球落到某次谐波上头时，在窗口海军工程大学学报第 卷的下方可以看到该次谐波的频率、幅值及相位等值 此外，还可以通过文件菜单中的“打印”选项把各次谐波的参数分析结果同时或有选择地打印出来综上所述，数据采集处理系统用于电机测试，完全可以取代原先必须依靠的多种测试仪表及辅助硬件电路，不仅降低了生产成本，而且可以大大提高系统的性能，提高试验的测量精度和自动化程度，同时也大大减少了操作人员的劳动强度，提高了试验效率结论本文提出了一个基于 机的电机试验数据采集处理系统 相对于传统的电机测试系统，该系统只用一台计算机加一块采集卡就实现了以前的转速表、谐波分析仪、示波器、电流电压表等多种仪器才能实现的功能 利用 采集卡的多通道采样功能，本系统可以同时对多路电量信号进行采集，因而在对测试项目较多、电量要求测试路数较多的新型电机进行试验时就更加方便，同时也提高了测试的准确性 另外本系统中数据的采集和处理都在计算机内部进行，利用计算机强大的计算处理能力，可以迅速完成以前用手工要进行多次分析计算才能完成的试验，很快得到试验结果，大大减少了操作人员的劳动强度 此外，本系统中良好的人机界面，使得试验过程中用户的操作更加快速准确和直观方便 在本系统中还采用了高精度插值 算法，因此即使是非同步采样，或基波频率出现波动，利用本系统仍然可以得到基波及各次谐波准确的幅值、频率和相位总之，该系统自动化程度较高，对电机性能检测较准确，操作快速方便 同时，还适用于新型电机的研制和开发，从而电机的生产检测和研制水平得到了较大的提高 该系统投入运行后取得了良好的效果，并得到了用户的好评参考文献：-三相同步电机试验方法 陈璧光，沈能士 电器试验和测量技术 北京：中国电力出版社，Application of a new-type data acquisition and processing systemin the electric machine test，-，-（，；，）Abstract：-Key words：；第 期曹健 等：一个新型数据采集处理系统在电机试验中的应用