CN105223501A - 一种三相异步电动机测试分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相异步电动机测试分析系统，包括电源系统、控制系统、测量系统、通信系统、数据分析处理系统；本发明由PC机通过总线控制调压器控制器，从而控制三相数控柱式无级调压器，为系统交流测试提供连续无级可调三相交流电压；通过可编程逻辑控制器，结合PC机指令对系统各部分进行控制；可以通过电动机电磁参数测试项目和电动机空载与堵转特性曲线测绘项目，对新出厂或者检修完毕的三相异步电动机进行测试，得出输出功率、效率、功率因数、转差率、电磁转矩、直流电阻值、绝缘电阻值以及电动机空载测试特性曲线和堵转测试特性曲线。本发明集成性及自动化程度高、电压测试范围广、无需负荷，节能效果好，具有良好的实用价值。

Description

一种三相异步电动机测试分析系统

技术领域

本发明涉及电动机生产与检修领域，主要应用于三相异步电动机检修后的综合性能测试，也可用于三相异步电动机出厂快速测试。

背景技术

中小型三相异步电动机是现代化成产与建设中被广泛使用的动力设备，随着国内自动化水平的不断提高，其结构简单、坚固耐用等特点，使得其产量与使用量均在大幅增加。

中小型三相异步电动机主要用于风机、压缩机、泵类以及各种纺织机械、机床、起重机械和冶金矿山机械等的配套设备，其运用的工况差异显著，由于电机选型不当，使用环境不合理，维护保养不及时等造成的电机烧毁现象比比皆是。一般来说，电机烧损后经过维修仍可使用，但由于在修理过程中采用火烧等办法取出导线，铁芯性能难免有所降低，电机输出功率如何、功率因数怎样、机械效率多少，等等，因缺乏必要的检验测试设备，对电机的电磁参数难以了解。因此，继电保护不能正确整定、电机过载过热得不到及时保护，修过的电机不久又被烧毁，“烧了修，修了烧”，不仅直接经济损失惨重，而且因此造成停产，其间接经济损失十分巨大。

一般来说，只要按照设计文件的要求制造，三相异步电动机的质量不难得到保证。但是，由于种种原因，新出厂的电动机也有类似“鼠笼断条”的“内伤”现象发生。

目前，在实际应用中的电动机测试手段主要有使用测功机的测试系统、人工检测与传统仪器检测，然而，由于测功机之类的实际功率输出设备价格非常昂贵，而且试验过程需要消耗电能，因此全国共有电机生产厂大约300多家，只有少数厂家才能对出厂电机进行全面检查，由此而导致某些电机虽然能运转但性能指标达不到技术标准的要求；其次，人工检测需要多人配合工作，造成人工的浪费，并且读数据无法达到各物理量同步读取，造成测量误差，在后期计算处理数据时也经常失误造成计算错误等，所以，存在费时费力、效率低下、准确度差等缺点；再次，传统仪器检测需要工作人员阅读大量各种仪器的资料以针对不同物理量进行测量，可能造成人走或资料丢失，设备就无人能用的现象发生，并且存在自动化与集成化程度不高的缺点。

发明内容

针对现有三相异步电动机测试技术存在的系统价格高、功耗大、智能以及集成度差等不足，本发明提供一种低负荷、智能型三相异步电动机测试分析系统。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，其特征在于，包括三相电源(1)、断路器DZ(2)、变压器T1(3)、三相数控柱式无级调压器(4)、电压互感器2PT(5)、电流互感器3CT(6)、接触器1C(7)、接触器2C(8)、接触器3C(9)、PC机(10)、可编程逻辑控制器LM3109(11)、调压器控制器(12)、直流电阻测量器YD-2512(13)、绝缘电阻测量器YD-9820(14)、三相电量采集器PM800(15)、绕组转换电路(16)、R-C阻容吸收(17)、继电器控制与系统反馈电路(18)、待测电动机(19)、开关电源(20)、继电器1J(21)、继电器2J(22)、继电器3J(23)、继电器4J(24)、继电器5J(25)等。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，包括电源系统、控制系统、测量系统、通信系统、数据分析处理系统，其中：

所述电源系统接入1140V三相电网，由PC机(10)通过总线控制调压器控制器(12)，从而控制三相数控柱式无级调压器(4)，为系统交流测试提供连续无级可调三相交流电压；

所述控制系统通过可编程逻辑控制器LM3109(11)，结合PC机(10)指令对系统各部分进行控制；

所述测量系统由三相电量采集器PM800(15)、直流电阻测量器YD-2512(13)和绝缘电阻测量器YD-9820(14)分别与PC机(10)相连所组成，对电动机进行电动机电磁参数测试、电动机空载与堵转特性曲线测绘；

所述通信系统由调压器控制器(12)、三相电量采集器PM800(15)和可编程逻辑控制器LM3109(11)经RS-485总线与PC机(10)相连；直流电阻测量器YD-2512(13)与绝缘电阻测量器YD-9820(14)分别经RS-232总线与PC机(10)相连；

所述数据分析处理系统由PC机(10)对电动机电磁参数测试和电动机空载与堵转特性曲线测绘所得原始数据进行分析处理，并产生报告单和特性曲线图。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，所述电磁参数测试包括带电测试项目和不带电测试项目，其中：

所述带电测试项目由电压互感器2PT(5)和电流互感器3CT(6)分别连接三相电量采集器PM800(15)电压和电流输入端，对电动机进行25％额定电压下的堵转测试、130％额定电压下的超压测试以及100％、75％、50％额定电压下的空载测试；

所述不带电测试项目由绕组转换电路连接直流电阻测量器YD-2512(13)输入端，采集直流电阻值；由绝缘电阻测量器YD-9820(14)采集绝缘电阻值。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，所述数据分析处理系统中，对电动机电磁参数测试所得数据通过做圆图法进行分析，得到三相异步电动机的输出功率、效率、功率因数、转差率、电磁转矩，其中：

所述功率因数为

所述输出功率为

所述效率为

所述转差率为

所述电磁转矩为

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，所述数据分析处理系统中，对电动机空载与堵转特性曲线测绘所得三相电流与三相电压数据进行分析处理，得出电动机空载测试特性曲线和电动机堵转测试特性曲线，其中：

所述电动机空载测试特性曲线包括空载电流I₀与输入功率P₀、空载电流I₀与外施电压U₀的关系曲线，即I₀＝f(U₀/U_N)，P₀＝f(U₀/U_N)²，U_N为额定电压；

所述电动机堵转测试测试特性曲线包括堵转电流I_K与外施电压U_K、转矩T_K与外施电压U_K关系曲线，即I_K＝f(U_K)，T_K＝f(U_K)。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，包括一种通过使用ACCESS软件编写的三相异步电动机额定参数数据库，录入、修改、查询存储于PC机(10)中的三相异步电动机的型号、额定参数。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，如图3，测试流程：从PC机(10)输入测试信息，包括电动机型号选择、测试日期、测试单位、测试操作员；选择测试类型，分别进行电磁参数测试(依次进行直流电阻测试、绝缘电阻测试、25％额定电压下的堵转测试、130％额定电压下的超压测试、100％、75％、50％额定电压下的空载测试)或者特性曲线测试(依次进行堵转特性曲线测试、空载特性曲线测试)，测试开始；测试结束后，由PC机(10)对所得测试数据进行分析处理，生成测试结果；由打印机打印输出。

附图说明

图1是本发明采用的三相异步电动机的圆图法分析图；

图2是本发明提供的一种三相异步电动机测试分析系统连接示意图；

图3是本发明提供的一种三相异步电动机测试分析系统测试流程示意图。

具体实施方案

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，本系统包括电源系统、控制系统、测量系统、通信系统、数据分析处理系统，其中：

1电源系统

电源系统接入1140V三相电源(1)母线，下面连接断路器DZ(2)上级，断路器DZ(2)下级通过三相触点连接三相数控柱式无级调压器(4)输入端，通过两相触点连接变压器T1(3)一次侧。其中三相数控柱式无级调压器(4)用于为待测电机提供交流测试电压，三相数控柱式无级调压器(4)输出端接接触器1C(7)上级；其中变压器T1(3)二次侧输出220V交流电压，为断路器DZ(2)分励、交流接触器1C、交流接触器2C、交流接触器3C等提供控制电压，变压器T1(3)二次侧并接开关电源(20)，输出24V直流电压，为系统中各继电器、可编程逻辑控制器LM3019(11)等提供直流电压。

2控制系统

控制系统通过可编程逻辑控制器LM3109(11)，结合PC机(10)指令对系统各部分进行控制。

控制终端接触器1C(7)上级接三相数控柱式无级调压器(4)输出端，接触器1C(7)下级(并接R-C阻容吸收(17))接待测电机(19)，由可编程逻辑控制器LM3109(11)经继电器1J(21)控制其通断；

控制终端接触器2C(8)上级经绕组转换电路(A相触点接继电器4J(24)常开触点下级，B相触点并接继电器4J(24)常闭触点下级和继电器5J(25)常开触点下级，C相触点接继电器J5(25)常闭触点下级；继电器J4(24)与继电器J5(25)各自常开常闭触点上级并接，并分别连接直流电阻测量器YD-2512(13)两个输出端)接直流电阻测量器YD-2512(13)输入端，接触器1C(7)下级接待测电机(19)，由可编程逻辑控制器LM3109(11)经继电器2J(22)控制其通断。

控制终端接触器3C(9)上级接绝缘电阻测量器YD-9820(14)输出端，接触器3C(9)下级由一根电缆接待测电机(19)绕组，另两个电缆接待测电机(19)机壳，由可编程逻辑控制器LM3109(11)经继电器3J(23)控制其通断。

控制终端断路器DZ(2)上级接1140V三相电源(1)，断路器DZ(2)下级接三相数控柱式无级调压器(4)输入端，由可编程逻辑控制器LM3109(11)经继电器6J(26)控制其断开。

控制终端三相数控柱式无级调压器(4)输入端接断路器DZ(2)下级，输出端接接触器1C(7)上级，由调压器控制器(12)接收PC机(10)信号对其进行控制。

3测量系统

测量系统包括交流量测量、直流电阻测量、绝缘电阻测量。

交流量测量：电压互感器2PT(5)一次侧接三相数控柱式无级调压器(4)输出端，二次侧连接三相电量采集器PM800(15)电压输入端。

电流互感器3CT(6)一次侧由三相数控柱式无级调压器(4)输出端与接触器1C(7)上级接线端之间电缆穿过，其二次侧接三相电量采集器PM800(15)电流输入端。

直流电阻测量：待测电机(19)三相绕组经接触器2C(8)连接绕组转换电路(16)输入端，绕组转换电路(16)输出端接直流电阻测量器YD-2512(13)输入端。

绝缘电阻测量：待测电机(19)绕组与机壳经接触器3C(9)与绝缘电阻测量器YD-9820(14)输入端相连。

4通信系统

调压器控制器(12)、三相电量采集器PM800(15)和可编程逻辑控制器LM3109(11)经RS-485总线与PC机(10)相连；直流电阻测量器YD-2512(13)与绝缘电阻测量器YD-9820(14)分别经RS-232总线与PC机(10)相连。

5数据分析处理系统

PC机(10)对电动机电磁参数测试和电动机空载与堵转特性曲线测绘所得原始数据进行分析处理，并产生报告单和特性曲线图。

本发明提供一种三相异步电动机测试分析系统，本发明测试项目共分两大类包括：电动机电磁参数测试项目、电动机空载与堵转特性曲线测绘项目。

1电动机电磁参数测试项目

电动机电磁参数测试项目包括带电测试项目和不带电测试项目，其中带电测试项目包括：25％额定电压下的堵转测试、130％额定电压下的超压测试、以及100％、75％、50％额定电压下的空载测试；其中不带电项目包括：电动机各绕组直流电阻测试与绕组对地绝缘电阻测试。

通过上述测试项目，经由PC机(10)分析处理可得出三相异步电动机的三相平衡性、三相绕组电阻值、绕组对地绝缘电阻值以及三相异步电动机的输出功率、效率、功率因数、转差率、电磁转矩等参数。

本发明中，三相异步电动机的电磁参数求解方法主要利用做圆图法，分析三相异步电机作为电动机运行时，即运行点D落在圆弧上时，电动机的各项电磁参数。

如图1，D点是电动机的某一运行点，H′是电动机的空载运行点。空载时转速接近n₁，点H′与点H很接近。连接点H′和点K，过点D作与平行的直线，得到交点A、B、E、F、G。线上的各线段分别代表了异步电动机运行于D点时的各项电磁参数：

(1)功率因数

功率因数角是与的夹角

(2)输入功率P₁

式中，c_p＝m₁U₁·c_i是功率比例尺，单位为W/cm。

代表理想空载时电动机的输入功率。此时，转子以同步转速运行，转子的机械损耗时由带动它的设备来负担。电动机的输入功率主要供给定子的铁损耗为：

(3)电磁功率P_M、机械功率P_m和铜损耗p_Cu1、p_Cu2

由异步电动机的功率关系知：

P₁-p_Fe＝p_Cu1+p_Cu2+P_m

$P_1-p_{\mathrm{Fe}}=m_1{\left(I_2^{\′\′}\right)}^2(r_1+r_2^{\′}+\frac{1-s}{s}{r}_2^{\′})$

且

则：

进一步有：

其中，代表机械功率P_m，线代表电磁功率P_M。

(4)输出功率P₂、机械损耗p_m和附加损耗p_a

由异步电机的功率关系有：

P₂＝P_m-(p_m+p_a)

如果异步电机空载，即在圆图运行在点H′，此时P₂＝0，于是转子的机械功率P_m全部消耗在机械损耗p_m和附加损耗p_a上。空载点H′和理想空载点H之间相差的就是机械损耗p_m和附加损耗p_a。点K是电动机堵转状态运行点，此时p_m＝p_a＝0。故，连接点H′和点K，线和线之间的距离可以近似看作机械损耗与附加损耗之和(p_m+p_a)。当电机运行在点D时，线段代表了它的机械损耗与附加损耗之和(p_m+p_a)。此时的输出功率为：

对于运行在点D的电动机，表示铁损耗p_Fe，表示定子铜损耗p_Cu1，表示转子铜损耗p_Cu2，表示机械输出功率P_m，表示电磁功率P_M，表示机械损耗与附加损耗之和(p_m+p_a)，表示输出功率P₂。

(5)效率

(6)转差率

(7)电磁转矩M、起动转矩M_st和最大转矩M_max

式中，c_m＝c_p/Q₁为转矩比例尺，单位是(N·m/cm)。

电动机刚起动时，点D处于点K的位置，作平行于交于点K″，则起动转矩为：

作平行于且与圆相切的切线切点为D_m，过D_m作平行于的线交于点D′_m，得到最大转矩为：

运行点D_m的转差率就是最大转矩时的转差率s_m：

2电动机空载与堵转特性曲线测绘项目

PC机(10)经由调压器控制器(12)，控制三相数控柱式无级调压器(4)，输出连续可调三相电压，在三相异步电动机空载和堵转模式下测试进行测试，三相电压与三相电流经电压互感器2PT(5)和电流互感器3CT(6)，由三相电量采集器PM800(15)及其扩展模块同步采集后，发送给PC机(10)，由PC机(10)分析处理绘制电动机空载与堵转特性曲线。

其中空载测试特性曲线包括空载电流I₀与输入功率P₀、空载电流I₀与外施电压U₀的关系曲线，即I₀＝f(U₀/U_N)，P₀＝f(U₀/U_N)²，U_N为额定电压；其中堵转测试测试特性曲线包括堵转电流I_K与外施电压U_K、转矩T_K与外施电压U_K关系曲线，即I_K＝f(U_K)，T_K＝f(U_K)。

本发明可测试额定电压1140V及以下，功率在630kVA内的各种型号三相异步电动机，适用面较广。三相数控柱式无级调压器(4)的使用，为三相异步电动机测试提供无级可调电压，使得系统能够对电动机进行动态测试，绘制电动机特性曲线；系统接入固定1140V三相电网，可以测试额定电压1140V及以下各型号三相异步电动机，而不需要变换电源，对比于使用多变比变压器的系统，本发明适用范围广，灵活度高，可拓展性强；系统测试过程中，电动机不带任何负荷运转，降低了三相异步电动机测试过程中的电能损耗，绿色环保。

本发明所采用技术方案造价低廉，在电动机不带负载的情况下，即可实现三相异步电动机快速全自动测试，并且测试结果准确可靠。下表为30kW电动机YBK2-200L-4的现场测试结果与电动机铭牌额定值的对比。根据表格中数据对比，可以发现本发明对于三相异步电动机重要参数的测量准确度很高。

表130kW三相异步电动机YBK2-200L-4现场测试结果与铭牌额定值对比情况表

Claims (4)

1.一种三相异步电动机测试分析系统，其特征在于，包括电源系统、控制系统、测量系统、通信系统、数据分析处理系统，其中：

所述电源系统接入三相电网，由PC机通过总线控制调压器控制器，从而控制三相数控柱式无级调压器，为系统交流测试提供连续无级可调三相交流电压；

所述控制系统通过可编程逻辑控制器，结合PC机指令对系统各部分进行控制；

所述测量系统由三相电量采集器、直流电阻测量器和绝缘电阻测量器，分别与PC机相连所组成，对电动机进行电动机电磁参数测试、电动机空载与堵转特性曲线测绘；

所述通信系统由调压器控制器、三相电量采集器和可编程逻辑控制器经RS-485总线与PC机相连；直流电阻测量器与绝缘电阻测量器分别经RS-232总线与PC机相连；

所述数据分析处理系统由PC机对电动机电磁参数测试和电动机空载与堵转特性曲线测绘所得原始数据进行分析处理，并产生报告单和特性曲线图。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁参数测试包括带电测试项目和不带电测试项目，其中：

所述带电测试项目由电压互感器和电流互感器分别连接三相电量采集器电压和电流输入端，对电动机进行25％额定电压下的堵转测试、130％额定电压下的超压测试以及100％、75％、50％额定电压下的空载测试；

所述不带电测试项目由绕组转换电路连接直流电阻测量器输入端，采集直流电阻值；由绝缘电阻测量器采集绝缘电阻值。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据分析处理系统中，对电动机电磁参数测试所得数据通过做圆图法进行分析，得到三相异步电动机的输出功率、效率、功率因数、转差率、电磁转矩，其中：

所述功率因数为

所述输出功率为

所述效率为

所述转差率为

所述电磁转矩为

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据分析处理系统中，对电动机空载与堵转特性曲线测绘所得三相电流与三相电压数据进行分析处理，得出电动机空载测试特性曲线和电动机堵转测试特性曲线，其中：

所述电动机空载测试特性曲线包括空载电流I₀与输入功率P₀、空载电流I₀与外施电压U₀的关系曲线，即I₀＝f(U₀/U_N)，P₀＝f(U₀/U_N)²，U_N为额定电压；

所述电动机堵转测试测试特性曲线包括堵转电流I_K与外施电压U_K、转矩T_K与外施电压U_K关系曲线，即I_K＝f(U_K)，T_K＝f(U_K)。