CN105301498B - 三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统及方法，其系统包括微处理器模块、电压传感器组和电流传感器组，电压传感器组包括A相电压传感器、B相电压传感器和C相电压传感器，电流传感器组包括A相电流传感器、B相电流传感器和C相电流传感器，微处理器模块的输入端接有A相信号调理电路、B相信号调理电路和C相信号调理电路，微处理器模块的输出端接有液晶显示电路；其方法包括步骤：一、信号实时采集及传输；二、信号预处理；三、三相异步电机负载转矩计算；三相异步电机负载转矩输出。本发明设计合理，实现方便且成本低，使用操作方便，工作可靠性高，实时性好，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于机械量测量技术领域，具体涉及一种三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统及方法。
背景技术
负载转矩是旋转动力机械的重要工作参数，并已经成为机械量测量中一个重要组成部分。而且在机械系统中出现的振动，干扰等不正常行为都可以通过电机输出轴上的负载转矩变化体现出来。比如齿轮啮合过程中产生的震动会以固定频率影响电机负载转矩的变化。因此若能准确、可靠、方便地测出电机实时的负载转矩值，这将有利于对旋转动力机械进行实时监控和故障分析。
目前，测量负载转矩的方式是利用测量输出轴的机械变形来测量输出轴的负载转矩，其所需要的设备传感器安装方式复杂，对安装空间和操作人员的要求较高。在煤矿综采工作面对采煤机滚筒进行转矩监控时，没有足够的空间将采用机械方法的扭矩测量设备安装上去。以MG100-TP型单滚筒采煤机为例，其滚筒直径540mm，切割速度2.96m/min，需选用10kN.m的扭矩传感器，其安装长度大概为0.7m，对滚筒轴设计影响较大。因此，只能在采煤机设计时留有足够的空间，这样就加大了设计难度。
另外，现有技术中，三相异步电机功率因数与负载转矩的测量也是各自由独立的装置测量的，集成度低，且缺乏电路结构简单、工作可靠性高、测量精度高的功率因数测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用操作方便，工作可靠性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：包括微处理器模块、电压传感器组和电流传感器组，所述电压传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电压进行检测的A相电压传感器、用于对三相异步电机的B相输入电压进行检测的B相电压传感器和用于对三相异步电机的C相输入电压进行检测的C相电压传感器，所述A相电压传感器与三相异步电机的A相绕组并联，所述B相电压传感器与三相异步电机的B相绕组并联，所述C相电压传感器与三相异步电机的C相绕组并联，所述电流传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电流进行检测的A相电流传感器、用于对三相异步电机的B相输入电流进行检测的B相电流传感器和用于对三相异步电机的C相输入电流进行检测的C相电流传感器，所述A相电流传感器接在三相异步电机的A相绕组与电源的A相线之间，所述B相电流传感器接在三相异步电机的B相绕组与电源的B相线之间，所述C相电流传感器接在三相异步电机的C相绕组与电源的C相线之间，所述微处理器模块的输入端接有A相功率因数检测电路、B相功率因数检测电路、C相功率因数检测电路、用于对A相电压传感器输出的电压信号和A相电流传感器输出的电流信号进行放大和滤波调理的A相信号调理电路，用于对B相电压传感器输出的电压信号和B相电流传感器输出的电流信号进行放大和滤波调理的B相信号调理电路，以及用于对C相电压传感器输出的电压信号和C相电流传感器输出的电流信号进行放大和滤波调理的C相信号调理电路；所述A相电压传感器的输出端和A相电流传感器的输出端均与A相功率因数检测电路的输入端和A相信号调理电路的输入端连接，所述B相电压传感器的输出端和B相电流传感器的输出端均与B相功率因数检测电路的输入端和B相信号调理电路的输入端连接，所述C相电压传感器的输出端和C相电流传感器的输出端均与C相功率因数检测电路的输入端和C相信号调理电路的输入端连接，所述微处理器模块的输出端接有液晶显示电路。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述A相功率因数检测电路包括型号为LM339N的比较器芯片U4和型号为SN74F08D的加法器芯片U5，所述比较器芯片U4的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U4的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U4的第7引脚通过电阻R41与A相电压传感器的输出连接，所述比较器芯片U4的第5引脚通过电阻R43与A相电流传感器的输出连接；所述加法器芯片U5的第1引脚与比较器芯片U4的第1引脚相接，且通过电阻R42与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第2引脚与比较器芯片U4的第2引脚相接，且通过电阻R44与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第3引脚为A相功率因数检测电路的输出端TIMA且与微处理器模块的输入端连接。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述B相功率因数检测电路包括型号为LM339N的比较器芯片U6和型号为SN74F08D的加法器芯片U7，所述比较器芯片U6的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U6的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U6的第7引脚通过电阻R51与B相电压传感器的输出连接，所述比较器芯片U6的第5引脚通过电阻R53与B相电流传感器的输出连接；所述加法器芯片U7的第1引脚与比较器芯片U6的第1引脚相接，且通过电阻R52与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第2引脚与比较器芯片U6的第2引脚相接，且通过电阻R54与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第3引脚为B相功率因数检测电路的输出端TIMB且与微处理器模块的输入端连接。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述C相功率因数检测电路包括型号为LM339N的比较器芯片U8和型号为SN74F08D的加法器芯片U9，所述比较器芯片U8的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U8的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U8的第7引脚通过电阻R61与C相电压传感器的输出连接，所述比较器芯片U8的第5引脚通过电阻R63与C相电流传感器的输出连接；所述加法器芯片U9的第1引脚与比较器芯片U8的第1引脚相接，且通过电阻R62与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第2引脚与比较器芯片U8的第2引脚相接，且通过电阻R64与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第3引脚为C相功率因数检测电路的输出端TIMC且与微处理器模块的输入端连接。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述A相信号调理电路包括型号为LM324N的运算放大器芯片U1，所述运算放大器芯片U1的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第2引脚通过电阻R1与A相电压传感器的输出连接，且通过电阻R2与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第3引脚通过电阻R4接地，所述运算放大器芯片U1的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R3，所述运算放大器芯片U1的第1引脚为A相信号调理电路的电压信号输出端AD1且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第6引脚通过电阻R7与A相电流传感器的输出连接，且通过电阻R5与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第5引脚通过电阻R8接地，所述运算放大器芯片U1的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R6，所述运算放大器芯片U1的第7引脚为A相信号调理电路的电流信号输出端AD2且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第9引脚通过电阻R9与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第10引脚通过电阻R10接地，所述运算放大器芯片U1的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R31。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述B相信号调理电路包括型号为LM324N的运算放大器芯片U2，所述运算放大器芯片U2的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第2引脚通过电阻R11与B相电压传感器的输出连接，且通过电阻R12与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第3引脚通过电阻R14接地，所述运算放大器芯片U2的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R13，所述运算放大器芯片U2的第1引脚为B相信号调理电路的电压信号输出端AD3且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第6引脚通过电阻R17与B相电流传感器的输出连接，且通过电阻R15与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第5引脚通过电阻R18接地，所述运算放大器芯片U2的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R16，所述运算放大器芯片U2的第7引脚为B相信号调理电路的电流信号输出端AD4且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第9引脚通过电阻R19与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第10引脚通过电阻R20接地，所述运算放大器芯片U2的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R32。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述C相信号调理电路包括型号为LM324N的运算放大器芯片U3，所述运算放大器芯片U3的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第2引脚通过电阻R21与C相电压传感器的输出连接，且通过电阻R22与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第3引脚通过电阻R24接地，所述运算放大器芯片U3的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R23，所述运算放大器芯片U3的第1引脚为C相信号调理电路的电压信号输出端AD1且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第6引脚通过电阻R27与C相电流传感器的输出连接，且通过电阻R25与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第5引脚通过电阻R28接地，所述运算放大器芯片U3的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R26，所述运算放大器芯片U3的第7引脚为C相信号调理电路的电流信号输出端AD6且与微处理器模块的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第9引脚通过电阻R29与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第10引脚通过电阻R30接地，所述运算放大器芯片U3的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R33。
上述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述微处理器模块为单片机。
本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、实时性好的三相异步电机负载转矩与功率因数测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、信号实时采集及传输：A相电压传感器对三相异步电机的A相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电压uA实时输出给A相功率因数检测电路和A相信号调理电路，A相电流传感器对三相异步电机的A相输入电流iA进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电流实时输出给A相功率因数检测电路和A相信号调理电路；同时，B相电压传感器对三相异步电机的B相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电压uB实时输出给B相功率因数检测电路和B相信号调理电路，B相电流传感器对三相异步电机的B相输入电流iB进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电流实时输出给B相功率因数检测电路和B相信号调理电路；同时，C相电压传感器对三相异步电机的C相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电压uC实时输出给C相功率因数检测电路和C相信号调理电路，C相电流传感器对三相异步电机的C相输入电流进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电流iC实时输出给C相功率因数检测电路和C相信号调理电路；
步骤二、信号预处理：A相功率因数检测电路首先将其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到A相输入电压uA与A相输入电流iA过零点的时间差τA并传输给微处理器模块；B相功率因数检测电路首先将其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到B相输入电压uB与B相输入电流iB过零点的时间差τB并传输给微处理器模块；C相功率因数检测电路首先将其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到C相输入电压uC与C相输入电流iC过零点的时间差τC并传输给微处理器模块；同时，A相信号调理电路对其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块；B相信号调理电路对其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块；C相信号调理电路对其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块；
步骤三、三相异步电机负载转矩计算，具体过程为：
步骤301、微处理器模块根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电压分量uα和电压分量uβ，并根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电流分量iα和电流分量iβ；
步骤302、微处理器模块根据公式Mem＝np[iβ∫(uα-Rsiα)dt-iα∫(uβ-Rsiβ)dt]计算得到电磁转矩Mem；其中Rs为三相异步电机定子的电阻，np为三相异步电机的极对数，t为时间；
步骤303、微处理器模块根据公式M＝Mem-M0计算得到三相异步电机负载转矩M，其中，M0为三相异步电机空载转矩；
步骤四、三相异步电机功率因数计算，具体过程为：
步骤401、首先，微处理器模块根据公式计算得到角度φA，然后，微处理器模块根据公式cosθA＝cos(90°-φA)计算得到三相异步电机的A相功率因数cosθA；
步骤402、首先，微处理器模块根据公式计算得到角度φB，然后，微处理器模块根据公式cosθB＝cos(90°-φB)计算得到三相异步电机的B相功率因数cosθB；
步骤403、首先，微处理器模块根据公式计算得到角度φC，然后，微处理器模块根据公式cosθC＝cos(90°-φC)计算得到三相异步电机的C相功率因数cosθC；
步骤五、三相异步电机负载转矩及功率因数输出：微处理器模块将其计算得到的三相异步电机负载转矩M、A相功率因数cosθA、B相功率因数cosθB和C相功率因数cosθC传输给液晶显示电路进行输出显示。
上述的方法，其特征在于：所述T的取值为0.02ms。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统的电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低。
2、本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统的安装方式简单，对安装空间和操作人员的要求低，使用操作方便。
3、本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统的工作可靠性高，一次性安装好后，无需经常维护维修。
4、本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量方法的方法步骤简单，实现方便，实时性好。
5、本发明的集成度高，能够同时对三相异步电机功率因数与负载转矩进行测量，功能完备，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明的设计合理，实现方便且成本低，使用操作方便，工作可靠性高，实时性好，功能完备，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统的电路原理框图。
图2为本发明A相功率因数检测电路的电路原理图。
图3为本发明B相功率因数检测电路的电路原理图。
图4为本发明C相功率因数检测电路的电路原理图。
图5为本发明A相信号调理电路的电路原理图。
图6为本发明B相信号调理电路的电路原理图。
图7为本发明C相信号调理电路的电路原理图。
图8为本发明三相异步电机负载转矩与功率因数测量方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—微处理器模块； 2—A相电压传感器； 3—B相电压传感器；
4—C相电压传感器； 5—A相电流传感器； 6—B相电流传感器；
7—C相电流传感器； 8—A相信号调理电路； 9—B相信号调理电路；
10—C相信号调理电路； 11—液晶显示电路；
12—A相功率因数检测电路； 13—B相功率因数检测电路；
14—C相功率因数检测电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，包括微处理器模块1、电压传感器组和电流传感器组，所述电压传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电压进行检测的A相电压传感器2、用于对三相异步电机的B相输入电压进行检测的B相电压传感器3和用于对三相异步电机的C相输入电压进行检测的C相电压传感器4，所述A相电压传感器2与三相异步电机的A相绕组并联，所述B相电压传感器3与三相异步电机的B相绕组并联，所述C相电压传感器4与三相异步电机的C相绕组并联，所述电流传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电流进行检测的A相电流传感器5、用于对三相异步电机的B相输入电流进行检测的B相电流传感器6和用于对三相异步电机的C相输入电流进行检测的C相电流传感器7，所述A相电流传感器5接在三相异步电机的A相绕组与电源的A相线之间，所述B相电流传感器6接在三相异步电机的B相绕组与电源的B相线之间，所述C相电流传感器7接在三相异步电机的C相绕组与电源的C相线之间，所述微处理器模块1的输入端接有A相功率因数检测电路12、B相功率因数检测电路13、C相功率因数检测电路14、用于对A相电压传感器2输出的电压信号和A相电流传感器5输出的电流信号进行放大和滤波调理的A相信号调理电路8，用于对B相电压传感器3输出的电压信号和B相电流传感器6输出的电流信号进行放大和滤波调理的B相信号调理电路9，以及用于对C相电压传感器4输出的电压信号和C相电流传感器7输出的电流信号进行放大和滤波调理的C相信号调理电路10；所述A相电压传感器2的输出端和A相电流传感器5的输出端均与A相功率因数检测电路12的输入端和A相信号调理电路8的输入端连接，所述B相电压传感器3的输出端和B相电流传感器6的输出端均与B相功率因数检测电路13的输入端和B相信号调理电路9的输入端连接，所述C相电压传感器4的输出端和C相电流传感器7的输出端均与C相功率因数检测电路14的输入端和C相信号调理电路10的输入端连接，所述微处理器模块1的输出端接有液晶显示电路11。
如图2所示，本实施例中，所述A相功率因数检测电路12包括型号为LM339N的比较器芯片U4和型号为SN74F08D的加法器芯片U5，所述比较器芯片U4的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U4的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U4的第7引脚通过电阻R41与A相电压传感器2的输出连接，所述比较器芯片U4的第5引脚通过电阻R43与A相电流传感器5的输出连接；所述加法器芯片U5的第1引脚与比较器芯片U4的第1引脚相接，且通过电阻R42与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第2引脚与比较器芯片U4的第2引脚相接，且通过电阻R44与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第3引脚为A相功率因数检测电路12的输出端TIMA且与微处理器模块1的输入端连接。
如图3所示，本实施例中，所述B相功率因数检测电路13包括型号为LM339N的比较器芯片U6和型号为SN74F08D的加法器芯片U7，所述比较器芯片U6的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U6的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U6的第7引脚通过电阻R51与B相电压传感器3的输出连接，所述比较器芯片U6的第5引脚通过电阻R53与B相电流传感器6的输出连接；所述加法器芯片U7的第1引脚与比较器芯片U6的第1引脚相接，且通过电阻R52与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第2引脚与比较器芯片U6的第2引脚相接，且通过电阻R54与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第3引脚为B相功率因数检测电路13的输出端TIMB且与微处理器模块1的输入端连接。
如图4所示，本实施例中，所述C相功率因数检测电路14包括型号为LM339N的比较器芯片U8和型号为SN74F08D的加法器芯片U9，所述比较器芯片U8的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U8的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U8的第7引脚通过电阻R61与C相电压传感器4的输出连接，所述比较器芯片U8的第5引脚通过电阻R63与C相电流传感器7的输出连接；所述加法器芯片U9的第1引脚与比较器芯片U8的第1引脚相接，且通过电阻R62与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第2引脚与比较器芯片U8的第2引脚相接，且通过电阻R64与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第3引脚为C相功率因数检测电路14的输出端TIMC且与微处理器模块1的输入端连接。
如图5所示，本实施例中，所述A相信号调理电路8包括型号为LM324N的运算放大器芯片U1，所述运算放大器芯片U1的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第2引脚通过电阻R1与A相电压传感器2的输出连接，且通过电阻R2与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第3引脚通过电阻R4接地，所述运算放大器芯片U1的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R3，所述运算放大器芯片U1的第1引脚为A相信号调理电路8的电压信号输出端AD1且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第6引脚通过电阻R7与A相电流传感器5的输出连接，且通过电阻R5与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第5引脚通过电阻R8接地，所述运算放大器芯片U1的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R6，所述运算放大器芯片U1的第7引脚为A相信号调理电路8的电流信号输出端AD2且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第9引脚通过电阻R9与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第10引脚通过电阻R10接地，所述运算放大器芯片U1的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R31。
如图6所示，本实施例中，所述B相信号调理电路9包括型号为LM324N的运算放大器芯片U2，所述运算放大器芯片U2的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第2引脚通过电阻R11与B相电压传感器3的输出连接，且通过电阻R12与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第3引脚通过电阻R14接地，所述运算放大器芯片U2的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R13，所述运算放大器芯片U2的第1引脚为B相信号调理电路9的电压信号输出端AD3且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第6引脚通过电阻R17与B相电流传感器6的输出连接，且通过电阻R15与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第5引脚通过电阻R18接地，所述运算放大器芯片U2的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R16，所述运算放大器芯片U2的第7引脚为B相信号调理电路9的电流信号输出端AD4且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第9引脚通过电阻R19与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第10引脚通过电阻R20接地，所述运算放大器芯片U2的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R32。
如图7所示，本实施例中，所述C相信号调理电路10包括型号为LM324N的运算放大器芯片U3，所述运算放大器芯片U3的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第2引脚通过电阻R21与C相电压传感器4的输出连接，且通过电阻R22与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第3引脚通过电阻R24接地，所述运算放大器芯片U3的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R23，所述运算放大器芯片U3的第1引脚为C相信号调理电路10的电压信号输出端AD5且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第6引脚通过电阻R27与C相电流传感器7的输出连接，且通过电阻R25与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第5引脚通过电阻R28接地，所述运算放大器芯片U3的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R26，所述运算放大器芯片U3的第7引脚为C相信号调理电路10的电流信号输出端AD6且与微处理器模块1的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第9引脚通过电阻R29与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第10引脚通过电阻R30接地，所述运算放大器芯片U3的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R33。
本实施例中，所述微处理器模块1为单片机。
如图8所示，本发明的三相异步电机负载转矩与功率因数测量方法，包括以下步骤：
步骤一、信号实时采集及传输：A相电压传感器2对三相异步电机的A相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电压uA实时输出给A相功率因数检测电路12和A相信号调理电路8，A相电流传感器5对三相异步电机的A相输入电流iA进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电流实时输出给A相功率因数检测电路12和A相信号调理电路8；同时，B相电压传感器3对三相异步电机的B相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电压uB实时输出给B相功率因数检测电路13和B相信号调理电路9，B相电流传感器6对三相异步电机的B相输入电流iB进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电流实时输出给B相功率因数检测电路13和B相信号调理电路9；同时，C相电压传感器4对三相异步电机的C相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电压uC实时输出给C相功率因数检测电路14和C相信号调理电路10，C相电流传感器7对三相异步电机的C相输入电流进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电流iC实时输出给C相功率因数检测电路14和C相信号调理电路10；
步骤二、信号预处理：A相功率因数检测电路12首先将其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到A相输入电压uA与A相输入电流iA过零点的时间差τA并传输给微处理器模块1；B相功率因数检测电路13首先将其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到B相输入电压uB与B相输入电流iB过零点的时间差τB并传输给微处理器模块1；C相功率因数检测电路14首先将其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到C相输入电压uC与C相输入电流iC过零点的时间差τC并传输给微处理器模块1；同时，A相信号调理电路8对其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块1；B相信号调理电路9对其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块1；C相信号调理电路10对其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块1；
步骤三、三相异步电机负载转矩计算，具体过程为：
步骤301、微处理器模块1根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电压分量uα和电压分量uβ，并根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电流分量iα和电流分量iβ；
步骤302、微处理器模块1根据公式Mem＝np[iβ∫(uα-Rsiα)dt-iα∫(uβ-Rsiβ)dt]计算得到电磁转矩Mem；其中Rs为三相异步电机定子的电阻，np为三相异步电机的极对数，t为时间；
步骤303、微处理器模块1根据公式M＝Mem-M0计算得到三相异步电机负载转矩M，其中，M0为三相异步电机空载转矩；
步骤四、三相异步电机功率因数计算，具体过程为：
步骤401、首先，微处理器模块1根据公式计算得到角度φA，然后，微处理器模块1根据公式cosθA＝cos(90°-φA)计算得到三相异步电机的A相功率因数cosθA；
步骤402、首先，微处理器模块1根据公式计算得到角度φB，然后，微处理器模块1根据公式cosθB＝cos(90°-φB)计算得到三相异步电机的B相功率因数cosθB；
步骤403、首先，微处理器模块1根据公式计算得到角度φC，然后，微处理器模块1根据公式cosθC＝cos(90°-φC)计算得到三相异步电机的C相功率因数cosθC；
步骤五、三相异步电机负载转矩及功率因数输出：微处理器模块1将其计算得到的三相异步电机负载转矩M、A相功率因数cosθA、B相功率因数cosθB和C相功率因数cosθC传输给液晶显示电路11进行输出显示。
本实施例中，所述T的取值为0.02ms。
综上所述，本发明通过采集三相异步电机的三相输入电压和三相输入电流，再通过微处理器模块的计算，不仅能够实现三相异步电机功率因数的测量，还能够实现三相异步电机负载转矩的测量，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：包括微处理器模块(1)、电压传感器组和电流传感器组，所述电压传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电压进行检测的A相电压传感器(2)、用于对三相异步电机的B相输入电压进行检测的B相电压传感器(3)和用于对三相异步电机的C相输入电压进行检测的C相电压传感器(4)，所述A相电压传感器(2)与三相异步电机的A相绕组并联，所述B相电压传感器(3)与三相异步电机的B相绕组并联，所述C相电压传感器(4)与三相异步电机的C相绕组并联，所述电流传感器组包括用于对三相异步电机的A相输入电流进行检测的A相电流传感器(5)、用于对三相异步电机的B相输入电流进行检测的B相电流传感器(6)和用于对三相异步电机的C相输入电流进行检测的C相电流传感器(7)，所述A相电流传感器(5)接在三相异步电机的A相绕组与电源的A相线之间，所述B相电流传感器(6)接在三相异步电机的B相绕组与电源的B相线之间，所述C相电流传感器(7)接在三相异步电机的C相绕组与电源的C相线之间，所述微处理器模块(1)的输入端接有A相功率因数检测电路(12)、B相功率因数检测电路(13)、C相功率因数检测电路(14)、用于对A相电压传感器(2)输出的电压信号和A相电流传感器(5)输出的电流信号进行放大和滤波调理的A相信号调理电路(8)，用于对B相电压传感器(3)输出的电压信号和B相电流传感器(6)输出的电流信号进行放大和滤波调理的B相信号调理电路(9)，以及用于对C相电压传感器(4)输出的电压信号和C相电流传感器(7)输出的电流信号进行放大和滤波调理的C相信号调理电路(10)；所述A相电压传感器(2)的输出端和A相电流传感器(5)的输出端均与A相功率因数检测电路(12)的输入端和A相信号调理电路(8)的输入端连接，所述B相电压传感器(3)的输出端和B相电流传感器(6)的输出端均与B相功率因数检测电路(13)的输入端和B相信号调理电路(9)的输入端连接，所述C相电压传感器(4)的输出端和C相电流传感器(7)的输出端均与C相功率因数检测电路(14)的输入端和C相信号调理电路(10)的输入端连接，所述微处理器模块(1)的输出端接有液晶显示电路(11)；
所述A相功率因数检测电路(12)包括型号为LM339N的比较器芯片U4和型号为SN74F08D的加法器芯片U5，所述比较器芯片U4的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U4的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U4的第7引脚通过电阻R41与A相电压传感器(2)的输出连接，所述比较器芯片U4的第5引脚通过电阻R43与A相电流传感器(5)的输出连接；所述加法器芯片U5的第1引脚与比较器芯片U4的第1引脚相接，且通过电阻R42与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第2引脚与比较器芯片U4的第2引脚相接，且通过电阻R44与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U5的第3引脚为A相功率因数检测电路(12)的输出端TIMA且与微处理器模块(1)的输入端连接；
所述B相功率因数检测电路(13)包括型号为LM339N的比较器芯片U6和型号为SN74F08D的加法器芯片U7，所述比较器芯片U6的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U6的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U6的第7引脚通过电阻R51与B相电压传感器(3)的输出连接，所述比较器芯片U6的第5引脚通过电阻R53与B相电流传感器(6)的输出连接；所述加法器芯片U7的第1引脚与比较器芯片U6的第1引脚相接，且通过电阻R52与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第2引脚与比较器芯片U6的第2引脚相接，且通过电阻R54与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U7的第3引脚为B相功率因数检测电路(13)的输出端TIMB且与微处理器模块(1)的输入端连接；
所述C相功率因数检测电路(14)包括型号为LM339N的比较器芯片U8和型号为SN74F08D的加法器芯片U9，所述比较器芯片U8的第3引脚与+5V电源的输出端连接，所述比较器芯片U8的第4引脚、第6引脚和第12引脚均接地，所述比较器芯片U8的第7引脚通过电阻R61与C相电压传感器(4)的输出连接，所述比较器芯片U8的第5引脚通过电阻R63与C相电流传感器(7)的输出连接；所述加法器芯片U9的第1引脚与比较器芯片U8的第1引脚相接，且通过电阻R62与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第2引脚与比较器芯片U8的第2引脚相接，且通过电阻R64与+5V电源的输出端连接，所述加法器芯片U9的第3引脚为C相功率因数检测电路(14)的输出端TIMC且与微处理器模块(1)的输入端连接；
所述A相信号调理电路(8)包括型号为LM324N的运算放大器芯片U1，所述运算放大器芯片U1的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第2引脚通过电阻R1与A相电压传感器(2)的输出连接，且通过电阻R2与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第3引脚通过电阻R4接地，所述运算放大器芯片U1的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R3，所述运算放大器芯片U1的第1引脚为A相信号调理电路(8)的电压信号输出端AD1且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第6引脚通过电阻R7与A相电流传感器(5)的输出连接，且通过电阻R5与运算放大器芯片U1的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U1的第5引脚通过电阻R8接地，所述运算放大器芯片U1的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R6，所述运算放大器芯片U1的第7引脚为A相信号调理电路(8)的电流信号输出端AD2且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U1的第9引脚通过电阻R9与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U1的第10引脚通过电阻R10接地，所述运算放大器芯片U1的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R31；
所述B相信号调理电路(9)包括型号为LM324N的运算放大器芯片U2，所述运算放大器芯片U2的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第2引脚通过电阻R11与B相电压传感器(3)的输出连接，且通过电阻R12与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第3引脚通过电阻R14接地，所述运算放大器芯片U2的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R13，所述运算放大器芯片U2的第1引脚为B相信号调理电路(9)的电压信号输出端AD3且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第6引脚通过电阻R17与B相电流传感器(6)的输出连接，且通过电阻R15与运算放大器芯片U2的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U2的第5引脚通过电阻R18接地，所述运算放大器芯片U2的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R16，所述运算放大器芯片U2的第7引脚为B相信号调理电路(9)的电流信号输出端AD4且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U2的第9引脚通过电阻R19与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U2的第10引脚通过电阻R20接地，所述运算放大器芯片U2的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R32；
所述C相信号调理电路(10)包括型号为LM324N的运算放大器芯片U3，所述运算放大器芯片U3的第4引脚与+12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第11引脚与-12V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第2引脚通过电阻R21与C相电压传感器(4)的输出连接，且通过电阻R22与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第3引脚通过电阻R24接地，所述运算放大器芯片U3的第1引脚与第2引脚之间接有电阻R23，所述运算放大器芯片U3的第1引脚为C相信号调理电路(10)的电压信号输出端AD5且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第6引脚通过电阻R27与C相电流传感器(7)的输出连接，且通过电阻R25与运算放大器芯片U3的第8引脚相接，所述运算放大器芯片U3的第5引脚通过电阻R28接地，所述运算放大器芯片U3的第6引脚与第7引脚之间接有电阻R26，所述运算放大器芯片U3的第7引脚为C相信号调理电路(10)的电流信号输出端AD6且与微处理器模块(1)的输入端连接；所述运算放大器芯片U3的第9引脚通过电阻R29与+5V电源的输出端连接，所述运算放大器芯片U3的第10引脚通过电阻R30接地，所述运算放大器芯片U3的第8引脚与第9引脚之间接有电阻R33。
2.按照权利要求1所述的三相异步电机负载转矩与功率因数测量系统，其特征在于：所述微处理器模块(1)为单片机。
3.一种利用如权利要求1所述的测量系统对三相异步电机负载转矩进行测量的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、信号实时采集及传输：A相电压传感器(2)对三相异步电机的A相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电压uA实时输出给A相功率因数检测电路(12)和A相信号调理电路(8)，A相电流传感器(5)对三相异步电机的A相输入电流iA进行周期为T的周期性检测并将检测到的A相输入电流实时输出给A相功率因数检测电路(12)和A相信号调理电路(8)；同时，B相电压传感器(3)对三相异步电机的B相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电压uB实时输出给B相功率因数检测电路(13)和B相信号调理电路(9)，B相电流传感器(6)对三相异步电机的B相输入电流iB进行周期为T的周期性检测并将检测到的B相输入电流实时输出给B相功率因数检测电路(13)和B相信号调理电路(9)；同时，C相电压传感器(4)对三相异步电机的C相输入电压进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电压uC实时输出给C相功率因数检测电路(14)和C相信号调理电路(10)，C相电流传感器(7)对三相异步电机的C相输入电流进行周期为T的周期性检测并将检测到的C相输入电流iC实时输出给C相功率因数检测电路(14)和C相信号调理电路(10)；
步骤二、信号预处理：A相功率因数检测电路(12)首先将其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到A相输入电压uA与A相输入电流iA过零点的时间差τA并传输给微处理器模块(1)；B相功率因数检测电路(13)首先将其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到B相输入电压uB与B相输入电流iB过零点的时间差τB并传输给微处理器模块(1)；C相功率因数检测电路(14)首先将其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC均转换成方波，然后将两方波信号相与，得到C相输入电压uC与C相输入电流iC过零点的时间差τC并传输给微处理器模块(1)；同时，A相信号调理电路(8)对其接收到的A相输入电压uA和A相输入电流iA进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块(1)；B相信号调理电路(9)对其接收到的B相输入电压uB和B相输入电流iB进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块(1)；C相信号调理电路(10)对其接收到的C相输入电压uC和C相输入电流iC进行放大和滤波处理后输出给微处理器模块(1)；
步骤三、三相异步电机负载转矩计算，具体过程为：
步骤301、微处理器模块(1)根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电压分量uα和电压分量uβ，并根据公式和公式计算得到两相静止坐标系下的电流分量iα和电流分量iβ；
步骤302、微处理器模块(1)根据公式Mem＝np[iβ∫(uα-Rsiα)dt-iα∫(uβ-Rsiβ)dt]计算得到电磁转矩Mem；其中Rs为三相异步电机定子的电阻，np为三相异步电机的极对数，t为时间；
步骤303、微处理器模块(1)根据公式M＝Mem-M0计算得到三相异步电机负载转矩M，其中，M0为三相异步电机空载转矩；
步骤四、三相异步电机功率因数计算，具体过程为：
步骤401、首先，微处理器模块(1)根据公式计算得到角度φA，然后，微处理器模块(1)根据公式cosθA＝cos(90°-φA)计算得到三相异步电机的A相功率因数cosθA；
步骤402、首先，微处理器模块(1)根据公式计算得到角度φB，然后，微处理器模块(1)根据公式cosθB＝cos(90°-φB)计算得到三相异步电机的B相功率因数cosθB；
步骤403、首先，微处理器模块(1)根据公式计算得到角度φC，然后，微处理器模块(1)根据公式cosθC＝cos(90°-φC)计算得到三相异步电机的C相功率因数cosθC；
步骤五、三相异步电机负载转矩及功率因数输出：微处理器模块(1)将其计算得到的三相异步电机负载转矩M、A相功率因数cosθA、B相功率因数cosθB和C相功率因数cosθC传输给液晶显示电路(11)进行输出显示。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：所述T的取值为0.02ms。
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