摘 要：為了改進傳統(tǒng)的電機測試實驗系統(tǒng)的不足，本論文利用LabVIEW軟件，開發(fā)設計了一套三相異步電機空載實驗系統(tǒng)，首先，確定了三相異步電機空載實驗系統(tǒng)的總體方案設計，分別是三相異步電機控制運行方案和虛擬儀器測試方案；其次，對三相異步電機空載實驗系統(tǒng)實施方案進行設計，包含數(shù)據(jù)采集方案分析以及空載實驗實施過程；最后，對整個三相異步電機空載實驗過程做了詳細的分析和說明，對空載實驗進行了總結(jié)和概括。通過分析，進一步驗證了該系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)方面的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的電機實驗方法相比，三相異步電機實驗系統(tǒng)在采集和處理數(shù)據(jù)方面更加準確，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動分析與處理。

關鍵詞：labview；三相異步電動機；空載實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.135

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是二十世紀八十年代末，由美國國家儀器公司（National Instru-ments Corporation，NI）提出的新概念，它是對傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破。虛擬儀器技術通過利用高性能模塊化硬件，并且結(jié)合高效靈活的軟件，來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器技術和計算機網(wǎng)絡通訊技術是現(xiàn)代信息技術最重要的組成部分，應用在現(xiàn)代控制領域中。虛擬儀器的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的儀器的使用方法，其采用可視化儀器界面進行程序設計，能完成工程數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。

傳統(tǒng)的電機測試實驗往往使用普通的電工儀器儀表，通過操作人員來監(jiān)測電機的各個參數(shù)，電機實驗的測試點比較多，隨著時間和環(huán)境的不同，電機的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，給操作人員記錄數(shù)據(jù)、進行整理數(shù)據(jù)、繪制電機特性曲線以及編寫實驗報告。都會帶來很大麻煩。新的電機實驗系統(tǒng)的采用，能很好的解決上述的所有問題。

基于虛擬儀器的三相異步電機空載實驗系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)把控制、測試過程自動化，最大限度減少人為干預。該系統(tǒng)可以準確地測出電機的機械特性和各項性能指標。該電機空載實驗系統(tǒng)模型，完全可以應用于電機的教學中來。

1 三相異步電機空載實驗系統(tǒng)總體設計

本小節(jié)主要介紹基于LabVIEW的三相異步電動機實驗教學系統(tǒng)中的電機控制運行系統(tǒng)，虛擬儀器測試系統(tǒng)以及實驗系統(tǒng)的功能。

1.1 三相異步電機控制運行系統(tǒng)方案分析

本實驗系統(tǒng)中的三相異步電動機控制運行系統(tǒng)，主要采用歐姆龍可編程控制器、三菱變頻器以及其它的電器控制元件實現(xiàn)對三相異步電機進行控制，通過軟件編程，硬件布線可以模仿各種類型轉(zhuǎn)矩的電機，在堵轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)中，通過控制磁滯制動器，來實現(xiàn)電機的堵轉(zhuǎn)運行，并測試在堵轉(zhuǎn)過程電機的特性參數(shù)，通過參數(shù)分析，實現(xiàn)我們對三相異步電機系統(tǒng)的改造。如圖1所示為三相異步電機控制運行系統(tǒng)方案圖。

1.2 虛擬儀器測試系統(tǒng)方案分析

基于LabVIEW的測試系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件部分主要包括計算機、傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、信號控制裝置以及傳感器等；軟件系統(tǒng)一般用LabVIEW等，在虛擬儀器軟件平臺對數(shù)據(jù)處理程序進行編寫。

作為被測對象的三相異步電機系統(tǒng)來說，我們通過傳感器來獲取電機的各種參數(shù)，主要有電機的溫度、電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，將采集的信號進行處理后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集，最終送到計算機端口，計算機分析處理后，給出實驗結(jié)果，可以生成實驗報告以及打印處理。如圖2所示為虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 三相異步電機空載實驗系統(tǒng)實施方案設計

2.1 三相異步電機空載實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案分析

LabVIEW的電機空載實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，主要是在三相異步電機上裝上需要采集的信號傳感器，如采集電壓的電壓傳感器，采集電流的電流傳感器，采集轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，采集轉(zhuǎn)矩的壓力傳感器，采集溫度的溫度傳感器等，傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡MPS-010601的采集傳送到LabVIEW軟件程序系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行處理分析以及保存存儲。

2.2 三相異步電機空載實驗系統(tǒng)的實施方案分析

三相異步電機的空載實驗可以得出空載損耗P0與空載電壓U0曲線，還能得到電機的磁化曲線，即為空載電流I0和空載電壓U0之間的關系曲線，它能夠反映出電機電磁設計、相關原材料質(zhì)量以及加工工藝的實際情況。例如鐵心材料的性能和幾何尺寸、定子繞組匝數(shù)及形式、定轉(zhuǎn)子氣息的大小等參數(shù)選擇得是否合理等。

①空載實驗進行時，待電機開始空轉(zhuǎn)一段時間后，磨擦損耗達到穩(wěn)定值，測量其輸入功率，達到穩(wěn)定值時，開始進行實驗測量。

②空載試驗的數(shù)據(jù)采集應在額定工頻頻率下進行，從1.2UN開始給定子繞組加電壓，逐步降低電壓值，直到轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯變化，空載電流到達不穩(wěn)定狀態(tài)為止。采集上述范圍內(nèi)的7—9組數(shù)據(jù)，如空載電流I0、空載電壓U0，空載輸入功率P0等。

③通過采集卡可以在前面板對上面采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，并根據(jù)采集的點進行曲線的繪制以及存儲。

④數(shù)據(jù)計算分析完成后，整理空載實驗報告。

3 三相異步電機空載實驗系統(tǒng)實施過程分析

3.1 空載實驗實施過程

電機測試電路連接好后，先將三相電壓調(diào)至最小，接通電路，再將電壓調(diào)到額定電壓220V，保證電動機在額定電壓下，空載運行數(shù)分鐘后，使電機的機械損耗達到穩(wěn)定后在進行實驗，這時登錄LabVIEW三相異步電機實驗系統(tǒng)，登錄成功后，點擊空載實驗進入空載實驗前面板，我們就可以看到前面板上數(shù)據(jù)顯示控件進行實時數(shù)據(jù)顯示，這時將空載電壓調(diào)到額定電壓的1.2倍，點擊前面板上的數(shù)據(jù)采集按鈕，進行第一次數(shù)據(jù)采集，我們逐步降低電源電壓，每降一次進行一次數(shù)據(jù)采集。

這個計算是靠LabVIEW的算術運算來自動完成的。如圖3所示為空載實驗數(shù)據(jù)運算程序圖，隨著電壓的逐步降低，我們共采集10組數(shù)據(jù)。

3.2 空載實驗數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以分析在三相異步電機空載運行狀態(tài)下，電機的轉(zhuǎn)速幾乎接近同步轉(zhuǎn)數(shù)，將所測得數(shù)據(jù)中的空載電壓和空載電流輸入到LabVIEW顯示控件的XY圖表中，可以看到我們在實驗中采集的點，并用這些點擬合的一條曲線。圖4所示為的特性曲線，圖5為 特性曲線。

3.3 三相異步電動機空載實驗總結(jié)

電機在進行空載運行時，其轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流很小，所以轉(zhuǎn)子的銅耗可以忽略不計，即，這樣電網(wǎng)上的功率全部消耗在銅耗、鐵耗、機械損耗上。另外由圖4-5可以看出，在圖的底部有個拐點，這是因為當下降到一定程度時，由于空載轉(zhuǎn)矩基本不變，這樣電機的轉(zhuǎn)速就會急劇降低，會導致轉(zhuǎn)差率s大幅增加，轉(zhuǎn)子電流會急劇增加，定子電流也會反而增大。開始出現(xiàn)空載電流隨端電壓降低反而增大的回升現(xiàn)象。我們根據(jù)三相異步電機的空載實驗可以得出空載損耗P0與空載電壓U0曲線，以及空載電流I0和空載電壓U0之間的關系曲線，這兩條曲線能夠反映出異步電機的電磁設計、相關原材料質(zhì)量以及加工工藝的實際情況。例如鐵心材料的性能和幾何尺寸、定子繞組匝數(shù)及形式、定轉(zhuǎn)子氣息的大小等參數(shù)選擇得是否合理等。

4 結(jié)語

本設計以圖形化編程語言LabVIEW為基礎，設計了一套三相異步電機空載實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)集參數(shù)測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)保存等多種功能于一身，改變了傳統(tǒng)的實驗操作模式。實驗系統(tǒng)使用了測試精度較高的儀器儀表設備，可以對轉(zhuǎn)速、功率、功率因素、電流、電壓、溫度等電機參數(shù)進行測量，以及多種特性曲線的繪制和數(shù)據(jù)的記錄、處理、保存等。實驗系統(tǒng)具有參數(shù)反饋功能，抗干擾性好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，另外該系統(tǒng)還具有擴展功能，擴展后能應用于異步電機的負載實驗、過載實驗、堵轉(zhuǎn)實驗、溫升實驗等多個實驗項目。

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作者簡介：崔屹嶸（1981-），男，陜西戶縣人，碩士，講師，主要從事儀器儀表、電氣自動控制技術方面的教學研究工作。