港口物流设备及其自动化----毕业设计论文---基于plc的nema电机试验监控系统的研究

港口物流设备及其自动化----毕业设计论文---基于plc的nema电机试验监控系统的研究内容摘要：

品自定型投产后的定期抽试。 电机试验项目有许多，如负载试验，空载试验，堵转试验，温升试验等，现对这几 种试验做简单介绍。 空载试验 试验目的 [6] 1）求额定频率下的空载电流、空载损耗与外施电压的关系，即求空载特性。 2）在检查试验中，求额定频率和额定电压的空载电流和空载损耗。 3）确定贴好和机械耗。 4）检查气隙、绕组参数和铁心质量是否正常，装配 是否正常。 5）检查三相空载电流的平衡性。 6）验证新产品磁路设计的合理性。 试验线路 空载 试验线路如图 2 2 23 所示。 空载电流大于 5A 时，应采用电流互感器进行测量。 当电流小于 时，最好采用三功率表功率线路进行测量 [1]。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 6 AAA WMWK tVABC 图 21 不采用电流互感器的试验线路 A W A A WK三 相 调 压 器K tVM 图 22 采用电流互感器的试验线路 AAA WMWK tVABCW 图 23 三功率表测功率试验线路 试验过程 被试 电机启动后 ， 保持额定电压和额定频率空载运行 一定时间，使它的 机械损耗 达到稳定。 判断机械损耗稳定的标准是：输入功率相隔半个小时的两个读数之差不大于前一次南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 7 输入功率的 3%时，即可认为机械损耗稳定。 实验时，用调压器改变加在定子绕组上的电压，使其从 ~ 额定电压 开始，逐步降低到可能达到的最低电压值，使电流开始回升为止， 其间测取 7～ 9 个点， 每点读取三相电压、三相电流、输入功率等，原始数据经过处理得到空载功率因数 0cos 、定子绕铜耗 10cuP 、铁耗 FeP 和机械损耗 fwP 等参数。 堵转试验 堵转试验也是异步电 动 机 最基本的试验项目。 试验时转子被堵住不动，通常在定子绕组上施加额定频率的三相电压，对于绕线转子绕组在集电环上短路。 堵转试验的线路如图22所示。 试验目的 [6] 1）测定电动机的堵转电流和堵转转矩。 在型式试验中，仅对笼型异步电动机测取堵转特性曲线，即堵转时的电流 KI 、转矩 KT 和外施电压 KU 的关系曲线。 2） 求额定电压时的堵转电流 KNI 和堵转转矩 KNT ，从而检查电机的启动性能是否符合产品技术条件的要求。 3)考核笼型转子的铸铝质量及转子槽形尺寸设计的合理性。 对于绕线转子电动机，堵转试验能确切反映定转子电抗是否正常，并能考核定转子绕线焊接质量及绕组端部的机械强度。 试验 步骤 试验时转子堵转，尽可能从接近额定电压开始，在定子绕组上施加额定频率的三相电压。 逐步降低电压，测取 57 点原始数据。 每点读取三相电压、三相电流、输入功率和转矩数值。 最低电压点应使堵转电流接近额定电流。 试验的连续通电时间不应超过 10s，以免绕组过热和影响试验结果。 特殊情况还需要进行低频堵转试验。 试验设备需要提供一路容量满足堵转电流的可调高压，频率可调。 施加堵转电压的方式按尽可能缩短被试电机连续通电时间的原则选择。 试验时，应采用低功率因数功率表测量功率，其电压回路及电压表均应接至被试电机的出线端。 负载试验 [25] 试验目的 试验目的在于通过测取电机的工作特性，即电机的输入功率 P定子电流 I效南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 8 率  、功率因数 cos 及转差率 s 与输出功率 2P 的关系曲线，求取对应额定输出功率时的效率 N 、功率因数 Ncos 和转差率 refs ，并将这些实测值与有关标准规定的保证值比较，鉴定被试电机的运行性能和确定电机的额定电流 IN。 试验过程 试验应在被试电机接近热状态下进行，在额定功率和额定频率下，改变负载，测取 6个负载点， 4 个负载点大致均匀分布在不小于 25%到 100%额定负载之间，在大于 100%但不超过 150%额定负载之间适当选取 2 个负载点。 试验应尽快进行，以减少试验过程中电机的温度变化。 在每个负载点同时测量：三相电压，三相电流，输入功率，功率因数，转速差，输出转矩。 转差率实际是通过测出转子的转速计算出来 的。 电机工业试验的要求 [6] 依据 GB10322020 标准，三相异步电动机试验要满足相关标准的精度及安全要求： 试验电源 1． 试验电源的电压波形正弦畸变率（电压波形中所包含的除基波分量外的各次谐波的有效值平方和的根值与基波分量有效值之比的百分数）应不超过 5%，在进行温升试验时应不超过 25%。 2． 试验电源的三相电压对称系统应符合下列要求： 1） 电压的负序分量和零分量均不超过分量的 1%；在进行温升试验时，负序分量不超过正序分量的 %，零序分量的影响予以消除。 2） 施压电 源的频率与额定频率之差应在额定频率 +1%范围内。 测量仪表 试验时，采用的电气测量仪表的准确度应不低于 级，三相瓦特表的准确度应不低于 级，互感器的准确度不低于 级，电量变送器的准确度应不低于 %+1 个字，转矩测量仪及测功机的准确度应不低于 1%（实测效率应不低于 %）。 选择仪表时，应使测量值位于 20%~95%仪表量程范围内。 测量要求 进行电气测量时，应遵循下列要求： 1） 三相电流采用三相电流互感器（或二互感器） 法； 2)试验时，各仪表读数同时读取； 3)在测量 三相电压或三相电流时，应取三相读数的平均值作为测量的实际值。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 9 第三章 系统总体方案设计 系统组成及其工作原理 电机试验的监控系统的试验方案 主要 有以下几种： 1)下位机采用单片机与 A/D、 D/A 接口芯片完成数据采集功能，与上位机采用RS232/422/485 串行通信，通过对 Windows MSComm 控件的编程实现通信。 该实现方案用于采集点少，控制简单的测试系统 [2]。 2)采用工业 PC 机与 I/O 卡板完成数据采集功能。 工业 PC 机既承担数据采集功能，又能承担人机界面功能。 通常采用 VB/VC 等编程工具以及 I/O 卡板卡厂商提供的读写 I/O 卡板的动态连接开发人机界面与硬件接口程序。 该实现方案适用于中小型测试系统 [16]。 3)下位机采用 VXI 通用卡式仪器完成数据采集功能，上位机采用 VB/VC 等编程工具以及 VXI 通用卡式仪器厂商提供的虚拟仪器软件包进行开发。 该实现方法适用于实验室中的高速数据采集系统。 4)下位机采用 PLC 进行数据采集与控制，上位机采用工控组态软件进行二次开发。 该试验方案适用于现场测试系统 [14] [17]。 本设计打算采用第四种方案， 试验系统主要包括控制子系统、测量 子 系统和组态监控子 系统等部分。 其 系统组成框图如图 31 所示。 1） 控制子系统由上位机（工控机）、下位机（ PLC） 和控制装置三部分组成。 上位机采用组态王软件进行现场监控，下位机采用三菱 PLC 进行控制。 2） 测量子 系统可采用传感器、变送器、 A/D 转换装置通过 RS485 接口把数据传送到上位机或通过自带 RS485 接口的高精度智能仪表把数据上传到上位机两种方法。 本课题优先采用第二种方法，该种方法具有可靠稳定，抗干扰能力强等优点。 3） 组态监控 子 系统 以组态王 作为编辑平台 , 通过和底层 PLC、智能仪表通讯，访问相关设备寄存器来获得各设备的运行 情况，并通过动画连接、实时曲线等来 实现显示采集数据的实时值功能。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 10 组 态 监 控 软 件工 控 机P L C控 制 及 保 护 装 置被 试 电 机 可 调 负 载测 量 系 统 数 据 采 集 图 31 系统组成框图 当被试电机的电压和负载满足要求时，测量系统启动，测量主回路中被试侧和负载侧的各个参数，然后通过数据采集系统把数据传输到工控机，组态界面对数据进行监控。 PLC和工控机之间通过串行接口连接，工控机通过 PLC 控制现场的工作流程。 系统实现 的 功能 1） 系统能够使变频机组在允许的范围内（保证负载电机不过载）平滑可调。 2） 系统能够实现被试电机负载平滑可调。 3） 系 统能够按照试验要求对变频电源和负载实现自动控制。 4） 系统能够按照要求实时采集数据，并能把数据通过串行口传输到上位机，软件提供可视化菜单。 5） 系统能够在异常情况下（如过载、过压等）自动切断电路或发出报警信号。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 11 第四章 硬件设计 负载 方案比较选择 在进行负载试验时， 系统需要为被测电机提供一个平滑可调的大功率负载。 加载方法众多， 有功率消耗法、皮带轮回馈法、变频回馈法、直流电机回馈法等。 1． 功率消耗法 其试验线路如图 41 所示。 负载通过改变负载电机的励磁电力或负载电阻进行调节。 此方法的负 载稳定，但耗电量大，故只适于 4kW 以下的小功率电机。 M G负载 图 41 功率消耗法试验线路 两台相同的异步电动机用皮带和和皮带轮连接，转向相同，如图 42 所示。 两只皮带轮的直径比 D1~D2=~,靠调节皮带张力来改变负载。 此方法简单易行，耗电量少。 缺点是读数不够稳定，有时皮带轮还可能影响电机的进风和出风，使测得的温升偏高。 被 试 电 机 负 载 电 机B T 1B T 2 图 42 皮带轮回馈法的机 组联接 两台相同的异步 电动机 用联轴器，负载电机由变频电源供电，如图 43 所示。 当变频电源频率低于被试电机的电网频率时，负载电机成为发电机，改变变频电源的频率便可调节负载。 此方法读数比较稳定，耗电少，但设备复杂。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 12 M GGG S3 ~MM3 ~~~一 一Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5被 试 电 机负 载 电 机变 频 电 源 图 43 变频回馈法的机组联接 负载电机为他励直流发电机，直流回馈法的机组联接如图 27 所示。 调节直流电机电压，即可改变负载。 G M被 试电 机负 载电 机 图 44 直流回馈法的机组联接 综合比较，本设计选择变频回馈法，但变频电源由变频机组提供， 机组价格较高，投入过大。 本设计采用用变频器代替变频机组。 主回路系统设计 主回路系统的硬件连接图如图 45 所示： 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 13 M 1M 2变 频机 组F 1F 2K M 1K M 2T B 1T B 2K M 3K M 4T A 1T A 23 8 0 V 图 46 主回路系统硬件接线 本系统采用双路供电，一路为被试电机（ M1）供电，一路为作负载用的负载电机（ M2）供电。 在进行负载试验时，负载电机与被试电机同轴联接，通过电源机组调节负载电机的转速，使 被试电机与负载电机之间形成一定的转速差，即使负载电机的频率 f50HZ，处于发电状态，作为被试电机的负载，改变变频机组的输出频率，即可改变被试电机的负载大小。 由于 M2 以发电方式运行，负载能量经变频机组、调压器回馈到电网。 因此，整个系统消耗的能量主要为系统内各电机的损耗。 在本试验中要限制变频机组的频率变化范围，以防被试电机过载，本系统中拟定的输出频率范围为 8～ 50HZ。 在主回路中，如被试电机在电动机状态工作时，首先在低压下让其旋转方向相同 , 启动负载电机 ,将其电源频率和电压调到额定值左右 ,随即被试电机通电， 调节电压至额定值 ,然后降低负载电机的电源频率，让被试电机逐渐加负载至额定值 ,负载电机作发电运行，直至被试电机达到热稳定状态。 接着在满足功率调节范围在 ～ 滑调节被试电机的负载 , 测取数据的 过 程中，被试电机应保持频率和电压不变；辅助电机应保持额定电压不变。 控制系统设计 PLC 控制的对象主要为两侧的调压控制（包括稳压控制）、变频机组频率控制（包括稳频控制）和其它励磁控制。 要实现电压可调，可通过 PLC 及其继电器控制线圈触头平滑移动来控制。 南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 14 同时由于电网电压的波动及其机械因素 的影响，必须要有稳压措施。 要实现频率平滑可调，可用 PLC 均匀改变变频机组的励磁，实质是改变变频机组的电流。 本设计频率调节由变频器自动控制。 基本控制框图如图 47 所示 : 稳 频 控 制稳 频 可 调稳 压 控 制电 压 可 调频 率 控 制负 载 侧 和 被 试侧 调 压 控 制其 他 励 磁 控 制P L C 及 继 电接 触 器 图 47 PLC 基本控制框图 本系统配备感应调压器两台，自带机械调压装置，调压器由三相异步电动机驱动， 系统用变频器实现试验过程中的自动调压控制。 改变变频电源的相序控制调。