畢業(yè)論文-高壓電機疊頻試驗方法及數(shù)據(jù)采集的研究

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計</p><p>　　題 目： 高壓電機疊頻試驗方法及數(shù)據(jù)采集的研究 </p><p>　　系： 電氣信息學院 </p><p>　　專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級： 學號：

2、 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　導師姓名： </p><p>　　完成日期： 2011年6月 10日

3、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p

4、>　　1.1 高壓電機疊頻試驗介紹1</p><p>　　1.2 高壓電機疊頻試驗方法的發(fā)展狀況2</p><p>　　1.3 本設計的基本要求2</p><p>　　1.4 本設計的基本內(nèi)容2</p><p>　　第2章 高壓電機溫升試驗概述2</p><p>　　2.1 溫度的測量方法3<

5、/p><p>　　2.1.1 溫度計法3</p><p>　　2.1.2 電阻法3</p><p>　　2.1.3 埋置檢溫計3</p><p>　　2.2 溫升試驗時冷卻介質(zhì)溫度的測定3</p><p>　　2.3 電機繞組及其他各部分溫度的測定4</p><p>　　2.3.1 繞組溫

6、度的測定。4</p><p>　　2.3.2 鐵芯溫度的測定4</p><p>　　2.3.3 軸承溫度的測定4</p><p>　　2.3.4 集電環(huán)溫度的測定4</p><p>　　第3章 高壓電機溫升試驗各方法的比較5</p><p>　　3.1 直接負載法5</p><p>

7、　　3.1.1 連續(xù)定額(S1工作制)電動機5</p><p>　　3.1.2 短時定額(S2工作制)電動機6</p><p>　　3.1.3 周期工作制定額(S3工作制)電動機。6</p><p>　　3.2 等效負載法6</p><p>　　3.2.1降壓負載法6</p><p>　　3.2.2 疊頻法

8、7</p><p>　　第4章 高壓電機疊頻試驗的研究8</p><p>　　4.1 疊頻試驗原理分析8</p><p>　　4.2 疊頻試驗方法概述12</p><p>　　4.3疊頻試驗數(shù)據(jù)處理及副頻的選擇13</p><p>　　第5章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究15</p><p>

9、;　　5.1 試驗中電量的測量15</p><p>　　5.1.1 電壓電流的測量15</p><p>　　5.1.2 頻率和功率的測量15</p><p>　　5.2 試驗中非電量的測量16</p><p>　　5.2.1溫升的測量16</p><p>　　5.2.2 轉(zhuǎn)速的測量16</p>

10、<p>　　5.2.3 轉(zhuǎn)矩的測量16</p><p>　　5.2.4 功率因數(shù)的測量17</p><p>　　5.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17</p><p>　　5.3.1 數(shù)據(jù)采集的意義和任務17</p><p>　　5.3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述18</p><p>　　5.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原

11、理及構(gòu)成19</p><p>　　5.3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要性能指標24</p><p>　　5.3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程26</p><p>　　5.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能26</p><p>　　5.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計28</p><p>　　5.5.1 輸入輸出的控制方式28</p

12、><p>　　5.5.2 程序流程29</p><p>　　5.5.3 置位與數(shù)據(jù)傳輸30</p><p>　　5.5.4 程序規(guī)范化31</p><p>　　5.5.5 程序調(diào)試31</p><p><b>　　結(jié)束語34</b></p><p><b>

13、　　參考文獻35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p>　　高壓電機疊頻試驗方法及數(shù)據(jù)采集的研究</p><p>　　摘 要：高壓電機溫升試驗法有直接負載法和等效負載法，其中等效負載法又分為降低電壓負載法與疊頻試驗法；為了對被試高壓電機在不能采用直接負載法或降壓負載法時進行溫升試驗，介紹了疊

14、頻試驗法；通過采用變頻機組提供試驗電源，實現(xiàn)電源電壓與頻率的調(diào)節(jié)，并對變頻電源提供試驗電源做比較，體現(xiàn)出疊頻試驗的發(fā)展。采用專用變頻電源完成疊頻法試驗，設備簡單，操作方便，可以實現(xiàn)試驗自動化、智能化，必將在電機試驗領(lǐng)域大有作為。</p><p>　　疊頻法進行異步電動機溫升試驗時不需要進行機械聯(lián)接，因此該法特別適用于高壓立式異步電動機、超設備容量的異步電機及低速異步電機而又沒有合適陪試電機的溫升試驗。通過高速采樣

15、儀表及高速采樣數(shù)據(jù)卡的使用對有關(guān)溫升值進行自動測取，得出、判斷試驗結(jié)果，自動生成、打印報表。</p><p>　　關(guān)鍵詞：疊頻法；溫升試驗；變頻電源；高壓電機；數(shù)據(jù)采集</p><p>　　Research on the Method of High-voltage Motor's Superposing-Frequency Test and Data Acquisition<

16、;/p><p>　　Abstract: High-voltage motor temperature-rise test method have direct load method and method of equivalent load, equivalent load and divided into lowering voltage load method and iterative method, the

17、 method of frequency test In order to try to be high voltage motor in the load method or not directly load method for temperature rise in blood pressure test, this paper introduces the fold the frequency test method; Thr

18、ough the variable frequency power supply unit, realize the power to provide test</p><p>　　Fold the frequency of asynchronous motor temperature rise test don't need to mechanical connection, so the method

19、 especially suitable for high pressure vertical asynchronous motor, super equipment capacity of the induction motor and low speed asynchronous motor and no suitable with the rise of temperature of the motor test try. Thr

20、ough the high-speed sampling instrument and high-speed sampling data card to the use of the temperature rise measured automatically, it is concluded that, judge test r</p><p>　　Keywords: Superposing-frequenc

21、y; Temperature-rise test; Frequency power；Data acquisition; Experiment</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 高壓電機疊頻試驗介紹</p><p>　　電能是能量的一種形式。與其他形式的能源相比，電能具有明顯的優(yōu)越性，它適宜于大量生產(chǎn)

22、、集中管理、遠距離傳輸和自動控制、故電能在工農(nóng)業(yè)及人類生活中獲得廣泛的應用。作為與電能生產(chǎn)、輸送和應用有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換裝置-電機，在電力工業(yè)、工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、國防、科學文化及日常生活等方面都是十分重要的設備。</p><p>　　電力工業(yè)中，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機以及將電網(wǎng)電壓升高或降低的變壓器都是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備。在工礦企業(yè)中，各種工作母機、壓縮機、起重機、水泵、風機；交通運輸中的汽車電器、電

23、力機車；農(nóng)業(yè)中的電力排灌、農(nóng)產(chǎn)品加工；日常生活中的各種電器；以及國防、文教、醫(yī)療等領(lǐng)域都需要不同特性的電機來驅(qū)動和控制。隨著工業(yè)企業(yè)電氣化、自動化、電腦化的發(fā)展，還需要眾多的各種容量的精密控制電機，作為整個自動控制系統(tǒng)中的重要元件。</p><p>　　顯然，電機在國民經(jīng)濟建設中起著重要的作用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，它本身的內(nèi)容也在不斷的深化和更新。</p><p>　　電機

24、按原理分類，主要有變壓器、異步電機、同步電機和直流電機四大類電機。</p><p>　　隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域?qū)﹄姍C的要求越來越高。在推陳出新的過程中，一方面要對其新性能進行開發(fā)，另一方面還要對原有的產(chǎn)品進行各種性能的改進，這就要求通過一定的試驗來驗證，來探索改進的方法。目前電機技術(shù)和計算機技術(shù)與原來相比已經(jīng)得到了很大提高，電機試驗系統(tǒng)作為電機測試領(lǐng)域的一個重要組成部分，也得到了迅速的發(fā)展。

25、隨著測試手段的不斷進步，測試水平的不斷提升及測試設備的精度越來越高，自動測試系統(tǒng)及工控計算機的通訊使電機測試技術(shù)中測試數(shù)據(jù)的自動采集成為可能，大大減小了人為誤差，提高了工作效率。對高壓電機采用疊頻法測量繞組溫升的試驗方法進行分析研究。</p><p>　　大型異步電機的溫升試驗，由于受試驗設備容量、陪試電機(即負載電機)諸多因素的限制，很難采用直接負載法進行溫升試驗，而是采用等效負載法，其中定子疊頻法溫升試驗，深

26、受國內(nèi)外電機制造行業(yè)的普遍重視，廣泛應用于電機工業(yè)試驗中。疊頻法試驗使用兩組電源，主電源和副電源，兩組電源都是同步發(fā)電機，串聯(lián)給被試電動機供電，主電源的頻率為額定頻率，對50Hz的電動機，副電源的頻率在38～42Hz之間。用主電源使被試電機在額定頻率、額定電壓下運行，然后給副電源發(fā)電機加上勵磁，調(diào)節(jié)勵磁電流使被試電動機的定子電流達到滿載電流，調(diào)節(jié)過程中要隨時調(diào)節(jié)主電源電壓，使被試電動機的端電壓保持額定值，并保持副電源機組的轉(zhuǎn)速不變。一切

27、正常后，使被試電機達到溫升穩(wěn)定狀態(tài)，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對有關(guān)溫升值進行自動測取，得出、判斷試驗結(jié)果，自動生成、打印報表。由于疊頻法要隨時調(diào)節(jié)主電源電壓，并同時保持副電源頻率不變，控制起來復雜；指針式儀表擺動較大，普通的數(shù)字式儀表跳動頻繁。國內(nèi)外電機生產(chǎn)企業(yè)很少采用此方法進行溫升試驗。現(xiàn)如今隨著電力電子技術(shù)、電氣控制技術(shù)及微機應用技術(shù)的迅速發(fā)展，為疊頻試驗方法提供了良好的研究和應用平臺。</p><p>　　1.2

28、高壓電機疊頻試驗方法的發(fā)展狀況</p><p>　　高壓電機溫升試驗有直接負載法和等效負載法，疊頻法是等效負載法的一種。疊頻法已經(jīng)有傳統(tǒng)的機組疊頻法發(fā)展到利用專用變頻電源完成疊頻試驗。傳統(tǒng)的疊頻試驗方法所占用的設備復雜龐大，調(diào)整繁瑣，自動化程度不高，大大制約了疊頻法的推廣?，F(xiàn)在隨著電力電子及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，完全可以設計出專用的變頻電源來完成疊頻試驗。而采用專用變頻電源完成疊頻法試驗，設備簡單，操作方便，可以實現(xiàn)

29、試驗自動化、智能化，必將在電機試驗領(lǐng)域大有作為。 本項目已在華中某大型電機生產(chǎn)廠的高壓大、中型電機試驗站中得到實際應用，真正實現(xiàn)了智能化的試驗操作與管理，保證了數(shù)據(jù)的客觀性與準確性，為企業(yè)的自動化生產(chǎn)與信息化管理奠定了基礎，并具有良好的應用前景。</p><p>　　1.3 本設計的基本要求</p><p>　　本設計對高壓電機的溫升試驗采用疊頻試驗方法進行分析和研究，對有關(guān)溫升值

30、進行自動數(shù)據(jù)采集、自動生成報表并打印。</p><p>　　1.4 本設計的基本內(nèi)容</p><p>　　采用疊頻試驗方法對高壓電機進行溫升試驗的基本原理；</p><p>　　分析研究疊頻試驗法的實現(xiàn)；</p><p>　　對溫升試驗時的有關(guān)試驗參數(shù)進行自動數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　第2章 高壓電機溫升試驗概

31、述</p><p>　　溫升可在任一方便的冷卻介質(zhì)溫度下進行。</p><p>　　2.1 溫度的測量方法</p><p>　　試驗時,可用溫度計法,電阻法、埋置檢溫計法測量電機繞組及其他各部分的溫度。</p><p>　　2.1.1 溫度計法</p><p>　　溫度計包括膨脹式溫度計(例如水銀、酒精等溫度計)、半導

32、體溫度計及非埋置的熱電偶或電阻溫度計。測量時,計應緊貼在被測點表面,并用絕熱材料覆蓋好溫度計的測溫部分,以免受周圍冷卻介質(zhì)的影響。有交變磁場的地方,不能采用水銀溫度計。</p><p><b>　　2.1.2 電阻法</b></p><p>　　用電阻法測取繞組的溫度時,冷熱態(tài)電阻必須在相同的出線端上測量。此時,繞組的平均溫升△θ(K)按下式計算:</p>

33、<p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中:Rf-試驗結(jié)束時的繞組電阻,Ω;</p><p>　　R0-試驗開始時的繞組電阻,Ω;</p><p>　　θf-試驗結(jié)束時的冷卻介質(zhì)溫度,℃;</p><p>　　θ0-試驗開始時的繞組溫度,℃;</p><p>　

34、　Ka-常數(shù)。對銅繞組,為235;對鋁繞組,除另有規(guī)定外,應采用225。</p><p>　　2.1.3 埋置檢溫計</p><p>　　測量埋置式電阻溫度計的電阻時,應控制測量電流的大小和通電時間,使電阻值不致因測量電流引起的發(fā)熱而有明顯的改變。</p><p>　　2.2 溫升試驗時冷卻介質(zhì)溫度的測定</p><p>　　（1）對采用周圍

35、空氣冷卻的電機,可用幾只溫度計分布在冷卻空氣進行電機的途徑中進行測量溫度計應安置在距電機約1～2m處,球部處于電機高度一半的位置,并應防止外來輻射及氣流的影響。取溫度計讀數(shù)的平均值作為冷卻介質(zhì)溫度。</p><p>　?。?）對采用外接冷卻器及管道通風冷卻的電機,應在電機的進風口處測量冷卻介質(zhì)的溫度。</p><p>　?。?）對采用內(nèi)冷卻器冷卻的電機,冷卻介質(zhì)的溫度應在冷卻器的出口處測量

36、;對有水冷冷卻的電機,水溫應在冷卻器的入口處測量。</p><p>　　（4）試驗結(jié)束時冷卻介質(zhì)溫度的確定。</p><p>　　a .對連續(xù)定額和周期工作制定額的電機,試驗結(jié)束時的冷卻介質(zhì)溫度應取有整個驗過程最后的1/4時間內(nèi),按相等時間間隔測得的幾個溫度計讀數(shù)的平均值。</p><p>　　b.對短時定額的電機,試驗結(jié)束時的冷卻介質(zhì)溫度,若定額為30min及以下

37、,取試驗開始與結(jié)束時溫度計讀數(shù)的平均值;若定額為30～90min,取其1/2試驗時間溫度計的讀數(shù)與結(jié)束時溫度計讀數(shù)的平均值。</p><p>　　2.3 電機繞組及其他各部分溫度的測定</p><p>　　2.3.1 繞組溫度的測定。</p><p>　　電機繞組的溫度用電阻法測量,應優(yōu)先采用雙橋帶電測溫法。如電機有埋置檢溫計時,則用檢溫計測量。</p>

38、<p>　　2.3.2 鐵芯溫度的測定</p><p>　　鐵芯溫度用檢溫計或溫度計測量。對大、中型溫度計應不少于兩支,取其最高值作為鐵芯溫度。</p><p>　　2.3.3 軸承溫度的測定</p><p>　　軸承溫度用溫度計測量。對于滑動軸承,溫度計放入軸承的測溫孔內(nèi)或者放在接近軸瓦的表面處,對于滾動軸承,溫度計放在最接近軸承外圈處。</p

39、><p>　　2.3.4 集電環(huán)溫度的測定</p><p>　　電機停機后,立即用溫度計測量集電環(huán)表面的溫度,取測得的最高值作為集電環(huán)溫度。</p><p>　　第3章 高壓電機溫升試驗各方法的比較 </p><p>　　高壓電機溫升試驗有直接負載法和等效負載法，等效負載法又分為降壓負載法與疊頻法。等效負載法限于S1工作制電動機采用，如限于設備，

40、對100kW以上的電機，允許采用降壓負載法，對立式或300kW以上的電機，允許采用疊頻法。采用直接負載法和降壓負載法時，被試電機需要與陪試電機進行機械連接，而疊頻法進行異步電動機溫升試驗時則不需要進行機械連接，所以該方法特別適用于難以對無合適的拖動電機如高壓立式異步電動機、超設備容量的異步電機及沒有合適陪試電機的低速異步電機的溫升試驗。疊頻法溫升試驗還可以減少對組裝配的時間，減少試驗時的能源消耗[6]。</p><p

41、><b>　　3.1 直接負載法</b></p><p>　　直接負載法的溫升試驗應在額定頻率、額定電壓、額定功率或銘牌電流進行。</p><p>　　3.1.1 連續(xù)定額(S1工作制)電動機</p><p>　　試驗時,被試電機應保持額定負載,直到電機各部分溫升達到熱穩(wěn)定狀態(tài)為止。試驗過程中,每隔半小時記錄被試電機的電壓、電流和輸入功率

42、以及定子鐵心、軸承、風道進出口的冷卻介質(zhì)和周圍冷卻介質(zhì)的溫度。如采用帶電測溫法時,還應每隔半小時以及試驗結(jié)束前測量繞組的電阻。</p><p>　　試驗期間,應采取措施,盡量減少冷卻介質(zhì)溫度的變化。為了縮短試驗時間,在溫升試驗開始時,可以適當過載。</p><p>　　如采用外推法確定繞組的溫升,電機停機后,應立即測量繞組的電阻。對采用外接冷卻器及管道通風冷卻的電機,在電機切離電源的同時,

43、應停止冷卻介質(zhì)的供給。如以銘牌電流進行溫升試驗,對應于額定功率時的繞組溫升△θN(K)按下述方法換算:</p><p>　　當--當在±5%范圍內(nèi)時:</p><p><b>　?。?.1） </b></p><p>　　式中-滿載電流,即額定功率時的電流,A。從工作特性曲線上求得;</p><p>　　-溫升

44、試驗時的電流,A。取在整個試驗過程最后的1/4時間內(nèi),按相等時間間隔測得的幾個電流的平均值;</p><p>　　△θ-對應于試驗電流It的繞組溫升,K。</p><p>　　3.1.2 短時定額(S2工作制)電動機</p><p>　　試驗應從實際冷狀態(tài)下開始。試驗的持續(xù)時間按定額的規(guī)定。試驗時,按照工作時限長短,每間隔5～15min記錄一次試驗數(shù)據(jù)。其他要求同3

45、.1.1。</p><p>　　對應于額定功率時的繞組溫升△θN按下述方法換算:</p><p>　　當-當在±5%范圍內(nèi)時,按公式(3-1)進行換算。</p><p>　　當-當不在±5%范圍內(nèi)時,應重做溫升試驗。</p><p>　　3.1.3 周期工作制定額(S3工作制)電動機。</p><p&g

46、t;　　如無其他規(guī)定,試驗時每一個工作周期應為10min,直到是中部分溫升達到熱穩(wěn)定狀態(tài)為止。溫度的測定應在最后一個工作周期中負載時間的一半終了時進行。為了縮短試驗時間,在試驗開始時,負載可適當?shù)爻掷m(xù)一段時間。</p><p>　　對繞線轉(zhuǎn)子電動機,每次起動時,應在轉(zhuǎn)子繞組中串入附加電阻或電抗,將起動電流的平均值限制在2倍額定電流(基準負載持續(xù)率時的額定電流值)范圍內(nèi)。每一工作周期的運行結(jié)束時,電動機應在3s內(nèi)停

47、止轉(zhuǎn)動。其他試驗要求同3.1.1。</p><p>　　對應于額定功率時的組溫升△θN按3.1.2的規(guī)定換算。</p><p><b>　　3.2 等效負載法</b></p><p>　　3.2.1降壓負載法</p><p>　　采用降壓負載法在進行下列溫升試驗:</p><p>　　a.以額定頻

48、率和額定電壓進行空載溫升試驗,并確定此時的繞組穩(wěn)定溫升。</p><p>　　b.以額定頻率、1/2額定電壓和滿載電流進行溫升試驗,并確定此時繞組穩(wěn)定溫升。</p><p>　　通過試驗測得的空載穩(wěn)定溫升和半載穩(wěn)定溫升，可以用如下公式計算額定功率時的繞組的穩(wěn)定溫升：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><

49、p>　　其中 Po-額定電壓時的空載輸入功率,由空載試驗求取;Por-1/2額定電壓時的空載輸入功率,由空載試驗來求取。</p><p><b>　　3.2.2 疊頻法</b></p><p>　　下面從理論上對三相異步電動機的疊頻試驗的試驗溫升值與直接負載法測得的溫升值進行比較。</p><p>　　對疊頻試驗溫升值的準確程度的分析，

50、可以從電機的各種損耗的增減角度來進行分析。損耗增加，則意味著溫升升高，損耗減小，則意味著溫升減小。</p><p>　　三相異步電動機的損耗總體可以分為機械損耗、鐵耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、雜散銅耗五大類，現(xiàn)分述如下：</p><p>　　鐵耗，鐵耗基本與直接負載法試驗時相同。</p><p>　　機械損耗：由于被試電機的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，高于被試電機的額定轉(zhuǎn)速，從

51、而使摩擦損耗和風扇損耗比直接負載法試驗時略有增大，被試電機的轉(zhuǎn)差率越大偏差越大。</p><p>　　定子銅耗：因被試電機的電流為額定電流，故定子銅耗基本與直接負載法試驗時相同。</p><p>　　轉(zhuǎn)子銅耗：由于轉(zhuǎn)子電流的頻率為節(jié)拍頻率，其值高于直接負載法額定運行時的頻率，轉(zhuǎn)子導條中的集膚效應加大，而轉(zhuǎn)子電流的有效值基本與直接負載法相同，故此時的轉(zhuǎn)子銅耗比直接負載法時稍大一些。如果主副電

52、源頻率之差太大，將會導致轉(zhuǎn)子銅耗比直接負載法時大很多。副電源頻率應低于主電源頻率20%為宜，一般應在38-42Hz范圍內(nèi)選擇副電源頻率。</p><p>　　雜散損耗：因定轉(zhuǎn)子電流的有效值基本與直接負載法時相同，雜散損耗基本不變。</p><p>　　由以上分析可以看出，影響定子疊頻法與直接負載法溫升不同的因素主要有轉(zhuǎn)子銅耗的不同、機械損耗的不同和由于定子疊頻法時被試電機的轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速

53、而引起冷卻效果的不同。其中前兩項使定子疊頻法溫升試驗值高于直接負載法溫升試驗值，后一項使定子疊頻法溫升試驗值低于直接負載法溫升試驗值，但三者中轉(zhuǎn)子銅耗的影響較大，故定子疊頻法溫升試驗值往往略高于直接負載法溫升試驗值[2]。</p><p>　　第4章 高壓電機疊頻試驗的研究</p><p>　　采用疊頻法進行異步電動機溫升試驗時不需要被試電機與陪試電機進行機械聯(lián)接，所以該法特別適用于高壓

54、立式異步電動機、超設備容量的異步電機及低速異步電機而又沒有合適陪試電機的溫升試驗[6]。對于普通的異步電機，疊頻法溫升試驗可以減少對組裝配的時間及減少試驗時的能源消耗，所以深受國內(nèi)外電機制造行業(yè)的普遍重視，廣泛應用于電機工業(yè)試驗中。</p><p>　　4.1 疊頻試驗原理分析</p><p>　　該法適用于異步電機定子繞組的溫升試驗。疊頻法溫升試驗使用兩組電源，即主電源和副電源。兩組電源

55、都由同步發(fā)電機發(fā)電，電源頻率不同，分別施于疊頻變壓器的原、次邊繞組上，被試高壓電機電源直接由疊頻變壓器原邊輸出而得到供電。主電源的頻率為額定頻率，對50Hz的電動機，副電源的頻率在38Hz～42Hz之間。主電源電壓與被試電機額定電壓相同，用以保證被試電機在額定電壓下運行；副電源的電壓等級應與被試電機的相同，其額定電流應不小于被試電機的額定電流。調(diào)節(jié)副電源發(fā)電機的勵磁，用以保證被試電機在額定電流下運行。被試電機在額定電壓和額定電流的條件下

56、進行溫升試驗，其鐵耗和定子銅耗滿足試驗標準的要求。轉(zhuǎn)子銅耗和雜散損耗因轉(zhuǎn)子導條中的集膚效應加大和被試電機的轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速而引起的冷卻效果不同而略高于直接負載法的溫升值，但仍滿足試驗標準要求，故采用疊頻法進行電機的溫升試驗符合試驗標準。</p><p>　　機組電源試驗原理如圖4.1所示。試驗系統(tǒng)為5機組供電系統(tǒng)：TF1可通過TD直接掛網(wǎng)發(fā)電，也可通過中間電源供ZF1發(fā)電。TF1提供試驗所需的主電源；TF2 通

57、過中間直流電源供ZF2發(fā)電，TF2提供試驗所需的副電源。主、副電源通過疊頻變壓器給被試機組供電。調(diào)節(jié)TF1的勵磁電流，可改變被試機的電壓； 調(diào)節(jié)TF2的勵磁電流，可改變被試機的電流。</p><p>　　圖4.1 疊頻法溫升試驗原理圖</p><p>　　試驗時，主副電源將產(chǎn)生兩個不同頻率的旋轉(zhuǎn)磁場，分別定義為和，它們分別以各自的角速度和在氣隙中旋轉(zhuǎn)，所以氣隙中的磁場為兩個磁場的疊加，角速

58、度為，如圖4.2</p><p>　　圖4.2主副電源及合成磁場選擇矢量圖</p><p>　　合成磁場的幅值和角速度均隨時間變化而變化，可以證明其角速度與時間t的關(guān)系式為：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　其中系數(shù),所以主頻為50Hz時電弧度/s,假設副頻率選擇44Hz的話，則電弧度

59、/s，一般可假設取平均值0.2，則，由此可得合成磁場角速度的表達式：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　使用Origin v6.0軟件，獲得其函數(shù)曲線如圖4.3所示</p><p>　　圖4.3 合成磁場角速度函數(shù)曲線</p><p>　　由圖4.3可以判斷出37.7t=0，即t=0時，

60、合成磁場角速度達最大值316電弧度/s；而當，即t=0.08333時，合成磁場角速度達到最大值345電弧度/s。</p><p>　　而合成磁場角速度與整個時間t的函數(shù)曲線如圖4.4。從中可見其曲線周期,即以拍頻頻率振動，在這個例子中f=50-44=6Hz。</p><p>　　圖4.4合成磁場角速度隨時間變化曲線</p><p>　　通過分析合成磁場角速度表達式可

61、以發(fā)現(xiàn)副電源電壓會通過參數(shù)k影響合成磁場的角速度，當副電源未接入時， 隨著副電源的接入不斷升高會使合成磁場角速度產(chǎn)生如圖4.4的周期性變化，并且變化幅度不斷增大，但變的頻率與副電源無關(guān)，僅與主副電源的頻率差相關(guān)。</p><p>　　在進行疊頻溫升試驗時，用主電源使電機空載運行后，副電源接入，對于異步電機來說由于有轉(zhuǎn)子本身空載運行時的轉(zhuǎn)動慣量J的存在，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不能完全隨定子合成磁場的變化而實時變化，它將周

62、期性的加、減速來追趕定子合成磁場的變化趨勢，但是始終不會追上。而平均轉(zhuǎn)速則由于轉(zhuǎn)差率s的存在而略低于合成磁場轉(zhuǎn)速，見圖4.5。所以，在合成磁場變化的一個周期內(nèi)，部分時間會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)速高于合成磁場瞬時轉(zhuǎn)速，而其余時間轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)速低于合成磁場瞬時轉(zhuǎn)速的情況，且合成磁場角速度的變化程度愈大，此現(xiàn)象愈明顯。</p><p>　　圖4.5合成磁場角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速示意圖</p><p>　　從能量

63、守恒的角度我們可以知道，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場轉(zhuǎn)速時，電機以電動機狀態(tài)運行，消耗電能。而當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于定子磁場轉(zhuǎn)速時，電機以發(fā)電機的狀態(tài)運行，產(chǎn)生電能。不管哪一種狀態(tài)，由于定子合成磁場轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，定子繞組內(nèi)電流都將高于其正常穩(wěn)定空載運行時的電流，而且合成磁場角速度的變化幅度越大，其定子電流亦越大，以上原理某種程度上可以類比為一輛頻繁剎車并加速的汽車和一輛始終保持勻速運行的汽車，在平均速度相同的條件下前者油耗必然高于后者。所以，調(diào)節(jié)副電源

64、電壓即可達到調(diào)節(jié)定子繞組電流的目的，將定子電流調(diào)節(jié)至額定電流即可實現(xiàn)電流基準法的溫升試驗，這就是定子疊頻溫升法的本質(zhì)。</p><p>　　4.2 疊頻試驗方法概述</p><p>　　主、副電源可以由發(fā)電機組構(gòu)成也可以使用變頻電源，近年來，隨著變頻控制技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)越來越多地開始采用變頻試驗電源作為主、副電源使用。與一般變頻器相比，這些新型變頻器具備優(yōu)秀的諧波消除能力，電壓波形正弦性畸

65、變率小于5%，輸出波形接近完美無諧波，同時具備恒壓、恒流、恒頻率多種輸出模式，完全符合國家對試驗電源波形的要求。</p><p>　　對于機組電源來說，試驗時，發(fā)電機及的相序必須一致，這可以在圖4.1的接線狀態(tài)下由及供電分別啟動被試電動機，若在兩種情況下被試電機的轉(zhuǎn)向相同，則說明它們的相序是相同的。確定及相序相同后，被試電動機即可由主發(fā)電機供電啟動。將調(diào)整到相當于額定頻率的轉(zhuǎn)速，并將勵磁調(diào)節(jié)到使其端電壓約為被試電

66、機的額定電壓，再在輔助發(fā)電機未加勵磁的情況下，用電動機拖動，將其轉(zhuǎn)速調(diào)到相當于輔助頻率的轉(zhuǎn)速。增大的勵磁電流時，被試電動機的電流隨之增大，同時調(diào)節(jié)及的勵磁電流，就可以將被試電機調(diào)節(jié)到額定電壓和額定電流運轉(zhuǎn)，進行溫升試驗。此時輔助電源的電壓相對主電源電壓來說是較低的，約為的15% ～25% 。測量電機在額定負載下的電機溫升：</p><p>　　(1) 試驗電機在額定電壓、額定電流不變條件下進行（試驗時的平均電流與

67、額定電流之差不大于額定電流的5%）。</p><p>　　(2) 試驗過程中，每隔半小時測試（記錄）電壓、電流、輸入功率以及鐵心、前后軸承、機殼、冷卻進出口的冷卻介質(zhì)和周圍冷卻介質(zhì)的溫度。當半個小時后鐵心溫度無變化，即可開始（停電）測量繞組熱電阻。記錄試驗時的平均電流和功率，電壓直接記為額定值。</p><p>　　(3) 熱電阻的測定：當電機切離電源，電機停轉(zhuǎn)后，快速測取繞組熱電阻以及對

68、應時間t的10組左右的數(shù)據(jù)。</p><p>　　(4) 作曲線lg=，延長曲線與縱軸相交，其交點即為斷電瞬間的電阻值。</p><p>　　(5) 電阻外推法計算電機定子繞組溫升：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　式中， —試驗開始時的繞組電阻（Ω）、環(huán)境溫度（℃）；</p&g

69、t;<p>　　、—試驗結(jié)束時的的繞組電阻（Ω）、環(huán)境溫度（℃）；</p><p>　　—導體電阻溫度系數(shù)，銅繞組取235，鋁繞組取225。</p><p>　　(6) 計算額定點的定子繞組溫升：</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　式中，為試驗時的平均電流，為工作特性計算中

70、求得的額定負載點的值。</p><p>　　(7) 鐵心溫度測定：將鉑電阻值轉(zhuǎn)換為溫度（鐵心溫度），讀入計算機。</p><p>　　4.3疊頻試驗數(shù)據(jù)處理及副頻的選擇</p><p>　　同一電機使用變頻電源的疊頻溫升試驗結(jié)果會略高于使用機組電源的溫升試驗結(jié)果[9]，大約會高出4K。這主要是因為一般變頻電源產(chǎn)生的諧波含量會略高于機組試驗電源，造成鐵耗上的差異使得用

71、變頻電源的被試電機鐵心溫度高于使用機組電源的電機，而繞組溫度也將因為熱傳導而出現(xiàn)一定差異。此現(xiàn)象如果采用有良好的高次諧波過濾能力的變頻器的話，將得到大幅改善。</p><p>　　而使用疊頻溫升法的溫升結(jié)果又將略高于使用直接負載法的溫升結(jié)果[2]，大量試驗表明：疊頻溫升結(jié)果一般會高于直接負載法2K~4K。分析異步電機的損耗構(gòu)成我們可知兩者在鐵耗、定子銅耗，雜散損耗上基本相同，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動和空載工況，使用疊頻法

72、的電機平均轉(zhuǎn)速將更接近同步轉(zhuǎn)速而略高于其額定轉(zhuǎn)速，所以由摩擦損耗和風扇造成的損耗將略高于直接負載法。而疊頻法時，由于轉(zhuǎn)子電流頻率為拍頻頻率，它高于額定負載時的額定轉(zhuǎn)差率s,且轉(zhuǎn)子籠條中集膚效應增大，轉(zhuǎn)子有效電流與直接負載法時一樣，所以轉(zhuǎn)子銅耗會大于直接負載法，且主、副電源頻率相差越大，轉(zhuǎn)子銅耗差異也越大。正是因為這樣，主、副電源的頻率不能相差過大，一般副電源頻率低于主電源數(shù)赫茲在40Hz~45Hz區(qū)間內(nèi)選擇。</p>&l

73、t;p>　　綜上所述，使用疊頻法溫升結(jié)果將略高于直接負載法。其中，轉(zhuǎn)子銅耗的增加是最為主要的一個影響因素。而使用變頻電源的疊頻溫升試驗結(jié)果又會略高于使用機組電源的溫升試驗結(jié)果，實際工作中若使用變頻電源進行工頻電機溫升試驗的話，可視情況將試驗結(jié)果向下修正5K~8K[12]。</p><p>　　第5章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究</p><p>　　系統(tǒng)實現(xiàn)雖然國內(nèi)外文獻對采用疊頻法進行電機

74、溫升試驗有所介紹，由于疊頻法要隨時調(diào)節(jié)主電源電壓，并同時保持副電源頻率不變，控制復雜。指針式儀表擺動較大，普通的數(shù)字式儀表跳動頻繁。 隨著電力電子技術(shù)、電氣控制技術(shù)及微機應用技術(shù)的迅速發(fā)展，為疊頻溫升試驗方法提供了良好的研究和應用平臺。高速采樣儀表及高速采樣數(shù)據(jù)卡的出現(xiàn)使測量數(shù)據(jù)的自動采集得以實現(xiàn)。 </p><p>　　5.1 試驗中電量的測量</p><p>　　5.1.1 電

75、壓電流的測量</p><p>　　電壓電流的測量采用霍爾電壓電流傳感器?；魻栯妷弘娏鱾鞲衅骼没魻栃?，可實現(xiàn)電壓/電流變換和被測電路與控制電路間的電氣隔離。它的核心元件是霍爾元件，它是一種對磁場敏感的元件，利用磁場作為介質(zhì)，可以實現(xiàn)多種物理量，如電壓、電流及電功率等的非接觸式測量。霍爾元件是由一種具有霍爾效應的半導體材料制成的薄片，是一種磁電轉(zhuǎn)換器件，可把磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號?；魻栃驹硎前淹ㄓ须娏鞯膶?/p>

76、體放到磁場中，在該導體的兩側(cè)面就會產(chǎn)生一個電壓，它是由于通電導體的電荷在磁場的作用下發(fā)生偏移引起的。</p><p>　　霍爾電流傳感器是以霍爾效應原理為基礎的電流信號變換器。它由帶有氣隙的環(huán)形鐵心、霍爾元件、產(chǎn)生控制電流的電源組成?；魻栐胖迷阼F心的氣隙中，被測導線直接穿過環(huán)形鐵心。當被測導線中有電流流過時，在鐵心中產(chǎn)生垂直于霍爾元件表面的磁場。根據(jù)霍爾效應原理，霍爾元件將產(chǎn)生極性霍爾電勢?；魻栯妷簜鞲衅饕彩?/p>

77、以霍爾效應為基礎制成的,但由于電壓本身不能直接產(chǎn)生磁場，所以先將被測電壓變換成電流，以產(chǎn)生霍爾元件所需的磁場。</p><p>　　5.1.2 頻率和功率的測量</p><p>　　電網(wǎng)頻率的測量主要有兩種方法:一種為測周法，一種為測頻法，可以根據(jù)實際的需要來選擇所用的方法，本實驗采用測周法來測頻率。其主要原理是：將異步電機的端電壓接至電壓互感器，經(jīng)隔離衰減后送入差分放大器，差分放大器的輸

78、出是一個不大于5V的正弦波，該正弦波由過零比較器變換后為一個TTL方波，由它所檢測到的兩次正弦跳變之間的間隔，即為電壓周期T，故電網(wǎng)頻率f=1/T.在智能化電機測試系統(tǒng)中，頻率的的測量也是由功率計來完成的，在功率計的接口程序中進行頻率的求取，再把它引入計算程序中進行處理后直接在功率計中顯示頻率值。</p><p>　　5.2 試驗中非電量的測量</p><p>　　5.2.1溫升的測量&l

79、t;/p><p>　　定子繞組的溫升數(shù)據(jù)測量一般采用內(nèi)置測溫元件法，即通過粘附于繞組上的熱電偶或熱敏元件外接數(shù)字式溫度計的方法，直接顯示繞組溫度，為保證實時監(jiān)測，應選用響應時間較短測溫的元件[12]。</p><p>　　溫升的測量一般仍用電阻法，即利用電阻隨溫度升高而相應增大的性質(zhì)來確定繞組溫升。具體方法參考2.1.2。</p><p>　　5.2.2 轉(zhuǎn)速的測量&l

80、t;/p><p>　　測量電機的轉(zhuǎn)速以每分鐘轉(zhuǎn)速（r/min）為單位，常采用數(shù)字式轉(zhuǎn)速表，光電反射式測速儀、閃光測速儀和離心式轉(zhuǎn)速表等進行測量。其中前三種的測量準確精度高，被廣泛采用。而離心式轉(zhuǎn)速表為機械式摩擦測量，準確度不高，測量精度為±1.5%FS，被測轉(zhuǎn)速范圍為0~20000r/min，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。</p><p>　　光電反射式測速儀是在電機軸上粘貼一塊特特制的反光薄片

81、，當已知頻率的光電接收器對準軸上薄片時，電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，薄片反光一次，接收器受到一個信號。儀器內(nèi)部安裝的自動記錄和數(shù)字顯示裝置能及時測量電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　閃光測速儀的閃光頻率是可調(diào)的，當調(diào)到與實際轉(zhuǎn)速相應的頻率時，閃光燈所籠罩的旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子或軸端清晰的好像靜止不動，此時閃光測速儀顯示出當時電機的轉(zhuǎn)速。測量范圍為每分鐘幾十到幾十萬轉(zhuǎn)，測量精度可達到0.003%FS，溫度變化對其影響也不大。</p

82、><p>　　考慮到本試驗對精度、溫度以及實際的測量設備等因素的要求，并且由于光電式測速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點, 故采用光電測速儀進行電機轉(zhuǎn)速的測量。</p><p>　　5.2.3 轉(zhuǎn)矩的測量</p><p>　　本試驗轉(zhuǎn)矩的測量采用測功機來實現(xiàn)。測功機是利用電磁作用測量電機穩(wěn)態(tài)機械轉(zhuǎn)矩的設備，它使用方便，具有較高精度，按結(jié)構(gòu)可分為電動式和渦流

83、式兩種。</p><p>　　電動測功機通常為直流電機，定子由獨立的軸承座支撐，可以自由轉(zhuǎn)動一個角度，并且通過指針和刻度盤讀數(shù)。電動測功機可作發(fā)電機用，也可作電動機用。如果要提高測量精度，則應對測功機中一部分不能在轉(zhuǎn)矩讀數(shù)上反映出來的測功機風摩損耗進行校正。設測功機的風摩轉(zhuǎn)矩為，當測功機做發(fā)電機運行時，則應把加到測功機的轉(zhuǎn)矩讀數(shù)中去，而當測功機做電動機運行時，應從轉(zhuǎn)矩讀數(shù)中減去。還應注意使定子、轉(zhuǎn)子軸承保持良好的

84、潤滑狀態(tài)，應采用優(yōu)質(zhì)潤滑油，不得采用脂類。軸上不應加裝任何非必要物品。</p><p>　　渦流測功機是利用渦流產(chǎn)生電磁制動力矩來測量機械轉(zhuǎn)矩的裝置。它的轉(zhuǎn)子為一渦流盤，相當于短路繞組，它的定子上裝有直流勵磁的磁極，并可以自由轉(zhuǎn)動一個角度反映在轉(zhuǎn)矩刻度盤上。渦流測功率機只能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，不能作為電動機運行，只適用于測量轉(zhuǎn)速上升（范圍不大）而轉(zhuǎn)矩下降的情況，例如測量異步電動的T=f（s）曲線。渦流測功機的誤差和注意

85、事項基本同電動測功機。</p><p>　　5.2.4 功率因數(shù)的測量</p><p>　　三相功率因數(shù)測量的關(guān)鍵在于無功功率的測量，無功功率的測量有很多種方法，如兩瓦法、傳統(tǒng)功率因數(shù)算法或電流或者電壓移相法，考慮到本實驗的實際情況，采用兩瓦法進行功率因數(shù)的測量。</p><p>　　兩瓦法測量三相電網(wǎng)有功功率三相有功功率最常用最簡單的測量方法是兩個瓦特計法，簡稱兩

86、瓦法。在對稱三相電路中，兩瓦法的兩個瓦特表的讀數(shù)之和就是三相電路的有功功率，兩個瓦特表的讀數(shù)之差乘上系數(shù)便是三相無功功率。對于不對稱系統(tǒng)，三相有功功率仍為兩瓦特表的讀數(shù)之和，但是三相無功功率卻不是簡單的與兩瓦特表讀數(shù)之差倍關(guān)系。</p><p>　　5.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　5.3.1 數(shù)據(jù)采集的意義和任務</p><p>　　“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度

87、、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　計算機技術(shù)的發(fā)展和普及提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)水平。在生產(chǎn)過程中，應用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學研究中，應用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具。總之，不論在哪個應用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)

88、的采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟效益就越大。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示和打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

89、性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。</p><p>　　5.3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述</p><p>　　數(shù)據(jù)采集技術(shù)Data Acquisition 是信息科學的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集存儲處理以及控制等作業(yè)在智能儀器信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題，將外部

90、世界存在的溫度壓力流量位移以及角度等模擬量Analog Signal 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號Digital Signal再收集到計算機并進一步予以顯示處理傳輸與記錄，這一過程即稱為數(shù)據(jù)采集相應的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Data Acquisition,簡稱DAS數(shù)據(jù)采集技術(shù)，已經(jīng)在雷達通信水聲遙感地質(zhì)勘探振動工程無損檢測語聲處理智能儀器工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域有著廣泛的應用，圖5.1 顯示了數(shù)據(jù)采集技術(shù)與外部模擬世界的關(guān)系。</p&

91、gt;<p>　　圖5.1 在模擬世界中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　隨著社會的不斷進步，現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在速度分辨率精度接口能力、抗干擾能力以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計提出了越來越高的要求。微電子技術(shù)的一系列成就以及微型控制器的廣泛應用不僅為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用開拓了廣闊的前景，也對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響；而隨著技術(shù)水平和市場需求的不斷提高，8位微控制器已經(jīng)越來越不能

92、滿足開發(fā)者的需要了，而且由于技術(shù)的進步已經(jīng)使得32位系統(tǒng)不再高高在上，32位微控制器的價格已經(jīng)不比8位機高多少，有些系統(tǒng)使用32 位機使其整體成本甚至比用8位機還要低，這樣使用32位系統(tǒng)就沒有技術(shù)和成本的障礙了?？梢哉f微控制芯片的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是聯(lián)系在一起的，并且相互推動。當今很多新技術(shù)如光纖超導人工智能等都已經(jīng)應用到數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域了，并且隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計算機科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有更加廣闊的發(fā)展前途。<

93、/p><p>　　5.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理及構(gòu)成</p><p>　　數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)是信息科學的一個重要分支。他研究信息數(shù)據(jù)的采集存儲變換加工處理以及控制等作業(yè)。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將從一個或者多個源得到的模擬信號采集起來并且將這些信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式來被像數(shù)字計算機存儲器或者通訊網(wǎng)絡之類的數(shù)字設備所分析或傳輸。輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一般是由那些傳感器或者轉(zhuǎn)換器得到的。這些設備將現(xiàn)實世

94、界的參數(shù)例如氣壓、溫度、壓力或者張力流速等等變成等值的電信號，然后這些等值的電信號再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號而被那些終端設備所用，實際中使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都具有大致相似的典型結(jié)構(gòu)，見圖5.2。一般來說一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由如下3 個部分組成。</p><p>　　圖5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.3.3.1 數(shù)據(jù)采集器</p><p>　　數(shù)據(jù)

95、采集器包括多路開關(guān)MUX 、測量放大器IA 、取樣保持放大器SHA 、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 等。通過這部分可以將現(xiàn)場的模擬信號逐個采樣再量化成為數(shù)字信號，在數(shù)據(jù)采集工作中往往需要同時使用多個傳感器。對從這些傳感器來的模擬信號進行模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換時，如果對一個傳感器專用一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器顯然將使系統(tǒng)成本大為增加，通常常使用公用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器即利用模擬多路開關(guān)MUX 輪流切換各被采集的傳感器信號。于模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通路常用的模擬多路開關(guān)

96、有機械式開關(guān)，其主要特點是接通電阻小、不要求使用電源驅(qū)動、可配成多種組合結(jié)構(gòu)；缺點是較大的幾何尺寸而且也不便于遙控電磁式開關(guān)如各種繼電器、步進選線器、縱橫接線器以及干簧濕簧繼電器等。這類電磁式開關(guān)便于遙控操作可以承受脈沖高電壓的沖擊但是開關(guān)時間比較長一般在1100ms 左右，MOSFET 開關(guān)很適合用于多路模擬開關(guān)，而且可以把驅(qū)動電路于開關(guān)集成在一起，其主要特點是功耗小、速度快、導通電阻隨信號電壓電源、電壓環(huán)境溫度變化小等?，F(xiàn)在很多半導

97、體廠家已經(jīng)提供了多種自帶多路開關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，只有在最簡單的情況下才可以將傳感器來的模擬信號直接連至數(shù)據(jù)采集系</p><p>　　（1） 輸入緩沖提供高阻抗給傳感器信號源當不采用信號濾波時測量放大器直接接受信號</p><p>　?。?） 信號放大用戶可選外接電阻或軟件編程來改變測量放大器增益</p><p>　?。?） 共模抑止能力測量放大器采用差動輸入方

98、式時可提供很高的共模噪聲抑止能力</p><p>　?。?） 單端輸出采樣保持電路又常稱為采樣保持放大器。SHA 由于模數(shù)轉(zhuǎn)換對模擬量進行量化的過程需要一定的時間，也即在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)只有保持采樣點的數(shù)值不變才能保證轉(zhuǎn)換的精度，采樣保持電路在邏輯輸入的控制下跟蹤采樣并保持輸入信號整個電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)采樣與保持兩個轉(zhuǎn)換暫態(tài)，即由采樣轉(zhuǎn)換為保持和由保持轉(zhuǎn)換為采樣狀態(tài)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 的任務是將一個未知的連續(xù)模擬輸入信

99、號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即n 位的二進制數(shù)以進一步用于處理顯示記錄和傳輸，這個二進制數(shù)代表這個未知輸入電壓V X 與ADC 的滿刻度電壓V FS 的比值。ADC 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個系統(tǒng)的技術(shù)指標，ADC 也廣泛用于各種數(shù)字面板表以及其他數(shù)字儀器中，ASC 可以根據(jù)他們的精度分辨率以及速度來分類，也可以按其測量方法分類。按測量方法一般可以分為對輸入信號某一時刻的瞬時值進行采樣測量和取輸入信號一定時間間隔的平均值進

100、行測量兩種形式。由于大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，許多ADC 產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)單片集成化。</p><p>　　5.3.3.2 接口電路</p><p>　　接口電路是用來傳送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行時所需要的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息以及控制信號的電路，在選擇接口電路的時候要考慮微處理器控制信號的使用、外設接口的構(gòu)成、尋址方式、輸入輸出的控制方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等因素。</p><p><

101、b>　?、?數(shù)據(jù)傳送的特點</b></p><p>　　串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，它可以借助現(xiàn)存的電話網(wǎng)進行信息傳送，避免了多條線路特性的不一致。因此，特別適合于遠距離傳送。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。串行端口的本質(zhì)功能是作為CPU和串行設備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為

102、串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。 在Windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。 應用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求，通信完成后必須釋放資源。 </p><p>　?、?串行數(shù)據(jù)傳送方向</p><p>　　在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個站之間進行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種基本的傳送方式：全雙工、半雙工、和單工.本系統(tǒng)采用的是全雙

103、工。當數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖5.6所示。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應用十分有利。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時，需要2根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信號。比如，計算機主機用

104、串行接口連接顯示終端，而顯示終端帶有鍵盤。這樣，一方面鍵盤上輸入的字符送到主機內(nèi)存；另一方面，主機內(nèi)存的信息可以送到屏幕顯示。通常，往鍵盤上打入1個字符以后，先不顯示，計算機主機收到字符后，立即回送到終端，然后終端再把這個字符顯示出來。這樣，前一個字符的回送過程和后一個字符的輸入過程是同時進行的，即工作于全雙工方式。</p><p>　　圖5.3全雙工通信示意 注收發(fā)方的波率相同</p><p

105、>　?、谴型ㄐ沤涌诘幕救蝿?lt;/p><p>　?、賹崿F(xiàn)數(shù)據(jù)格式化：因為來自CPU的是普通的并行數(shù)據(jù)，所以，接口電路應具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務。在異步通信方式下，接口自動生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符。</p><p>　?、谶M行串－并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計算機處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。所以

106、當數(shù)據(jù)由計算機送至數(shù)據(jù)發(fā)送器時，首先把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)才能送入計算機處理，因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務。</p><p>　　③控制數(shù)據(jù)傳輸速率：串行通信接口電路應具有對數(shù)據(jù)傳輸速率--波特率進行選擇和控制的能力。</p><p>　　④進行錯誤檢測：在發(fā)送時接口電路對傳送的字符數(shù)據(jù)自動生成奇偶校驗位或其他校驗碼。在接收時，接口電路檢查字符的奇偶校驗或其他校驗碼，確定是否發(fā)生傳

107、送錯誤。</p><p>　　⑤進行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換：CPU和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負邏輯不兼容，需在接口電路中進行轉(zhuǎn)換。</p><p>　?、尢峁㏑S-232接口標準所要求的信號線：遠距離通信采用MODEM時，需要9根信號線；近距離零MODEM方式，只需要3根信號線。這些信號線由接口電路提供，以便與MODEM或終端進行聯(lián)絡與控制。</p>

108、;<p>　?、?串行通信接口標準</p><p>　　串行接口所直接面向的并不是某個具體的通信設備，而是一種串行通信的接口標準。所以要進行串行通信接口的設計，就必須先討論串行通信接口標準，按照標準來設計接口電路。</p><p>　　表5-1幾種標準的比較</p><p><b>　　續(xù)表5-1</b></p>&

109、lt;p>　　注：通過幾個標準的分析得出結(jié)論：</p><p>　　RS－232C接口標準適用于數(shù)據(jù)傳輸率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設備廠商都生產(chǎn)與RS－232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機串行通信接口中廣泛采用。它還廣泛地被借來用于計算機（更準確地說，是計算機接口）與終端獲外設之間地近端連接