電機綜合參數測試儀的研制

摘 要：本文簡要介紹了一種實用的電動機綜合參數測試儀的電路、工作原理及其軟件配置。經實驗應用，本測試儀大大簡化了實驗過程，提高了測量數據的精確度。

關鍵詞：電機；單片機；綜合參數；精確度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.123

1 引言

電動機參數測試是對電動機在運行中有關參數及特性分析的綜合性實驗，是電類專業一個非常重要的實驗。但在實驗過程中，須紀錄的參數比較多，實驗過程的接線比較復雜。電動機綜合參數測試儀改進了實驗中存在的缺陷，對電動機實驗過程中的參數及特性進行自動檢測，通過數碼管實時顯示出來，接線簡單，安裝方便。

2 測試儀的主要內容及設計思路

電動機參數測試實驗需要測試的主要參數有：加到電動機定子繞組上的三相電源電壓：Ua、Ub、Uc；過電動機定子繞組的電流：Ia、Ib、Ic；電動機定子繞組的溫升：T；電動機的轉速：N；電動機的功率及功率因數：P、Q、cosΦ。

為了能夠測試上述所有參數，在以前的實驗過程中，需要進行較復雜的實驗接線，并且需要接入電壓表、電流表、功率表、轉速表以及溫度計等儀表。

根據上述所測試的參數及實驗現狀，確定了總體設計方案，采用多位數碼管實時顯示各被測參數，采用電壓、電流變送器實時采集電動機的定子電壓、電流，采用光電傳感器檢測電動機的轉速，采用集成溫度傳感器檢測電動機的定子繞組的溫度。同時，通過電壓、電流的交流波形進行相位比較，實時檢測功率因數角，并自動計算出有功功率P及無功功率Q的數值。

3 系統組成框圖及工作原理

系統原理框圖如圖1所示，電動機的三相電壓、三相電流分別經電壓、電流變送器得到正弦交流信號，經過信號處理電路后送至多路轉換開關進行切換，由單片機控制A/D轉換器分時采樣轉換成數字信號，由89C52單片機進行處理，通過計算得到電動機的電壓、電流的有效值，并送到LED數碼管顯示器上進行顯示；采用光電傳感器檢測電動機的轉速，經信號處理電路后送至單片機的定時技術器進行計數，從而得到電動機的轉速；采用集成溫度傳感器檢測電動機的定子繞組的溫度；通過電壓、電流的交流波形進行相位比較，實時檢測功率因數角，從而由單片及計算出電動機的功率因數，并通過計算機計算出有功功率P及無功功率Q的數值。

4 電壓、電流有效值的采集及處理

電壓、電流的測量是采用測量工頻正弦信號的峰值Um、Im的方法，由軟件將峰值轉換成有效值；電動機的三相電流、三相電壓信號經過信號處理電路變為0～3V的正弦交流電壓信號，分別接至CD4051的IN0～IN5， CD4051通道控制由74LS573控制。CD4051的OUT端輸出的正弦交流信號經過RC低通濾波后分為兩路，一路送至由LM358組成的過零比較器形成方波，另一路經過D1半波整流后送ADC0809的IN0進行A/D轉換。過零比較器輸出的方波的下降沿恰好對應于交流信號的過零點， 從此點延時5ms后再啟動A/D轉換器，則A/D轉換的結果就是峰值Um。因此，將方波信號送至單片機的，下降沿到來后引起單片機中斷，在中斷服務程序中立即啟動定時器T0定時5ms，當T0定時到時，在T0的中斷程序中啟動A/D轉換。

實現測量的方法是由單片機控制循環接通每一路信號，在中斷服務程序中啟動T0定時5ms，在T0溢出中斷服務程序中啟動A/D轉換。

5 轉速的測量

轉速的測量采用光電傳感器，即在電動機的軸上安裝一個圓盤，圓盤上開有一系列孔，光電傳電器的發光二極管與光敏三極管分別安裝在圓盤的兩側，當發光二極管發出的光通過開孔時被光敏三極管收到，光敏三極管導通，輸出低電平。當無開孔時光敏三極管不導通，輸出高電平，即當有一個開孔通過光電傳感器時，光電傳電器輸出一個脈沖。因此，當電機旋轉時，通過檢測光電傳電器輸出的脈沖的個數就可以計算出電動機的轉速。

設圓盤上開孔的個數為P，則電動機每旋轉一圈，光電傳電器輸出P個脈沖，設定時時間為1S，在1S內計數器共計了N個脈沖，則：

電動機的轉速：轉/分。

6 功率因數的測量及有功功率、無功功率的計算

假設Uv為正弦交流電壓，Ui為同一相正弦電流變換而成的電壓波。Uv與Ui分別經過過零比較器后分別產生方波U1、U2，兩方波信號經過與門相與后形成方波信號U3，電壓與電流的相位差φ與方波U3的寬度有對應的關系，即方波的寬度為T-φ，其中T為正弦交流信號的周期的一半，即10ms。當U3的上升沿到來時啟動定時器T1進行計數，U3的下降沿停止計數，設T1的計數值為N，對于12MHz的晶振，機器周期為1μS，則，計數值所對應的時間為TN。則，相位差φ對應的時間：Tφ=10ms-TN；，所以：Φ=18 Tφ，求出功率因數。對于有功功率P和無功功率Q可通過計算求出：P=UIcosφ，Q=UIsinφ。

7 結論

電動機綜合參數測試儀的應用，解決了傳統的實驗過程中接線麻煩、測試項目少、測試精度低等缺點，使學生能對電機參數有一個全面的認識。

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作者簡介：宋吉江（1963-），男，山東威海人，教授，研究生導師，主要從事電氣自動化方面的教學科研工作。