启动电压对异步电动机转矩转速特性的影响分析

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　　摘  要： 实现动态无载法对异步电动机转矩转速特性的测取，根据GB/T1032-2012《三相异步电动机试验方法》最大转矩转换公式，将不同试验电压下最大转矩转换至额定电压最大转矩并搭建一套异步电动机转矩转速特性测绘试验平台。试验通过单片机对电动机转速信号进行采集，MATLAB软件对其进行数据处理，绘制转矩转速特性曲线。通过调压器调节输入电压，分析不同電压下电动机转矩转速变化特性。试验表明，利用动态无载法测得最大转矩与最大转矩保证值误差为6%。
　　关键词： 启动电压;转矩转速特性;动态无载法
　　中图分类号： TM343    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.032
　　本文著录格式：陈凯，程维明，姜拴雷. 启动电压对异步电动机转矩转速特性的影响分析[J]. 软件，2020，41（01）：148151
　　【Abstract】： The dynamic no-load method is used to measure the torque and speed characteristics of asynchronous motor. according to the GB/T1032-2012 test method of three-phase asynchronous motor > the maximum torque conversion method， the maximum torque under different test voltages is converted to the maximum torque of rated voltage， and a set of test platform for mapping torque and speed characteristics of asynchronous motor is built. The motor speed signal is collected by single chip microcomputer， and the data is processed by MATLAB software， and the torque and speed characteristic curve is drawn. The input voltage is adjusted by the voltage regulator， and the torque and speed variation characteristics of the motor under different voltages are analyzed. The test results show that the dynamic no-load method is used to measure the results. The error between the maximum torque and the maximum torque guarantee value is 6%.
　　【Key words】： Starting voltage; Torque speed characteristic; Dynamic no-load method
　　0  引言
　　电动机转矩转速特性是电动机一项重要特性，转矩转速特性曲线的形状及曲线中的起动转矩、最小转矩、最大转矩等参数，往往是衡量一台电动机能否顺利起动和稳定运行的指标，因此，准确测取转矩转矩转速特性曲线对电动机的质量判断具有重要意义[1-3]。
　　转矩转速特性曲线的测取方法主要包括两种，分别是稳态法和动态法。稳态法是利用测功机等设备，在电动机稳定运行后，逐点加载，测量每个负载点的稳态参数，再逐点描绘出被试电动机转矩转速特性曲线，如以ZZ系列磁粉制动器作为负载，可以保证加载的均与性与稳定性[4，5]。动态法是在电动机启动过程中，给被试电动机连续加载，利用转矩转速传感器等设备，对输出的转矩、转速信号进行处理，放大后上传至计算机，直接绘制转矩转速特性曲线，如通过改变负载电动机的频率，实现连续加载的过程，对降速与升速阶段的转矩通过取转矩平均值得到转矩转速特性曲线[6，7]。稳态法测试精度相对较高，但试验的要求也高，尤其在电机加载过程中电机的温度升高，须实时检测电机温度变化[5]。动态法，因负载电机须与转矩转速传感器及被试电机同轴，不同被试电动机的同轴度保证，需要试验人员具有一定的经验，多次检测误差较大[8，9]。
　　本文在动态法基础上，提出了用动态无载法测试电动机的转矩转速特性。利用电动机转矩与角加速度的正比关系，通过测取电动机主轴瞬时转速，由此求得瞬时角加速度，在此基础上计算出转矩转速特性。
　　1  测试原理
　　1.1  测试方法
　　通过查Y系列三相异步电动机详细参数-1表[11]，电动机自身的转动惯量理论值为0.0027 kg?m2。对于联轴件的转动惯量，将其看作由不同直径和长度的圆柱体叠加而成。根据公式（3）计算，联轴件的转动惯量为0.000088 kg?m2，则测试系统的总转动惯量为0.002788 kg?m2。
　　2.2  信号采集
　　试验系统信号采集采用上位机与下位机结合方式，下位机采用单片机stm32f407，上位机采用PC机。系统信号采集如图3所示，编码器随主轴旋转并输出稳定脉冲信号，脉冲信号传送至stm32f407单片机PA0端口，利用定时/计数器的输入捕获功能检测脉冲上升沿。每检测到一个上升沿为记录一个脉冲，在设定的时间内记录的脉冲数写入内存。启动过程中，设定的时间相同即相同的时间内采集脉冲数，启动结束后，把内存中多个脉冲数一同传送至上位机，在上位机MATLAB[12]平台上转换为时间、转速、转矩等参数。 　　2.3  软件实现
　　软件程序包括两个部分，分别是下位机程序和上位机程序，下位机stm32f407单片机利用IAR开发环境，使用C语言[13]编写主程序和中断子程序。主程序流程框图如图4，主要实现系统初始化、定时器赋初值、设定相同时间（如1 ms）、相同时间内脉冲数存储及向上位机发送数据功能。子程序流程框图如图5，主要实现定时器2检测脉冲信号并存储脉冲数目功能。上位机采用MATLAB平台接收数据，将接收数据转换为转速、转矩等参数。图6为上位机程序功能示意图，计数每1 ms内脉冲数并转换为每1 ms的瞬时转速，绘制转速时间曲线，经过微分求导获得加速度，结合转动惯量理论值算得转矩，从而绘制转矩转速特性曲线。
　　3  测试结果及分析
　　试验时，通过调压器降低电动机的输入端电压，减少温度对试验结果的影响。经过多次输入不同端电压的试验，电动机无载启动时间如表1所示。
　　上位机通过串口接收启动过程中采集到的脉冲数目并转换为转速、时间等数据，经过多项式拟合、微分求导得到电动机加速度、转矩等重要参数，并绘制转矩转速特性曲线。试验中，根据实测178 V、190 V、199 V电压下转矩，绘制如图7所示不同启动电压下转矩转速特性曲线。
　　根据GB/T1032-2012《三相异步电动机试验方法》中最大转矩转换至额定电压下最大转矩公式[14]如式（5），不同启动电压下的最大转矩及对数值如表2所示。
　　拟合转矩对数与电压对数关系如公式（6），绘制最大转矩值lg曲线，如图8所示。延长线段至额定电压对数，对应最大转矩值对数点。
　　根据公式（5），当U为380 V时，Tmax为   22.04 N?m。根据被试电动机的铭牌，额定转矩为10.2 N?m，则试验最大转矩是额定转矩的2.16倍。因该电机根据JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相异步电动机技术条件》设计、生产，最大转矩与额定转矩之比保证值为2.3[15]。则利用动态无载法测得最大转矩与技术条件标准给定最大大转矩相对误差为6%，表明了动态无载试验法是有效的。
　　4  结论
　　通过电动机动态无载启动试验，应用高分辨率编码器实现电动机转速脉冲采集，利用单片机的高速脉冲捕获功能，上位机MATLAB平台对数据处理，实现了转矩转速特性曲线的测取。通过在不同电压下的转矩，采用最大转矩、电压取对数法转换到380 V电压的最大转矩值，与JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相异步电动机技术条件》最大转矩的相对误差为6%，表明了动态无载试验法检测转矩转速特性的有效性。
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