基于LabVIEW的电机实验系统的研究和设计.doc
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1、湖南工程学院毕业设计毕 业 设 计 论 文题 目 基于LABVIEW的电机实验系统的研究和设计 (院)系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0101 学号 0101120110 学生姓名 马 自 然 导师姓名 浣 喜 明 完成日期 2005年6月 湖南工程学院毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目: 基于LabVIEW的电机实验系统研究与设计 姓名马自然 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级电气0101学号 0101120110 指导老师 浣喜明 教研室主任 一、 基本任务及要求: 设计一个电机变频实验系统,它应由变频电源、PC机、传感器、高速PCI采集卡、
2、扭矩测量装置、电机负载和系统软件等部分组成。利用LabVIEW设计软件,能测量电机实验过程中的电压、电流、频率、相位、转矩、转速等物理量,还能进行频谱分析,所有实验数据都生成电子文档,可在计算机屏幕上适时显示也可通过打印机输出实验报告。除了能完成传统的电机实验外,还能完成电机的变频驱动、开环控制和闭环控制(包括U/F控制和矢量控制)等实验。 (你应完成的主要任务:系统主电路、实验方案的设计) 二、 进度安排及完成时间: (1)第二周至第四周:查阅资料、撰写文献综述和开题报告; (2)第五周至第六周:毕业实习; (3)第七周至第八周:总体方案的确定; (4)第九周至十二周:主电路设计与元器件的选
3、择;软件设计; (5)第十三周:装置工艺设计; (6)第十四周至第十五周:撰写设计说明书 (7)第十六周:毕业设计答辩 目 录基于LABVIEW的电机试验系统的研究和设计5第1章 绪 论7第2章 变频调速控制92.1 基本控制方式及电机工作特性92.1.1 变频调速的基本控制方式92.1.2 电压源供电时异步电机的工作特性102.1.3 转差频率控制112.1.4 矢量变换控制142.2 艾默生变频器TD3000152.2.1 艾默生变频器简单介绍152.2.2 变频器操作及简单运转152.2.3 变频器的工作状态162.2.4 电机参数及其保护162.2.5 辅助功能参数设置172.2.6
4、转矩控制方式172.2.7 矢量控制功能182.2.8 V/F控制专用功能192.2.9 开关量输入输出端子功能192.2.11 编码器参数设定20第3章 数据采集系统203.1数据采集的基本概念及基本组成203.2 采样基本原理213.2.1 采样定律213.2.2 采样过程233.2.3 量化过程233.2 模拟量输入输出243.3.1 信号处理装置243.3.2 采样单元243.3.3 采样保持253.3.4 A/D转换器253.4 数据采集卡PCI2006253.5传感器的基本原理和选用283.5.1 LEM电压电流传感器283.6 欧姆龙旋转编码器30第4章 基于虚拟仪器的软件设计3
5、14.1虚拟仪器发展现状和前景展望314.2 系统设定和配置354.2.1 滤波设定354.2.2 通道设定364.3 主程序设计和分析364.3.1 前面板设计374.3.2 三相电压电流采集374.3.3 功率因数和功率换算37第5章 电机变频调速实验指导书375.1交流变频调速装置参数设定与运行试验375.2 电动机空载时系统起动、运行、停止试验385.3 额定频率下、额定负载下电机频谱分析39小 结41致 谢43基于labview的电机试验系统的研究和设计摘 要:本课题是基于LABVIEW的电机试验系统的研究和设计,其中涉及到美国NI公司所倡导的“软件就是仪器”的口号。虚拟仪器是一个全
6、新的课题。传统的电子测量仪器由于其功能单一,体积庞大,已经很难满足实际工作的需要与传统仪器相比表现为:功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好。微型计算机的普及程度和性能不断提高,使得基于PC台的虚拟仪器系统应运而生。本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发的数据采集卡,最终实现了基于PC平台的,具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发,使得本系统具有很好的通用性和灵活性。本文软件方面主要讨论在信号采集过程中的数据传输、显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术,同时根据实验指导进行编
7、程,调用各种子VI,实现系统的目的。本课题硬件方面由于采用了虚拟仪器,只需要有固定的传感器,硬件的核心是控制电机的变频器的设置和控制。本课题有更大的潜力,因为可以利用PCI的模拟输出对变频器进行自动控制,实现自动数据采集系统的设计。关键词:LABVIEW 电机试验系统 数据采集 虚拟仪器Research And Design Based On Electrical Machinery Pilot System Of Lab VIEWAbstract :This subject is research and design based on electrical machinery pilot
8、system of LABVIEW, among them involve the slogan that The software is an instrument that U.S.A. NI Company advocated. The fictitious instrument is a brand-new subject. The traditional electronic measuring instrument, because its function is single , bulky, already it is very difficult to meet demand
9、s of real work and has compared with traditional instrument been shown as: With better function, processing speeds quick, frequency band wide, use wide, operate simple, volume little, expandability better. The popularization degree and performance of the microcomputer are improving constantly, make
10、the system of fictitious instrument based on PC platform arise at the historic moment. This text has described the signal based on concept of the fictitious instrument and gathered the systematic realization scheme. Use the data collecting card of independent development, has realized because of PC
11、platform finally, the figure with cymometer and analysis instrument function of frequency spectrum stores the oscillograph system. Because has used Lab VIEW to carry on systematic software development , has made this system have very good commonability and flexibility . This text software discuss da
12、ta transmission, show and method that punish and realize the key technology of the course while the signal gathers mainly, guide and carry on programming according to the experiment at the same time, transfer every kind of sub VI , the purpose of the implementation system. Because this subject hardw
13、are adopts the fictitious instrument, only need the regular sensor , the core of the hardware is establishment and control of the frequency converter which controls the electrical machinery. This subject has greater potentiality, because can utilize simulation of PCI to export and automatically cont
14、rol the frequency converter , realize the design of the automatic data collecting system.Keyword :LabVIEW The electrical machinery experiment system data is collected the fictitious apparatus 第1章 绪 论电机的试验数据是判断产品是否符合标准要求,验证设计是否合理的依据。高精度的测量结果,对于改进产品设计,提高电机质量有着非常重要的意义。随着微机在各个领域的广泛应用,电机测试领域也逐步微机化,将微机应用于
15、电机测试中,不仅可提高测试效率,而且可以对同一物理量等精度重复测量多次,以提高测量精度及可靠性,还可对大量试验数据进行处理,直接得到高精度的测量结果。在传统的三相异步电动机型式试验过程中,需要采集电压、电流、功率、转速、转矩等大量测试数据,并通过电压表、电流表、功率表等各种测试仪表对测量数据进行显示,实验人员通过各观测仪表获取测试数据。试验系统构成复杂,使用仪器仪表多。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称,是目前应用最广、发展最快、功最强的图形化软件开发集成环境。LabVIEW提供
16、了功能强大的数学分析库,包括统计估计、回归分析、线性代数、信号生成算法等,可满足三相异步电动机型式试验中各种数值计算和分析需要。使复杂的测试与测量任务变得简单易行。图1.1 结构框图将被测电机的三相电压、三相电流通过电量传感器输入到AD卡,另外,转矩信号和转速信号也通过传感器接到AD卡。AD卡采用PCI2006卡,该数据采集卡具有16路双/32单模拟输入通道和2路模拟输出通道。将采集的信号输入PC机上,由预先设计的程序进行数据处理。本系统设计分为硬件设计和软件设计。硬件系统分为变频器模块、传感器模块、控制电路模块。其中变频器模块为硬件系统的核心部分,它对异步电机的控制有着调速范围宽、方式灵活、
17、调速精度高、动态响应快、运行效率高,能满足电机试验的要求,更好、更方便地反映了电机的性能参数。 虚拟仪器硬件组成主要分为两部分:数据采集部分和数据分析显示部分,其中信号采集板完成对输入测量对象的调理、采集、缓存,并通过计算机总线送人内存;计算机在应用程序控制下,对数据处理、运算,最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均可在人机交互方式下完成 图1.2 主电路图 第2章 变频调速控制2.1 基本控制方式及电机工作特性2.1.1 变频调速的基本控制方式根据电机原理,一台电机如若希望获得良好的运行性能、力能指标,必须保持其磁路工作点稳定部变,即保持每极磁通量额定不变。这是因为若太
18、强,电机磁路饱和,励磁电流、励磁损耗及发热增大;若太弱,电机出力不够,铁芯也未充分利用。从异步电机定子每相电势有效值公式看 (2.1)式中 -定子供电频率(Hz); -定子每相串联匝数; -基波绕组系数; -每极气隙磁通(Wb)。当电机一旦选定,结构参数确定,则有 (2.2) 说明只要协调的控制、,即可达到控制气隙磁通的目的,但控制方式随运行频率在基频以下及基频以上而不同。2.1.1.1 基频以下调速要保持额定不变,必须采用恒电势频率比的控制方式,即变频过程中维持。但定子气隙电势为内部量,难以直接测量、控制,根据异步电机定子电压方程式 (2.3)当运行频率较高、电势较大时,可忽略定子绕组漏阻抗
19、压降,得,故只要维持常数(恒电压频率比)即可维持气隙磁通恒定。当运行在低频时,E1较小,定子电阻压降的影响不能忽略,必须有意抬高U1加以补偿才能近似E1/f1=常数.此时采用带低频定子定子电阻压降补偿的恒压频比控制,其电压、频率关系如图示,由于维持了气隙磁通恒定,电机将作恒转矩运行。2.1.1.2 基频以上调速当运行频率超过基频,时,由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制,电机电压不能超过额定,只能维持 = 不变。这样,随着运行频率的升高,比值下降,气隙磁通随之减小,进入弱磁状态。此时电机转矩大体上反比基频的变化,作近似恒功率运行。如前所述,决定异步电机变频运行的工作特性的是变频电源中的基
20、波,工作特性分析中的电压、电流、磁通均应理解为变频器输出基波成分.由于变频器类型不同,提供给异步电机端部的激励可能是电压,也可能是电流,不同特性电源供电运行特性有很大差异,也应分别讨论。2.1.2 电压源供电时异步电机的工作特性2.1.2.1 恒压频比控制在该控制下,异步电机的气隙磁通近似保持恒定,其机械特性如图示:图2.1 异步电动机的机械特性它具有以下特点:同步速n随运行频率变化;不同频率下机械特性为一组硬度硬度相同的平行直线。由此可见,当恒压频比控制时,同一转矩下 基本相同,因而不同运行频率下的转速降落基本不变,这就是恒转矩运行的特点:最大转矩随频率降低而减小。2.1.2.2恒气隙电势/
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