基于LabVIEW的三相异步电机的空载实验系统设计

摘 要：为了改进传统的电机测试实验系统的不足，本论文利用LabVIEW软件，开发设计了一套三相异步电机空载实验系统，首先，确定了三相异步电机空载实验系统的总体方案设计，分别是三相异步电机控制运行方案和虚拟仪器测试方案；其次，对三相异步电机空载实验系统实施方案进行设计，包含数据采集方案分析以及空载实验实施过程；最后，对整个三相异步电机空载实验过程做了详细的分析和说明，对空载实验进行了总结和概括。通过分析，进一步验证了该系统在采集数据方面的优越性，与传统的电机实验方法相比，三相异步电机实验系统在采集和处理数据方面更加准确，能实现数据的自动分析与处理。

关键词：labview；三相异步电动机；空载实验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.135

0 引言

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是二十世纪八十年代末，由美国国家仪器公司（National Instru-ments Corporation，NI）提出的新概念，它是对传统仪器概念上的重大突破。虚拟仪器技术通过利用高性能模块化硬件，并且结合高效灵活的软件，来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术和计算机网络通讯技术是现代信息技术最重要的组成部分，应用在现代控制领域中。虚拟仪器的发展改变了传统的仪器的使用方法，其采用可视化仪器界面进行程序设计，能完成工程数据的采集、处理和分析。

传统的电机测试实验往往使用普通的电工仪器仪表，通过操作人员来监测电机的各个参数，电机实验的测试点比较多，随着时间和环境的不同，电机的监测数据量大，给操作人员记录数据、进行整理数据、绘制电机特性曲线以及编写实验报告。都会带来很大麻烦。新的电机实验系统的采用，能很好的解决上述的所有问题。

基于虚拟仪器的三相异步电机空载实验系统设计，该系统把控制、测试过程自动化，最大限度减少人为干预。该系统可以准确地测出电机的机械特性和各项性能指标。该电机空载实验系统模型，完全可以应用于电机的教学中来。

1 三相异步电机空载实验系统总体设计

本小节主要介绍基于LabVIEW的三相异步电动机实验教学系统中的电机控制运行系统，虚拟仪器测试系统以及实验系统的功能。

1.1 三相异步电机控制运行系统方案分析

本实验系统中的三相异步电动机控制运行系统，主要采用欧姆龙可编程控制器、三菱变频器以及其它的电器控制元件实现对三相异步电机进行控制，通过软件编程，硬件布线可以模仿各种类型转矩的电机，在堵转试验系统中，通过控制磁滞制动器，来实现电机的堵转运行，并测试在堵转过程电机的特性参数，通过参数分析，实现我们对三相异步电机系统的改造。如图1所示为三相异步电机控制运行系统方案图。

1.2 虚拟仪器测试系统方案分析

基于LabVIEW的测试系统是由硬件系统和软件系统组成。其中硬件部分主要包括计算机、传感器，数据采集卡、信号控制装置以及传感器等；软件系统一般用LabVIEW等，在虚拟仪器软件平台对数据处理程序进行编写。

作为被测对象的三相异步电机系统来说，我们通过传感器来获取电机的各种参数，主要有电机的温度、电流、电压、功率、转矩以及转速等参数，将采集的信号进行处理后，经过数据采集卡采集，最终送到计算机端口，计算机分析处理后，给出实验结果，可以生成实验报告以及打印处理。如图2所示为虚拟仪器测试系统结构图。

2 三相异步电机空载实验系统实施方案设计

2.1 三相异步电机空载实验系统的数据采集方案分析

LabVIEW的电机空载实验系统数据采集，主要是在三相异步电机上装上需要采集的信号传感器，如采集电压的电压传感器，采集电流的电流传感器，采集转速的转速传感器，采集转矩的压力传感器，采集温度的温度传感器等，传感器的数据经过数据采集卡MPS-010601的采集传送到LabVIEW软件程序系统，对数据进行处理分析以及保存存储。

2.2 三相异步电机空载实验系统的实施方案分析

三相异步电机的空载实验可以得出空载损耗P0与空载电压U0曲线，还能得到电机的磁化曲线，即为空载电流I0和空载电压U0之间的关系曲线，它能够反映出电机电磁设计、相关原材料质量以及加工工艺的实际情况。例如铁心材料的性能和几何尺寸、定子绕组匝数及形式、定转子气息的大小等参数选择得是否合理等。

①空载实验进行时，待电机开始空转一段时间后，磨擦损耗达到稳定值，测量其输入功率，达到稳定值时，开始进行实验测量。

②空载试验的数据采集应在额定工频频率下进行，从1.2UN开始给定子绕组加电压，逐步降低电压值，直到转速发生明显变化，空载电流到达不稳定状态为止。采集上述范围内的7—9组数据，如空载电流I0、空载电压U0，空载输入功率P0等。

③通过采集卡可以在前面板对上面采集的数据进行监视，并根据采集的点进行曲线的绘制以及存储。

④数据计算分析完成后，整理空载实验报告。

3 三相異步电机空载实验系统实施过程分析

3.1 空载实验实施过程

电机测试电路连接好后，先将三相电压调至最小，接通电路，再将电压调到额定电压220V，保证电动机在额定电压下，空载运行数分钟后，使电机的机械损耗达到稳定后在进行实验，这时登录LabVIEW三相异步电机实验系统，登录成功后，点击空载实验进入空载实验前面板，我们就可以看到前面板上数据显示控件进行实时数据显示，这时将空载电压调到额定电压的1.2倍，点击前面板上的数据采集按钮，进行第一次数据采集，我们逐步降低电源电压，每降一次进行一次数据采集。

这个计算是靠LabVIEW的算术运算来自动完成的。如图3所示为空载实验数据运算程序图，随着电压的逐步降低，我们共采集10组数据。

3.2 空载实验数据处理分析

根据采集的数据可以分析在三相异步电机空载运行状态下，电机的转速几乎接近同步转数，将所测得数据中的空载电压和空载电流输入到LabVIEW显示控件的XY图表中，可以看到我们在实验中采集的点，并用这些点拟合的一条曲线。图4所示为的特性曲线，图5为 特性曲线。

3.3 三相异步电动机空载实验总结

电机在进行空载运行时，其转速接近于同步转速，转子电流很小，所以转子的铜耗可以忽略不计，即，这样电网上的功率全部消耗在铜耗、铁耗、机械损耗上。另外由图4-5可以看出，在图的底部有个拐点，這是因为当下降到一定程度时，由于空载转矩基本不变，这样电机的转速就会急剧降低，会导致转差率s大幅增加，转子电流会急剧增加，定子电流也会反而增大。开始出现空载电流随端电压降低反而增大的回升现象。我们根据三相异步电机的空载实验可以得出空载损耗P0与空载电压U0曲线，以及空载电流I0和空载电压U0之间的关系曲线，这两条曲线能够反映出异步电机的电磁设计、相关原材料质量以及加工工艺的实际情况。例如铁心材料的性能和几何尺寸、定子绕组匝数及形式、定转子气息的大小等参数选择得是否合理等。

4 结语

本设计以图形化编程语言LabVIEW为基础，设计了一套三相异步电机空载实验系统，该实验系统集参数测量、数据采集、数据处理，数据保存等多种功能于一身，改变了传统的实验操作模式。实验系统使用了测试精度较高的仪器仪表设备，可以对转速、功率、功率因素、电流、电压、温度等电机参数进行测量，以及多种特性曲线的绘制和数据的记录、处理、保存等。实验系统具有参数反馈功能，抗干扰性好，系统运行稳定可靠，另外该系统还具有扩展功能，扩展后能应用于异步电机的负载实验、过载实验、堵转实验、温升实验等多个实验项目。

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作者简介：崔屹嵘（1981-），男，陕西户县人，硕士，讲师，主要从事仪器仪表、电气自动控制技术方面的教学研究工作。