文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

三相异步电机空载实验是电机专业的重要实验项目，也是理论联系实际的重要环节，对学生掌握三相异步电机的相关知识有重要意义。

传统的三相异步电机空载实验多采用离线方法进行，不仅浪费时间和人力，而且实验数据难以获得，不利于学生对实际电机的了解。

本文基于LabVIEW虚拟仪器开发平台，设计了一套基于LabVIEW的三相异步电机空载实验系统，方便、快捷地获得了三相异步电机的空载特性曲线。

三相异步电机的工作原理

三相异步电机的工作原理是基于电磁感应定律，当三相电源中的任一相（或两相）的电压降低，则它与定子绕组相对的另一相（或两相）的电压也降低，

此两相之间就会产生一个电势差，从而使在定子绕组中感应出与该相定子绕组相对的磁通，并产生电磁转矩。当此电磁转矩与转子运动方向相同时，则电机运转。

三相异步电机的工作原理是三相定子绕组产生旋转磁场，在定子绕组中产生感应电流，该电流沿着转子转动方向旋转，在此过程中会在定子绕组中感应出与转子相对的磁通。

当磁场与转子相对旋转时，就会产生电磁转矩，使电机转动。根据转子的旋转方向不同，三相异步电机可分为直流电机和交流电机两大类。

直流电机:直流电机是指转子的旋转方向与电源的正方向相同，即电枢绕组中只有电流，而没有电枢电动势。由于在电枢绕组中只有电流而无磁场，所以直流电机不能产生电磁转矩。

直流电机按其构造特点又可分为：直动式、开敞式、串激式和混合式。其中直动式和串激式为直流电机的主要种类，在交流电机中则以串激式的应用最为广泛。

直流电机的优点是：功率大，转速高，可靠性好，有很高的功率密度和效率；缺点是：电枢绕组中只有电流而无磁场，因此电机的功率因素较低。由于直流电机输出电压较高，

所以它一般应用在要求转速很高的场合；由于其输出功率与转速成正比，因此通常将其用于需要较大输出功率的场合。

交流电机:交流电机的转子是由同步绕组和异步绕组组成，同步绕组用于产生旋转磁场，异步绕组用于产生感应电流。异步绕组通入交流电后，在空间上沿固定的方向旋转，

而同步绕组在空间上沿变化的方向旋转。所以异步电机在旋转时，同步绕组会沿着定子旋转方向移动，而异步绕组会沿着转子旋转方向移动。

当三相交流电通过定子时，由定子磁场产生的感应电流将使同步绕组和异步绕组通入的交流电产生旋转磁场。在转子上，由同步电流产生的感应电势将使转子磁通沿转子齿部移动，并与转子相对的齿部产生交变磁场。

由于同步电流和转子磁通均与定子磁场相互作用，因而这种交变磁场也与转子磁通相互作用。正是由于这种相互作用，使转子产生了电磁转矩。

三相异步电机与直流电机的区别:三相异步电机的转子是对称的，定子和转子是分开设计的，而直流电机的转子是不对称的，定子和转子都是对称的。

三相异步电机产生磁场时，绕组中的电流是旋转磁场转矩的来源，而直流电机则不一样，它产生磁场时，线圈中没有电流，所以不能产生电磁转矩。

此外三相异步电机的转子在启动和运行过程中，需要施加较大的启动转矩。直流电机则相反，它在启动和运行过程中只需要较小的转矩。

直流电机工作时由于没有电刷和滑环等部件，因此不需要维护和修理。而三相异步电机由于不对称运行的特点，需要经常维护和修理。

三相异步电机作为一种理想的电源形式具有较好的应用前景，如在工业生产中被广泛使用。

实验系统的硬件设计

实验系统主要包括数据采集板、电机和电压测量装置等。数据采集板包括A/D转换器、模数转换器、信号调理电路以及数字信号处理器（DSP）。其中A/D转换器和模数转换器用于采集三相异步电机的电压和电流值，同时将采集到的电压、电流值存储到数据存储卡上。

模数转换器将A/D转换后的数字量进行处理，然后送入DSP处理器，将处理后的数字量转化为电机参数，再通过与上位机相连的串口发送给LabVIEW程序。

电机和电压测量装置分别由直流电源、电阻、电容以及直流电压传感器构成。其中，直流电源用于为电机提供交流电；电阻和电容分别用来测量直流电和交流电；电压传感器用来测量三相异步电机在空载运行时的电压值。

测量装置包括交流电源、电阻、电容以及交流电压传感器等，其中交流电压传感器用来检测三相异步电机在空载运行时的电压值。

数据采集板:A/D转换器采用美国TI公司生产的TMSF芯片，该芯片是一种16位、高速、高精度A/D转换器，可实现1路模拟信号或2路数字信号的转换，

可以同时对交流信号和直流信号进行转换，其分辨率为12位，工作电压范围为-5V至+12V，适用于16位以下的A/D转换器。通过将A/D转换器采集到的信号进行预处理，使其满足后续A/D转换器对信号的要求。

由于实验系统中电机转速为零，不存在转矩脉动现象，所以不用进行滤波处理。TMSF芯片的数据输出端口有一个高速串行口（10MB/s）和两个低速串行口（2.5MB/s）。

电机和电压测量装置:为测量装置中的数据采集板，其中A/D转换器通过RS-接口与上位机相连，A/D转换器的分辨率为16位，采样频率为25kHz。该A/D转换器与数据采集板之间采用串口通信的方式进行数据传输。

模数转换器是将数字量转换为模拟量的仪器，它主要包括模拟量输入模块和模拟量输出模块。在进行数据采集之前，首先要对数字信号进行调理，使其符合各种标准。

在本系统中，采用的是AD芯片实现的数据采集处理，它具有很强的抗干扰能力和极高的信噪比，能采集高达mV/V的交流电压。因此，将AD芯片作为A/D转换器，能够有效地降低系统噪声以及外界干扰对测量结果造成的影响。

控制电路:控制电路主要包括开关电源和IGBT驱动电路。开关电源主要由两组24V直流电源组成，其工作原理是将V交流电通过整流滤波后变成12V直流电，然后在逆变电路中将12V直流电转换成频率为50Hz的交流电，

再通过IGBT驱动电路将电压频率转换为控制脉冲信号。IGBT驱动电路是由IGBT驱动芯片和驱动二极管等组成的，主要负责对电机进行正、反转控制。

在IGBT驱动芯片的控制下，电机实现正、反转控制，从而改变三相异步电机的转速。为了实现对电机的正转和反转控制，在IGBT驱动电路中还需加入PWM（PulseWidthModulation）控制脉冲信号。

实验系统的软件设计

本实验系统采用LabVIEW软件平台进行开发，采用了模块化设计思想，每个模块都有自己的功能，实现了对三相异步电机的空载特性曲线进行测量、显示、存储和打印等功能。下面以电机的空载特性曲线的测量为例，介绍各个模块的功能和实现方法。

对于空载特性曲线的测量，使用了“电机特性曲线”控件。在“电机特性曲线”控件中设置“电机参数”文本框，将参数输入控件，在数据采集卡中输入电压、电流、转矩和转速等参数。

在“电机参数”文本框中设置输入方式为“空载”，同时在数据采集卡中设置测量方式为“速度测量”。将三相异步电机的空载特性曲线和转速等数据存储到计算机内存中。

点击打印按钮，可以将数据以文本文件形式输出到计算机屏幕上，同时可以对输出结果进行保存和打印。

实验过程及结果分析

实验中，以三相异步电机为被试电机，通过改变定子绕组匝数的方法来对电机的空载特性进行研究。通过调节电压与频率，可控制三相异步电机在额定电压、额定频率下运行。通过实验得到三相异步电机的空载特性曲线。

通过对空载特性曲线的分析，可以得出：当定子绕组匝数增加时，其空载电流增大；当定子绕组匝数不变时，随着频率的增加，空载电流也会增大。故为了研究三相异步电机在空载状态下的特性，需要改变定子绕组匝数。

此外，还可以采用控制电机转速和转矩的方法来进行空载特性实验研究。通过控制转速与转矩的大小，可以实现对电机空载特性曲线的有效控制。实验表明，采用这种方法能够较好地控制电机的空载特性曲线。

笔者观点

在传统的电机实验教学中，大多数学生都是在实验室里进行实验，其优点在于，一方面可以直观地观察到电机的各个实验现象，便于理解；另一方面可以通过对电机的实际操作来熟悉掌握各种实验操作方法。

然而，实验室里的电机实验存在一定的局限性，如实验设备、操作方法、设备运行、场地条件等都是影响其推广的因素。利用虚拟仪器技术可以很好地解决以上问题。

虚拟仪器技术是计算机技术、传感测量技术和通讯技术相结合的产物，它集计算机软硬件为一体，既具有硬件平台又具有软件平台。

它利用计算机软件来模拟和控制物理仪器设备，将数据采集、存储和分析处理等过程集成于一个测试系统中，完成数据的采集、显示、存储与控制等功能，能够提高测试系统的可靠性和准确性。

虚拟仪器技术主要包括数据采集系统（DataAcquisitionSystem）和虚拟仪器技术（VirtualInstrumentation）。它利用计算机硬件资源对物理仪器设备进行仿真，用软件程序实现对物理仪器设备的控制和测量功能。

参考文献

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5、王杰。虚拟仪器技术及其在电机实验系统中的应用研究[J]。安徽师范大学学报，。