1 引言
单相电容起动异步电动机有一项技术指标是起动过程中离心开关断开瞬间的转速。关于其测定方法,在国家标准GB9651-88《单相异步电动机试验方法》中已有明确叙述。
该标准中所给出的两种方法的实施需要相当大的设备投入,操作比较费事,测量准确度不高。随着电子技术和计算机技术的发展,传统的电机测试方法不断得到更新。对于测定单相电容起动异步电动机的离心开关断开转速,有一种新方法是用一台变频电源给电机供电,频率逐步由低调高,电机转速随之上升,与此同时监测离心开关的通断状态。当电源频率升到某一数值,离心开关断开,从当时的电源频率可以算出相应的电机转速。这种方法是国家标准中拖动法的改进,以变频电源代替可调速原动机,但也存在明显缺点:其一是当被测电机容量增大时,此变频电源的容量也要增大;其二是在这一测试过程中,变频电源的频率变化不能太快,即电机转速的上升不会太快,这与电机实际起动情况不符。
2 测速仪结构
鉴于上述情况,作者研制出一种新型测速仪。其测量方法的要点是:设法监测起动电容器上的电压,同时不断地测量电机的瞬时转速。当电机起动后离心开关未断开时,起动电容器上有相当大的交流电压。当离心开关断开瞬间,起动电容器上电压的特点是保存某一直流电压,此后可能逐渐衰减,但不再交变。测速仪的硬件结构见图1所示。
3 测速仪工作原理
测速仪的起动电容器电压监测电路见图2所示。测量过程的程序流程图见图3所示。
图2 起动电容器电压监测电路原理图
3·1 起动电容器电压的监测
如图2所示,在起动电容器两端通过一个高阻值电阻R11并联了两套正反向半波整流和电容滤波电路,其负载是光电元件的初级。光电元件隔离了交流电压。光电元件次级电路的A点、B点分别通过比较器之后作为与门u5的输入。这样,与门的输出信号就能反映起动电容器上的电压情况。在电机起动过程中,起动电容器上有一定数值的交流电压,通过半波整流和滤波电路驱动光电元件,使得A点和B点都维持较高电平,与门输出为“1”。当电机起动过程将近结束时,离心开关断开。假设起动电容器上瞬时电压的极性为1正2负,则通过R11、D1支路放电,因放电时间常数较大,也许还能使A点维持一定时间的较高电平。但在另一支路,电容C5的残存电压向R14和光电元件u2初级放电,此放电时间常数很小,很快就使B点电平变低,从而使与门输出变为“0”。
为了减小离心开关断开后与门从“1”变为“0”的延时,A点和B点信号在接入与门之前先经过比较器u3和u4.这一监测电路所取电流只有几个mA,因而对于电机起动性能没有什么影响。
3·2 电机转速的测量
在电机轴伸端沿圆周方向缠上一圈一定宽度的白色胶纸,沿轴向画一条(或对称画数条)2~3mm宽的黑线(或者在黑色胶带底子上贴白色纸条)。将安装在一个支架上的反射式光电开关对准胶纸。发光元件将光线射到胶纸上,如果射到白底,受光元件接受到反射光,光电开关输出高电平;如果射到黑线,则没有反射光,光电开关输出低电平。这样,当电机转动时,光电开关电路输出脉冲序列,相邻脉冲的间隔时间反映了电机的瞬时速度。
3·3 离心开关断开时电机转速的测得
在电路原理图中,光电开关的输出脉冲接到单片机的T1脚。定时器T1工作于方式1,记数,初值为FFH,每来一个脉冲,T1就申请一次中断。定时器T0工作于方式1,定时,初值为0。当T1中断时,T0停止记时,将记时值(此值即光电开关输出的相邻脉冲的时间间隔)保存起来,然后再次开始记时。当电机的离心开关断开瞬间,与门u5输出一个下降沿,触发INT0中断请求。由于定义INT0的中断优先权高,因而立即响应中断。在其中断服务程序中,停止T1和T0工作,根据上一次保存的记时值计算出电机转速,算式为:
离心开关断开转速=60/(记时值×N×12×晶振周期),r/m
式中:N为一周贴的反光条数; 12×晶振周期为单片机定时器的基本记时脉冲周期。将此转速值转换为4位BCD码,通过P1、P0口和驱动器,在4位数码管上显示出离心开关断开时的电机转速值(单位r/m)。
4 测量误差分析
从此仪器测量过程来看,如果离心开关断开时图2中的与门立即从“1”变为“0”,而且这一时刻正好是反光条刚通过光电开关的光束,那么测速精度最高,否则就有一定误差。误差大小带有随机性,其中属于仪器本身的误差因素有两个。其一是在起动电容器电压监测电路中,当离心开关断开后与门从“1”变为“0”有一点延时,加比较器后实测这一延时小于5ms;其二是电机轴伸端一周贴的反光条数N,在定时器的基本记时脉冲频率很高的条件下,增加N有助于减小测速误差,但是必须保证反光条沿圆周分布均匀,这会增加操作难度。另外,测速误差还与电机起动时间长短(即是否带负载)有关。综合起来,估算此仪器的测速误差小于1%.经计量测试,此仪器对于恒定转速的测量误差小于0.1%.
5 结论
综上所述,这种新型测速仪的特点是:
(1)操作方便 测试时除了电源接线(接电机的交流电源两端)以外,只有两个接线点———接起动电容器两端;另外在电机轴伸端缠上一圈带有反差色条的胶带,将光电开关对准。合上电源,电机起动,测速仪也开始工作。测试完毕,即可从数码管读出离心开关断开转速值。
(2)通用性强 对于不同功率和极数的单相电容起动电动机,此测速仪均能适用;
(3)测量准确 转速测量误差小于1%;
(4)体积小,便于携带;
(5)成本低 从附图可以看出,此测速仪包含的元器件不多,制造成本低。
