一种复杂工况下电机运行效率的监控装置及方法

摘要

本发明涉及电机运行状态监检测领域,尤其涉及一种复杂工况下电机运行效率的监控装置及方法，该装置包括电源模块、电机、信号采集模块、处理器模块、电机控制模块、显示模块；所述电机的输入端电连接电源模块的输出端；所述信号采集模块的输入端电连接电机的输出端；所述处理器模块的输入端电连接信号采集模块的输出端，用于计算电机实时的运行效率；所述电机控制模块的输入端电连接处理器模块的输出端，电机控制模块的输出端电连接电源模块的输入端；所述显示模块的输入端电连接处理器模块的输出端。本发明可以用来监测含有变频器的电机运行系统；简单可靠，不需要安装扭矩传感器；本发明同样适用电机功率较大的场合，效率监测精度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及电机运行状态监检测领域,尤其涉及一种复杂工况下电机运行效率的 监控装置及方法。

背景技术

电机运行状态监检测领域中，一个很重要的环节就是电机运行效率的在线实时测 量，即利用科学的电机效率测量方法求出电机实时运行效率。

现有的电机效率测量装置一般是通过安装转速传感器和扭矩传感器来得出电机 的输出功率的，这种在线监测方法存在的缺点有：

1、需要专用的联接工装，安装不当会加大扭矩测量误差甚至损坏扭矩仪；

2、扭矩传感器的测量范围较窄，过大的扭矩，过高的转速会导致扭矩仪损坏，而过 小的扭矩又会导致扭矩仪测量不准确；

3、某些风机、水泵与电机采取固定连接，无法安装扭矩传感器。

现有的电机运行状态监检测装置和方法一般不能适用于含有变频器的电机运行 系统，其主要原因有：

1、变频功率的测量存在问题：测试的波形往往不是正弦波，通常需要高速采集和 傅里叶变换，对设备要求较高；另外变频功率测试设备量值溯源体系尚不完善，准确度较 差；

2、在含有变频器的电机运行系统中，电压波形中含有大量的谐波，对电机的铁耗 会产生较大的影响，使得现有测试方法造成的测量的误差偏大。

目前，还没有一种用于复杂工况下电机运行效率监控装置或方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种用于复杂工况下电机运行效率的 监控系统及方法，其能解决无法监测复杂工况下电机运行效率的问题。

本发明技术方案是：一种复杂工况下电机运行效率的监控装置，包括电源模块、电 机、信号采集模块、处理器模块、电机控制模块、显示模块；所述电源模块用于为电机运行供 电；所述电机的输入端电连接电源模块的输出端；所述信号采集模块的输入端电连接电机 的输出端，用于采集电机的电压、电流、转速数据；所述处理器模块的输入端电连接信号采 集模块的输出端，用于计算电机实时的运行效率；所述电机控制模块的输入端电连接处理 器模块的输出端，电机控制模块的输出端电连接电源模块的输入端，用于改变电机的运行 效率；所述显示模块的输入端电连接处理器模块的输出端，用于实现电机效率和人机交换 功能的显示。

进一步的，所述信号采集模块包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、联轴器、 磁粉制动器以及数据采集卡，所述电压传感器、电流传感器的输入端电连接电机的输入端， 电压传感器、电流传感器的输出端电连接数据采集卡的输入端，所述转速传感器的输入端 电连接电机的输出端，转速传感器的输出端电连接数据采集卡的输入端，转速传感器的另 一输出端通过联轴器连接磁粉制动器，所述数据采集卡的输出端电连接处理器模块的输入 端。

进一步的，所述电机控制模块包括PLC控制器和变频器，所述变频器的输入端电连 接电源模块的输出端，变频器的另一输入端电连接PLC控制器的输出端，变频器的输出端电 连接电机的输入端，所述PLC控制器的输入端电连接处理器模块的输出端。

一种复杂工况下电机运行效率的监控装置的监控方法，包括以下步骤：

S1.通过在电机的接线端子前安装的电压传感器、电流传感器和转速传感器获取 电机运行状态中的电流信号i_A、i_B、i_c、电压信号u_A、u_B、u_C、转速信号；

S2.利用电机的电压信号进行离散傅里叶变换，得出电机定子电压的基波周期T；

S3.通过电机的电压和电流信号计算出电机单个周期的瞬时输入功率P₁；

S4.由电机的电压、电流和转速信号，利用最小二乘法识别出电机的定子电阻R_s和 转子电阻R_r；

S5.由电机的定子电阻R_s和输入电流i_A、i_B、i_c计算出电机在单个周期内的定子铜 耗P_Cu1；

S6.对电机进行不同频率下空载试验，分离出电机定子铁耗P_Fe、风摩损耗P_fw和杂 散损耗P_s；

S7.由电机的瞬时输入功率P₁、定子铜耗P_Cu1、定子铁耗P_Fe和电机转速得出电机在 单个周期内的转子铜耗P_Cu2；

S8.由电机的输入功率P₁、定子铜耗P_Cu1、定子铁耗P_Fe、转子铜耗P_Cu2、风摩损耗P_fw和 杂散损耗P_s计算出电机的输出功率P₂；

S9.由电机的输入功率P₁和输出功率P₂计算出电机的瞬时效率η。

进一步的，所述S3中电机输入功率P₁通过(1)式求得：

$P_1=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left(u_A\right(t)*i_A(t)+u_B(t)*i_B(t)+u_C(t)*i_C(t\left)\right)dt---\left(1\right).$

进一步的，所述S4中定子电阻R_s和转子电阻R_r的计算为：对电机的定子电压u_A、u_B、 u_C和定子电流i_A、i_B、i_c分别通过(2)、(3)式进行Clark变换，得到u_α、u_β、i_α、i_β；并利用最小二 乘法对电机学方程(4)式中的参数(k₁、k₂、k₃、k₄、k₅)进行识别，进而识别出电机的定子电阻 R_s和转子电阻R_r；

$\left(\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)---\left(2\right)$

$\left(\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)---\left(3\right)$

$[\frac{d^2{i}_{\alpha }}{{\mathrm{dt}}^2}+w_r\frac{{\mathrm{di}}_{\beta }}{dt}]=\left[\begin{array}{ccccc}{i}_{\alpha }& w_r{i}_{\beta }& u_{\alpha }& \frac{{\mathrm{du}}_{\alpha }}{dt}+w_r{u}_{\beta }& \frac{{\mathrm{di}}_{\alpha }}{dt}\end{array}\right]*{\left(\begin{array}{ccccc}{k}_1& k_2& k_3& k_4& k_5\end{array}\right)}^T---\left(4\right)$

此式中,L_m——电机漏感、L_s——电机定子电感、L_r——电机转子电感、T_r——电 机转子时间常数、R_s——电机定子电阻、R_r——电机转子电阻。

进一步的，所述S5中电机在单个周期内的定子铜耗P_Cu1计算为：由定子电流i_A、i_B、 i_c和定子电阻R_s，按(5)进行计算，可以获得电机的定子铜耗P_Cu1；

$P_{Cu1}=\frac{R_s}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left({i_A}^2\right(t)+{i_B}^2(t)+{i_C}^2(t\left)\right)dt---\left(5\right).$

进一步的，所述S7中电机在单个周期内的转子铜耗P_Cu2计算为：由式(6)计算出电 机的转差率s，并由(7)式求得电机的转子铜耗P_Cu2；

$s=\frac{n_s-w_r}{n_s}---\left(6\right)$

P_Cu2＝s(P₁-P_Fe-P_Cu1)(7)

上式中,s——电机转差率、n_s——电机同步转速、w_r——电机运行时的转速。

进一步的，所述S8中电机的输出功率P₂通过(8)式求得:

P₂＝P₁-P_Fe-P_Cu1-P_Cu2-P_fw-P_s(8)。

进一步的，所述S9中电机的瞬时效率η通过(9)式求得:

$\eta =\frac{P_2}{P_1}\times 100\%---\left(9\right).$

本发明的有益效果是：

1.本发明可以用来监测含有变频器的电机运行系统；

2.本发明简单可靠，不需要安装扭矩传感器；

3.本发明同样适用电机功率较大的场合，效率监测精度较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例整体结构示意图；

图2是本发明实施例流程示意框图；

图中：1电源模块；2电机；3信号采集模块；31电压传感器；32电流传感器；33转速传 感器；34联轴器；35磁粉制动器；36数据采集卡；4处理器模块；5电机控制模块；51PLC控制 器；52变频器；6显示模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实 施例。

结合附图1，一种复杂工况下电机运行效率的监控装置，包括电源模块1、电机2、信 号采集模块3、处理器模块4、电机控制模块5、显示模块6；所述电源模块1用于为电机2运行 供电；所述电机2的输入端电连接电源模块1的输出端；所述信号采集模块3的输入端电连接 电机2的输出端，用于采集电机2的电压、电流、转速数据；所述处理器模块4的输入端电连接 信号采集模块3的输出端，用于计算电机2实时的运行效率；所述电机控制模块5的输入端电 连接处理器模块4的输出端，电机控制模块5的输出端电连接电源模块1的输入端，用于改变 电机2的运行效率；所述显示模块6的输入端电连接处理器模块4的输出端，用于实现电机效 率和人机交换功能的显示。

所述信号采集模块3包括电压传感器31、电流传感器32、转速传感器33、联轴器34、 磁粉制动器35以及数据采集卡36，所述电压传感器31、电流传感器32的输入端电连接电机2 的输入端，电压传感器31、电流传感器32的输出端电连接数据采集卡36的输入端，所述转速 传感器33的输入端电连接电机2的输出端，转速传感器33的输出端电连接数据采集卡36的 输入端，转速传感器33的另一输出端通过联轴器34连接磁粉制动器35，所述数据采集卡36 的输出端电连接处理器模块4的输入端。

所述电机控制模块5包括PLC控制器51和变频器52，所述变频器52的输入端电连接 电源模块1的输出端，变频器52的另一输入端电连接PLC控制器51的输出端，变频器52的输 出端电连接电机2的输入端，所述PLC控制器51的输入端电连接处理器模块4的输出端。

结合附图2，一种复杂工况下电机运行效率的监控装置的监控方法，包括以下步 骤：

S1.通过在电机的接线端子前安装的电压传感器、电流传感器和转速传感器获取 电机运行状态中的电流信号i_A、i_B、i_c、电压信号u_A、u_B、u_C、转速信号；

S2.利用电机的电压信号进行离散傅里叶变换，得出电机定子电压的基波周期T；

S3.通过电机的电压和电流信号计算出电机单个周期的瞬时输入功率P₁；

S4.由电机的电压、电流和转速信号，利用最小二乘法识别出电机的定子电阻R_s和 转子电阻R_r；

S5.由电机的定子电阻R_s和输入电流i_A、i_B、i_c计算出电机在单个周期内的定子铜 耗P_Cu1；

S6.对电机进行不同频率下空载试验，分离出电机定子铁耗P_Fe、风摩损耗P_fw和杂 散损耗P_s；

S7.由电机的瞬时输入功率P₁、定子铜耗P_Cu1、定子铁耗P_Fe和电机转速得出电机在 单个周期内的转子铜耗P_Cu2；

S8.由电机的输入功率P₁、定子铜耗P_Cu1、定子铁耗P_Fe、转子铜耗P_Cu2、风摩损耗P_fw和 杂散损耗P_s计算出电机的输出功率P₂；

S9.由电机的输入功率P₁和输出功率P₂计算出电机的瞬时效率η。

所述S3中电机输入功率P₁通过(1)式求得：

$P_1=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left(u_A\right(t)*i_A(t)+u_B(t)*i_B(t)+u_C(t)*i_C(t\left)\right)dt---\left(1\right).$

具体地，所述S4中定子电阻R_s和转子电阻R_r的计算为：对电机的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_c分别通过(2)、(3)式进行Clark变换，得到u_α、u_β、i_α、i_β；并利用最小二乘 法对电机学方程(4)式中的参数(k₁、k₂、k₃、k₄、k₅)进行识别，进而识别出电机的定子电阻R_s和转子电阻R_r；

$\left(\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)---\left(2\right)$

$\left(\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)---\left(3\right)$

$[\frac{d^2{i}_{\alpha }}{{\mathrm{dt}}^2}+w_r\frac{{\mathrm{di}}_{\beta }}{dt}]=\left[\begin{array}{ccccc}{i}_{\alpha }& w_r{i}_{\beta }& u_{\alpha }& \frac{{\mathrm{du}}_{\alpha }}{dt}+w_r{u}_{\beta }& \frac{{\mathrm{di}}_{\alpha }}{dt}\end{array}\right]*{\left(\begin{array}{ccccc}{k}_1& k_2& k_3& k_4& k_5\end{array}\right)}^T---\left(4\right)$

此式中,L_m——电机漏感、L_s——电机定子电感、L_r——电机转子电感、T_r——电 机转子时间常数、R_s——电机定子电阻、R_r——电机转子电阻。

具体地，所述S5中电机在单个周期内的定子铜耗P_Cu1计算为：由定子电流i_A、i_B、i_c和定子电阻R_s，按(5)进行计算，可以获得电机的定子铜耗P_Cu1；

$P_{Cu1}=\frac{R_s}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left({i_A}^2\right(t)+{i_B}^2(t)+{i_C}^2(t\left)\right)dt---\left(5\right).$

具体地，所述S7中电机在单个周期内的转子铜耗P_Cu2计算为：由式(6)计算出电机 的转差率s，并由(7)式求得电机的转子铜耗P_Cu2；

$s=\frac{n_s-w_r}{n_s}---\left(6\right)$

P_Cu2＝s(P₁-P_Fe-P_Cu1)(7)

上式中,s——电机转差率、n_s——电机同步转速、w_r——电机运行时的转速。

具体地，所述S8中电机的输出功率P₂通过(8)式求得:

P₂＝P₁-P_Fe-P_Cu1-P_Cu2-P_fw-P_s(8)。

具体地，所述S9中电机的瞬时效率η通过(9)式求得:

$\eta =\frac{P_2}{P_1}\times 100\%---\left(9\right).$

本发明可以用来监测含有变频器的电机运行系统；本发明简单可靠，不需要安装 扭矩传感器；本发明同样适用电机功率较大的场合，效率监测精度较高。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。