本發(fā)明涉及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著能源緊張問題和溫室效應(yīng)的不斷加劇，開發(fā)利用清潔能源、節(jié)能減排已成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。中小型三相異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣泛的高能耗產(chǎn)品用電量約占全國(guó)總用電量的60％，在工業(yè)領(lǐng)域更是占到3/4左右，并且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率普遍偏低，因此，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率具有重要意義。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要能在不干擾電機(jī)正常運(yùn)行的情況下準(zhǔn)確的在線檢測(cè)出其實(shí)際運(yùn)行效率。

閆華光等提出節(jié)能電動(dòng)機(jī)效率檢測(cè)方法智能測(cè)試平臺(tái)(閆華光、范瀅、段小華、宗建華，節(jié)能電動(dòng)機(jī)效率檢測(cè)方法及智能測(cè)試平臺(tái)[J].電力需求管理,2007,03:41-43.)，其中電動(dòng)機(jī)的效率測(cè)試包含冷態(tài)電阻測(cè)試、溫升試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)等。該效率測(cè)試方法所需測(cè)試參數(shù)眾多，操作步驟復(fù)雜，測(cè)試系統(tǒng)搭建困難。

在公告號(hào)為CN104215906A的專利中公開了一種基于自動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試的試驗(yàn)方法，該方法通過控制電動(dòng)機(jī)的額定電壓、額定電流、額定頻率，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制，但這一方式的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行熱試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)等，工序繁瑣，工作量大，周期長(zhǎng)，且不能用于變頻器控制下電機(jī)的在線測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置及方法，其能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線的檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行效率，安裝方便，操作簡(jiǎn)單。

本發(fā)明技術(shù)方案是：一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置，包括信號(hào)采集模塊、處理器模塊、顯示模塊；所述信號(hào)采集模塊的輸入端電連接電機(jī)的輸出端，用于電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集；所述處理器模塊的輸入端電連接信號(hào)采集模塊的輸出端，用于計(jì)算電機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)行效率；所述顯示模塊的輸入端電連接處理器模塊的輸出端，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率和人機(jī)交換功能的顯示。

進(jìn)一步的，所述信號(hào)采集模塊包括電壓傳感器、電流傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡，所述電壓傳感器、電流傳感器的輸入端電連接電機(jī)的輸入端，電壓傳感器、電流傳感器的輸出端電連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，所述數(shù)據(jù)采集卡的輸出端電連接處理器模塊的輸入端。

進(jìn)一步的，所述裝置還包括人機(jī)交換設(shè)備，所述人機(jī)交換設(shè)備的輸出端電連接處理器模塊的輸入端。

一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，包括以下步驟：

S1.通過在電機(jī)的接線端子前安裝的電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器獲取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c；

S2.利用電機(jī)的電壓信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，得出電機(jī)定子電壓的基波周期T；

S3.通過電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c計(jì)算出電機(jī)單個(gè)周期內(nèi)的定子端的平均輸入功率P₁；

S4.由電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c以及定子電阻R_s，獲得電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air；

S5.對(duì)電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c分別通過(3)、(4)式進(jìn)行Clark變換，然后根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，可得到轉(zhuǎn)速n的辨識(shí)規(guī)律框圖；

S6.對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同頻率下空載試驗(yàn)，確定電機(jī)的風(fēng)摩損耗P_fw和雜散損耗P_s；

S7.由電機(jī)的轉(zhuǎn)速n得出電機(jī)在單個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)子銅耗的P_Cu；

S8.由電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air、轉(zhuǎn)子銅耗的P_Cu、風(fēng)摩損耗P_fw和雜散損耗P_s計(jì)算出電機(jī)的輸出功率P₂；

S9.由電機(jī)的輸入功率P₁和輸出功率P₂計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)效率η。

進(jìn)一步的，所述S3中電機(jī)輸入功率P₁通過(1)式求得：

進(jìn)一步的，所述S4電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air通過(2)式求得：

進(jìn)一步的，所述S5中的方法具體為：對(duì)電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c分別通過(3)、(4)式進(jìn)行Clark變換，得到u_α、u_β、i_α、i_β；并把進(jìn)而，我們把式(5)作為參考模型，把(6)作為可調(diào)模型，根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，可得到轉(zhuǎn)速的辨識(shí)規(guī)律框圖：

q_m＝(i_αu_β-i_αu_α)-σL_s(i_αpi_β-i_βpi_α) (5)

此式中q_m——電機(jī)無功功率的參考值、——電機(jī)無功功率的估計(jì)值、L_m——漏感、L_s——電機(jī)定子電感、L_r——電機(jī)轉(zhuǎn)子電感、T_r——轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)、——轉(zhuǎn)速的估計(jì)值、——轉(zhuǎn)子α軸磁鏈的估計(jì)值、——轉(zhuǎn)子β軸磁鏈的估計(jì)值、K_p——比例調(diào)節(jié)系數(shù)、K_i——積分調(diào)節(jié)系數(shù)、p——微分算子。

進(jìn)一步的，所述S7中電機(jī)在單個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)子銅耗P_Cu計(jì)算為：由式(8)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，并由(9)式求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗P_Cu；

P_Cu＝sT_air (9)

上式中s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率、n_s——電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步的，所述S8中電機(jī)的輸出功率P₂由式(10)求得：

進(jìn)一步的，所述S9中電機(jī)的瞬時(shí)效率η通過(11)式求得:

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于傳統(tǒng)的氣隙轉(zhuǎn)矩效率測(cè)試方法，然后進(jìn)行了改進(jìn)，僅需要采集電機(jī)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)就可以在線檢測(cè)出電機(jī)效率，突破了其他裝置只能使用扭矩傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試電機(jī)效率的局限性，其安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用于變頻器控制下的電機(jī)效率檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例流程示意框圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例轉(zhuǎn)速的辨識(shí)規(guī)律示意框圖。

圖中：1穩(wěn)壓電源；2變頻器；3電機(jī)；4聯(lián)軸器；5負(fù)載；6電壓傳感器；7電流傳感器；8人機(jī)交換設(shè)備；9數(shù)據(jù)采集卡；10處理器模塊；11顯示器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

結(jié)合附圖1，本實(shí)施例中一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置為：

在電機(jī)的接線端子處安裝電壓傳感器6和電流傳感7；在所述電機(jī)的輸出軸的軸端安裝電機(jī)負(fù)載5；在電動(dòng)機(jī)3和負(fù)載5通過連軸器4相連；所述電機(jī)3為鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的供電電源為穩(wěn)壓電源1，電機(jī)的運(yùn)行方式由變頻器2控制，在電機(jī)運(yùn)行效率監(jiān)控系統(tǒng)中安裝數(shù)據(jù)采集卡9，用于向處理器模塊10傳輸各類傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，人機(jī)交換設(shè)備8用來向處理器模塊10輸入必要的電機(jī)參數(shù)；顯示器11用來顯示處理器模塊10的計(jì)算結(jié)果。

所述電壓傳感器7的測(cè)量帶寬要為十倍變頻器的最高脈沖頻率；所述電流傳感器6串聯(lián)在電機(jī)的輸入電壓線中；所述人機(jī)交換設(shè)備8和處理器模10塊相連，為電機(jī)電阻、電感、額定功率等相關(guān)參數(shù)的輸入設(shè)備；所述的數(shù)據(jù)采集卡9可以實(shí)現(xiàn)6路信號(hào)的同時(shí)采集，其采樣帶寬在250KHz以上，通過USB端口和處理器10相連，主要用來采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，然后把所采集到的信號(hào)傳輸給處理器模塊；處理器模塊主要由FPGA為核心的微處理器來實(shí)現(xiàn)，用來計(jì)算實(shí)時(shí)的電機(jī)的運(yùn)行效率。

結(jié)合附圖2，本實(shí)施例還涉及一種便攜式電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，具體包括以下步驟：

S1.通過在電機(jī)的接線端子前安裝的電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器獲取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c；

S2.利用電機(jī)的電壓信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，得出電機(jī)定子電壓的基波周期T；

S3.通過電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c計(jì)算出電機(jī)單個(gè)周期內(nèi)的定子端的平均輸入功率P₁，平均輸入功率P₁的測(cè)量為變頻輸入功率的測(cè)量；

S4.由電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c以及定子電阻R_s，獲得電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air；

S5.對(duì)電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c分別通過(3)、(4)式進(jìn)行Clark變換，然后根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，可得到轉(zhuǎn)速n的辨識(shí)規(guī)律框圖；

S6.對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同頻率下空載試驗(yàn)，確定電機(jī)的風(fēng)摩損耗P_fw和雜散損耗P_s；

S7.由電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和得出電機(jī)在單個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)子銅耗的P_Cu；

S8.由電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air、轉(zhuǎn)子銅耗的P_Cu、風(fēng)摩損耗P_fw和雜散損耗P_s計(jì)算出電機(jī)的輸出功率P₂；

S9.由電機(jī)的輸入功率P₁和輸出功率P₂計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)效率η。

所述S3中電機(jī)輸入功率P₁通過(1)式求得：

所述S4電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩T_air通過(2)式求得：

結(jié)合附圖3，所述S5中的方法具體為：對(duì)電機(jī)的定子電壓u_A、u_B、u_C和定子電流i_A、i_B、i_c分別通過(3)、(4)式進(jìn)行Clark變換，得到u_α、u_β、i_α、i_β；并把進(jìn)而，我們把式(5)作為參考模型，把(6)作為可調(diào)模型，根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，可得到轉(zhuǎn)速的辨識(shí)規(guī)律框圖，利用電機(jī)的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)識(shí)別出電機(jī)的轉(zhuǎn)速n：

q_m＝(i_αu_β-i_αu_α)-σL_s(i_αpi_β-i_βpi_α) (5)

此式中q_m——電機(jī)無功功率的參考值、——電機(jī)無功功率的估計(jì)值、L_m——漏感、L_s——電機(jī)定子電感、L_r——電機(jī)轉(zhuǎn)子電感、T_r——轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)、——轉(zhuǎn)速的估計(jì)值、——轉(zhuǎn)子α軸磁鏈的估計(jì)值、——轉(zhuǎn)子β軸磁鏈的估計(jì)值、K_p——比例調(diào)節(jié)系數(shù)、K_i——積分調(diào)節(jié)系數(shù)、p——微分算子。

所述S6中利用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)方法(GB/T 22670-2008)中的規(guī)定，確定電機(jī)的風(fēng)摩損耗P_fw和雜散損耗P_s。

所述S7中電機(jī)在單個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)子銅耗P_Cu計(jì)算為：由式(8)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，并由(9)式求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗P_Cu；

P_Cu＝sT_air (9)

上式中s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率、n_s——電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。

所述S8中電機(jī)的輸出功率P₂由式(10)求得：

最后，所述S9中電機(jī)的瞬時(shí)效率η通過(11)式求得:

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。