一种便携式电机效率现场检测装置及方法与流程
本发明涉及电机运行状态检测领域，尤其涉及一种便携式电机效率现场检测装置及方法。
背景技术：
随着能源紧张问题和温室效应的不断加剧，开发利用清洁能源、节能减排已成为世界各国关注的焦点。中小型三相异步电动机是应用最广泛的高能耗产品用电量约占全国总用电量的60％，在工业领域更是占到3/4左右，并且电动机运行效率普遍偏低，因此，提高电动机的运行效率具有重要意义。要实现这一目标，首先要能在不干扰电机正常运行的情况下准确的在线检测出其实际运行效率。
闫华光等提出节能电动机效率检测方法智能测试平台(闫华光、范滢、段小华、宗建华，节能电动机效率检测方法及智能测试平台[J].电力需求管理,2007,03:41-43.)，其中电动机的效率测试包含冷态电阻测试、温升试验、负载试验、空载试验等。该效率测试方法所需测试参数众多，操作步骤复杂，测试系统搭建困难。
在公告号为CN104215906A的专利中公开了一种基于自动控制的电动机效率测试的试验方法，该方法通过控制电动机的额定电压、额定电流、额定频率，实现了试验过程的自动化控制，但这一方式的实现需要进行热试验、负载试验、空载试验等，工序繁琐，工作量大，周期长，且不能用于变频器控制下电机的在线测量。
技术实现要素：
本发明的目的在于为避免上述现有技术所存在的不足，提出一种便携式电机效率现场检测装置及方法，其能够在工业现场在线的检测电机运行效率，安装方便，操作简单。
本发明技术方案是：一种便携式电机效率现场检测装置，包括信号采集模块、处理器模块、显示模块；所述信号采集模块的输入端电连接电机的输出端，用于电机运行的数据采集；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，所述装置还包括人机交换设备，所述人机交换设备的输出端电连接处理器模块的输入端。
一种便携式电机效率现场检测方法，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定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic；
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.通过电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic计算出电机单个周期内的定子端的平均输入功率P1；
S4.由电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic以及定子电阻Rs，获得电机的气隙转矩Tair；
S5.对电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic分别通过(3)、(4)式进行Clark变换，然后根据波波夫超稳定性理论来设计模型参考自适应系统，可得到转速n的辨识规律框图；
S6.对电机进行不同频率下空载试验，确定电机的风摩损耗Pfw和杂散损耗Ps；
S7.由电机的转速n得出电机在单个周期内的转子铜耗的PCu；
S8.由电机的气隙转矩Tair、转子铜耗的PCu、风摩损耗Pfw和杂散损耗Ps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：
进一步的，所述S4电机的气隙转矩Tair通过(2)式求得：
进一步的，所述S5中的方法具体为：对电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic分别通过(3)、(4)式进行Clark变换，得到uα、uβ、iα、iβ；并把进而，我们把式(5)作为参考模型，把(6)作为可调模型，根据波波夫超稳定性理论来设计模型参考自适应系统，可得到转速的辨识规律框图：
qm＝(iαuβ-iαuα)-σLs(iαpiβ-iβpiα) (5)
此式中qm——电机无功功率的参考值、——电机无功功率的估计值、Lm——漏感、Ls——电机定子电感、Lr——电机转子电感、Tr——转子时间常数、——转速的估计值、——转子α轴磁链的估计值、——转子β轴磁链的估计值、Kp——比例调节系数、Ki——积分调节系数、p——微分算子。
进一步的，所述S7中电机在单个周期内的转子铜耗PCu计算为：由式(8)计算出电机的转差率s，并由(9)式求得电机的转子铜耗PCu；
PCu＝sTair (9)
上式中s——电机转差率、ns——电机同步转速。
进一步的，所述S8中电机的输出功率P2由式(10)求得：
进一步的，所述S9中电机的瞬时效率η通过(11)式求得:
本发明的有益效果是：
本发明基于传统的气隙转矩效率测试方法，然后进行了改进，仅需要采集电机的电压信号和电流信号就可以在线检测出电机效率，突破了其他装置只能使用扭矩传感器或转速传感器测试电机效率的局限性，其安装方便，结构简单，可以用于变频器控制下的电机效率检测，具有良好的应用前景。
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3是本发明实施例转速的辨识规律示意框图。
图中：1稳压电源；2变频器；3电机；4联轴器；5负载；6电压传感器；7电流传感器；8人机交换设备；9数据采集卡；10处理器模块；11显示器。
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，本实施例中一种便携式电机效率现场检测装置为：
在电机的接线端子处安装电压传感器6和电流传感7；在所述电机的输出轴的轴端安装电机负载5；在电动机3和负载5通过连轴器4相连；所述电机3为鼠笼型三相异步电动机，电机的供电电源为稳压电源1，电机的运行方式由变频器2控制，在电机运行效率监控系统中安装数据采集卡9，用于向处理器模块10传输各类传感器测得的数据，人机交换设备8用来向处理器模块10输入必要的电机参数；显示器11用来显示处理器模块10的计算结果。
所述电压传感器7的测量带宽要为十倍变频器的最高脉冲频率；所述电流传感器6串联在电机的输入电压线中；所述人机交换设备8和处理器模10块相连，为电机电阻、电感、额定功率等相关参数的输入设备；所述的数据采集卡9可以实现6路信号的同时采集，其采样带宽在250KHz以上，通过USB端口和处理器10相连，主要用来采集电压信号和电流信号，然后把所采集到的信号传输给处理器模块；处理器模块主要由FPGA为核心的微处理器来实现，用来计算实时的电机的运行效率。
结合附图2，本实施例还涉及一种便携式电机效率现场检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：
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定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic；
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.通过电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic计算出电机单个周期内的定子端的平均输入功率P1，平均输入功率P1的测量为变频输入功率的测量；
S4.由电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic以及定子电阻Rs，获得电机的气隙转矩Tair；
S5.对电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic分别通过(3)、(4)式进行Clark变换，然后根据波波夫超稳定性理论来设计模型参考自适应系统，可得到转速n的辨识规律框图；
S6.对电机进行不同频率下空载试验，确定电机的风摩损耗Pfw和杂散损耗Ps；
S7.由电机的转速n和得出电机在单个周期内的转子铜耗的PCu；
S8.由电机的气隙转矩Tair、转子铜耗的PCu、风摩损耗Pfw和杂散损耗Ps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：
所述S4电机的气隙转矩Tair通过(2)式求得：
结合附图3，所述S5中的方法具体为：对电机的定子电压uA、uB、uC和定子电流iA、iB、ic分别通过(3)、(4)式进行Clark变换，得到uα、uβ、iα、iβ；并把进而，我们把式(5)作为参考模型，把(6)作为可调模型，根据波波夫超稳定性理论来设计模型参考自适应系统，可得到转速的辨识规律框图，利用电机的模型参考自适应系统(MRAS)识别出电机的转速n：
qm＝(iαuβ-iαuα)-σLs(iαpiβ-iβpiα) (5)
此式中qm——电机无功功率的参考值、——电机无功功率的估计值、Lm——漏感、Ls——电机定子电感、Lr——电机转子电感、Tr——转子时间常数、——转速的估计值、——转子α轴磁链的估计值、——转子β轴磁链的估计值、Kp——比例调节系数、Ki——积分调节系数、p——微分算子。
所述S6中利用三相感应电动机实验方法(GB/T 22670-2008)中的规定，确定电机的风摩损耗Pfw和杂散损耗Ps。
所述S7中电机在单个周期内的转子铜耗PCu计算为：由式(8)计算出电机的转差率s，并由(9)式求得电机的转子铜耗PCu；
PCu＝sTair (9)
上式中s——电机转差率、ns——电机同步转速。
所述S8中电机的输出功率P2由式(10)求得：
最后，所述S9中电机的瞬时效率η通过(11)式求得:
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。
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