一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统及方法与流程

本发明涉及高压电机能效计量检测领域，更具体地，涉及一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统及方法。

背景技术：

高压电机是大型重工业生产应用中不可缺少的设备，高压电动机可用于驱动各种不同机械之用。如压缩机、水泵、破碎机、切削机床、运输机械及其它设备，供矿山、机械工业、石油化工工业、发电机等各种工业中做原动机用。因此，高压电机的用电量约占工业用电的60％左右，因此提高高压电机的运行能效，减少高压电机的内部损耗在目前倡导环境保护，节能减排的大环境下显得尤为重要。开展高压电机能效计量第三方检测，产电机品性能升级，电机再制造以及低效电机淘汰方面均涉及效率测量，电机效率的普通工程测试方法、不确定度评定和测量系统量值溯源体系无法满足需求，尤其是在高压电机能效计量检测第三方独立实验室处于空白阶段，直接影响高压电机能源效率测试及各项具体损耗参数的准确计量，直接影响相关检查监督管理政策落实和节能减排的工作开展。

因此本发明提供了一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量技术，以解决对高压电机能效的计量检测问题。

技术实现要素：

本发明的技术方案提供了一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统，以解决目前高压电机能效的计量检测的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于高压电机能效计量检测的系统，所述系统包括宽带功率传感器、宽带功率分析仪以及光纤通信单元；

所述宽带功率传感器将高压电机输出的电压信号和电流信号转变为低电压信号，并对所述低电压信号和电流信号进行计算，获取所述电压信号和电流信号的数值；

所述宽带功率传感器通过所述光纤通信单元将所述经过转换的低电压信号传输至所述宽带功率分析仪；

所述宽带功率分析仪通过对所述接收的低电压信号进行特征量运算，获取高压电机的输出功率。

优选地，所述宽带功率传感器包括第一传感器支路、第二传感器支路和宽带功率传感器主处理器CPU，

所述第一传感器支路包括电压信号变送器、低通滤波器、量程转换器、AD转换器、频率测量电路、同步源切换单元，所述宽带功率传感器支路用于将高压电机输出的电压信号经过所述电压信号变送器后转变为低电压信号，输入所述低通滤波器，所述低电压信号经过所述低通滤波器输出至量程转换器，所述经过转换后的电压信号进入AD转换器或输入频率测量电路；

所述第二传感器支路包括电流信号变送器、低通滤波器、量程转换器、相位补偿单元、AD转换器、频率测量电路、同步源切换单元，所述宽带功率传感器支路用于将高压电机输出的电流信号经过所述电流信号变送器后输入所述低通滤波器，所述电流信号经过所述低通滤波器输出至量程转换器，所述电流信号经过所述相位补偿单元进入AD转换器或输入频率测量电路；

经过所述AD转换器转换的电压信号以及电流信号输入所述宽带功率传感器主处理器CPU；

所述经过频率测量电路输出的电压信号以及电流信号经过同步源切换将电压信号及电流信号切换为同步源信号，所述同步源信号输入所述宽带功率传感器主处理器CPU。

优选地，所述电压信号、所述电流信号输入所述量程转换器后，通过所述宽带功率传感器主处理器CPU自动或手动进行量程转换。

优选地，所述经过频率测量电路输出的电压信号以及电流信号经过同步源通过所述宽带功率传感器主处理器CPU自动或手动进行切换将电压信号及电流信号切换为同步源。

优选地，所述宽带功率分析仪包括实时通讯控制器FPGA，显示单元以及宽带功率分析仪主处理器CPU，所述实时通讯控制器FPGA接收所述光纤通信单元传输的信号；

所述宽带功率分析仪主处理器CPU通过所述实时通讯控制器FPGA获取信号，并对所述信号进行离散傅里页DFT及特征量运算。

优选地，所述实时通讯控制器FPGA通过同步逻辑控制，能够与多个光纤通信单元传输信号，并设置接收容量范围不超过100KRAM高速缓存信号数据。

优选地，所述经过所述宽带功率分析仪主处理器CPU运算后的数据，通过显示单元进行显示，所述显示数据包括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流算术平均值avg1、电压和电流对应的平均功率avg2、基波有功功率h001、0～99次谐波的幅值和相位频域特征量及实时波形。

优选地，宽带功率分析仪测量模式包括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1；

若高压电机是正弦供电的交流电机，所述测量模式为包括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1四种模式中的任一种；

若高压电机是变频器供电的交流电机，所述电压、电流、基波信号采用基波有效值h01模式进行测量。

优选地，若所述高压电机进行叠频试验，所述电压、电流采用电压和电流的真有效值rms模式进行测量，所述功率采用基波、谐波电压和电流的算术平均值avg1模式进行测量。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种用于高压电机能效计量检测的方法，所述方法包括：

将高压电机输出的电压信号和电流信号转变为低电压信号；

对所述低电压信号和电流信号进行计算，获取所述电压信号和电流信号的数值；

通过所述宽带功率传感器通过所述光纤通信单元将所述经过转换的低电压信号传输至所述宽带功率分析仪；

通过所述宽带功率分析仪通过对所述接收的低电压信号进行特征量运算，获取高压电机的输出功率。

本发明的技术方案提供了一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统，为高压电机能将计量检测中参数测量的准确性提供了依据，保证了高压电机设备能效计量的有效性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统结构图；以及

图2为根据本发明实施方式的一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统的电路接线图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统结构图。本发明提供一种于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统，提高了高压电机能效计量检测中参数的准确性，保证了高压电机能效计量的有效性。如图1所示，系统包括宽带功率传感器、宽带功率分析仪以及光纤通信单元。宽带功率传感器将高压电机输出的电压信号、电流信号转变为低电压信号，并对电压信号、电流信号进行计算，获取电压信号、电流信号数值。宽带功率传感器通过光纤通信单元将经过转换的电压信号传输至宽带功率分析仪。宽带功率分析仪通过对接收的信号进行特征量运算，获取高压电机的输出功率。本发明提出的系统用于检测高压电机输出的频率为0.1～200Hz下的电压电流以及功率参数，本发明的实施方式中，高压电机输出电压为10KV，电流为200A。

优选地，本发明提出的宽带功率传感器包括两条连接支路，分别为第一传感器支路和第二传感器支路。本发明提出的系统第一传感器支路中的电压信号变送器、第二传感器支路中的电流信号变送器分别将高压电机输出的电压、电流信号转换为低电压信号。在第一传感器支路中，转换后的低电压信号经过低通滤波器进行处理，低通滤波器预先设置可以通过的谐波的频次，本发明的实施方式中，低通滤波器预先设置可通过的谐波频次为0至99次。低电压信号通过低通滤波器后，频次高于99的谐波将被消除，频次介于0至99次之间的谐波，能够通过低通滤波器。低通滤波器的设置目的是去掉低电压信号中的噪声，做到去伪存真，减少混叠。低通滤波器输出的低电压信号，经过量程转换器，将低电压信号放大5倍至10倍后进入AD转换器或进入频率测量单元。进入AD转换器的信号，AD转换器将接收到的电压、电流模拟信号转化为宽带功率传感器主处理器CPU能够接收的二进制形式的数字信号，并将转化后的数字信号输入至宽带功率传感器主处理器CPU。第一传感器支路中，低通滤波器输出的低电压信号，经过量程转换器进入频率测量单元的信号，进行频率测量，再进行电压、电流信号同步源切换，将同步切换后的信号输入宽带功率传感器主处理器CPU。在第二传感器支路中，转换后的低电压信号经过低通滤波器进行处理，低通滤波器预先设置可以通过的谐波的频次，本发明的实施方式中，低通滤波器预先设置可通过的谐波频次为0至99次。低电压信号通过低通滤波器后，频次高于99的谐波将被消除，频次介于0至99次之间的谐波，能够通过低通滤波器。低通滤波器的设置目的是去掉低电压信号中的噪声，做到去伪存真，减少混叠。低通滤波器输出的低电压信号，经过量程转换器，将低电压信号放大输入至相位补偿单元，将交流电产生的相位差补偿为同相位。第二传感器支路中经过相位补偿后的同相位信号，输入至AD转换器或进入频率测量单元。进入AD转换器的信号，AD转换器将接收到的电压、电流模拟信号转化为宽带功率传感器主处理器CPU能够接收的二进制形式的数字信号，并将转化后的数字信号输入至宽带功率传感器主处理器CPU。第二传感器支路中，低通滤波器输出的低电压信号，经过量程转换器进入频率测量单元的信号，进行频率测量，再进行电压、电流信号同步源切换，将同步切换后的信号输入宽带功率传感器主处理器CPU。

优选地，第一传感器支路和第二传感器支路具体结构包括：

第一传感器支路包括电压信号变送器、低通滤波器、量程转换器、AD转换器、频率测量电路、同步源切换单元，宽带功率传感器支路用于将高压电机输出的电压信号经过电压信号变送器后转变为低电压信号，输入低通滤波器，低电压信号经过低通滤波器输出至量程转换器，经过转换后的电压信号进入AD转换器或经过频率测量电路。

第二传感器支路包括电流信号变送器、低通滤波器、量程转换器、相位补偿单元、AD转换器、频率测量电路、同步源切换单元，宽带功率传感器支路用于将高压电机输出的电流信号经过电流信号变送器后输入低通滤波器，经过滤波器的电流信号经过低通滤波器输出至量程转换器，电流信号经过相位补偿单位进入AD转换器或经过频率测量电路。

优选地，经过AD转换器转换的电压信号以及电流信号输入宽带功率传感器主处理器CPU。

优选地，经过频率测量电路输出的电压信号以及电流信号经过同步源切换将电压信号及电流信号切换为同步源信号，同步源信号输入宽带功率传感器主处理器CPU。

优选地，电压信号、电流信号输入量程转换器后，通过宽带功率传感器主处理器CPU自动或手动进行量程转换。

优选地，经过频率测量电路输出的电压信号以及电流信号经过同步源通过宽带功率传感器主处理器CPU自动或手动进行切换将电压信号及电流信号切换为同步源。

同步源是为了实现电压与电流或多个通道的同步采样。对于同一个系统，比如说一台三相或多相电机，电压和电流的基波频率是完全相同的，因此，只要知道某一电压或电流通道的基波频率，而其它电压或电流通道均以该通道为参考。这个通道，即为同步源。如果三通道的功率分析仪采集一个三相的电压电流信号，如果没有同步源，计算三相电功率的时候就会出错。本发明实施方式中，利用同步源，保证了是同一时刻三个通道的电压电流计算出来的功率。

优选地，宽带功率传感器主处理器CPU将接收到的信号进行计算处理后，将结果数据信号通过光纤通信单元输出至宽带功率分析仪。宽带功率分析仪的实时通讯控制器FPGA通过串行通信接口SCI接收光纤通信单元传输的结果信号，实时通讯控制器FPGA在同步逻辑控制器的控制下，能够与多台光纤通信单元进行通信。为了保证高速数据传输的实时性，实时通讯控制器FPGA设置了大容量的高速缓存，并设置接收容量范围不超过100KRAM高速缓存信号数据。宽带功率分析仪中采用工业嵌入式宽带功率分析仪主处理器CPU。宽带功率分析仪主处理器CPU通过实时通讯控制器FPGA接收数据，宽带功率分析仪主处理器CPU对接收的数据经过离散傅里叶变换DFT，通过显示单元显示电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1、电压和电流对应的平均功率avg2、基波有功功率h001、0～99次谐波的幅值和相位频域特征量及实时波形。

优选地，宽带功率分析仪结构包括实时通讯控制器FPGA，显示单元以及宽带功率分析仪主处理器CPU，实时通讯控制器FPGA接收光纤通信单元传输的信号。宽带功率分析仪主处理器CPU通过实时通讯控制器FPGA获取信号，并对信号进行离散傅里页变换DFT及特征量运算。

优选地，宽带功率分析仪测量模式包括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1。若高压电机是正弦供电的交流电机，测量模式可以为括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1四种模式中的任一种。若高压电机是变频器供电的交流电机，电压、电流、基波信号采用基波有效值h01模式进行测量。

优选地，若高压电机进行叠频试验，电压、电流采用电压和电流的真有效值rms模式进行测量，功率采用基波、谐波电压和电流的算术平均值avg1模式进行测量。

图2为根据本发明实施方式的一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量系统的电路接线图。如图2所示，宽带功率分析仪测量模式包括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1四种模式，若高压电机是正弦供电的交流电机，测量模式可以为括电压和电流的真有效值rms、基波有效值h01、电压和电流的校准平均值Mean、电压和电流的算术平均值avg1四种模式中的任一种。若高压电机是变频器供电的交流电机，电压、电流、基波信号采用基波有效值h01模式进行测量。

优选地，若高压电机进行叠频试验，电压、电流采用电压或电流的真有效值rms模式进行测量，功率采用基波、谐波算术电压和电流的平均值avg1模式进行测量。

图2中A、B、C指三相电压，连接电压传感器一次端A、B和电流传感器一次端P1、P2，电压传感器的二次端a、b和电流传感器的S1、S2都连接到宽带功率传感器中，宽带功率传感器中电压电流处理单元UI将接受的电压电流信号进行处理计算转化为数字信号，经过发射端T和接受端R，将信号通过光纤传输到宽带功率分析仪，并在宽带功率分析仪中的电压电流功率处理单元UIP中进行解析和波形分析，最终在宽带功率分析仪上显示。其中L、N是宽带功率传感器的电源端口。

本发明提供了一种用于高压电机能效计量检测的宽带功率测量方法及系统，为高压电机能效计量检测中参数测量的准确性提供依据，保证了高压电气设备能效计量的有效性。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。