專利名稱：非侵入式電機效率在線檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電棚犬態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地iM—種非^A^電^!M率在線 ""背景技術(shù)：
電機為Wl、泵、壓 、 t膽等各種設(shè)^f共動力，是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的動 力驅(qū)動設(shè)備，^x業(yè)自動化系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。電機M工業(yè)生產(chǎn)中的主要耗能設(shè) 備。然而由于電機技7ttxK平落后、能勤MH氏、運行負(fù)載與額定負(fù)載不匹配、帶故障運 行、缺乏先進的能源管歡法等原因，目前我國工業(yè)生產(chǎn)中電^t行效率側(cè)氐、能源浪 費嚴(yán)重，電禮系aW巨大的節(jié)能潛力。因此研究開發(fā)低成本電豐臟線監(jiān)測方法和系統(tǒng) 技術(shù)，是實施電機能源管理、實現(xiàn)中小型電機節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵。
現(xiàn)有的電+ 測技術(shù)和手段都比較落后，大多數(shù)電機生產(chǎn)樹細(xì)廠家仍在《細(xì)電壓 表、電、綠、轉(zhuǎn)速表劐義^^ffli測^if務(wù)，這樣不僅工作效率低、3踱大，而且在 工業(yè)節(jié)能改造過程中，也無法衙共充足有效的電^t行數(shù)據(jù)，使得節(jié)能改造缺乏有效的 科學(xué)依據(jù)。而且，在電^L^產(chǎn)或f細(xì)廠家中，電^LX^^制組件的布局都已經(jīng)確定，這 使得通常的監(jiān)測^S安^o:作量大，并且^破壞設(shè)備的合理空間安排。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中電棚犬態(tài)監(jiān)測存在的無法提供充足有效的電^Ut行數(shù)據(jù)等缺 陷，本實用新型要餘央的技術(shù)問H^銜共一種可實^x純^it行狀態(tài)的在線監(jiān)測，將監(jiān) 測數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測計算機、并支持遠(yuǎn)程監(jiān)測計Ml的控制操作的非^A^電^l^率 在線檢測組
為解決上述技術(shù)問題，本實用新型釆用的技術(shù)方案是
本實用新型一種非i^式電豐/L^率在線檢測裝置包拾傳感絲元，將采集到 的電機線電流、線電壓信號轉(zhuǎn)腦弱電壓信號;信號釆集處理單元，對從傳感鮮元得到 的電壓信號進行數(shù)字化，再經(jīng)過運算處理得出監(jiān)測結(jié)絲送^t信單元；通信單元，將 接收到信號釆集處理單元輸出數(shù)^t淑線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測計算機，并將監(jiān)測計算豐服 饋的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)對言號采集處理單元。
所述傳感^元包括AC-Ddt塊、霍爾電壓傳感器以及霍爾電流傳感器，其中 AC-DC^i^j各傳感器供電，并銜維感絲元輸出信號的##地電平；霍爾電壓傳 感器接于異步電機的兩相電源線中以檢測電機的線電壓；霍爾電流傳感器的通孔穿于異 步電機的樹目電源線上以檢測電機的線電流；
所述信號采集處理單元包括調(diào)理電路模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊以^DSP模塊,其中 調(diào)理電^^細(xì)于辦感絲元輸入的信號調(diào) 所需的電壓等級;撒數(shù)轉(zhuǎn)換電l^t塊 以一頻率連續(xù)從調(diào)理電^#塊采集數(shù)干個電壓信號，構(gòu)成等時間間隔的數(shù)字序列；DSP 模糊對J^數(shù)字序列進行分析處理，并將結(jié)殺送輔言單元。所述調(diào)理電^ti她括由運算放大對勾成的比例電路和隔離電路，其中比例電路與 從傳感 出的電壓信號與信號采集處理單元的電平共地，對輸入的電壓信號進行幅值
縮放和電平抬先隔離電路為電壓^^器，作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電^ti^r入端前的一級緩
沖部件
所述通信單元的核心為無線射頻模塊和單片機，單片^it行無線協(xié)議棧，控制無線 射頻模塊的工作，并銜共串行通信接口支持。 本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點
1. 本實用新型采用在線的監(jiān)測技術(shù)，能夠迅赦時i販映出f組測電機的狀態(tài)， 為進行進一步的電^t行狀況分析提供了充足的數(shù)據(jù)支持,應(yīng)用本實用新型可以t自 立完善的在線電棚犬態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；
2. 安裝方式簡單，劉方tt空間要求低，使得jth^ft應(yīng)用M非常方便，大大^J、 了安M測系纈斥需要的工作量，斷氐了難度；
3. 本實厄頓留有夕h^電流傳感器接口，結(jié)^f細(xì)不同型號的分立式電流傳感器, 可以iiJII于各種船各的異步交流電機；
4本實用新型中的電流傳感器為磁平衡式霍爾傳感器，具有精度高、低溫漂和抗 干擾能力強的特點；同時應(yīng)用了多種數(shù)據(jù)校驗技術(shù)^fH十鎌度的方法，保證了數(shù)據(jù) 的高精度和準(zhǔn)確性；
5. 本實用新MM細(xì)的無線通信單元，采用的是基于802.15.4協(xié)議的無線射頻技
術(shù)，該技術(shù)^tto^本、短時延、高安全ti、高網(wǎng)絡(luò)容量的掩^，這使得jt戰(zhàn)置可以作
為分布式系^^構(gòu)的底層監(jiān)測站，由高層的監(jiān)測計算豐;i^對^^監(jiān)測點進行統(tǒng)籌管理、
監(jiān)測顯示以及進一步的分析處理；
6. 由于本實用新型釆用的控制方法主要<細(xì)各種可靠算法*^斧效率、損耗、功
率、耗電量等各種電機的實際運行數(shù)據(jù)，斷氐了對數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)上硬件的要求，不需要
1M1各種昂貴的測量儀器，成^^低；

圖i為本實用新型整體結(jié)構(gòu)框歐
圖2A、 2B為本實用新型中傳感器電路原理歐
圖3為本實用新型中信號采集處理電路的調(diào)理電斷彭Af、理歐圖4為本實用新M^用的控制方法流程歐
圖5為本實用IIM^用的方法中DSP餅算法關(guān)系歐
圖6為本實用新型釆用的方法中DSP程序算法流程歐
具體實施方式
本實用新型剩￡\式電機效率在線檢測裝錢一種基于駄式計算和無線通信技 術(shù)的監(jiān)溯mi^法，支#^布式應(yīng)用，縣較強的翻性。
如圖i所示，本實用新型由傳感鮮元、信號釆集處理單元以及通信單元三部分構(gòu)
成，三個單^;f在的電斷反通過線t^接在一起，來完成信號獲取、釆集、處理和通信 的所有功能。其中，傳感絲元負(fù)責(zé)將本實用新型需要檢測的電機線電壓、線電流轉(zhuǎn)換
為易于測量的弱電壓信號；信號釆集處理單元，對從傳感辨元得到的弱電壓信號進行釆集，將其數(shù)字化，并根據(jù)釆集到的數(shù)^^行運算，得出所需要的各種監(jiān)測結(jié)^^送給
通信單元；通信單元將接收到信號采集處理單元輸出的數(shù)^ii淑線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送^^程監(jiān)
測計算機，并將監(jiān)測計算^R饋的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)紛言號釆集處理單元。
下面對各單繊亍詳細(xì)介紹。
如圖l、圖2A、圖2B所示，傳感 元主要由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器 (釆用磁平衡式)和用于給各傳感器銜共直流工作電壓及##地電平的AC-DC模塊三 部分組成。霍爾電壓傳感器共有兩組，用于測量與電^1^連接的三相交流電的A—B和 C—A兩個線電壓;霍爾電流傳感器也有兩組,用于檢測電機A相和B相的定子線電流， 電機的定"f^接電纜只需要從霍爾電流傳感器的通孔中穿過，即可從霍爾電流傳感器的 輸出端子獲得電纜中所流過電流對應(yīng)的輸出電壓量。 —
如圖1所示，所述信號采集處理單元包一彌理電^t塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電斷莫塊以及 DSP模塊(本實施例釆用TMS320F2812 )，其中調(diào)理電路模i細(xì)于t^感M元輸入的 信號調(diào) 所需的電壓等級，即將電壓信號從-5V-5V調(diào)理到0 3.3V;模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模塊以固定頻率從調(diào)理電銜莫塊釆集電壓信號，連續(xù)采集針次，構(gòu)成等時間間隔的數(shù) 字序列；DSP模鄉(xiāng)、樹J^數(shù)字序列進行分析處理，并將結(jié)^t送纟^t信單元。
如圖3所示，由刊言號采集處理單^射細(xì)的DSP模i妙卜設(shè)電壓為33V,該電路 板上的調(diào)理電路模塊都選用單電源模塊。調(diào)理電路模塊主要由運算放大 成的比例電 路和隔離電路兩部分組成，從傳感M元輸出的電壓信號與信號采集處理電路板的電平 共地，在圖3中表示為K, K被比例電路進行衞纖小，同時，因為所《細(xì)的運算放大
器為單電源供電，所以由偏置電壓^榭言號的電平抬升，經(jīng)過比例電路后，待觀檔號 已經(jīng)成為0 3.3V的電壓信號^;隔離電^一個電壓跟隨器，所起的作用是在模數(shù)
轉(zhuǎn)換芯片輸入端前增加一級緩沖，并增大待測言號的驅(qū)動能力。
待測電壓信號經(jīng)過調(diào)理電路模塊的調(diào)理之后，^A高速傲數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊(ADC) 的輸入端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電斷莫塊在DSP模塊的控制下，對輸入的待測電壓信號進行模/數(shù) 轉(zhuǎn)換，并將結(jié)M回給DSP模塊。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊每次以某個固趙頁率連續(xù)采樣若 干次,紐該頻率值和連續(xù)釆樣的次數(shù)都可以根據(jù)待測電機情況的不同，而選擇不同值。 逛且連續(xù)釆樹辱到的數(shù)字序列即為后續(xù)進行所有運算的基礎(chǔ)，錢稱之為"原始數(shù)據(jù)"。
如圖1所示，通信單元的核心為是一個基于802.15.4協(xié)議的2.4G無線射頻模塊(本 實施例采用CC2420)和單片機，單片機運行無線協(xié)議棧，控制無線射頻模塊的工作， 并對共串行通信接口支持。
DSP模塊運行算法實^1^流程控制禾辨，該禾辨流程圖如圖4所示，其包括以下步
徵
上電初始化；
信號釆集處理單元控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換電斷莫i^i行原始數(shù)據(jù)采集； 計^^電機的監(jiān)測錄；
計算結(jié)東后則將l^測^f[的計算結(jié)M送纟^i信電m反； 判斷是否接收到M配置幀，如接收到，則修改電機的配*1#; 判斷是否接收到原始數(shù)據(jù)幀，如接收到，則釆集相應(yīng)原始數(shù)據(jù)，并發(fā)送；
5返回進行原始數(shù)據(jù)采集步驟，循環(huán)浙行；
如果沒有接收到原始數(shù)掛青求幀，則返回進行原始數(shù)據(jù)采集步欺如果沒有接收到 #|夂配置幀，則直接轉(zhuǎn)至判斷是否接收到原始數(shù)衞青求幀步聚
dsp模辦A運行的算法實Jl^流程控制禾銀的核心是電棚犬態(tài)^i:計算部分,其中 的算法關(guān)系如圖5所示，據(jù)此關(guān)系編寫的算法實鄉(xiāng)辨流程圖如圖6所示。首先對原始
數(shù)^t行預(yù)處理，計t^入功率，計算電壓電流有效值、沖贓功率和功率因數(shù)；然后依
次計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，進而計算出輸出功率和效率；驗進行電量累加計算。該部刺又根 據(jù)電^ix作時的電流、電壓量，即可計算出常規(guī)電 測中所要求的所有錄。
預(yù)處理^^據(jù)釆對莫塊得到的四路原始數(shù)t^行去均值處理，根據(jù)需要對數(shù)據(jù)重
釆樣，并轉(zhuǎn)^J對應(yīng)的實際物理量。
輸入功率對^t^樣點的瞬時輸入功率求和，得到輸入功率；
電流電壓有效值分別對各采樣點的值求和，計算得到電機的兩個線電壓和兩個線
電流；
鵬力率根據(jù)電流電壓有效值計算得出； 功率因數(shù)根 ^入功率和,贓功率計算得到；
轉(zhuǎn)速由定子電流信號，禾擁齒諧^^封古算電機轉(zhuǎn)赦轉(zhuǎn)差率。ith^法需要先計 算出電壓頻率和同步轉(zhuǎn)速，確定齒諧波的頻帶范圍；
轉(zhuǎn)炬由電流電壓有效值，禾擁氣隙轉(zhuǎn)棘，估算電繊出轉(zhuǎn)矩； 輸出功率根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算得到； 效率根 ^入功率 出功率計算得到； 電量根 ^入功率和釆樣周期等計算得到。
通信單元1^^的無線射頻模iM CC2420,完全支持802.15.4,以其為基礎(chǔ)，■ 的無線協(xié)iM Zigbee協(xié)議，所以單片和程序的基礎(chǔ)部M實現(xiàn)Zigbee協(xié)議功能的協(xié)議 棧，它負(fù)責(zé)所有與Zigbee網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能，確 _信環(huán)節(jié)中無線鏈路的暢通。信息轉(zhuǎn)發(fā) 模:t^^立在Zigbee協(xié)議^^礎(chǔ)^Ji,它接收dsp發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后利用協(xié)議棧的 收發(fā)功能，將其通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，同時將從無線射頻芯片接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給 dsp模塊。dsp模塊與監(jiān)測計算^L^間交互的信息類型有多種，而不同的信息類型對時 延、應(yīng)答等方面的要求不同，逃都由單片棚犬態(tài)維護模塊來完成；它通過控制信息轉(zhuǎn) 發(fā)模塊中的針組狀態(tài)禾tt完成^^l不同類型信息的需求。
權(quán)利要求1. 一種非侵入式電機效率在線檢測裝置，其特征在于包括傳感器單元，將采集到的電機線電流、線電壓信號轉(zhuǎn)換為弱電壓信號；信號采集處理單元，對從傳感器單元得到的電壓信號進行數(shù)字化，再經(jīng)過運算處理得出監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給通信單元；通信單元，將接收到信號采集處理單元輸出數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測計算機，并將監(jiān)測計算機反饋的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給信號采集處理單元；
2. 按權(quán)利要求1所述的非{￡>^電微率在線檢測錢，期維在于所述傳感器 單元包括AC-Ddt塊、霍爾電壓傳感器以及霍爾電流傳感器，其中AC-DdtiM各傳 感器供電，并對辦感辨元輸出信號的轉(zhuǎn)地電平；霍爾電壓傳感器接于異步電機的 兩相電源線中以檢測電機的線電壓；霍爾電流傳感器的通孔穿于異步電機的勒目電源線 上以檢測電機的線電流。
3. 按權(quán)利要求1所述的非^A^電^L^率在線檢測錢，期射正在于所述信號釆 集處理單元包括調(diào)理電路模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊以及DSP模塊,其中調(diào)理電路模土細(xì) 于##感#元輸入的信號調(diào) 所需的電壓等貌模/數(shù)轉(zhuǎn)換電^^塊以一頻率連續(xù)從 調(diào)理電^t塊采集數(shù)干個電壓信號，構(gòu)成等時間間隔的數(shù)字序列；DSP模i妙樹l^數(shù) 字序列進行分析處理，并將結(jié)絲送糊言單元。
4. 按權(quán)利要求3所述的非MA^電^L^率在^^測錢，期射正在于所述調(diào)理 電斷莫i她括由運算放大對勾成的比例電路和隔離電路,其中比例電路與從傳感 出 的電壓信號與信號釆集處理單元的電平共地，對輸入的電壓信號進行幅^M放和電平抬 先隔離電路為電壓跟隨器，作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電斷莫i^^A^前的一級緩沖部件。
5. 按權(quán)利要求1所述的非^A^電^1^率在線檢測體，期射正在于所述通信 單元的楊。為無線射頻模塊和單片機，單片^t行無線協(xié)議棧，控制無線射頻模塊的工 作，并對共串行通信接口支持。
專利摘要本實用新型涉及一種非侵入式電機效率在線檢測裝置，包括傳感器單元，將電機線電流、線電壓信號轉(zhuǎn)換為弱電壓信號；信號采集處理單元，對從傳感器單元得到的電壓信號進行數(shù)字化，再經(jīng)過運算處理得出監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給通信單元；通信單元，將接收到信號采集處理單元輸出數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測計算機；方法包括上電初始化；進行原始數(shù)據(jù)采集；計算各個電機的監(jiān)測參數(shù)；將監(jiān)測參數(shù)的計算結(jié)果發(fā)送給通信電路板；修改電機的配置參數(shù)；判斷是否接收到原始數(shù)據(jù)幀，如接收到，則采集相應(yīng)原始數(shù)據(jù)，并發(fā)送；返回進行原始數(shù)據(jù)采集步驟，循環(huán)執(zhí)行。本實用新型可以快速建立完善的在線電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、安裝簡單，減小了安裝監(jiān)測系統(tǒng)所需要的工作量。
文檔編號G01R31/34GK201285434SQ20082021918
公開日2009年8月5日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者張吉龍, 李謙詳, 胡河春, 胡靜濤, 郭前進, 雷 高, 昊 黃 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所