CN103344368B - 基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了鼠笼式异步电机能效在线监测技术领域的一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法。首先，通过分析采集到的定子电流中的转子槽谐波信号辨识得出转子转速；其次通过采集机端定子电压和定子绕组电流分析得出电机转子轴输出转矩，进而利用输出转矩和转速求出电机输出功率，达到辨识电机运行能效的目的。本发明解决了电机转子轴输出转矩及转速无法直接测量的问题，该方法在现场应用具有操作简单，能够快速得出电机运行能效，不仅适用于普通斜槽转子电机，也适用于电机转子槽谐波磁动势与气隙谐波磁动势混叠的电机。

Description

基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法

技术领域

本发明属于鼠笼式异步电机能效在线监测技术领域，尤其涉及一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法。

背景技术

在电机能效评估中，现在普遍使用的效率测试方法是IEEE112B法，这是标准中推荐的电机能效判定方法，在电机能效判定或试验时通常采用该方法，其特点是在实验过程中，通过在电机和负载之间安装的扭矩转速传感器，实现对转矩和转速的精确测量，进而求得电机效率。但扭矩传感器很难直接应用于工程实际中，这使得电机转子轴输出机械转矩及转速难以直接测出，导致输出机械功率求解十分困难，进而影响电机损耗及运行效率的准确判定，只能依靠一些估算方法来求取电机的输出转矩与转速。

电机能效在线测试的难点问题就是转速的辨识与输出转矩的辨识。关于转速辨识的常用方法有模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法和PI调节自适应法等，这些方法基本上都依赖于电机的数学模型，这样估计的转速精度直接与电机参数的准确度有关。而本发明通过机端测取电机定子电流分析转子槽谐波，由于电流谐波是由气隙磁通和气隙磁动势相结合产生的，且电流谐波直接与电机转速相关，因此避免了电机参数对电机转速的影响，达到了估算转速的目的。关于电机转矩辨识的常用方法大多采用转矩仪测转矩，但存在不同量程需要不同的传感器问题，并且转矩仪安装要求高、环境要求高和成本高等因素，导致其在实际工程中实施比较困难。

发明内容

针对工程实际中电机输出机械功率无法直接测量，导致其运行效率难以直接计算的问题，本发明提出了一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法。

一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定电气量采样频率f_s和采样周期T，采集定子电流分析得到鼠笼式异步电机的转子槽频率，并通过异步电机的转子槽频率得到电机转子转速n；

步骤2：通过采集定子电压和电流数据得到电机的气隙转矩T_gap；

步骤3：根据步骤1得出的电机转子转速n和步骤2得到的电机的气隙转矩，结合机械损耗P_fw和杂散损耗P_s得到电机输出转矩T₂；

步骤4：根据步骤1得出的电机转子转速n和步骤3得到的电机输出转矩T₂，得到电机输出功率P₂，从而得到电机的运行效率η。

步骤1中，电气量采样频率f_s和采样周期T满足的条件为：

f_s≥2f_r

其中，f_r为被采样信号的频率；

在采样频率f_s一定的条件下，数据采样周期T满足的条件为：

T>2f_r/f_s

步骤1中，鼠笼式异步电机的转子槽频率的计算公式为：

$f_{\mathrm{sh}}=f_1(Z_2\·\frac{1-s}{p}\±1)$

通过异步电机的转子槽频率，得到电机转子转速n的计算公式为：

$n=\frac{60(f_{\mathrm{sh}}\±f_1)}{Z_2}$

其中，Z₂为转子槽数；s为转差率；p为极对数；f₁为电源频率；f_sh为转子槽谐波频率；

针对电机转子槽谐波与齿谐波混叠的现象，通过计算负载率估算出电机负载运行时的转差率s_λ，并得出转子槽频率范围，进一步根据转子槽频率信号准确辨识出电机转速。负载率可用电机输入功率P₁、额定参数与空载参数得出：

$\mathrm{\λ}=\frac{-P_N/2+\sqrt{P_N^2/4+(\mathrm{\Δ}{P}_N-\mathrm{\Δ}{P}_0)(P_1-\mathrm{\Δ}{P}_0)}}{\mathrm{\Δ}{P}_N-\mathrm{\Δ}{P}_0}$

s_λ=(n₀-n_N)·λ/n₀

其中，ΔP_N为额定负载有功损耗；ΔP₀为空载有功损耗；n₀为同步转速；n_N为额定转速；λ为负载系数；s_λ为负载转差率。

步骤2中，电机的气隙转矩的计算公式为：

$T_{\mathrm{gap}}=\frac{\sqrt{3}p}{6}[(i_A-i_B){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}+(2i_A+i_B){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}]-\frac{60P_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}{n}_0}$

其中，i_A、i_B为A、B两相绕组电流；P_fe为电机铁耗，通过空载试验测得；n₀为同步转速；ψ_CA和ψ_AB分别代表t时刻线电压u_CA和u_AB对应的绕组磁链； $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}\left(t\right)={\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}\left(0\right)+{\∫}_0^t{u}_{\mathrm{CA}}\left(\mathrm{\ξ}\right)+R(2i_A\left(\mathrm{\ξ}\right)+i_B\left(\mathrm{\ξ}\right))\mathrm{d\ξ}\\ {\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)={\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}\left(0\right)+{\∫}_0^t{u}_{\mathrm{AB}}\left(\mathrm{\ξ}\right)-R(i_A\left(\mathrm{\ξ}\right)-i_B\left(\mathrm{\ξ}\right))\mathrm{d\ξ}\end{array}\right.,$ ψ_CA(0)和ψ_AB(0)分别示线电压u_CA和u_AB对应的绕组初始磁链；R为1/2的线间电阻值；p为电机极对数。

步骤3中，电机输出转矩的计算公式为：

$T_2=T_{\mathrm{gap}}-\frac{60P_{\mathrm{fw}}}{2\mathrm{\πn}}-\frac{60P_s}{2\mathrm{\πn}}$

其中，P_fw为机械损耗，通过电机空载试验测出；P_s为杂散损耗，为额定输入功率的0.5%；T_gap为电机的气隙转矩；n为电机转子转速。

步骤4中，电机输出功率P₂的计算公式为：

P₂=T₂·2πn/60

其中，n为电机转子转速；T₂为电机输出转矩。

步骤4中，电机的运行效率的计算公式为：

η=P₂/P₁

其中，P₂为电机输出功率；P₁为电机输入功率。

本发明的有益效果为：

（1）采用本发明所提供电机能效评估方法，由于只需要采集实际运行过程中的实时电气参数并对其进行处理即可，解决了电机转子轴输出转矩及转速无法直接测量的问题，该方法在现场应用具有操作简单，能够快速得出电机运行能效。

（2）采用本发明所提供的能效评估方法，仅仅需要记录电机机端电气量，试验方法简单，对电机能效测试方法的改进具有一定推动作用。

（3）本发明采用的依靠实时电气参数估算电机运行效率，不仅适用于普通斜槽转子电机，也适用于电机转子槽谐波磁动势与气隙谐波磁动势混叠的电机，且操作方便快捷。

附图说明

图1为鼠笼式异步电机能效在线辨识系统示意图；

图2为本发明提供的定子电流波形图和电压波形图；其中，(a)为定子电流波形图；(b)为定子电压波形图；

图3为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，额定负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图；

图4为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，额定负载条件下利用气隙转矩法分析得出的电机气隙转矩波形图；

图5为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，75%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图；

图6为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，75%负载条件下利用气隙转矩法分析得出的电机气隙转矩波形图；

图7为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，50%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图；

图8为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，50%负载条件下利用气隙转矩法分析得出的电机气隙转矩波形图；

图9为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，25%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图；

图10为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，25%负载条件下利用气隙转矩法分析得出的电机气隙转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定电气量采样频率f_s和采样周期T，采集定子电流分析得到鼠笼式异步电机的转子槽频率，并通过异步电机的转子槽频率得到电机转子转速n；

所述电气量采样频率f_s和采样周期T满足的条件为：

f_s≥2f_r

其中，f_r为被采样信号的频率；

在采样频率f_s一定的条件下，数据采样周期T满足的条件为：

T>2f_r/f_s

步骤1中，鼠笼式异步电机的转子槽频率的计算公式为：

$f_{\mathrm{sh}}=f_1(Z_2\·\frac{1-s}{p}\±1)$

其中，Z₂为转子槽数；s为转差率；p为极对数；f₁为电源频率；f_sh为转子槽谐波频率；

通过异步电机的转子槽频率，得到电机转子转速n转速的计算公式为：

$n=\frac{60(f_{\mathrm{sh}}\±f_1)}{Z_2}$

其中，Z₂为转子槽数；s为转差率；p为极对数；f₁为电源频率；f_sh为转子槽谐波频率；

针对电机转子槽谐波与齿谐波混叠的现象，通过计算负载率估算出电机负载运行时的转差率s_λ，并得出转子槽频率范围，进一步根据转子槽频率信号准确辨识出电机转速。负载率可用电机输入功率P₁、额定参数与空载参数得出：

$\mathrm{\λ}=\frac{-P_N/2+\sqrt{P_N^2/4+(\mathrm{\Δ}{P}_N-\mathrm{\Δ}{P}_0)(P_1-\mathrm{\Δ}{P}_0)}}{\mathrm{\Δ}{P}_N-\mathrm{\Δ}{P}_0}$

s_λ=(n₀-n_N)·λ/n₀

其中，ΔP_N为额定负载有功损耗；ΔP₀为空载有功损耗；n₀为同步转速；n_N为额定转速；λ为负载系数；s_λ为负载转差率；

步骤2：通过采集定子电压和电流数据得到电机的气隙转矩T_gap；

步骤2中，电机的气隙转矩的计算公式为：

$T_{\mathrm{gap}}=\frac{\sqrt{3}p}{6}[(i_A-i_B){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}+(2i_A+i_B){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}]-\frac{60P_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}{n}_0}$

其中，i_A、i_B为A、B两相绕组电流；P_fe为电机铁耗，通过空载试验测得；n₀为同步转速；ψ_CA和ψ_AB分别代表t时刻线电压u_CA和u_AB对应的绕组磁链； $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}\left(t\right)={\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{CA}}\left(0\right)+{\∫}_0^t{u}_{\mathrm{CA}}\left(\mathrm{\ξ}\right)+R(2i_A\left(\mathrm{\ξ}\right)+i_B\left(\mathrm{\ξ}\right))\mathrm{d\ξ}\\ {\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)={\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{AB}}\left(0\right)+{\∫}_0^t{u}_{\mathrm{AB}}\left(\mathrm{\ξ}\right)-R(i_A\left(\mathrm{\ξ}\right)-i_B\left(\mathrm{\ξ}\right))\mathrm{d\ξ}\end{array}\right.,$ ψ_CA(0)和ψ_AB(0)分别示线电压u_CA和u_AB对应的绕组初始磁链；R为1/2的线间电阻值；p为电机极对数；

步骤3：根据步骤2得到的电机的气隙转矩，结合机械损耗P_fw和杂散损耗P_s得到电机输出转矩T₂；

步骤3中，电机输出转矩的计算公式为：

$T_2=T_{\mathrm{gap}}-\frac{60P_{\mathrm{fw}}}{2\mathrm{\πn}}-\frac{60P_s}{2\mathrm{\πn}}$

其中，P_fw为机械损耗，通过电机空载试验测出；P_s为杂散损耗，为额定输入功率的0.5%；T_gap为电机的气隙转矩；n为电机转子转速。

步骤4：根据步骤1得出的转速n和步骤3得到的电机输出转矩T₂，得到电机输出功率P₂，从而得到电机的运行效率η。

电机输出功率P₂的计算公式为：

P₂=T₂·2πn/60

其中，n为电机转子转速；T₂为电机输出转矩。

电机的运行效率的计算公式为：

η=P₂/P₁

其中，P₂为电机输出功率；P₁为电机输入功率。

实施例一：

以Y132S-4、5.5kW定转子槽数分别为36和32的电机为例，对鼠笼异步电机转速的辨识通过附图做进一步说明，图1为鼠笼式异步电机能效在线辨识系统示意图，其中，电压互感器与电流互感器用于采集定子三相电压与电流，通过对所采集电气量进行FFT分析及转矩求解，即可得出转子槽频率与输出转矩，测试过程中，各电气量采样频率为10kHz，采样时间1s。

图2(a)所示定子电流波形图；图2(b)所示定子电压波形图。图3为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，100%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图，从图中可以明显的辨识出转子槽频率为820Hz,进而根据式(1)得出电机实时转速为1443.75r/min，实际转矩仪测得的电机转速为1445.78r/min。图4为利用气隙转矩法通过对电机定子电流、电压数据分析得出的电机气隙转矩波形，从图中可以基本的看出电机的气隙转矩在37.42Nm上下稍微有点波动，得出辨识输出转矩为36.72Nm，实际通过转矩仪测得的输出转矩为36.5Nm。电机输入功率为6138.4W，其能效对比如表1所示：

表15.5kW电机100%负载效率对比

实施例二：

以Y132S-4、5.5kW定转子槽数分别为36和32的电机为例，对鼠笼异步电机转速的辨识通过附图做进一步说明。

图5为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，75%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图，从图中可以明显的辨识出转子槽频率为828Hz,进而根据式(1)得出电机实时转速为1458.75r/min，实际转矩仪测得的电机转速为1459.2r/min。图6为利用气隙转矩法通过对电机定子电流、电压数据分析得出的电机气隙转矩波形，从图中可以基本的看出电机的气隙转矩在26.97Nm上下稍微有点波动，得出辨识输出转矩为26.37Nm，实际通过转矩仪测得的输出转矩为26.3Nm。电机输入功率为4498.5W，其能效对比如表2所示：

表25.5kW电机75%负载效率对比

实施例三：

以Y132S-4、5.5kW定转子槽数分别为36和32的电机为例，对鼠笼异步电机转速的辨识通过附图做进一步说明。

图7为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，50%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图，从图中可以明显的辨识出转子槽频率为835Hz,进而根据式(1)得出电机实时转速为1471.9r/min，实际转矩仪测得的电机转速为1471.4r/min。图8为利用气隙转矩法通过对电机定子电流、电压数据分析得出的电机气隙转矩波形，从图中可以基本的看出电机的气隙转矩在19.3Nm上下稍微有点波动，得出辨识输出转矩为18.75Nm。实际通过转矩仪测得的输出转矩为19.49Nm。电机输入功率为3238.2W，其能效对比如表3所示：

表35.5kW电机50%负载效率对比

实施例四：

以Y132S-4、5.5kW定转子槽数分别为36和32的电机为例，对鼠笼异步电机转速的辨识通过附图做进一步说明。

图9为5.5kW鼠笼异步电机在额定380V电压，25%负载条件下通过对定子电流进行快速傅里叶分析所得到的定子电流频谱图，从图中可以明显的辨识出转子槽频率为843Hz,进而根据式(1)得出电机实时转速为1486.8r/min，实际转矩仪测得的电机转速为1487.6r/min。图10为利用气隙转矩法通过对电机定子电流、电压数据分析得出的电机气隙转矩波形，从图中可以基本的看出电机的气隙转矩在9.47Nm上下稍微有点波动，得出辨识输出转矩为8.95Nm。实际通过转矩仪测得的输出转矩为9.75Nm。电机输入功率为1679.6W，其能效对比如表4所示：

表45.5kW电机25%负载效率对比

综合上述电机转子槽频率、气隙转矩以及辨识效率与实测效率可得，采用本专利中的电机能效辨识法，完全能达到预期的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定电气量采样频率f_s和采样周期T，采集定子电流分析得出鼠笼式异步电机的转子槽谐波频率，并通过异步电机的转子槽谐波频率得到电机转子转速n；

步骤2：通过采集定子电压和电流数据得到电机的气隙转矩T_gap；

步骤3：根据步骤1得出的电机转子转速n和步骤2得到的气隙转矩，结合机械损耗P_fw和杂散损耗P_s得到电机输出转矩T₂；

步骤4：根据步骤1得出的电机转子转速n和步骤3得到的电机输出转矩T₂，得到电机输出功率P₂，从而得到电机的运行效率η；

所述步骤1中，鼠笼式异步电机的转子槽谐波频率的计算公式为：

通过异步电机的转子槽谐波频率，得到电机转子转速n的计算公式为：

其中，Z₂为转子槽数；s为转差率；p为极对数；f₁为电源频率；f_sh为转子槽谐波频率；

针对电机转子槽谐波与齿谐波混叠的现象，通过计算负载率估算出电机负载运行时的转差率s_λ，并得出转子槽谐波频率范围，进一步根据转子槽谐波频率信号准确辨识出电机转子转速；负载率用电机输入功率P₁、额定参数与空载参数得出：

s_λ＝(n₀-n_N)·λ/n₀

其中，ΔP_N为额定负载有功损耗；ΔP₀为空载有功损耗；n₀为同步转速；n_N为额定转速；λ为负载率；s_λ为负载转差率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，电气量采样频率f_s和采样周期T满足的条件为：

f_s≥2f_r

在采样频率f_s一定的条件下，数据采样周期T满足的条件为：

T>2f_r/f_s

其中，f_r为被采样信号的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，电机的气隙转矩的计算公式为：

其中，i_A、i_B为A、B两相绕组电流；P_fe为电机铁耗，通过空载试验测得；n₀为同步转速；ψ_CA和ψ_AB分别代表t时刻线电压u_CA和u_AB对应的绕组磁链；ψ_CA(0)和ψ_AB(0)分别表示线电压u_CA和u_AB对应的绕组初始磁链；R为1/2的线间电阻值；p为电机极对数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，电机输出转矩的计算公式为：

其中，P_fw为机械损耗，通过电机空载试验测出；P_s为杂散损耗，为额定输入功率的0.5％；T_gap为电机的气隙转矩；n为电机转子转速。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，电机输出功率P₂的计算公式为：

P₂＝T₂·2πn/60

其中，n为电机转子转速；T₂为电机输出转矩。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，电机的运行效率的计算公式为：

η＝P₂/P₁

其中，P₂为电机输出功率；P₁为电机输入功率。