CN106772050A - 一种在线估计电机效率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种在线估计电机效率的方法和装置，该方法包括接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。上述方法和装置能够在电机不停机的情况下估计电机的效率，只需要测量电机的输入瞬时电压和输入瞬时电流，不需要其他的传感器，避免了额外的成本和停机状态下运行时间的损失。

Description

一种在线估计电机效率的方法和装置
技术领域
本发明属于异步电机技术领域，特别是涉及一种在线估计电机效率的方法和装置。
背景技术
最近一项研究指出，电机能耗占工业总用电量的69％，占全球总用电量的46％。如果能够识别低效率或存在故障的电机，并根据需要，维修或更换电机，以提高运行效率，就可以大大降低电机的能耗。
现有技术中，测量电机效率时，需要将电机安装在专用的电机测试平台上，这样就必须使正在工作的电机停止工作，然后将其从工位中拆除安装到专用测量设备上，检测完之后将其装回工位继续工作。然而，这种方式迫使工厂的电机停工，会导致巨大的经济损失，而且测功机的测试环境与电机实际工作环境完全不同，所以用测功机测量的电机效率并不能等同于电机实际工作效率，造成测量结果不准确。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种在线估计电机效率的方法和装置，能够在电机不停机的情况下估计电机的效率，只需要测量电机的输入瞬时电压和输入瞬时电流，不需要其他的传感器，避免了额外的成本和停机状态下运行时间的损失。
本发明提供的一种在线估计电机效率的方法，包括：
接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；
实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；
根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
在所述根据所述输出机械功率和所述电功率估计电机效率之后，还包括：
显示所述电机效率、转矩和转速。
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
所述接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数包括：
接收用户输入的电机的铭牌参数，包括额定功率PN、同步转速Ns、额定电压VN、额定转矩TN、额定转差率SN、额定功率因数pfN、最大转差率sM，根据所述额定转矩TN计算出最大转矩TM；
根据非线性方程组
求出所述电机模型参数x，其中，x＝[R1X1R2X2Xm]。
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
所述实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流包括：
检测电机输入端的瞬时线电压un和瞬时线电流in；
根据公式
计算线电压有效值Vrms和Irms，其中N表示采样个数。
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
所述根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率包括：
根据公式计算所述输入电功率，其中cosφ为额定功率因数pfN；
根据公式
估算所述转差率，其中为三相电压有效值；
根据公式N＝(1-s)Ns计算所述转速。
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
所述根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩包括：
根据公式
估算出所述电机转矩，其中
优选的，在上述在线估计电机效率的方法中，
所述根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率包括：
根据公式
计算所述输出机械功率；
根据公式
估算电机效率η。
本发明提供的一种在线估计电机效率的装置，包括：
接收单元，用于接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；
检测单元，用于实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；
计算单元，用于根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
第一估算单元，用于根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
第二估算单元，用于根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
优选的，在上述在线估计电机效率的装置中，还包括：
显示单元，用于显示所述电机效率、转矩和转速。
优选的，在上述在线估计电机效率的装置中，所述检测单元包括电压采样电路和霍尔传感器。
通过上述描述可知，本发明提供的上述在线估计电机效率的方法和装置，由于该方法包括接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率，因此能够在电机不停机的情况下估计电机的效率，只需要测量电机的输入瞬时电压和输入瞬时电流，不需要其他的传感器，避免了额外的成本和停机状态下运行时间的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的方法的示意图；
图2为Y90L-2电机的转矩-转速特性曲线的示意图；
图3为Y90L-2电机的电流-转速特性曲线的示意图；
图4为本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的装置的示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种在线估计电机效率的方法和装置，能够在电机不停机的情况下估计电机的效率，只需要测量电机的输入瞬时电压和输入瞬时电流，不需要其他的传感器，避免了额外的成本和停机状态下运行时间的损失。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的方法如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的方法的示意图，该方法包括如下步骤：
S1：接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；
需要说明的是，通常来说，电机外壳装有电机铭牌，铭牌上有比较全面的描述电机特性的参数，如果铭牌上只有部分参数，则可以通过电机型号查找国标得到电机参数。
S2：实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；
具体的，可以利用检测模块通过对电压进行采样和电流传感器检测电机输入端的瞬时电压un和瞬时电流in，可以将电机的A、B、C三相输入接入电压采样电路实现对AB、AC、BC端线电压的采样：un＝VAB、VAC、VBC；用霍尔传感器检测每一相的电流：in＝IA、IB、IC。
S3：根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
S4：根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
S5：根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种在线估计电机效率的方法，由于包括接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率，因此能够在电机不停机的情况下估计电机的效率，只需要测量电机的输入瞬时电压和输入瞬时电流，不需要其他的传感器，避免了额外的成本和停机状态下运行时间的损失。
本申请实施例提供的第二种在线估计电机效率的方法，是在上述第一种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
在所述根据所述输出机械功率和所述电功率估计电机效率之后，还包括：
显示所述电机效率、转矩和转速，在这种情况下，操作人员就能够得知实时情况，并进行相应的处理，更有利于工作的开展。
本申请实施例提供的第三种在线估计电机效率的方法，是在上述第一种或第二种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数包括：
接收用户输入的电机的铭牌参数，包括额定功率PN、同步转速Ns、额定电压VN、额定转矩TN、额定转差率SN、额定功率因数pfN、最大转差率sM，根据所述额定转矩TN计算出最大转矩TM；
根据非线性方程组
求出所述电机模型参数x，其中，x＝[R1X1R2X2Xm]。
需要说明的是，通常铭牌中不会直接给出最大转矩TM，而是给出最大转矩与额定转矩的比值b，由此得到最大转矩TM，即TM＝bTN，所以这种情况下会用到额定转矩TN这个参数。
本申请实施例提供的第四种在线估计电机效率的方法，是在上述第三种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流包括：
检测电机输入端的瞬时线电压un和瞬时线电流in；
根据公式
计算线电压有效值Vrms和Irms，其中N表示采样个数。
当un＝VAB时，由上式可以得到AB端的线电压有效值Vrms_AB，同理可以得到Vrms_AC和Vrms_BC。当in＝IA时，由上式可以得到A相的电流有效值Irms_A，同理可以得到Irms_B和Irms_C。
本申请实施例提供的第五种在线估计电机效率的方法，是在上述第四种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率包括：
根据公式计算所述输入电功率，其中cosφ为额定功率因数pfN；
根据公式
估算所述转差率，其中为三相电压有效值；
根据公式N＝(1-s)Ns计算所述转速。
需要说明的是，其基本原理是：电机的定子电流Is与输入电流Irms相等，而定子电流可以通过电机模型参数求出，即定子电流与转差率、电机模型参数和电压有关，Is＝f(s,x,Vφ)，所以通过上述方程就可以估算电机的转差率。
本申请实施例提供的第六种在线估计电机效率的方法，是在上述第五种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩包括：
根据公式
估算出所述电机转矩，其中
本申请实施例提供的第七种在线估计电机效率的方法，是在上述第六种在线估计电机效率的方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率包括：
根据公式
计算所述输出机械功率；
根据公式
估算电机效率η。
下面以型号为Y90L-2的异步电机为例，详细阐述上述方法的求解过程。铭牌参数如表1所示，根据这些铭牌参数得到电机的模型参数，需要给定一组变量的初始值，然后通过数值解法求解出所需参数，即需要求解电机模型参数：定子阻抗R1、定子电抗X1、转子阻抗R2、转子电抗X2及漏感电抗Xm的值。
表1电机的铭牌参数
根据非线性方程组求解得到的Y90L-2电机模型参数如表2所示：
表2电机的模型参数
型号 X1/Ω X2/Ω Xm/Ω R1/Ω R2/Ω
Y90L-2 3.262 3.262 0.2396 5.825 3.883
得到电机模型参数之后，就可以得到电机的转矩-转速特性和电流-转速特性，具体来说就是电机的输出转矩与电机转子转速之间的关系，以及电机输入电流和电机转子转速之间的关系。对于Y90L-2电机的转矩-转速特性曲线与电流-转速特性曲线分别如图2和图3所示，图2为Y90L-2电机的转矩-转速特性曲线的示意图，图3为Y90L-2电机的电流-转速特性曲线的示意图。这两条曲线是估计电机转矩和转速的重要曲线，从中直观的可以看出电机的输入电流、输出转矩与电机转速之间的动态关系。
得到电机特性曲线后，根据电机的输入电流求出电机的转速，然后根据转速估算电机的输出机械转矩。在额定条件下，Y90L-2电机的估计转速为：估计转矩为：由估计得到的转速和转矩求出估计的机械功率：Pm＝2.214KW。根据检测模块检测得到的电气参数求出电功率：Pe＝2.717KW。由估计出来的机械功率和电功率就可以估计得到电机的运行效率：η＝81.5％。
本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的装置如图4所示，图4为本申请实施例提供的第一种在线估计电机效率的装置的示意图，该装置包括：
接收单元201，用于接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数，需要说明的是，通常来说，电机外壳装有电机铭牌，铭牌上有比较全面的描述电机特性的参数，如果铭牌上只有部分参数，则可以通过电机型号查找国标得到电机参数；
检测单元202，用于实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流，具体的，可以利用检测模块通过对电压进行采样和电流传感器检测电机输入端的瞬时电压un和瞬时电流in；
计算单元203，用于根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
第一估算单元204，用于根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
第二估算单元205，用于根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
本申请实施例提供的第二种在线估计电机效率的装置，是在上述第一种在线估计电机效率的装置的基础上，还包括：
显示单元，用于显示所述电机效率、转矩和转速，在这种情况下，操作人员就能够得知实时情况，并进行相应的处理，更有利于工作的开展。
本申请实施例提供的第三种在线估计电机效率的装置，是在上述第一种或第二种在线估计电机效率的装置的基础上，还包括如下技术特征：
所述检测单元包括电压采样电路和霍尔传感器。
具体的，可以将电机的A、B、C三相输入接入电压采样电路实现对AB、AC、BC端线电压的采样，用霍尔传感器检测每一相的电流。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种在线估计电机效率的方法，其特征在于，包括：
接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；
实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；
根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
2.根据权利要求1所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，
在所述根据所述输出机械功率和所述电功率估计电机效率之后，还包括：
显示所述电机效率、转矩和转速。
3.根据权利要求1或2所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，
所述接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数包括：
接收用户输入的电机的铭牌参数，包括额定功率PN、同步转速Ns、额定电压VN、额定转矩TN、额定转差率SN、额定功率因数pfN、最大转差率sM，根据所述额定转矩TN计算出最大转矩TM；
根据非线性方程组
f 1 ( x ) = P N - P ( s N ) = 0 f 2 ( x ) = pf N - p f ( s N ) = 0 f 3 ( x ) = T M - T ( s M ) = 0 f 4 ( x ) = R 1 - 1.5 R 2 = 0 f 5 ( x ) = X 1 - X 2 = 0
求出所述电机模型参数x，其中，x＝[R1 X1 R2 X2 Xm]。
4.根据权利要求3所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，所述实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流包括：
检测电机输入端的瞬时线电压un和瞬时线电流in；
根据公式
I r m s = 1 N Σ n = 1 N i n 2
计算线电压有效值Vrms和Irms，其中N表示采样个数。
5.根据权利要求4所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，
所述根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率包括：
根据公式计算所述输入电功率，其中cosφ为额定功率因数pfN；
根据公式
估算所述转差率，其中为三相电压有效值；
根据公式N＝(1-s)Ns计算所述转速。
6.根据权利要求5所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，
所述根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩包括：
根据公式
估算出所述电机转矩，其中
R T H = R 2 X m 2 R 2 2 + ( X 2 + X m ) 2
X T H = X m R 2 2 + X 2 X m ( X 2 + X m ) R 2 2 + ( X 2 + X m ) 2 .
7.根据权利要求6所述的在线估计电机效率的方法，其特征在于，
所述根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率包括：
根据公式
计算所述输出机械功率；
根据公式
估算电机效率η。
8.一种在线估计电机效率的装置，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收用户输入的电机的铭牌参数，根据所述铭牌参数计算电机模型参数；
检测单元，用于实时检测所述电机的电气参数，包括输入瞬时电压和输入瞬时电流；
计算单元，用于根据所述电机模型参数和所述电气参数计算输入电功率、转速和转差率；
第一估算单元，用于根据所述电气参数、所述转差率和所述电机模型参数估算出电机转矩；
第二估算单元，用于根据所述电机转矩和所述转速计算电机的输出机械功率，根据所述输出机械功率和所述输入电功率估计电机效率。
9.根据权利要求8所述的在线估计电机效率的装置，其特征在于，还包括：
显示单元，用于显示所述电机效率、转矩和转速。
10.根据权利要求8或9所述的在线估计电机效率的装置，其特征在于，
所述检测单元包括电压采样电路和霍尔传感器。
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