CN113933596B - 一种中高压电机介质损耗智能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中高压电机介质损耗智能测试装置，包括依次连接的交流电源、试品、侧接取样模块、增益自动调整模块、同步采集模块、隔离模块和上位机，侧接取样模块用于获取试品取样电压；增益自动调整模块用于放大试品取样电压信号；同步采集模块用于实现多通道信号的同时采集；隔离模块用于隔离模拟信号和数字信号；上位机通过执行正弦参数算法，计算得到试品的介质损耗值；通过电压跟踪，输出测量控制信号；通过数据拟合，得到校准参数，并修正测量初始值；设定输出放大倍数控制信号；以及用于显示测量结果和波形。与现有技术相比，本发明能够对中高压电机进行自动、高效的介质损耗测试，且能提高抗干扰能力和测量准确性。

Description

一种中高压电机介质损耗智能测试装置

技术领域

本发明涉及电机介质损耗测试技术领域，尤其是涉及一种中高压电机介质损耗智能测试装置。

背景技术

对于电机产品，绝缘纸、绝缘漆、电磁线的绝缘层、高压电机线圈外包云母带、高阻带、低阻带、引接线绝缘皮和空气等都是与其相关的电介质，电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称为介质损耗。

电机的介质损耗关乎电机的运行状态和运行寿命，现有技术中，在实验室内，电机的介质损耗测试通常选用临时搭建的西林电桥进行检测，在测量现场则使用通用型介质损耗仪。

然而，使用西林电桥测量电机的介质损耗时，有多个相互影响的参数需要手动调节，这一步需要花费大量的时间才能达到电桥平衡，在干扰严重的情况下，西林电桥极难达到平衡。

通用型的介质损耗仪是将高压电桥、升压变压器、标准电容器合为一体，不需要其他外接设备就可独立完成实验。但每次测量时间较长，测量一次的时间都是分钟级别。通用型介质损耗仪中因为升压变压器和标准变容器的存在，使测量设备体积大、质量重。一些介质损耗仪甚至重达上百公斤，这导致介质损耗仪在运输与测量上不够便捷。此外，大部分介质损耗仪仅具有简单的抗干扰能力，一旦处于严重干扰环境下，其测量误差必然会超出允许范围。

目前，市场中专门针对中高压电机设计的介质损耗测试仪极少，所以现在电机的现场测试使用的都是通用型介质损耗仪。而电机往往需要测试得到多个电压下的介质损耗值，使用通用型介质损耗仪就必须多次重复调压，加上等待测量结果的过程，导致整个测试过程十分繁琐且费时间。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种中高压电机介质损耗智能测试装置，能够对中高压电机进行自动、高效的介质损耗测试，且能提高抗干扰能力和测量准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种中高压电机介质损耗智能测试装置，包括依次连接的侧接取样模块、增益自动调整模块、同步采集模块、隔离模块和上位机，所述侧接取样模块的输入端分别与试品、交流电源和大地连接，所述试品的两端分别与交流电源、大地连接，所述侧接取样模块用于获取试品取样电压；

所述增益自动调整模块用于放大试品取样电压信号；

所述同步采集模块用于实现多通道信号的同时采集；

所述隔离模块用于隔离模拟信号和数字信号；

所述上位机根据采集的试品电压信号，通过执行正弦参数算法，以计算得到试品的介质损耗值；

通过电压跟踪，以输出测量控制信号；

通过数据拟合，以得到校准参数，并基于校准参数对测量初始值进行修正；

以及设定并输出放大倍数控制信号；

所述上位机还用于显示当前的测量结果和波形。

进一步地，所述侧接取样模块包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述第一输入端、第二输入端和第三输入端分别连接至试品、交流电源和大地，所述侧接取样模块还包括分别与增益自动调整模块连接的第一输出端和第二输出端。

进一步地，所述侧接取样模块包括依次连接的第一取样电阻和第二取样电阻，所述第一取样电阻和第二取样电阻的连接端与交流电源连接，所述第一取样电阻的另一端通过电容与试品的一端连接，所述第二取样电阻的另一端接地，所述第一取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块，以将标准信号取样电压Uv输出给增益自动调整模块；

所述第二取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块，以将试品回路取样电压Ui输出给增益自动调整模块。

进一步地，所述第一取样电阻和第二取样电阻均为1Ω标准电阻。

进一步地，所述增益自动调整模块包括差分放大单元，述差分放大单元包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器与第二放大器之间连接有自动量程单元，所述自动量程单元用于主动感知放大器出口电压，并根据放大器出口电压大小主动调节放大倍数。

进一步地，所述自动量程单元包括与选择器分别连接的第一调节电阻、第二调节电阻和第三调节电阻。

进一步地，所述第一放大器和第二放大器均为ADA4522-2芯片。

进一步地，所述同步采集模块包括第一模拟输入通道和第二模拟输入通道，所述第一模拟输入通道和第二模拟输入通道分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，所述第一模拟输入通道和第二模拟输入通道还连接至模拟触发单元，所述模拟触发单元通过终端触发单元连接至时序控制单元，所述时序控制单元分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，所述第一ADC单元和第二ADC单元连接至CPLD(Complex Programmable logic device，复杂可编程逻辑器件)。

进一步地，所述上位机设置有EEPROM(Electrically Erasable Programmableread only memory，带电可擦可编程只读存储器)，所述EEPROM用于存储校准参数。

进一步地，所述上位机设置有网络接口，所述上位机通过网络接口连接至云端。

与现有技术相比，本发明通过设置依次连接的侧接取样模块、增益自动调整模块、同步采集模块、隔离模块和上位机，利用侧接取样模块获取试品取样电压；利用增益自动调整模块调节放大试品取样电压信号；利用同步采集模块实现多通道信号的同时采集；利用隔离模块隔离模拟信号和数字信号，以减少电源带来的干扰；并利用上位机根据采集的试品电压信号，通过执行正弦参数算法，以计算得到试品的介质损耗值；上位机还通过电压跟踪，以输出测量控制信号；通过数据拟合，以得到校准参数，并基于校准参数对测量初始值进行修正；以及设定并输出放大倍数控制信号，由此实现一种数字化的测量方法，不需要调节参数使电桥平衡，而且电压跟踪可以自动跟踪外加电源的电压，根据电压阶梯式的变化自动测量每个阶梯电压下的介质损耗值，这让中高压电机介质损耗的测量变得更加快速、便捷；本装置中精密小信号自适应放大电路使用差分放大的方式，使信号的共模干扰和外部干扰最小化，自动量程模块可以根据输入信号自动调整放大倍数，使信号处在采集卡最佳采集范围内；自动数字校准能够使测量结果准确度更高，更加贴近实际值；使用正弦参数法测量则进一步减少噪声带来的干扰，且测量速度上优于电桥，使电机完整测量时间更短、精度也更高；本装置中电路集成度高，能够有效减小整个装置体积。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为实施例中硬件拓扑结构示意图；

图3为实施例中侧接取样电路示意图；

图4为实施例中自动增益调整放大电路示意图；

图5为实施例中同步数据采集电路原理图；

图6为实施例中上位机上运行程序架构示意图；

图7为电压跟踪时电源电压曲线上升示意图；

图8为自动校准时获取校准参数的流程示意图；

图9为自动校准时使用校准参数的流程示意图；

图中标记说明：1、侧接取样模块，2、增益自动调整模块，3、同步采集模块，4、隔离模块，5、上位机，6、试品，7、交流电源，8、云端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种中高压电机介质损耗智能测试装置，包括依次连接的侧接取样模块1、增益自动调整模块2、同步采集模块3、隔离模块4和上位机5，侧接取样模块1的输入端分别与试品6、交流电源7和大地连接，试品6的两端分别与交流电源7、大地连接，上位机5还通过网络接口连接至云端8。

其中，侧接取样模块1用于获取试品取样电压，侧接取样模块1包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，第一输入端与试品6连接，第二输入端与交流电源7连接，第三输入端接地，侧接取样模块1还包括分别与增益自动调整模块2连接的第一输出端和第二输出端，具体的，侧接取样模块1包括依次连接的第一取样电阻和第二取样电阻，第一取样电阻和第二取样电阻的连接端与交流电源7连接，第一取样电阻的另一端通过电容与试品6的一端连接，第二取样电阻的另一端接地，第一取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块2，以将标准信号取样电压Uv输出给增益自动调整模块2；

第二取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块2，以将试品回路取样电压Ui输出给增益自动调整模块2；

本实施例中，第一取样电阻和第二取样电阻均为1Ω标准电阻；

增益自动调整模块2用于放大试品取样电压信号，增益自动调整模块2包括差分放大单元，述差分放大单元包括第一放大器和第二放大器，第一放大器与第二放大器之间连接有自动量程单元，自动量程单元用于主动感知放大器出口电压，并根据放大器出口电压大小主动调节放大倍数，自动量程单元则包括与选择器分别连接的第一调节电阻、第二调节电阻和第三调节电阻；

本实施例中，第一放大器和第二放大器均为ADA4522-2芯片；

同步采集模块3用于实现多通道信号的同时采集，同步采集模块3包括第一模拟输入通道和第二模拟输入通道，第一模拟输入通道和第二模拟输入通道分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，第一模拟输入通道和第二模拟输入通道还连接至模拟触发单元，模拟触发单元通过终端触发单元连接至时序控制单元，时序控制单元分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，第一ADC单元和第二ADC单元连接至CPLD；

隔离模块4用于隔离模拟信号和数字信号，本实施例中，隔离模块4选用带高速磁隔离的USB芯片；

上位机5根据采集的试品电压信号，通过执行正弦参数算法，以计算得到试品的介质损耗值；通过电压跟踪，以输出测量控制信号；通过数据拟合，以得到校准参数，并基于校准参数对测量初始值进行修正，上位机5设置有EEPROM，EEPROM用于存储校准参数；以及设定并输出放大倍数控制信号；

上位机5还用于显示当前的测量结果和波形。

本实施例应用上述技术方案，构建得到如图2所示的硬件拓扑结构，包括侧接取样电路、精密小信号自动增益调整放大电路、同步采样电路、高速USB磁隔离电路、嵌入式上位机，上位机含有各种网络接口，可使用这些接口与云端相连接。

具体的：

1、侧接取样电路

侧接取样电路如图3所示。取样电路采用侧接的方法，使取样信号尽可能接近接地处，这样可以尽量远离高压，保证测量的安全。取样电路中，取样电阻R1、R2会改变影响到Ui、Uv的相位，且阻值越大，影响越大，所以本装置选择的是比较常用且阻值也较小的1Ω标准电阻。

2、精密小信号自动增益调整放大电路

精密小信号自动增益调整放大电路如图4所示，此电路由虚线框内的自动量程模块和虚线框外的差分放大结构两部分组成。为将小信号做到精密放大，特意选择了超低噪声、零漂移、轨到轨的ADA4522-2作为放大器。

2.1差分放大结构：

信号输入输出的两个端子都与放大电路相连接，整个信号不与外部电路相关联，减少了外部电路的干扰；差分放大电路拥有极高的共模抑制比，能够极大减少信号源中的共模分量。

2.2自动量程模块：

自动量程模块可以主动感知放大器出口电压，然后根据出口电压大小主动调节放大倍数。具体原理是，放大器的放大倍数与选择的电阻有关，最开始选择最小放大倍数，然后检测出口电压，电压过小时增大放大倍数，如此循环直到出口电压处在系统设定的范围内，或放大倍数到达最大放大倍数。

2.3放大器ADA4522-2：

为尽可能的减少电路噪声与漂移，使用的放大器是ADI公司的放大器ADA4522-2。此放大器包括EMI滤波电路、钳位电路和输入输出斩波网络等组成部分。相比于其他标准低噪声放大器，拥有更好的减少噪声的能力，漂移几乎为零，作为本设备对小信号进行精密放大是很合适的。

3、同步数据采集电路

同步数据采集原理如图5所示。CH1、CH2通道有模拟信号进入后，会被模拟触发电路感知，然后模拟触发电路将触发信号发送给触发电路，结合数据终端就绪信号的触发，触发电路会给信号激活时序控制，时序控制就能同时激活CH1、CH2对应的16位ADC，实现信号的同时采集。由图5可以看出，独立的采样保持电路可以保证多通道同时采集，采集过程不会产生相位误差；而且还可以保证了通道间的隔离性，通道间信号不易发生串扰。

4、嵌入式上位机作为整个系统的大脑，为正弦参数算法提供算力支持，为上位机的显示提供运行环境，为数据传输提供网络端口；上位机作为显示设备，可以实时显示测量的波形和最后的测量结果，一些测量前的设置也可以在上位机上操作。

为保证本装置能够实现自动、快速、准确的测量，如图6所示，上位机需执行以下设定好的程序：

1、电压跟踪程序

按照GB/T 20833.3，测量的交流电源的电压上升过程如图7所示，交流电源的电压是呈阶梯形从零增加到电机的额定电压。交流电压的有效值是通过Uv信号经过换算得到，电压跟踪程序会一直读取电压的有效值，当电压与上一阶梯电压不同，且一定时间内未变化时，便给出开始测量的指令；当额定电压的测试程序完成后，此程序终止。

2、自动数字校准程序

2.1校准参数的获得

获得校准参数的流程如图8所示。校准参数的获得是在整个硬件成型后，使用标准信号输入，得到标准测量值，从而得到校准参数表，然后通过计算得到内插系数表，将这两个表按照一定的格式存入EEPROM中。

2.2校准参数的使用

使用校准参数的流程如图9所示。实际的信号进入设备后，先通过比较得到实际信号处于哪两个标准信号输入之间，然后读取EEPROM中的校准参数表和内插系数表对应的值，通过这些值得到校准后的测量结果。

3、自动量程调整程序

不同的放大倍数代表不同的量程，放大倍数越大，所决定的量程范围越小。自动量程程序与图4的硬件电路相结合，通过指令控制选择器选择不同的放大倍数，从而选择不同的量程。本设备通过综合考虑，选择了四挡放大倍数，分别为：x1、x10、x100、x1000，对应的量程为5V、0.5V、0.05V、0.005V。

4、测量算法程序是以正弦参数法为基础，算法的实现是通过最小二乘拟合的方法，得到相关系数的值，然后通过这些值就可以得到介质损耗值。通信程序是将采集到信号和相关结果通过LAN网口传到云端。数据存储程序是将采集的信号按照一定格式存入一个以时间命名的EXCEL表中。

综上可知，本发明能够实现两种方式的自动化测量：根据中电机介质损耗测试标准，交流源的电压需要按阶梯的方式增长。第一种方法，当电源与本设备不可以通信的情况下，本设备可以通过电压跟踪追踪程序跟踪电源的电压变化，当检测到电压上升了一个阶梯并达到稳定后就自动开始此电压下的测量；第二种方法，当本设备可以与电源通信的情况下，可以提前设置好测试的步骤和电压上升曲线，测试时一键开始测试，之后的测量由设备自动完成。

本发明考虑到取样电阻得到的电压信号只有μV级别，经过放大电路放大后，可以使电压达到V级别。放大电路完全以差分的形式，减少了外部电路的干扰，也降低了信号源中的共模干扰；放大电路还带滤波效果，只有低于0.5倍采样频率的信号才可以通过，这个滤波可以解决频谱混叠问题。由于测试电压跨度大，不同电机的介质阻抗差异大，自动增益调整可以自动调节放大倍数，使放大后的电压最高不会超过ADC采集卡工作电压范围，并处在一个合理的范围。

本发明为减小测量到的结果与实际结果之间的偏差，通过使用标准信号对偏差进行参数化，参数化后的结果存入EEPROM中。进行试品测量时，可以从EEPROM中直接读取这些参数，然后对最后的测量结果进行修正。

本发明为解决电源有可能通过线路对数字信号产生干扰的问题，使用带磁隔离的芯片将模拟信号和数字信号隔离开。相对于光耦隔离，磁隔离拥有更高的传输速度和更好的隔离效果。

此外，本发明基于正弦参数法计算得到测量的介质损耗值，正弦参数法是通过最小二乘法得到采集到的正弦信号的基本参数，这些基本参数通过公式可以得到试品的介质损耗值。正弦参数法使用至少一个周期的采样数据，这些采样数据通过拟合的方式还原原始的正弦信号，拟合的过程可以减少噪声带来的干扰，所以最后结果的精确度较过零点算法高。这个算法不需要电桥平衡，在速度上优于西林电桥和通用型介质损耗仪。

由此可知，本发明以正弦参数法为基础测量中高压电机的介质损耗值，使测量自动化程度更高，测量速度更快，精度也更高。本设备是更加数字化的测量，相对于西林电桥而言，不需要做到电桥平衡就可以完成测量，这可以节省大量时间；电压自动追踪算法做到了本设备与外部电源无法通信时，可以根据电压变化而自动测量，不需要像通用型介质损耗仪那样，每调压一次都要重新手动开始一次测量；精密小信号自动增益调整放大电路解决了小信号容易受到干扰的问题，还能自动将小信号放大到采集卡最佳采集范围；自动数字校准法可以让最终结果更加贴近实际值；正弦参数法是通过多个采样数据拟合的方法来得到结果，可以减小噪声带来的干扰，在测量精度上比过零点比较法更高。使用带高速磁隔离的USB芯片，隔绝了电源和环境对数字信号的干扰，使测量值有更高的精度。本发明提出的装置可以安装于带万向轮的航空箱内，以进一步提高本发明的便携性能。

本发明是一种为中高压电机设计的自动化程度高、测量准确度高、测量速度快、抗干扰能力强、便携且便宜的介质损耗仪：

1、自动化程度的提高依赖于本设备与外部电源的兼容性，所以使用电压跟踪程序应对外部电源与本设备不可以通信的情况。

2、为减少信号的噪声和外界的干扰，更好的采集由取样电阻得到的小信号，设计了一个精密小信号增益自动调整电路。

3、为提高设备测量的准确度，在数据采集卡上使用自动数字校准技术来应对电路带来的偏移。

4、为减少电源对数字信号的干扰，使用带磁隔离的USB芯片，使传送到MCU的数字信号与模拟信号隔离开。

5、为提高介质损耗的测量速度与精度，提高算法抗噪声的能力，使用正弦参数法求电机绕组的介质损耗值。

6、为减少设备的体积和重量，提高测量的便捷性，取消了内置升压变压器，并且使用带万向轮的航空箱作为外封装。

Claims (8)

1.一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，包括依次连接的侧接取样模块(1)、增益自动调整模块(2)、同步采集模块(3)、隔离模块(4)和上位机(5)，所述侧接取样模块(1)的输入端分别与试品(6)、交流电源(7)和大地连接，所述试品(6)的一端与交流电源(7)连接，所述试品(6)的另一端接地，所述侧接取样模块(1)用于获取试品(6)取样电压；

所述增益自动调整模块(2)用于放大试品(6)取样电压信号；

所述同步采集模块(3)用于实现多通道信号的同时采集；

所述隔离模块(4)用于隔离模拟信号和数字信号；

所述上位机(5)根据采集的试品(6)电压信号，通过执行正弦参数算法，以计算得到试品(6)的介质损耗值；

通过电压跟踪，以输出测量控制信号；

通过数据拟合，以得到校准参数，并基于校准参数对测量初始值进行修正；

以及设定并输出放大倍数控制信号；

所述上位机(5)还用于显示当前的测量结果和波形；

所述侧接取样模块(1)包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述第一输入端、第二输入端和第三输入端分别连接至试品(6)、交流电源(7)和大地，所述侧接取样模块(1)还包括分别与增益自动调整模块(2)连接的第一输出端和第二输出端；

所述侧接取样模块(1)包括依次连接的第一取样电阻和第二取样电阻，所述第一取样电阻和第二取样电阻的连接端与交流电源(7)连接，所述第一取样电阻的另一端通过电容与试品(6)的一端连接，所述第二取样电阻的另一端接地，所述第一取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块(2)，以将标准信号取样电压Uv输出给增益自动调整模块(2)；

所述第二取样电阻的两端分别连接至增益自动调整模块(2)，以将试品(6)回路取样电压Ui输出给增益自动调整模块(2)。

2.根据权利要求1所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述第一取样电阻和第二取样电阻均为1Ω标准电阻。

3.根据权利要求1所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述增益自动调整模块(2)包括差分放大单元，述差分放大单元包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器与第二放大器之间连接有自动量程单元，所述自动量程单元用于主动感知放大器出口电压，并根据放大器出口电压大小主动调节放大倍数。

4.根据权利要求3所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述自动量程单元包括与选择器分别连接的第一调节电阻、第二调节电阻和第三调节电阻。

5.根据权利要求3所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述第一放大器和第二放大器均为ADA4522-2芯片。

6.根据权利要求1所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述同步采集模块(3)包括第一模拟输入通道和第二模拟输入通道，所述第一模拟输入通道和第二模拟输入通道分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，所述第一模拟输入通道和第二模拟输入通道还连接至模拟触发单元，所述模拟触发单元通过终端触发单元连接至时序控制单元，所述时序控制单元分别连接至第一ADC单元和第二ADC单元，所述第一ADC单元和第二ADC单元连接至CPLD。

7.根据权利要求1所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述上位机(5)设置有EEPROM，所述EEPROM用于存储校准参数。

8.根据权利要求1所述的一种中高压电机介质损耗智能测试装置，其特征在于，所述上位机(5)设置有网络接口，所述上位机(5)通过网络接口连接至云端(8)。