CN115051612A - 一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法 - Google Patents

一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法 Download PDF

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CN115051612A CN202210814812.4A CN202210814812A CN115051612A CN 115051612 A CN115051612 A CN 115051612A CN 202210814812 A CN202210814812 A CN 202210814812A CN 115051612 A CN115051612 A CN 115051612A
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Abstract

本发明公开了一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，根据感应电机运行原理与信号处理技术，提取单相定子电流信号主频以得到同步转速，再根据电机壳体径向振动加速度信号频谱中含有电机实际转速分量这一现象，在振动信号频谱中同步转速附近的一个较窄频带中搜索电机实际转频，然后根据电机铭牌数据或实际运行数据，计算感应电机转差频率与负载转矩的近似线性关系，最后，根据所测转差频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。

Description

一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法
技术领域
本发明属于感应电机的状态监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法。
背景技术
在现代工业制造中，电动机广泛应用于发电、风机、机床、压缩机、机械臂等领域。随着可再生能源的发展，电机在风力发电和电动汽车领域也发挥着重要的作用。电机作为现代工业中最基本的部件之一，它经常在恶劣的环境和多变的工作条件下工作，时常会发生各种紧急故障，造成严重的事故和巨大的经济损失。同时，随着电机在生产生活中的广泛应用，为保证机械设备和工业系统的经济可靠运行，提高复杂机电系统的运行效率，对电机工作状态的监测变得越来越重要。
为了减轻电机故障对工业系统的影响，提高工业生产的运行效率，有必要探索一种有效的电机运行监测方法。
电机的转速是至关重要的参数。目前感应电机的转速与转矩辨识方法主要分为直接法与间接法。其中，直接法测转速包含光栅法、光反射法、磁电法等。直接法测转矩，使用电涡流测功机，电力测功机等，其主要问题是需要在轴上安装设备，限制了使用场景，另一问题在于转速与转矩的测量采用两套设备，不能一体化完成。而间接法测转速包括转子槽谐波，电机电流特征分析等方法。这类方法基于频谱分析，为得到高精度需要较为复杂的分析方法。间接法测转矩主要利用转差速度与转矩的线性关系。现有的方法主要利用电机铭牌上的值构建线性关系，存在误差较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，通过基于电流信号的同步转频提取与基于振动信号的转速校正实现电机转速辨识，基于电机转矩与转差速度的线性关系实现电机负载转矩辨识。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、采集感应电机的单相定子电流信号、电机壳体径向振动加速度信号以及电机铭牌信息，其中，电机铭牌信息包括电机极对数p、额定功率Pr以及额定转速Nr；
以相同的采样频率fsam和采集时长t采集单相定子电流信号与径向振动信号，其中，单相定子电流信号记为I(n)，径向振动信号记为v(n)，n＝1,2,…,N；其中，N为总采样点数，N＝fsam*t；
(2)、提取电流特征信号并进行稳态辨识；
(2.1)、计算I(n)的均方根，得到电流有效值Irms；
Figure BDA0003741900010000021
(2.2)、判断Irms是否大于电机给定的最小工作电流，如果小于，则认为电机处于停机状态，丢弃Irms，返回步骤(1)；否则，进入步骤(2.3)；
(2.3)、对I(n)进行FFT变换；
Figure BDA0003741900010000022
其中，f表示频率；
(2.4)、搜索频谱FFTI(f)上的最大值，记为FFTI(f1)，f1为最大值对应的频率；将f1作为电机的供电频率，最后计算电机的同步转频
Figure BDA0003741900010000023
(2.5)、判断同步转频fs是否大于电流钳的最小工作频率，如果小于，则返回步骤(1)；否则，进入步骤(3)；
(3)、通过振动信号频率校正计算电机转速；
(3.1)、对v(n)进行FFT变换；
Figure BDA0003741900010000024
(3.2)、在频谱FFTv(f)上，搜索频率范围为(0.9fs～fs)内的最大值，记为FFTv(fr)，fr为最大值对应的频率；将fr作为电机的实际转频，然后计算电机的转速为rpm＝60fr；
(4)、根据电机铭牌信息以及转差频率计算电机转矩；
(4.1)、在电机铭牌上读取额定功率Pr以及额定转速Nr，计算电机的额定转矩
Figure BDA0003741900010000031
以及额定转差频率Δfr＝fs-Nr/60；
(4.2)、计算电机的转差频率Δf＝fs-fr；
(4.3)、计算电机转矩
Figure BDA0003741900010000032
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，根据感应电机运行原理与信号处理技术，提取单相定子电流信号主频以得到同步转速，再根据电机壳体径向振动加速度信号频谱中含有电机实际转速分量这一现象，在振动信号频谱中同步转速附近的一个较窄频带中搜索电机实际转频，然后根据电机铭牌数据或实际运行数据，计算感应电机转差频率与负载转矩的近似线性关系，最后，根据所测转差频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。
同时，本发明基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法还具有以下有益效果：
(1)、无需考虑电机型号或控制方法，可广泛应用于变频或非变频感应电机。
(2)、可以适应非稳态工况下的电机转速与转矩识别。
(3)、电流信号常用于感应电机状态监测，如果采用本方法提供状态监测所需的转速与转矩信息，则无需增添任何设备，可以实现非侵入式、非停机测量。
附图说明
图1是本发明基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法流程图；
图2是实验平台结构图；
图3是转速估计结果示意图；
图4是转矩拟合结果示意图；
图5是转矩估计结果示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法流程图。
在本实施例中，在某设备监控与健康管理实验室的动力传动故障试验台上对感应电机进行测试。测试装置由实验台、数采系统、上位机组成，如图2所示。实验台包括三相感应电机，其额定功率为2.24kW，额定转速为2850rpm，极对数为一对；提供变压变频控制的变频器以及提供变负载工况的磁粉制动器。数采系统包括采集参考转速的转速计；采集电流信号的电流互感器以及储存两种信号的数据采集工具箱；上位机用于控制变频器提供变频工况。
如图1所示，本发明一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，包括以下步骤：
S1、采集感应电机单相定子电流信号、电机壳体径向振动加速度信号以及电机铭牌信息，在本实施例中，电机极对数p＝1、额定功率Pr＝2.24kW、额定转速Nr＝2850rpm；
以相同的采样频率fsam＝10240Hz和采集时长t＝5s采集单相定子电流信号与径向振动信号，其中，单相定子电流信号记为I(n)，径向振动信号记为v(n)，n＝1,2,…,N；其中，N为总采样点数，N＝fsam*t；
S2、提取电流特征信号并进行稳态辨识；
S2.1、计算I(n)的均方根，得到电流有效值Irms；
Figure BDA0003741900010000041
S2.2、判断Irms是否大于电机给定的最小工作电流，这里设为150mA，如果小于，则认为电机处于停机状态，丢弃Irms，返回步骤(1)；否则，进入步骤(2.3)；
S2.3、对I(n)进行FFT变换，公式为
Figure BDA0003741900010000051
搜索FFTI(f)的最大值FFTI(f1)，则电机的供电频率为f1；最后再计算电机的同步转频
Figure BDA0003741900010000052
p为电机极对数；
S2.4、判断同步转频fs是否大于电流钳的最小工作频率，这里为10Hz，如果小于，则返回步骤S1；否则，进入步骤S3；
S3、通过振动信号频率校正计算电机转速；
对v(n)进行FFT变换，公式为
Figure BDA0003741900010000053
搜索频率范围(0.9fs:fs)内的最大值，记为FFTv(fr)，则电机的实际转频为fr，所以电机的转速为rpm＝60fr；
本实施例在电机不同运行工况(不同供电频率、不同负载)下运用此方法估计电机转速，并将结果与转速计所测结果进行了对比，对比结果如图3所示。可见本方法的准确率总体较高，仅在低频低负载情况下有所降低。所有情况下，转速估计的平均相对误差为0.11％。
S4、根据电机铭牌信息以及转差频率计算电机转矩；
在电机铭牌上读取额定功率Pr以及额定转速Nr，可以计算额定转矩
Figure BDA0003741900010000054
额定转差频率Δfr＝fs-Nr/60。
计算电机的转差频率Δf＝fs-fr。在工况变化不大时，认为负载转矩与机械转矩相同。所以电机负载转矩
Figure BDA0003741900010000055
将电机的转速代入后可以表示为
Figure BDA0003741900010000056
特别的，若电机铭牌信息缺失，则可以测量电机实际运转情况从而计算电机负载转矩。
根据电机负载转矩计算公式TL＝p1Δf+p2，在不同运行工况下测量电机实际运转情况，记录m个数据点的测量值为(TL-i,Δfi)，其中，i＝1,2,…,m，m≥2，TL-i为第i个数据点测得的转矩，Δfi为第i个数据点测得的转差频率，p1、p2表示功率；
计算m个数据点的平均值分别为
Figure BDA0003741900010000061
然后采用线性回归方法获取最优的功率
Figure BDA0003741900010000062
Figure BDA0003741900010000063
最后根据公式
Figure BDA0003741900010000064
估计出电机转矩
Figure BDA0003741900010000065
本实施例运用并对比了以上两种方法。首先，测量电机不同运行工况下的一组数据点，根据步骤(4.2)所述公式计算负载转矩-转差频率的回归方程，如图4所示。此后，分别利用该方程与铭牌信息估计电机负载转矩，并与磁粉制动器所测结果对比，对比结果如图5所示。其中点划线为基于铭牌信息方法的估计结果，叉划线为拟合法估计结果。可见基于铭牌信息方法十分简便但误差相对较大，而拟合法数据收集难度较大，但准确性较高。可以依据需求选择采用的方法。所有情况下，基于铭牌信息方法的平均绝对误差为0.1288Nm，拟合法的平均绝对误差为0.0476Nm。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、采集感应电机的单相定子电流信号、电机壳体径向振动加速度信号以及电机铭牌信息，其中，电机铭牌信息包括电机极对数p、额定功率Pr以及额定转速Nr；
以相同的采样频率fsam和采集时长t采集单相定子电流信号与径向振动信号，其中，单相定子电流信号记为I(n)，径向振动信号记为v(n)，n＝1,2,…,N；其中，N为总采样点数，N＝fsam*t；
(2)、提取电流特征信号并进行稳态辨识；
(2.1)、计算I(n)的均方根，得到电流有效值Irms；
Figure FDA0003741893000000011
(2.2)、判断Irms是否大于电机给定的最小工作电流，如果小于，则认为电机处于停机状态，丢弃Irms，返回步骤(1)；否则，进入步骤(2.3)；
(2.3)、对I(n)进行FFT变换；
Figure FDA0003741893000000012
其中，f表示频率；
(2.4)、搜索频谱FFTI(f)上的最大值，记为FFTI(f1)，f1为最大值对应的频率；将f1作为电机的供电频率，最后计算电机的同步转频
Figure FDA0003741893000000013
p为电机极对数；
(2.5)、判断同步转频fs是否大于电流钳的最小工作频率，如果小于，则返回步骤(1)；否则，进入步骤(3)；
(3)、通过振动信号频率校正计算电机转速；
(3.1)、对v(n)进行FFT变换；
Figure FDA0003741893000000021
(3.2)、在频谱FFTv(f)上，搜索频率范围为(0.9fs～fs)内的最大值，记为FFTv(fr)，fr为最大值对应的频率；将fr作为电机的实际转频，然后计算电机的转速为rpm＝60fr；
(4)、根据电机铭牌信息以及转差频率计算电机转矩；
(4.1)、在电机铭牌上读取额定功率Pr以及额定转速Nr，计算电机的额定转矩
Figure FDA0003741893000000022
以及额定转差频率Δfr＝fs-Nr/60；
(4.2)、计算电机的转差频率Δf＝fs-fr；
(4.3)、计算电机转矩
Figure FDA0003741893000000023
2.根据权利要求1所述的基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，其特征在于，所述电机铭牌信息缺失时，通过如下方式计算电机转矩：
根据电机负载转矩计算公式TL＝p1Δf+p2，在不同运行工况下测量电机实际运转情况，记录m个数据点的测量值为(TL-i,Δfi)，其中，i＝1,2,…,m，m≥2，TL-i为第i个数据点测得的转矩，Δfi为第i个数据点测得的转差频率，p1、p2表示功率；
计算m个数据点的平均值分别为
Figure FDA0003741893000000024
然后采用线性回归方法获取最优的功率
Figure FDA0003741893000000025
Figure FDA0003741893000000026
最后根据公式
Figure FDA0003741893000000027
估计出电机转矩
Figure FDA0003741893000000028
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115586345A (zh) * 2022-12-09 2023-01-10 深圳市双合电气股份有限公司 一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统

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