CN116008802A - 一种便携式电机检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机检测技术领域，并公开了一种便携式电机检测装置及其检测方法，检测装置包括装置主体和开合式电流传感器，其中，装置主体内设置有预警单元、数据处理单元和电源模块；电源模块为装置主体供电；数据处理单元分别与开合式电流传感器和预警单元连接，电流传感器用于获取待测电机的三相电流数据；数据处理单元用于同步采集三相电流数据，并基于三相电流数据计算电流特征值，电流特征值包括电流正序分量、电流负序分量和电机转速，并比对电流特征值与预设阈值的大小，以判断待测电机是否故障；预警单元用于显示电流特征值和待测电机故障。本发明的电机检测装置结构简单、方便携带，且在电机运行中即可实时进行故障检测。

Description

一种便携式电机检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于电机检测技术领域，更具体地，涉及一种便携式电机检测装置及其检测方法。

背景技术

电动机作为将电能转化为机械能的装置，目前已渗透到工业生产及日常生活的方方面面。作为系统的关键或核心设备，电机对整个系统的安全、可靠运行具有至关重要的作用。对一些对可靠性要求较高的场合，电机突然停机可能带来重大经济损失甚至人员伤亡。因此，有必要采取各种积极措施来减少或消除故障隐患以确保重要系统的安全稳定运行。电机发生故障并最终造成突然停机的过程往往是渐变的。在这个过程中，如果未及时发现故障，则故障会逐步发展扩大并可能诱发其他故障。

现有的电机检测系统由电流传感器、电压传感器、扭矩传感器、光电编码器、DSP处理器(数字信号处理器)和LabVIEW上位机等主要模块组成，通过安装的传感器实现对电机参数进行在线获取，通过信号调理电路解析之后传给DSP处理器进行信号处理，DSP处理器将处理完成的信号通过232串口通信接口传输到电脑中，将信号实时的传输上来，再调用LabVIEW中的信号处理函数实现对电机运行参数的实时在线监测、保存和历史回放。

然而，电机在长期运行状态下，其性能不断减弱，故障率不断提高，而前述现有的电机检测装置结构复杂、体形笨重，系统数据的传输均使用有线连接，检测的数据涉及电压扭矩等多种传感器，设备价格高昂，且使用时需要在在电机停机的情况下进行连接，不利于技术人员快速进行电机故障分析。综上所述，现有技术方案难以满足电机故障检测装置非侵入式、效率高、成本低和方便携带等需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种便携式电机检测装置及其检测方法，以解决现有电机检测装置不便携带，且需要在电机停机的情况下通过线缆连接进行故障检测，从而导致检测效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种便携式电机检测装置，包括装置主体和开合式电流传感器，其中，所述装置主体内设置有预警单元、数据处理单元和电源模块；

所述电源模块为所述装置主体供电；

所述数据处理单元分别与所述开合式电流传感器和所述预警单元连接，所述开合式电流传感器用于检测待测电机的三相电流数据；所述数据处理单元用于采集所述三相电流数据，并基于三相电流数据计算电流特征值，所述电流特征值包括电流正序分量i、电流负序分量i和电机转速n_e，还用于比对所述电流特征值与预设阈值的大小，以判断待测电机是否故障；

所述预警单元用于基于所述数据处理单元的计算结果和判断结果，显示所述电流特征值和待测电机故障。

进一步的，所述数据处理单元包括数据采集模块，所述数据采集模块与所述开合式电流传感器通信连接，所述数据采集模块用于采集所述三相电流数据。

进一步的，所述数据处理单元还包括数据分析模块，所述数据分析模块与所述数据采集模块通信连接，其用于基于三相电流数据计算电流特征值；优选的，所述数据处理单元还包括存储有预设阈值的数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据分析模块通信连接；更优选的，所述电流特征值还包括电流有效值和电流谐波值。

进一步的，所述数据处理单元还包括预警单元驱动模块，所述预警单元驱动模块分别与所述数据分析模块和所述预警单元连接，所述预警单元驱动模块用于接收所述数据分析模块发出的显示指令，并基于所述显示指令驱动所述预警单元显示所述电流特征值及待测电机故障。

进一步的，所述检测装置还包括与所述装置主体通过卡扣结构相连的收纳盒，所述收纳盒用于收纳所述开合式电流传感器；优选的，所述装置主体侧边设置有磁性件，所述收纳盒上设置有能与所述磁性件吸附连接的结构件，所述收纳盒与所述装置主体能通过磁吸方式相连。

根据本发明的另一个方面，还提供一种如前任一所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，所述检测方法包括：

S1、开合式电流传感器卡接在待测电机的三相线上检测三相电流数据；

S2、数据处理单元采集所述三相电流数据，并基于所述三相电流数据计算电流特征值，所述电流特征值包括电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e；

S3、数据处理单元将所述电流特征值与预设阈值进行比较，所述预警单元基于数据处理单元的计算结果和比较结果显示电流特征值并进行故障预警：

若所述电流特征值未超过所述预设阈值，则所述预警单元仅显示所述电流特征值；

若所述电流特征值超过所述预设阈值，则预警单元显示所述电流特征值，并进行故障预警。

进一步的，步骤S2中，数据采集单元采集待测电机的三相电流数据的步骤包括：

S201、基于预设采样率采集待测电机的三相电流数据，获取的三相电流原始信号为i_a(N)、i_b(N)和i_c(N)，其中，N为采样点数；

S202、基于预设的滤波截止频率，将三相电流数据进行一阶低通滤波处理，处理后的三相电流信号为i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)。

进一步的，所述电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e的计算方式如下：

基于所述三相电流信号i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)，利用三相锁相环算法获取电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e。

进一步的，所述电流特征值还包括电流有效值，电流有效值计算方式如下：

使i_s＝[i_as(N)i_bs(N)i_cs(N)]，并对i_s进行快速傅里叶变换，从而获取快速傅里叶变换后三相电流信号的最大基波幅值作为电流有效值I；

优选的，所述电流有效值I的计算公式为：

其中：I_a1、I_b1和I_c1分别为三相基波幅值中的最大值。

进一步的，所述电流特征值还包括电流谐波值，电流谐波值计算方式如下：

计算三相电流信号i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)对应的三相电流谐波，并将三相电流谐波中的最大值作为电流谐波值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

1、本发明的检测装置包括一个装置主体和开合式的电流传感器，且装置主体上设置有数据处理单元、预警单元和供电电源，三者集成于一体，且开合式电流传感器与数据处理单元相连，开合式的电流传感器只需要卡在待测电机的三相线上，便可在电机不停机的情况下获取待测电机的工作参数；相比于现有方案中，通过常用的电流传感器、电压传感器、扭矩传感器和光电编码器等检测单元需要在电机停机情况下才能加装进行故障检测，并连接串口线来获取控制器的参数才能进行检测的方式，本发明的电机故障检测装置结构小巧、使用方便，仅用开合式的电流传感器卡在电机三相线上即可检测，还能在不影响电机运行的情况下快速检测运转电机。

2、本发明的检测装置中的数据处理单元能够同步采集三相电流数据，并计算电流特征值，电流特征值包括电流正序分量i、电流负序分量i和电机转速n_e，并将计算出的电流特征值与保存的阈值进行对比，通过预警单元驱动模块驱动预警单元显示电流特征值的大小，并根据比对情况提示电机故障。

3、本发明的数据处理单元包括数据采集模块，在电机稳定运行状态下，能够采集开合式电流传感器获取的待测电机的三相电流数据；还包括数据分析模块，数据分析模块的输入端与数据采集模块的输出端相连，用于基于三相电流数据计算电流特征值；还包括存储有预设阈值的数据存储模块，数据存储模块与数据分析模块连接，数据分析模块计算的电流特征值还包括电流有效值和谐波。

4、本发明的检测装置中，装置主体上设置有通过卡扣结构相连的开合式电流传感器收纳盒，当不使用检测装置时，3个开合式电流传感器收纳在传感器收纳盒中，使用检测装置时，将开合式电流传感器从收纳盒中取出进行检测，若收纳盒妨碍检测，则将收纳盒从装置主体上取下，待使用完后再与装置主体卡接到一起，并将开合式电流传感器收纳进去。

5、本发明的检测装置的装置主体侧边还设置有磁性件，收纳盒上也设置有能与该磁性件吸附连接的结构件，检测装置工作时，取下的收纳盒能与装置主体采用磁吸方式相连，防止丢失。

6、本发明的检测方法通过获取三相电流，将三相电流信号经过一阶低通滤波器处理，并通过三相锁相环跟踪方法计算获取正序电流、负序电流和电机转速，避免了普通的傅里叶变换方法因为频谱泄漏导致相位误差较大，无法准确识别负序电流的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种便携式电机检测装置示意图；

图2是本发明实施例2提供的一种便携式电机检测装置示意图；

图3是本发明实施例中的三相锁相环算法系统示意图；

图4是本发明实施例中的三相锁相环算法系统的解耦单元结构示意图；

图5是本发明实施例中解耦单元中电压矢量dq的变换过程示意图；

图6是本发明实施例中的开合式电流传感器结构示意图；

图7是本发明实施例中的数据处理板卡内部各单元连接关系示意图。

图中：1-开合式电流传感器，2-收纳盒，3-预警单元，4-装置主体，5-数据处理板卡，6-磁性件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为一种便携式电机检测装置，其包括装置主体4和3个开合式电流传感器1，其中，装置主体4上设置有位于其外侧的预警单元3、位于其内侧的数据处理单元和电源模块；

电源模块为装置主体4供电，电源模块为可更换的电池(图中未示出)；

数据处理单元分别与开合式电流传感器1和预警单元3电性连接，如图6所示的开合式电流传感器1用于获取待测电机的三相电流数据，先将待测电机的三相线卡入开合式电流传感器1的槽中，并沿图中箭头方向闭合开合式电流传感器1，随后开始检测三相电流数据；位于装置主体内部的数据处理单元用于按照预设采样率同步采集开合式电流传感器检测的三相电流数据，并基于三相电流数据按照预设算法计算电流特征值，电流特征值包括电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e，并比对电流特征值与预设阈值的大小，以判断待测电机是否故障；

预警单元3用于显示电流特征值和待测电机故障，预警单元3为一块设置在装置主体上的显示屏。

在优选实施例中，数据处理单元包括数据采集模块，数据采集模块的输入端与开合式电流传感器相连，数据采集模块用于基于预设采样率采集待测电机的三相电流数据。

在优选实施例中，开合式电流传感器包括如图6所示的3个开合式电流传感器，能够直接卡接在待测电机的三相线上进行参数检测。

在优选实施例中，数据处理单元还包括数据分析模块，数据分析模块与数据采集模块的通信连接，用于基于三相电流数据计算电流特征值；

在优选实施例中，数据处理单元还包括存储有预设阈值的数据存储模块，数据存储模块与数据分析模块连接。

在更优选的实施例中，基于三相电流数据按照预设算法计算的电流特征值还包括电流有效值I和谐波THD。

在更优选的实施例中，数据处理单元还包括用于驱动预警单元显示电流特征值及预警电机故障的预警单元驱动模块，预警单元驱动模块与数据分析模块实现通信连接，预警单元驱动模块还与预警单元相连，用于接收数据分析模块发出的显示指令，并基于显示指令驱动预警单元显示电流特征值及待测电机故障。

在优选实施例中，检测装置还包括与装置主体4通过卡扣结构相连的收纳盒2，收纳盒2用于收纳所有的开合式电流传感器1，由于开合式电流传感器1与装置主体是通过导线连接的，所以收纳盒能够将其收纳固定，避免不便携带及损毁。

在更优选的实施例中，装置主体4的至少一个外侧边上还设置有磁性件6，如磁铁块或磁钢件等，收纳盒2上设置有能与磁性件吸附连接的结构件，如能与磁铁磁性相吸的金属，收纳盒2上的结构间与装置主体4上的额磁性件采用磁吸方式相连，避免检测装置检测时，开合式电流传感器收纳盒丢失。

实施例1

如图2所示，为本发明提供的另一种便携式电机检测装置，该装置包括有集成在一个装置底板(即装置主体4)上的预警单元3、数据处理板卡5(即数据处理单元)、电源模块和如图6所示的3个开合式开合式电流传感器1，其中：

电源模块为检测装置供电，本实施例中，电源模块为可更换的电池组；

数据处理板卡5设置在装置底板内，并分别与开合式电流传感器1和预警单元3通过线缆连接，开合式电流传感器1用于获取待测电机的三相电流数据，并传输至数据处理单元；数据处理单元用于同步采集三相电流数据，并基于三相电流数据按照预设算法计算电流特征值，电流特征值包括电流有效值I、谐波THD、电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e，并比对该些电流特征值与预设阈值的大小，以判断待测电机是否故障；本实施例中，预设阈值为初次测量电机运行状态时得到的电流特征值；

预警单元3为一块显示屏，用于显示电流特征值和待测电机故障，在其他优选实施例中，预警单元3也可更换为不同颜色的LED灯来显示电机是否有故障，如设置两个不同时亮的LED灯，一个绿色，一个红色，其中，绿色LED亮则表示电机正常，红色LED亮，则表示电机发生故障。

本实施例中，装置底板下端设有磁铁(即磁性件6)，侧面通过卡扣结构连接有一个开合式电流传感器的收纳盒2，该收纳盒2为不锈钢材质，其内部垫有海绵体，不使用检测装置时，3个开合式电流传感器均放在收纳盒2中被海绵体包裹，收纳盒2通过常规卡扣结构卡在装置底板的一侧，方便外出携带；使用检测装置时，将开合式电流传感器1取出，将收纳盒2吸附于装置底板下端的磁铁上防止丢失。

前述的数据处理板卡上还配置有数据采集模块、数据分析模块、数据存储模块和显示屏驱动模块，各模块连接关系如图7所示；

前述的数据采集模块同步采集三相电流数据；

前述的数据分析模块则基于数据采集模块采集的三相电流数据(通过开合式电流传感器1、开合式电流传感器2和开合式电流传感器3测量)来计算电流特征值，电流特征值包括三相电流谐波含量、电流有效值、电机转速和负序电流值，并将电流特征值提供给数据存储模块进行保存，并将首次测量的无故障电机的电流特征值保存为历史数据，作为后期判断是否故障的预设阈值；

前述的数据存储模块为SD卡；

前述的数据分析模块将当前计算得到的电流特征值与预设阈值对比，并根据比对情况，驱动显示屏驱动模块在显示屏上显示电流特征值的大小，并在当前电流特征值超过预设阈值的情况下使显示屏提示电机故障。

实施例2

本实施例提供一种便携式电机检测装置的检测方法，如前任一所述的一种便携式电机检测装置能实现本检测方法，检测方法的步骤包括：

S1、开合式电流传感器卡接在待测电机的三相线上检测三相电流数据打开收纳盒，将其中的开合式电流传感器分别夹持到电机的三相线上，检测运行中待测电机的三相电流数据值；

S2、数据处理单元同步采集开合式电流传感器检测到的三相电流数据，采集待测电机的三相电流数据的步骤包括：

S201、采集待测电机的三相电流数据，其采样率为f_s＝102400Hz，获取的三相电流原始信号为i_a(N)、i_b(N)和i_c(N)，其中，N为采样点数；

S202、然后将三相电流数据经过一阶低通滤波器LPF处理(Low Pass Filter)，滤波截止频率f_c＝5000Hz，基于以下公式，获取到三相电流信号i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)：

其中，x为输入变量，y为输出变量，α为滤波系数，i_a为a相电流，i_b为b相电流，i_c为c相电流。

S3、数据处理单元基于三相电流数据计算电流特征值；

S301、令i_s＝[i_as(N)i_bs(N)i_cs(N)]：

并且，对i_s进行快速FFT(快速傅里叶变换)变换，获取三相电流的基频及其倍频幅值I_a1、I_a2、……、I_a25，I_b1、I_b2、……、I_b25，I_c1、I_c2、……、I_c25，取三相基波幅值中的最大值，然后除以

获得电流有效值I，计算公式为：

再基于三相电流的基频及其倍频幅值，计算三相电流谐波：

取三相电流谐波中的最大者，得到电流特征值中的电流谐波THD：

THD＝max(THD_a THD_b THD_c)(4)

其中，THD_a为a相电流的电流谐波值，THD_b为b相电流的电流谐波值，THD_c为c相电流的电流谐波值。

另一方面，再将i_s提供给如图3所示的三相锁相环算法系统，三相锁相环算法系统通过两组相反方向的dq变换，即T_dq ⁺¹和T_dq ^-1，将三相电流信号映射到两个旋转方向相反的同步坐标系上，从而实现正负序分量的分离。然后，通过PI调节器使得正序分量的q轴分量为0，使得锁相环的跟踪角度跟踪上正序分量的相角。为消除反向旋转波动分量的影响，需要加入解耦单元进行消除。

如图4所示，为该系统中的解耦单元结构，其电压矢量dq的变换过程如图5所示，图中，θ′为锁相环跟踪角度，

为解耦前的正序电流d轴分量，

为解耦前的正序电流q轴分量，

为解耦前的负序电流d轴分量，

为解耦前的负序电流q轴分量，

为解耦后的正序电流d轴分量，

为解耦后的正序电流q轴分量，

为解耦后的负序电流d轴分量，

为解耦后的负序电流q轴分量，

为

经过一阶低通滤波后的值，

为

经过一阶低通滤波后的值，

为

经过一阶低通滤波后的值，

为

经过一阶低通滤波后的值，k_p为比例调节参数，k_i为积分调节参数。

将上述计算得到的正序电流d轴分量

负序电流d轴分量

正序电流q轴分量

负序电流q轴分量

代入公式(5)-(7)中计算获得电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e：

n_e＝120πN_eω_'(7)

其中，N_e为电机极对数，ω′为锁相环跟踪角速度。

S4、数据处理单元将电流特征值与预设阈值进行比较

若电流特征值超过预设阈值，则预警单元显示电流特征值并进行故障预警；

若电流特征值未超过预设阈值，则预警单元仅显示电流特征值，不预警。

本发明通过简单检测运行时的待测电机的三相电流，并通过三相锁相环跟踪方法获取待测电机的正序电流、负序电流和电机转速等值，三相锁相环将电流的正负序分量分离，实现相位角的准确跟踪计算，没有了窗函数的存在，避免了普通的傅里叶变换方法因为频谱泄漏导致相位误差较大，无法准确识别负序电流的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式电机检测装置，其特征在于，包括装置主体(4)和开合式电流传感器(1)，其中，所述装置主体(4)内设置有预警单元(3)、数据处理单元和电源模块；

所述电源模块为所述装置主体(4)供电；

所述数据处理单元分别与所述开合式电流传感器(1)和所述预警单元(3)连接，所述开合式电流传感器(1)用于检测待测电机的三相电流数据；所述数据处理单元用于采集所述三相电流数据，并基于三相电流数据计算电流特征值，所述电流特征值包括电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e，还用于比对所述电流特征值与预设阈值的大小，以判断待测电机是否故障；

所述预警单元(3)用于基于所述数据处理单元的计算结果和判断结果，显示所述电流特征值和待测电机故障。

2.如权利要求1所述的一种便携式电机检测装置，其特征在于，所述数据处理单元包括数据采集模块，所述数据采集模块与所述开合式电流传感器(1)通信连接，所述数据采集模块用于采集所述三相电流数据。

3.如权利要求2所述的一种便携式电机检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括数据分析模块，所述数据分析模块与所述数据采集模块通信连接，其用于基于三相电流数据计算电流特征值；优选的，所述数据处理单元还包括存储有预设阈值的数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据分析模块通信连接；更优选的，所述电流特征值还包括电流有效值和电流谐波值。

4.如权利要求3所述的一种便携式电机检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括预警单元驱动模块，所述预警单元驱动模块分别与所述数据分析模块和所述预警单元(3)连接，所述预警单元驱动模块用于接收所述数据分析模块发出的显示指令，并基于所述显示指令驱动所述预警单元显示所述电流特征值及待测电机故障。

5.如权利要求1所述的一种便携式电机检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括与所述装置主体(4)通过卡扣结构相连的收纳盒(2)，所述收纳盒(2)用于收纳所述开合式电流传感器(1)；优选的，所述装置主体(4)侧边设置有磁性件，所述收纳盒(2)上设置有能与所述磁性件吸附连接的结构件，所述收纳盒(2)与所述装置主体(4)能通过磁吸方式相连。

6.一种如权利要求1-5任一所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

S1、开合式电流传感器卡接在待测电机的三相线上检测三相电流数据；

S2、数据处理单元采集所述三相电流数据，并基于所述三相电流数据计算电流特征值，所述电流特征值包括电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e；

S3、数据处理单元将所述电流特征值与预设阈值进行比较，所述预警单元基于数据处理单元的计算结果和比较结果显示电流特征值并进行故障预警：

若所述电流特征值未超过所述预设阈值，则所述预警单元仅显示所述电流特征值；

若所述电流特征值超过所述预设阈值，则预警单元显示所述电流特征值，并进行故障预警。

7.如权利要求6所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，其特征在于，步骤S2中，数据处理单元采集待测电机的三相电流数据的步骤包括：

S201、基于预设采样率采集待测电机的三相电流数据，获取的三相电流原始信号为i_a(N)、i_b(N)和i_c(N)，其中，N为采样点数；

S202、基于预设的滤波截止频率，将三相电流数据进行一阶低通滤波处理，处理后的三相电流信号为i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)。

8.如权利要求7所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，其特征在于，所述电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e的计算方式如下：

基于所述三相电流信号i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)，利用三相锁相环算法获取电流正序分量i₁、电流负序分量i₂和电机转速n_e。

9.如权利要求7所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，其特征在于，所述电流特征值还包括电流有效值，电流有效值计算方式如下：

使i_s＝[i_as(N)i_bs(N)i_cs(N)]，并对i_s进行快速傅里叶变换，从而获取快速傅里叶变换后三相电流信号的最大基波幅值作为电流有效值I；

优选的，所述电流有效值I的计算公式为：

其中：I_a1、I_b1和I_c1分别为三相基波幅值中的最大值。

10.如权利要求7所述的一种便携式电机检测装置的检测方法，其特征在于，所述电流特征值还包括电流谐波值，电流谐波值计算方式如下：

计算三相电流信号i_as(N)、i_bs(N)和i_cs(N)对应的三相电流谐波，并将三相电流谐波中的最大值作为电流谐波值。

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