CN117706186A - 一种变频电机共模信号在线监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频电机共模信号在线监测系统及监测方法，系统包括数据采集电路模块、数据处理电路模块、数字信号驱动模块和后台服务模块；方法为：将变频电机共模信号在线监测系统的装置部分按照顺序完成接线，搭建试验平台；基于试验平台对实验装置施加给定的交流电压，并采集电机牵引系统共模电压、共模电流信息；完成提取电机牵引系统共模信号特征测试；分析实时提取的共模电压、共模电流瞬时值，设置阈值警报系统。本发明通过共模电压和共模电流的非接触测量来获取共模阻抗频域特性，可自动向变频牵引系统发出报警信息，进一步降低因共模电压和共模电流过高引起的电力故障，保证机车车辆牵引系统的正常运行。
Description
技术领域
本发明属于变频电机系统监测技术领域，尤其涉及一种变频电机共模信号在线监测系统及监测方法。
背景技术
变频电机与其供电电源——逆变器之间通过电缆连接易在电机端子处引起共模浪涌电压及共模电流干扰。在电驱系统中，幅值过大的共模电压和共模电流往往伴随着较大的电压、电流变化率，不仅将导致轴承故障进而影响变频电机使用寿命，还带来严重的电磁干扰问题。变频电机直接供电于电力机车车辆，其安全正常运行对机车系统至关重要。常规的电压电流互感器测量方法不适用于测量特性高频下的电压电流信号，迫切需要一种低成本、适用范围广、结构简单的电压电流测量装置。
且现有研究表明，电机阻抗对变频驱动系统的传导干扰有重要影响，也是变频电机系统传导干扰建模中的关键部分，对共模阻抗的测量可以对高频下变频电机特性阻抗进行表征。现阶段对于变频电机共模阻抗信号的监测主要采用阻抗分析仪，但由于在变频驱动系统的应用现场，电机往往不易移动，加之阻抗分析仪价格昂贵，用于获取变频电机共模阻抗较为不便，且无法获取电机工作状态下的实时数据。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，为解决现有的变频电机检测系统缺少对变频电机共模信号的非接触式在线监测的问题，本发明提供一种变频电机共模信号在线监测系统及监测方法。
本发明的一种变频电机共模信号在线监测系统，包括数据采集电路模块、数据处理电路模块、数字信号驱动模块和后台服务模块。
数据采集电路模块用于对变频电机牵引系统的共模电压、电流进行信号检测。
数据处理电路模块用于接收、处理数据采集电路模块发送的变频电机牵引系统共模电压、电流信息，并通过频域处理获取共模阻抗频域信息。
数字信号驱动模块用于判断共模电压、电流与其分别对应阈值大小，输出信号作为后台服务模块的驱动信号。
后台服务模块用于远程监控和显示数据处理模块获取的信息结果，如果变频电机存在共模电压电流过高故障则发出警报。
变频电机牵引系统包括依次连接的三相交流电源、三相整流器、逆变器、三相电缆和变频电机；高频电压传感器分别安装于三相整流器与逆变器间串联电容中点及变频电机三相端子处，高频霍尔元件安装在三相电缆处，三相交流电源及变频电机机壳接地，共模电压/电流检测记录仪与高频霍尔元件及高频电压传感器输出连接，共模电压/电流检测记录仪与模数转换模块连接，后台服务器与模数转换模块连接。
进一步的，高频电压传感器及高频霍尔元件测量方式均为非接触测量。
进一步的，共模电压/电流检测记录仪包括数据处理和数据存储模块。
进一步的，后台服务器包括声信号警报器、光信号警报器及显示器。
本发明的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：将变频电机共模信号在线监测系统的装置部分按照顺序完成接线，搭建试验平台。
步骤2：基于试验平台对实验装置施加给定的交流电压，并采集电机牵引系统共模电压、共模电流信息；完成提取电机牵引系统共模信号特征测试。
步骤3：分析实时提取的共模电压、共模电流瞬时值，设置阈值警报系统。
进一步的，步骤1具体为：
步骤1.1：将基于电场耦合原理的非接触式电压传感器接在变频电机输入三相端子及整流器和逆变器串联电容中点处。
步骤1.2：将基于电磁式互感电流器的霍尔电流钳将变频电机端三个入线端子夹住。
步骤1.3：将电压传感器和霍尔电流钳信号输出端接入数据预处理模块。
步骤1.4：将数据预处理模块与模数转换模块进行连接，并通过数据存储模块进行数据备份。
步骤1.5：根据模数转换模块生成数字驱动模块用于驱动后台服务系统。
进一步的，步骤2具体为：
步骤2.1：在牵引电机额定运行工况下，获得的电压信号进行计算处理得到共模电压信号Vcm：
其中，Va，Vb，Vc分别是变频电机三相A、B、C端子电压传感器测得的电压信息；Vo是整流器和逆变器间串联电容中点O点电压传感器测得的电压信息。
步骤2.2：霍尔电流钳获得变频电机共模电流信号Icm。
步骤2.3：根据欧姆定律计算得到共模阻抗时域数据Z：
步骤2.4：采用傅里叶分解将共模电压、共模电流、共模阻抗分解到频域中。
进一步的，步骤3具体为：
步骤3.1：根据实时监测得到的共模电压、共模电流瞬时值，分别与共模电压阈值、共模电流阈值作比较，并进行模数转换：共模电压/电流大于共模电压阈值/电流阈值即输出1，共模电压/电流小于共模电压阈值/电流阈值即输出0。
步骤3.2：将模数转换结果作为信号驱动后台服务模块中的声、光报警器。
本发明的有益技术效果为：
本发明通过对高频工况下实时运行的变频电机共模信号进行实时在线监测，通过共模电压和共模电流的非接触测量来获取共模阻抗频域特性；当共模电压和共模电流超过阈值时，可自动向变频牵引系统发出报警信息，从而在一定程度上降低因共模电压和共模电流过高引起的电力故障，保证机车车辆牵引系统的正常运行。
附图说明
图1为本发明变频电机共模信号在线监测系统功能模块示意图。
图2为本发明变频电机共模信号在线监测系统硬件结构示意图。
图中：1-三相交流电源；2-三相整流器；3-高频电压传感器；4-逆变器；5-高频霍尔元件；6-三相电缆；7-变频电机；8-共模电压/电流检测记录仪；9-模数转换模块；10-后台服务器。
图3为本发明变频电机共模信号在线监测系统的高频电压传感器原理图。
图4为本发明变频电机共模信号在线监测方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种变频电机共模信号在线监测系统，如图1所示，包括数据采集电路模块、数据处理电路模块、数字信号驱动模块和后台服务模块。
数据采集电路模块用于对变频电机牵引系统的共模电压、电流进行信号检测。
数据处理电路模块用于接收、处理数据采集电路模块发送的变频电机牵引系统共模电压、电流信息，并通过频域处理获取共模阻抗频域信息。
数字信号驱动模块用于判断共模电压、电流与其分别对应阈值大小，输出信号作为后台服务模块的驱动信号。
后台服务模块用于远程监控和显示数据处理模块获取的信息结果，如果变频电机存在共模电压电流过高故障则发出警报。
本发明的一种变频电机共模信号在线监测系统的硬件结构如图2所示，变频电机牵引系统包括依次连接的三相交流电源1、三相整流器2、逆变器4、三相电缆6和变频电机7；高频电压传感器3分别安装于三相整流器2与逆变器4间串联电容中点及变频电机7三相端子处，高频霍尔元件5安装在三相电缆6处，三相交流电源1及变频电机7机壳接地，共模电压/电流检测记录仪8与高频霍尔元件5及高频电压传感器3输出连接，共模电压/电流检测记录仪8与模数转换模块9连接，后台服务器10与模数转换模块9连接。通过高频电压传感器3和高频霍尔元件5采集共模电压、共模电流，将数据传回共模电压/电流检测记录仪8，其能够对采集的数据进行处理分析，并得到变频电机共模阻抗频域特性，通过模数转换模块9进而进一步指导后台服务器10的警报工作。
进一步的，高频电压传感器3及高频霍尔元件5测量方式均为非接触测量。共模电压/电流检测记录仪8包括数据处理和数据存储模块。后台服务器10包括声信号警报器、光信号警报器及显示器。
实施例中，三相交流电源1、三相整流器2、逆变器4、三相电缆6及变频电机7处于运行工况，可以根据不同的变频电机7输出力矩的应用情况调节三相交流电源1的频率，其电机机壳及交流电源接地。三相整流器2与逆变器4之间通过串联电容连接以达到稳压效果，在串联电容中点接入高频电压传感器3。逆变器4通过三相电缆6与变频电机7三个端子分别连接，高频电压传感器3安装在三相电缆6与变频电机7连接处，并尽可能靠近变频电机7伸出的相端子处，以便适当准确的确定变频电机7三相端子相电压。高频霍尔元件5夹住逆变器4输出端与三相电缆6连接处的三个端子，并尽量保持三个端子位于高频霍尔元件环的中心处，以便确保能准确获取变频电机牵引系统共模电流。共模电压/电流检测记录仪8用于接收高频电压传感器3及高频霍尔元件5传输的实时数据，同时可以进行数据处理得到共模电压、共模阻抗实时值，并进行数据存储和备份。模数转换模块9根据设定的共模电压、电流阈值将实时共模电压、电流数值进行模数转换，用于作为后台服务器10的驱动信号，实现实时警报的模拟。
本发明的高频电压传感器3是基于电场耦合原理采用两个传感电极组成的电压传感器模块。如图3所示，高频电压传感器模块放置在待测点位处，在传感电极和被测点位之间形成耦合电容Cl，上下感应电极之间形成电容器Cs，两个电容器串联连接，形成分压器，并引入模拟接地负载电阻Rm及陶瓷电容器C与感应电极间固有电容并联连接；该高频电压传感器工作在自积分模式下，可通过调节陶瓷电容器C来改变传感器的分压比k：
高频电流霍尔元件是基于磁场电流效应原理采用磁芯，副边线圈、霍尔元件、运算放大器及测量电阻组成。
当被测线缆电流通过高频电流霍尔元件线圈时，此交变的电流在磁环中产生反向的副边补偿电流，用于抵消原边电流交变产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为0，且霍尔元件的输出端能精确反映被测线缆电流的电流变化。
本发明的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法原理如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：将变频电机共模信号在线监测系统的装置部分按照顺序完成接线，搭建试验平台。
步骤1.1：将基于电场耦合原理的非接触式电压传感器接在变频电机输入三相端子及整流器和逆变器串联电容中点处。
步骤1.2：将基于电磁式互感电流器的霍尔电流钳将变频电机端三个入线端子夹住。
步骤1.3：将电压传感器和霍尔电流钳信号输出端接入数据预处理模块。
步骤1.4：将数据预处理模块与模数转换模块进行连接，并通过数据存储模块进行数据备份。
步骤1.5：根据模数转换模块生成数字驱动模块用于驱动后台服务系统。
步骤2：基于试验平台对实验装置施加给定的交流电压，并采集电机牵引系统共模电压、共模电流信息；完成提取电机牵引系统共模信号特征测试。
步骤2.1：在牵引电机额定运行工况下，获得的电压信号进行计算处理得到共模电压信号Vcm：
其中，Va，Vb，Vc分别是变频电机三相A、B、C端子电压传感器测得的电压信息；Vo是整流器和逆变器间串联电容中点O点电压传感器测得的电压信息。
步骤2.2：霍尔电流钳获得变频电机共模电流信号Icm。
步骤2.3：根据欧姆定律计算得到共模阻抗时域数据Z：
步骤2.4：采用傅里叶分解将共模电压、共模电流、共模阻抗分解到频域中。
经过傅里叶变换得到共模阻抗频域特性：
步骤3：分析实时提取的共模电压、共模电流瞬时值，设置阈值警报系统。
步骤3.1：根据实时监测得到的共模电压、共模电流瞬时值，分别与共模电压阈值、共模电流阈值作比较，并进行模数转换：共模电压/电流大于共模电压阈值/电流阈值即输出1，共模电压/电流小于共模电压阈值/电流阈值即输出0。即：
步骤3.2：将模数转换结果作为信号驱动后台服务模块中的声、光报警器。
本发明适用于逆变器供电变频电机牵引系统，本发明中高频电压传感器和高频电流霍尔元件可以通过无接触测量电压电流信号，可在满足国家标准的使用条件下进行共模信号的准确提取；本发明中高频电压传感器和高频电流霍尔元件的安装具有灵活性，可根据试验者的实际测量需求，在变频电机牵引系统的不同位置进行合理安装；本发明中共模电压/电流检测记录仪不仅能反映实时的变频电机共模特性，还可以对数据进行存储备份，便于试验后期的分析和处理。
本发明系统能自动向变频牵引系统发出报警信息，从而在一定程度上降低因共模电压和共模电流过高引起的电力故障，保证机车车辆牵引系统的正常运行。
Claims (9)
1.一种变频电机共模信号在线监测系统，其特征在于，包括数据采集电路模块、数据处理电路模块、数字信号驱动模块和后台服务模块；
数据采集电路模块用于对变频电机牵引系统的共模电压、电流进行信号检测；
数据处理电路模块用于接收、处理数据采集电路模块发送的变频电机牵引系统共模电压、电流信息，并通过频域处理获取共模阻抗频域信息；
数字信号驱动模块用于判断共模电压、电流与其分别对应阈值大小，输出信号作为后台服务模块的驱动信号；
后台服务模块用于远程监控和显示数据处理模块获取的信息结果，如果变频电机存在共模电压电流过高故障则发出警报。
2.根据权利要求1所述的一种变频电机共模信号在线监测系统，其特征在于，所述变频电机牵引系统包括依次连接的三相交流电源(1)、三相整流器(2)、逆变器(4)、三相电缆(6)和变频电机(7)；高频电压传感器(3)分别安装于三相整流器(2)与逆变器(4)间串联电容中点及变频电机(7)三相端子处，高频霍尔元件(5)安装在三相电缆(6)处，三相交流电源(1)及变频电机(7)机壳接地，共模电压/电流检测记录仪(8)与高频霍尔元件(5)及高频电压传感器(3)输出连接，共模电压/电流检测记录仪(8)与模数转换模块(9)连接，后台服务器(10)与模数转换模块(9)连接。
3.根据权利要求2所述的一种变频电机共模信号在线监测系统，其特征在于，所述高频电压传感器(3)及高频霍尔元件(5)测量方式均为非接触测量。
4.根据权利要求2所述的一种变频电机共模信号在线监测系统，其特征在于，所述共模电压/电流检测记录仪(8)包括数据处理和数据存储模块。
5.根据权利要求2所述的一种变频电机共模信号在线监测系统，其特征在于，所述后台服务器(10)包括声信号警报器、光信号警报器及显示器。
6.根据权利要求1所述的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将变频电机共模信号在线监测系统的装置部分按照顺序完成接线，搭建试验平台；
步骤2：基于试验平台对实验装置施加给定的交流电压，并采集电机牵引系统共模电压、共模电流信息；完成提取电机牵引系统共模信号特征测试；
步骤3：分析实时提取的共模电压、共模电流瞬时值，设置阈值警报系统。
7.根据权利要求6所述的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1.1：将基于电场耦合原理的非接触式电压传感器接在变频电机输入三相端子及整流器和逆变器串联电容中点处；
步骤1.2：将基于电磁式互感电流器的霍尔电流钳将变频电机端三个入线端子夹住；
步骤1.3：将电压传感器和霍尔电流钳信号输出端接入数据预处理模块；
步骤1.4：将数据预处理模块与模数转换模块进行连接，并通过数据存储模块进行数据备份；
步骤1.5：根据模数转换模块生成数字驱动模块用于驱动后台服务系统。
8.根据权利要求6所述的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：在牵引电机额定运行工况下，获得的电压信号进行计算处理得到共模电压信号Vcm：
其中，Va，Vb，Vc分别是变频电机三相A、B、C端子电压传感器测得的电压信息；Vo是整流器和逆变器间串联电容中点O点电压传感器测得的电压信息；
步骤2.2：霍尔电流钳获得变频电机共模电流信号Icm；
步骤2.3：根据欧姆定律计算得到共模阻抗时域数据Z：
步骤2.4：采用傅里叶分解将共模电压、共模电流、共模阻抗分解到频域中。
9.根据权利要求6所述的一种变频电机共模信号在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
步骤3.1：根据实时监测得到的共模电压、共模电流瞬时值，分别与共模电压阈值、共模电流阈值作比较，并进行模数转换：共模电压/电流大于共模电压阈值/电流阈值即输出1，共模电压/电流小于共模电压阈值/电流阈值即输出0；
步骤3.2：将模数转换结果作为信号驱动后台服务模块中的声、光报警器。
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