同步采樣法在電機(jī)溫升測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用*

張禎海， 遲長(zhǎng)春， 邵士良， 練正兵

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

溫升是電機(jī)損耗與散熱情況的量度，已成為評(píng)價(jià)電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)其測(cè)試非常重要。傳統(tǒng)的電機(jī)溫升測(cè)試是用傳統(tǒng)的專用儀器測(cè)量，必須有讀數(shù)、記錄等人工參與才能完成。隨著虛擬儀器的發(fā)展又出現(xiàn)了目前廣泛采用的電機(jī)溫升測(cè)試系統(tǒng)，即采用虛擬儀器技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備等硬件和軟件的結(jié)合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理、顯示、打印及存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫升參數(shù)的智能采集和計(jì)算，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便、打印報(bào)表等諸多優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于硬件連接、軟件執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理等各種故障的原因會(huì)造成方法誤差、采樣不同步誤差、數(shù)據(jù)誤差、舍入誤差等各種各樣的誤差[1]。本文介紹測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加入同步采樣環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度和速度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理

電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)[2- 4]，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和儀器設(shè)備的硬件測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的控制和數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理、顯示、打印及存儲(chǔ)，使系統(tǒng)功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般儀器的簡(jiǎn)單組合。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本溫升測(cè)試系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制中樞，主要由測(cè)功機(jī)、傳感器、PLC處理器、程控電源、各電參量顯示儀、PC機(jī)及打印機(jī)組成。所有的部件都設(shè)計(jì)為模塊式組件，并可根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的具體要求進(jìn)行選配，以給測(cè)試者提供最大可能的柔化性應(yīng)用方案。圖1為該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC、RS-232通信接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中。PC機(jī)通過溫升測(cè)試系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)保存等，最后通過打印機(jī)打印數(shù)據(jù)，生成報(bào)表。

1.2 溫升計(jì)算原理

電機(jī)的溫升通常是通過測(cè)量其繞組的冷、熱態(tài)電阻變化獲得的。測(cè)電機(jī)各繞組溫升采用電阻法,是利用繞組導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而增加的原理,根據(jù)電阻變化計(jì)算出溫度變化的測(cè)溫方式。電阻法測(cè)得的繞組溫度是整個(gè)繞組的平均溫度。

通常使用電解銅導(dǎo)線作電機(jī)繞組，在-50℃～ 150℃的范圍內(nèi)，各時(shí)刻冷、熱態(tài)直流電阻R1和Rn與冷、熱態(tài)溫度t1和tn之間的關(guān)系為

(1)

從而可得溫升算式為

(2)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過采集各瞬時(shí)電壓、電流，通過信號(hào)調(diào)理等處理后上傳至PLC。根據(jù)采集到的電壓、電流值計(jì)算出各瞬時(shí)電阻，然后軟件通過式(1)、式(2)計(jì)算出各時(shí)間間隔的溫升值。

2 同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在以上介紹的電機(jī)測(cè)試軟件中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是最核心的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是指將電壓、電流等電量信號(hào)與溫度、壓力等非電量信號(hào)在測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的模擬量，進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再對(duì)所讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示或打印的過程。

采用均勻取樣方式對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量時(shí)，采樣頻率與信號(hào)基波頻率之間存在整數(shù)倍關(guān)系，即采樣時(shí)間間隔T0、被測(cè)交流信號(hào)周期Ts和1個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N之間滿足關(guān)系式Ts=NT0的采樣方式為同步采樣法[5]。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖2)通常由傳感器、信號(hào)調(diào)理、采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換、微處理器及外圍設(shè)備組成[6]。

圖2 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上加入同步環(huán)節(jié)，即形成同步采樣法的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖3)。所謂積分環(huán)節(jié),即為一整形電路。被測(cè)的電壓或電流信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路整形后，振蕩器形成的脈沖將正弦波信號(hào)整成同頻率的方波信號(hào)，利用上升沿到來時(shí)起動(dòng)或停止采樣，使得采樣周期與被測(cè)信號(hào)周期嚴(yán)格同步[7]。

圖3 同步采樣法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件算法

對(duì)交流量的測(cè)量可以看作是一種積分求均值的運(yùn)算，例如電壓有效值和功率的計(jì)算式為

(3)

(4)

式中：T——信號(hào)周期；

T0——積分起點(diǎn)。

不考慮開方或其他算術(shù)運(yùn)算，并作變量化轉(zhuǎn)換(令x=ωt)：

(5)

2π——f(x)的周期；

x0——積分起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值。

如將寬為2π的積分區(qū)間x0,x0+2π等分為N段，均勻采樣N個(gè)數(shù)據(jù)f(xi)，i=1,2,3，…，N?？梢宰C明，當(dāng)N>M(M為f(x)最高諧波次數(shù))時(shí)，有

(6)

這就是同步采樣及其算法的理論基礎(chǔ)。

但在實(shí)際采樣過程中，由于各種各樣的偏差采樣周期不是2π，而是2π+Δ(Δ為周期偏差，其值可正可負(fù)，但必有Δ>-2π)。因此一般情況下，式(6)將不再成立，在|Δ|不太大的情況下，通過適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)量和采用新的算法可獲得對(duì)f(x)的高準(zhǔn)確度估計(jì)。

在下面的推導(dǎo)中，認(rèn)為被測(cè)信號(hào)f(x)處于穩(wěn)態(tài)情況。

將寬為2π+Δ的積分區(qū)間x0,x0+2π+Δ等分為N段，均勻采樣得N+1個(gè)數(shù)據(jù)f(xi)，i=0,1,2,…，N，根據(jù)數(shù)值求積算式作如下定義的運(yùn)算：

(7)

式中： 上標(biāo)“1”表示第一次求積運(yùn)算，ρi(i=i0,i0+1，…，i0+N)為對(duì)應(yīng)求積算式所確定的權(quán)系數(shù)?？梢钥闯?，F(xiàn)1將是采樣起點(diǎn)i0(實(shí)質(zhì)是x0，x0=xi0)的函數(shù)。

如對(duì)信號(hào)連續(xù)采樣n個(gè)周期(即適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù))，則在[x0,x0+n(2π+Δ)〗均勻采樣nN+1個(gè)數(shù)據(jù)f(xi)，i=0,1,2,…，nN，則可作n次迭代。

(8)

(9)

[k=1,2…，n；m=0,1,2…，(n-k)N]

可以證明，當(dāng)f(x)的最高次諧波數(shù)為M，每周期采樣點(diǎn)數(shù)N滿足：

(10)

(11)

(12)

則：

(13)

實(shí)際測(cè)量時(shí)，只要估算出被測(cè)信號(hào)的最高次諧波次數(shù)M和最大周期偏差Δ，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)滿足式(11)時(shí)，就能保證迭代獲得平均值的準(zhǔn)確估計(jì)。

3 測(cè)量實(shí)例

基于以上同步采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)有一型號(hào)為YYL90L-4E的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，測(cè)得各數(shù)據(jù)結(jié)果如下。

未加入同步采樣前，采用傳統(tǒng)采樣方法，測(cè)得該電機(jī)根據(jù)不同負(fù)載大小情況，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 YYL90L4E系列單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)試

從該表可看出，有效值的平均誤差約3%，而功率的平均誤差約5%，再加上其他影響，必然會(huì)對(duì)電機(jī)溫升以及其他特性的測(cè)試帶來很大的誤差。而應(yīng)用同步采樣方法后，同一電機(jī)相同負(fù)載下測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加入同步采樣法后電機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)試

由表2數(shù)據(jù)明顯可看出，將同步采樣法應(yīng)用到電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)后，各種誤差約0.5%，這樣就大大減少了誤差，并且提高了測(cè)試精度。因此，將同步采樣法應(yīng)用到電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中很有必要，使得數(shù)據(jù)更可靠，更精確。

根據(jù)該測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)得該電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)如圖4所示。

通過觀測(cè)該感應(yīng)電機(jī)在空載時(shí)5min的溫升情況，得該電機(jī)的溫升曲線如圖5所示。

圖4 YYL90L-4E單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)性能曲線

圖5 YYL90L-4E單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫升曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過同步采樣在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的軟、硬件實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用到電機(jī)的溫升測(cè)試系統(tǒng)，減少了誤差，提高了數(shù)據(jù)采集效率和精度。該方法還可廣泛用于各種交流電量的采集系統(tǒng)中。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 邢浩江，張東來.電力采集系統(tǒng)故障時(shí)刻精度的提高方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011,31(16)： 88-93.

[2] 李潔.微機(jī)控制電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)[D].杭州： 浙江大學(xué)，2002.

[3] 馬懷儉，雷旭，馬永峰，等.電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)集成方法的研究[J].中小型電機(jī)，2000，27(5)： 42- 44.

[4] 王傳艷.異步電機(jī)組溫升測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].天津： 天津大學(xué)，2007.

[5] 李曉龍，白連平.電網(wǎng)電壓高精度同步采樣方法研究[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,27(5)： 82-84.

[6] 文霞.信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].貴陽(yáng)： 貴州大學(xué)，2007.

[7] 劉淑琴.電機(jī)測(cè)試中電壓電流及功率的同步采樣[J].同煤科技，2002(1)： 8-10.

[8] 牛發(fā)亮，黃進(jìn).漸進(jìn)信號(hào)瞬時(shí)功率提取及其在電機(jī)性能測(cè)試中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006,21(4)： 122-126.

[9] 張曉燕.信號(hào)采集中的同步采樣法[J].山西建筑，2007,33(30)： 205-206.

[10] 黎瓊，陳文慶，溫泉徹.通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,25(6)： 119-123.

[11] 陳斌，張波，丘東元，等.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速采集和實(shí)時(shí)處理的協(xié)調(diào)化分析及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006,30(2)： 91-96.

[12] 俞建峰，呂干云.基于PC和單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品程控溫度測(cè)試儀設(shè)計(jì)[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，9(3)： 279-283.

[13] 張衛(wèi)杰，候孝民.高速大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19(4)： 51-55.

[14] YUAN S F DONG C H， WU J. Synchronous method of wireless sensor network for distributed continuous data acquisition system[J〗. China, Dongnan Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban)/Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2011，41(1)： 25-30.

[15] 黎瓊，溫泉徹，方大良.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通用信號(hào)調(diào)理電路的分析[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,27(3)： 130-133.