同步采樣法在電機溫升測試系統中的應用*

張禎海， 遲長春， 邵士良， 練正兵

(上海電機學院 電氣學院，上海 200240)

0 引 言

溫升是電機損耗與散熱情況的量度，已成為評價電機性能的一個重要指標，對其測試非常重要。傳統的電機溫升測試是用傳統的專用儀器測量，必須有讀數、記錄等人工參與才能完成。隨著虛擬儀器的發展又出現了目前廣泛采用的電機溫升測試系統，即采用虛擬儀器技術，通過計算機與系統測量設備等硬件和軟件的結合，對數據進行采集、分析、處理、顯示、打印及存儲，實現對電機溫升參數的智能采集和計算，具有結構簡單、測試方便、打印報表等諸多優點。但在實際應用中，由于硬件連接、軟件執行、數據處理等各種故障的原因會造成方法誤差、采樣不同步誤差、數據誤差、舍入誤差等各種各樣的誤差[1]。本文介紹測試系統中的數據采集系統，加入同步采樣環節，提高了系統的測試精度和速度。

1 系統結構及測試原理

電機測試系統采用先進的虛擬儀器技術[2- 4]，把計算機強大的計算能力和儀器設備的硬件測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對試驗的控制和數據的運算、分析、處理、顯示、打印及存儲，使系統功能遠遠超過一般儀器的簡單組合。

1.1 系統總體結構

本溫升測試系統以計算機為控制中樞，主要由測功機、傳感器、PLC處理器、程控電源、各電參量顯示儀、PC機及打印機組成。所有的部件都設計為模塊式組件，并可根據測試項目的具體要求進行選配，以給測試者提供最大可能的柔化性應用方案。圖1為該系統總體結構圖。

圖1 系統總體結構圖

系統工作時，電機運行時的各項數據經過數據采集系統、PLC、RS-232通信接口將數據傳送到PC機中。PC機通過溫升測試系統軟件進行數據實時曲線顯示、數據保存等，最后通過打印機打印數據，生成報表。

1.2 溫升計算原理

電機的溫升通常是通過測量其繞組的冷、熱態電阻變化獲得的。測電機各繞組溫升采用電阻法,是利用繞組導體的電阻隨溫度升高而增加的原理,根據電阻變化計算出溫度變化的測溫方式。電阻法測得的繞組溫度是整個繞組的平均溫度。

通常使用電解銅導線作電機繞組，在-50℃～ 150℃的范圍內，各時刻冷、熱態直流電阻R1和Rn與冷、熱態溫度t1和tn之間的關系為

(1)

從而可得溫升算式為

(2)

數據采集系統通過采集各瞬時電壓、電流，通過信號調理等處理后上傳至PLC。根據采集到的電壓、電流值計算出各瞬時電阻，然后軟件通過式(1)、式(2)計算出各時間間隔的溫升值。

2 同步采樣數據采集系統

在以上介紹的電機測試軟件中，數據采集系統是最核心的環節。數據采集是指將電壓、電流等電量信號與溫度、壓力等非電量信號在測控現場的模擬量，進行采集、轉換成數字量后，再對所讀入的數據進行存儲、顯示或打印的過程。

采用均勻取樣方式對周期信號進行數字化測量時，采樣頻率與信號基波頻率之間存在整數倍關系，即采樣時間間隔T0、被測交流信號周期Ts和1個周期內采樣點數N之間滿足關系式Ts=NT0的采樣方式為同步采樣法[5]。

2.1 總體結構

一個典型的數據采集系統(見圖2)通常由傳感器、信號調理、采樣保持與A/D轉換、微處理器及外圍設備組成[6]。

圖2 典型數據采集系統結構圖

在典型的數據采集系統硬件結構上加入同步環節，即形成同步采樣法的數據采集系統(見圖3)。所謂積分環節,即為一整形電路。被測的電壓或電流信號通過信號調理電路整形后，振蕩器形成的脈沖將正弦波信號整成同頻率的方波信號，利用上升沿到來時起動或停止采樣，使得采樣周期與被測信號周期嚴格同步[7]。

圖3 同步采樣法系統結構

2.2 軟件算法

對交流量的測量可以看作是一種積分求均值的運算，例如電壓有效值和功率的計算式為

(3)

(4)

式中：T——信號周期；

T0——積分起點。

不考慮開方或其他算術運算，并作變量化轉換(令x=ωt)：

(5)

2π——f(x)的周期；

x0——積分起點所對應的值。

如將寬為2π的積分區間x0,x0+2π等分為N段，均勻采樣N個數據f(xi)，i=1,2,3，…，N。可以證明，當N>M(M為f(x)最高諧波次數)時，有

(6)

這就是同步采樣及其算法的理論基礎。

但在實際采樣過程中，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，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，通過適當增加采樣數據量和采用新的算法可獲得對f(x)的高準確度估計。

在下面的推導中，認為被測信號f(x)處于穩態情況。

將寬為2π+Δ的積分區間x0,x0+2π+Δ等分為N段，均勻采樣得N+1個數據f(xi)，i=0,1,2,…，N，根據數值求積算式作如下定義的運算：

(7)

式中： 上標“1”表示第一次求積運算，ρi(i=i0,i0+1，…，i0+N)為對應求積算式所確定的權系數。可以看出，F1將是采樣起點i0(實質是x0，x0=xi0)的函數。

如對信號連續采樣n個周期(即適當增加采樣數據)，則在[x0,x0+n(2π+Δ)〗均勻采樣nN+1個數據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f(x)的最高次諧波數為M，每周期采樣點數N滿足：

(10)

(11)

(12)

則：

(13)

實際測量時，只要估算出被測信號的最高次諧波次數M和最大周期偏差Δ，當采樣點數滿足式(11)時，就能保證迭代獲得平均值的準確估計。

3 測量實例

基于以上同步采樣的數據采集系統，現有一型號為YYL90L-4E的單相感應電動機，測得各數據結果如下。

未加入同步采樣前，采用傳統采樣方法，測得該電機根據不同負載大小情況，數據如表1所示。

表1 YYL90L4E系列單相感應電動機數據測試

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，必然會對電機溫升以及其他特性的測試帶來很大的誤差。而應用同步采樣方法后，同一電機相同負載下測得的數據如表2所示。

表2 加入同步采樣法后電機數據測試

由表2數據明顯可看出，將同步采樣法應用到電機測試系統后，各種誤差約0.5%，這樣就大大減少了誤差，并且提高了測試精度。因此，將同步采樣法應用到電機測試系統的數據采集中很有必要，使得數據更可靠，更精確。

根據該測試系統，經測得該電機的各項性能參數如圖4所示。

通過觀測該感應電機在空載時5min的溫升情況，得該電機的溫升曲線如圖5所示。

圖4 YYL90L-4E單相感應電動機性能曲線

圖5 YYL90L-4E單相感應電動機溫升曲線

4 結 語

本文通過同步采樣在數據采集系統中的軟、硬件實現，應用到電機的溫升測試系統，減少了誤差，提高了數據采集效率和精度。該方法還可廣泛用于各種交流電量的采集系統中。

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