一種改進型風機機組效率測量方法

任仁良，侯軍洋，胡維綱

（1.中國民航大學工程技術(shù)訓練中心，天津 300300；2.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300）

一種改進型風機機組效率測量方法

任仁良1，侯軍洋2，胡維綱2

（1.中國民航大學工程技術(shù)訓練中心，天津 300300；2.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300）

針對當前風機機組效率測量過程中由于電動機輸入功率和風機輸出功率不是同步測量，當風機工況改變時會產(chǎn)生較大誤差的情況，提出一種利用無線傳輸來實現(xiàn)風機機組效率同步測量的方法。建立風機及電動機測量運算的數(shù)學模型，利用此方法設(shè)計風機效率測試儀的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，最后驗證該方法的測量準確度和同步測量的可行性。

風機；效率測試；同步測量；無線傳輸

0　引　言

風機主要應用于冶金、石化、電力等國民經(jīng)濟領(lǐng)域，風機用電量占全國發(fā)電總量的10%，而風機的平均效率卻只有40%～50%。2009年，我國發(fā)布了新的風機節(jié)能監(jiān)測標準GB/T 15913——2009《風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》[1]，為風機的節(jié)能監(jiān)測提供了依據(jù)。該標準在對電動機負載率及風機機組電能利用率的要求方面，相對于舊標準GB/T 15913——1995《風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》提高了5%。

目前，風機效率測量方法中研究較多的有常規(guī)法、熱力學法和新型傳感器等測量方法。在常規(guī)法中，集測量與運算為一體的在線風機效率測試儀[2]采用先測風機壓力參數(shù)，再測電動機輸入輸出功率，綜合計算出風機的效率，這種儀器操作簡單，測量準確度高，但是這種測量儀器在風機工況發(fā)生改變時，會產(chǎn)生一定的誤差。風機效率的熱力學測量需要高準確度的儀表來實現(xiàn)[3]，新型傳感器測量方法僅用于實驗室環(huán)境[4]。

為了克服常規(guī)方法的不足，提出一種利用無線傳輸通信實現(xiàn)對風機機組效率同步測量的方法。本文論述了系統(tǒng)設(shè)計的原理和方法，利用此方法研制的風機效率測試儀的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，是對常規(guī)測量方法的一種改進，基于本文方法研制的測試設(shè)備成本相對較低，且已在工業(yè)上投入使用。

1　硬件電路原理

為實現(xiàn)風機功率和電動機輸入功率的同步測量，本文采用主從機的方法，通過無線傳輸將其聯(lián)系在一起。主機測量電動機的輸入功率，從機測量風機輸出功率。

從機把測量和計算得到的相應參數(shù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送給主機。主機接收從機發(fā)送來的相應數(shù)據(jù)，再進行相應的測量和運算得到電動機的輸入功率和負載率，然后綜合得到風機機組的效率。硬件電路主要包括單片機系統(tǒng)、信號調(diào)理單元、傳感器、觸摸顯示屏、無線收發(fā)模塊，圖1、圖2分別為從機和主機的原理框圖。

圖1　從機硬件原理框圖

圖2　主機硬件原理框圖

1.1單片機和數(shù)據(jù)采集

單片機選用C8051F020芯片，該芯片是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)，與8051兼容的CIP-51內(nèi)核，最高速度可達25MI/s，滿足系統(tǒng)測量的需要。

數(shù)據(jù)采集采用單片機自帶的12位ADC子系統(tǒng)，此ADC子系統(tǒng)里集成了1個9通道的可編程模擬多路選擇器，可方便控制選通通道的信號采集，還集成了跟蹤保持電路，可減小電壓電流測量不同步所帶來的誤差。當所采集的電壓電流波動時，會對測量造成較大干擾，因此在設(shè)計電路時，讓交流測量部分盡量遠離采集模塊的基準電壓。

1.2信號調(diào)理

對壓力傳感器的直流信號進行濾波，以濾除非直流信號的干擾，然后單片機進行采集。主機的信號調(diào)理主要包括對采集的交流信號進行放大、隔離、濾波、相位補償?shù)忍幚怼Ｍ蟿尤嘟涣麟妱訖C輸入電壓、電流信號通過信號處理電路的處理，把發(fā)電機的輸出的220/380V的電壓和0～500A的電流，轉(zhuǎn)換到符合單片機可以采集的范圍（±3.3V）。電壓信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路如圖3所示。電壓傳感器采用GBT206B電流型電壓傳感器，電阻R2和電容C1的作用是補償由于電壓傳感器引起的相移。電流傳感器采用MG8型鉗式電流傳感器。

圖3　電壓信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路

1.3無線發(fā)射模塊

發(fā)射模塊采用UTC-4432B1，發(fā)射功率高達18dBm，配有標準天線，傳輸距離可達2 200 m，采用FSK調(diào)制，高效糾錯編碼，抗干擾能力強。

UTC-4432B1模塊的發(fā)送和接收端引腳支持TTL電平，直接將該模塊的發(fā)送端和接收端同單片機的接收與發(fā)送端相連。通過C8051F020的3個通用I/O口來控制UTC-4432B1的工作模式和發(fā)射狀態(tài)。

當通信模塊處于正常狀態(tài)下時，模塊間可以進行雙端通信。通過C8051F020使SET_A和SET_B端口設(shè)置為低電平，設(shè)置從機為發(fā)送端，主機為接收端。在發(fā)送端，當無線模塊UTC-4432B1監(jiān)聽到串口有數(shù)據(jù)輸入時，置低AUX并切換到無線發(fā)射狀態(tài)，將串口收到的數(shù)據(jù)進行交織糾錯編碼，然后通過空中射頻信道發(fā)送出來，發(fā)送結(jié)束后置高AUX腳并重新轉(zhuǎn)入持續(xù)監(jiān)聽狀態(tài)；在接收端，當無線模塊從空中射頻信道中接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過交織糾錯解碼并檢錯確認收到的數(shù)據(jù)無誤時，置低AUX并立刻從串口輸出解碼后的數(shù)據(jù)到從機，輸出結(jié)束后置高AUX腳并重新轉(zhuǎn)入持續(xù)監(jiān)聽狀態(tài)。

2　軟件結(jié)構(gòu)

2.1主機程序

在主機程序中測量運算得到電動機的輸入輸出功率。采用二瓦計法來測量電動機的輸入功率Pin如圖4所示，測量的數(shù)學模型如下式所示：

圖4　主機程序框圖

式中：N——每周期采樣點數(shù)；

uk、ik——第k點電壓、電流的瞬時值。

電動機輸入有功率的測量根據(jù)下式計算：

式中：Uac、Ubc——三相拖動電動機的輸入線電壓有效值；

Ia、Ib——a相和b相電流的有效值；

α、β——分別為電壓Uac與電流Ia的相位差

和電壓Ubc與電流Ib的相位差。

首先開啟ADC中斷進行采樣，將得到的電壓、電流數(shù)據(jù)進行中值濾波并存儲在數(shù)組中。由式（1）和式（2）得到電壓、電流的有效值。

采用快速傅里葉變換（FFT）求取相位差α和β[5]。在用FFT測量周期信號的相位差時，對同頻信號以相同的采樣點和采樣頻率作非整周期采樣，其泄漏誤差基本相同，當作FFT后求相位差時，誤差可基本抵消[6]。由于線電壓和相電流的頻率相同，為了采樣方便，使用本方法進行非整周期采樣。首先同時對存儲的電壓、電流、進行FFT變換，變換后得到兩組新的基于頻域的離散信號序列，在每組序列中取出幅值最大的點，該點對應的頻率即為電壓、電流基波的頻率，該點FFT變換結(jié)果得到虛部和實部，然后可得電壓和電流的相角，兩者相減得到相位差，進而求得電動機的輸入功率。

測量運算得到電動機的輸入功率電動機Pin后，電動機的負載率按下式計算[7]：

式中PN、ηN、P0分別為電動機的額定功率、額定效率和空載損耗。

建立PN、ηN、P0數(shù)據(jù)庫，運行時程序?qū)㈦妱訖C的額定功率、空載損耗、額定效率等參數(shù)調(diào)入內(nèi)存，運算得到電動機的負載率。當中斷接收到從機送來的風機功率等參數(shù)時，由風機功率、電動機的輸入功率和電動機的負載率可得到風機機組的效率。

圖5　從機程序框圖

2.2從機程序

從機程序主要是根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得到風機的功率等參數(shù)并發(fā)送出去，如圖5所示。

根據(jù)GB/T 15913——2009《風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》來進行測量。通過壓力傳感器來測定測量點的靜壓和全壓，使用大氣壓表和溫度計測出大氣壓力和測量截面處的氣體溫度[8]。具體的數(shù)學模型計算公式參考標準[1]。

在從機觸摸顯示屏上的風機參數(shù)輸入界面輸入管道的直徑或管道的長和寬，在其他相應的參數(shù)輸入界面輸入相應的參數(shù)，參數(shù)輸入確定之后，從機程序會根據(jù)測量標準自動計算出需要測量的點數(shù)，然后單片機程序計算得到風機的功率、風速等參數(shù)。單片機把這些參數(shù)送給觸摸屏顯示的同時，傳輸給無線發(fā)送模塊，通過無線傳輸模塊發(fā)送給主機。

3　儀表的校正和誤差分析

為了得到更高的采樣準確度，軟件采用分段曲線擬合的方法，綜合進行補償和校正。儀表經(jīng)校正以后，采用標準精密數(shù)字壓力計LS805A對風機測量儀表的全壓和靜壓進行校驗，壓力校驗儀的準確度為0.05%。對儀表測量功率采用三相程控標準功率源XL-803進行校驗、功率源準確度為0.05%。將標準儀表輸出的測量數(shù)據(jù)作為實際值。

測量結(jié)果如表1～表3所示，壓力測量和拖動電機功率的誤差都在1%以內(nèi)，在國家標準規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足實際應用測量的要求。

表1　入口壓力測量值與誤差

表2　功率測量值與誤差（功率因數(shù)為0.5）

表3　功率測量值與誤差（功率因數(shù)為1）

4　結(jié)束語

在實際測量時，風機拖動電機控制柜距離風機管道的進出口較遠。經(jīng)驗證，主機和從機在工廠的室內(nèi)通信距離達1500m，傳輸可靠，能解決這一問題。當分別對風機功率和電動機輸入功率進行測量時，風機工況的改變時這種測量會帶來誤差。本文采用無線傳輸實現(xiàn)風機效率的同步測量，提高了風機效率測量的實時性，是一種行之有效的風機效率測量方法。

[1]GB/T 15913—2009風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

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An improved method for fan unit efficiency measurement

REN Renliang1，HOU Junyang2，HU Weigang2
（1.Engineering and Technology Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；2.Automation Institute of the Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

In order to overcome large errors caused during the asynchronous measurement of motor input power and fan output power when the working condition of the fan changes，an improved method has been proposed to measure the efficiency of fan units through wireless transmission. Inputandoutputmathematicalmodelshasbeenestablished.Hardwarecircuitsandsoftware structures were designed for fan measurement testers based on this method.At the end of the paper，the method was validated as accurate and feasible.

fan；efficiency measurement；synchronous measurement；wireless transmission

A

1674-5124（2015）12-0091-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.023

2015-01-05；

2015-02-24

任仁良（1957-），男，江蘇江陰市人，教授，碩士，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置、航空電氣技術(shù)、智能檢測與智能控制、飛機電器設(shè)備故障診斷。