CN103308706A

CN103308706A - 一种叶片泵转速检测方法及其装置

Info

Publication number: CN103308706A
Application number: CN2013101761876A
Authority: CN
Inventors: 骆寅; 袁寿其; 马正军; 袁建平; 张金凤; 司乔瑞
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公布了一种适用于三相异步电机驱动的水泵转速的测量方法。通过电流互感器将电机输入端电流信号转变成电压信号，对该电压信号进行数据采集并进行快速傅立叶变换获得定子电流的激磁分量频率，通过频率细化分析方法获得和转子电流在定子电流中的反馈“负载分量”的频率，根据这两个频率，根据异步交流电机原理，计算出水泵的实际转速.本发明中的测试方法，在泵转速的测试中，其适用范围宽，测量误差小，尤其适应于轴不可见的泵，并且几乎不增加测试成本。

Description

一种叶片泵转速检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种叶片泵转速检测方法及其装置，特别涉及一种通过测量泵进口压力脉动的方法来实现离心泵工况监测。

背景技术

转速是离心泵的一个重要性能参数。目前离心泵大都采用异步电动机驱动，泵的转速与电动机的同步转速有差异，在实验和工程应用中需要采用各种各样的转速计来测量泵的实际转速。在实验室中最早采用的是日光灯测速法，由于靠目测，测量不精确，这种方法已经很少应用。现在广泛采用的转速测量仪器和方法有两种，一种是光电反射式测速仪，这种测量方式比较方便准确，但是不适用于水下测量，另外，应用该方法测量时，转轴或者与转轴同步旋转的某部件(例如联轴器等)必须可见，因此该方法也不适用于一些叶轮和电动机直联的泵，另一种常用的测量方法是基于异步电动机漏磁通感应的感应线圈法，但是随着电动机及其零部件制造和安装工艺水平以及材料性能的不断提高，电动机的漏磁通越来越难于检测。同时由于转子绕组分布的影响、工频信号的干扰、及其它噪声的混杂，用感应线圈采集的信号的波形很差，需要滤波和放大，硬件成本和***复杂性较高。也有部分学者提出利用动静干涉原理，通过测量泵出口的压力脉动来实现泵转速测量，但采用这种方法需要在泵出口安装高频动态压力传感器，其实现设备复杂，成本高。

发明内容

本发明提供了一种适用于使用三相感应电机驱动的叶片泵转速的测量方法及其装置，其适用范围宽，测量误差小，并且几乎不增加测试成本。

本发明的原理：

叶片泵的大多采用三相异步电机驱动，这种电机采用的是电磁感应原理，在定子中的三相电流，会产生交替变化的旋转磁场，转子绕组中通入电流，在旋转磁场的作用下，感应电机的转子逐渐转动起来。但转子转速始终略低或略高于旋转磁场的转速，转差率描述转子转速(实际转速n)与旋转磁场转速(同步转速n0)相差的程度，该参数表征感应电机运行状态的一个基本变化量，用s表示

s = \frac{n_{0} - n}{n}

当感应电机的负载发生变化时，转子转速和转差率也将随负载变化而变化，转子导体中的电动势、电流和电磁转矩也会随之发生相应改变以适应负载的需要。定子中产生的交替变化的旋转磁场以Δn大小的相对速度“切割”转子绕组，此时转子电流的频率

f_{2} = \frac{p (n_{0} - n)}{60} = \frac{{pn}_{0}}{60} \cdot \frac{n_{0} - n}{n_{0}} = {sf}_{1}

式中：f1为定子电流频率，p为电机级数。

感应电机在不带负荷情况下运行时，转子的转速几乎等于同步转速，这时交替变化的旋转磁场以零的速度切割转子的导体，因此转子的感应电流非常小，通常以零电流处理。感应电机在带负荷情况下，转子磁动势的基波对气隙磁场的分布会产生影响，称其为转子反应。转子反应会引起气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起定子感应电动势和定子电流发生变化。感应电机在加负载后，定子电流中还将出现一个补偿转子磁动势的“负载分量”，即

{\overset{\cdot}{I}}_{1} = {\overset{\cdot}{I}}_{m} + {\overset{\cdot}{I}}_{1 L}

式中：I₁为定子电流；I_m为激磁电流；I_1L为负载分量。

根据电机负载时的磁动势方程可以得到：

{\overset{\cdot}{I}}_{1} + \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{1 L}}{k_{i}} = {\overset{\cdot}{I}}_{m}

I₂为转子电流；k_i为电流比。

{\overset{\cdot}{I}}_{1 L} = - \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{2}}{k_{i}}

定子电流包含两个频率的电流信号分别为激励电力信号和与转子电流频率大小相同而方向相反的电流信号。在保证足够高的数据采集频率下，对采集到的电流信号进行频谱分析，就可以得到定子电流的激励分量频率和转子电流在定子电流中的反馈“负载分量”的频率。

即电机转速为：

n＝n₀-60f₂/p

即在已知电机极对数的条件下，即可计算出转子的实际转速，即电机转速。

技术方案：

1.通过电流互感器将电机输入端电流信号转变成能够供采集办卡采集的电压信号。

2.通过信号采集装置对该电压信号进行采集。

3.通过FFT变换对信号进行频率分析，计算计算得出定子电流的激励分量频率。

4.对0-5Hz内的频率段通过zoom-fft进行细化，计算转子电流在定子电流中的反馈“负载分量”频率。

5.根据这两个频率和电机的级对数计算出水泵的实际转速。

附图说明

图1为转速测试***示意图。

图2为信号处理流程图。

图3为实际信号采样

图4为FFT处理结果图

图5为ZOOM-FFT处理结果图

图6为误差分析对比图表。

具体实施方式

如图1所示，测量时利用电流互感器将电机输入端的电流转变为小电流，在电流互感器的二次回路接入一个负载电阻，将电流信号转变成电压信号.采用差分输入将负载两端的电压信号引入端子板，并且根据互感系数和实际电流大小，选择调整负载电阻大小，保证最大范围不超过[-5V，5V]，通过电缆线接入具有低通滤波的功能的信号调理模块，通过调理模块并接入采集卡，这里使用的是数据采集卡PXI6251。

利用Labview编写数据采集程序，采集负载两端的电压信号.其采集结果如图3所示，利用Labview提供的快速傅立叶变换(FastFourierTransform，FFT)和细化频谱函数(Zoom-FFT)，根据图2编写的程序计算得出定子电流的激励分量频率和转子电流在定子电流中的反馈“负载分量”频率，并根据这两个频率计算出对应的转子转速，其处理结果如图3所示。

这里为了验证结果采用变频器驱动电机，通过多个结果与使用光电测速仪直接测量的转速值进行比较，结果如图5所示，其误差小于5％，精度较高。

Claims

1.一种通过三相异步电机驱动的水泵转速的测量方法及装置。其特征在于，通过电流互感器对电机输入端电流信号进行采集；通过负载电阻和信号调理模块将电流信号转变成滤除高频噪声的-5-5V电压信号，通过信号采集卡对该电压信号进行数据采集；通过Labview编写的信号处理程序进行信号处理，其中通过快速傅立叶变换获得定子电流的激磁分量频率，通过频率细化分析方法获得和转子电流在定子电流中的反馈“负载分量”的频率，根据这两个频率值和异步交流电机原理，计算出水泵的实际转速。