CN104076281A - 一种基于wsn的电机能效监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WSN的电机能效监测方法，包括：S1)确定电机输入信息参数，根据该类参数在电机上安装相应的无线传感器；S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与上位机无线连接；S3)开启电机，采集无线传感器的数据；S4)对电机的输入、输出参数进行在线计算；S5)对电机的能效情况进行评估。该方法可对电机进行非侵入式能效监测，监测数据通过WSN上传至数据处理单元，并对能效数据进行分析、评估，在线分析电机运行能效状况。

Description

一种基于WSN的电机能效监测方法

技术领域

本发明属于能效监测领域，具体涉及一种基于WSN(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)的电机能效监测方法。

背景技术

现今，环境和能源已成为制约人类社会进一步发展的瓶颈，实施节能减排战略是我国实现可持续发展的重要举措。电机是工业设备最主要的动力源，在工业生产中发挥着重要作用，但它也是工业生产中最主要耗能设备。据统计，电机用电量约占我国用电量的60％，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4％、20.9％、9.4％和6％。我国80％以上的电工产品效率比国外先进水平低2％-5％，风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低2％-4％。

我国电机***在使用过程中主要存在问题是：(1)电动机效率低，电动机等设备陈旧落后；(2)***匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行；(3)***调节方式落后等。为解决这些问题，提高我国使用电机效率，必须建立科学的电机运行效能评价体系，大力推广高效节能电机和变频调速技术，对现有电机***进行节能改造；同时加强电机运行信息监测和管理，而这些都依赖于对电机运行有效的监测方法和手段。

同时，WSN是无线Ad-Hoc(自组织对等式多跳移动通信网络)网络的一个重要研究分支，是随着MEMS(微机电***)、传感技术、无线通讯和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络，WSN具有造价低、规模大、分布式模式、无需布线、节约成本、面向具体应用、配置灵活、工作频段无需申请和付费、支持硬件加密等特点，现在已经在很多领域进行了成功的应用，比如军事应用、工业监测、数据采集等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于WSN的电机能效监测方法，该方法可对电机进行非侵入式能效监测，监测数据通过WSN上传至数据处理单元，并对能效数据进行分析、评估，在线分析电机运行能效状况。

本发明所采用的技术方案是：一种基于WSN的电机能效监测方法，包括：

S1)确定电机输入信息参数，根据该类参数在电机上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与上位机无线连接；

S3)开启电机，采集无线传感器的数据；

S4)对电机的输入、输出参数进行在线计算；

S5)对电机的能效情况进行评估。

所述的方法，步骤S1中，电机上安装的无线传感器包括电压、电流、霍尔和频率传感器。

所述的方法，步骤S2中，无线传感器的数据采集模块通过串行通信接口与数据处理模块相连，无线传感器再通过IEEE802.15.4与ZigBee协议与汇聚节点设备和网关设备组成无线传感器网络；上位机包括依次相连的数据处理单元、无线数据接收单元，网关设备与无线数据接收单元进行无线连接。

所述的方法，步骤S4所计算的参数包括输入功率、转子转速、输出转矩、输出功率和效率。

所述的方法，输入功率的计算方法包括：

根据下式计算输入功率P：

$P=\frac{1}{n}[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{AC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{BC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)]$

其中，n为采样个数，u为线电压，i为相电流，下标A、B、C分别表示电机的三个相电路。

所述的方法，转子转速的计算方法包括：

根据下式计算转子转速N：

$N=\frac{60}{z_r}(f_{\mathrm{sh}}-f_0)$

其中，z_r为转子齿槽数，f_sh为转子齿槽谐波频率，f₀为基波频率。

所述的方法，输出转矩的计算方法包括：

根据下式(1)计算气隙转矩T₁：

$T_1=\frac{p}{2\sqrt{3}}\{(i_A-i_{\text{B}})\text{\∫[}{u}_{\mathrm{CA}}-1/2R(i_C-i_A)]\mathrm{dt}-(i_C-i_A)g\∫[u_{\mathrm{AB}}-1/2R(i_A-i_B)]\mathrm{dt}\}---\left(1\right)$

式中，p为电机极对数，i_A、i_B、i_C为线电流，R为线间电阻，t为时间，g为重力加速度；

然后根据下式(2)计算输出转矩T：

$T=T_1-\frac{P_{\mathrm{Fe}}}{2\mathrm{\πN}/60}-\frac{P_s}{2\mathrm{\πN}/60}---\left(2\right)$

式中，P_Fe为电机的机械损耗，P_s为电机的杂散损耗。

所述的方法，输出功率和效率的计算方法包括：

按下式(3)计算输出功率P_M：

$P_M=\frac{2\mathrm{\πN}}{60}T---\left(3\right)$

再按下式(4)计算效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{P_M}{P}---\left(4\right).$

所述的方法，步骤S5的能效评估方法包括：绘制效率-转子转速、输出转矩-转子转速、输入功率-转子转速、输出功率-转子转速、输出转矩-输出功率、效率-输出功率的曲线，根据这些曲线确定能效最优点。

本发明的优点：本发明提供了一种基于WSN的电机能效监测方法，该方法采用非侵入式电机定子电流信号特征分析技术，实现了电机运行状态的在线监测和能效的分析，为用户提供了一个功能强大的分析工具，可对电机的选择和效率的提高起到极大的促进作用。适合于对工业生产中广泛使用的中小型电机效率在线监测和能源管理。同时，该方法中采用无线传感器网络(WSN)，保证终端电机能效数据可靠、方便的上传至电机能效数据处理上位机，克服了传统有线数据采集方式布线不方便、恶劣环境下难以采集数据的困难，实现了电机能效数据监测***维护成本低、安装方便、适应环境广泛等诸多优点。

附图说明

附图1为一种基于WSN的电机能效监测框图。

附图2为无线传感器网络架构图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于WSN(无线传感器网络)的电机能效监测方法，该方法包括电机能效数据采集、无线数据传输和数据处理。数据采集包括采集电机转速、转矩、功率因数及效率等参数；数据传输利用无线传感器网络(WSN)传输相应参数，网络包括相连的汇聚节点设备和网关设备，传感器与汇聚节点设备相连；数据处理主要对WSN传输的数据进行实时处理和分析，包括DSP处理器及上位机显示装置。该监测方法可在不影响电机***正常运行的情况下，对已投运电机***进行非侵入式在线能效监测，为电机***节能改造提供一种经济、可靠的能效监测方法。

一种基于WSN的电机能效监测方法，主要包含以下步骤：

S1)将电机运行能效参数进行分类，主要可分为两类:一类是电机输入信息参数，该类参数可直接通过传感器测量获得或通过测量值直接计算获得；另一类是电机输出参数，该类参数无法直接获得，须通过对测量信息的估算算法在线估算而间接获得。

S2实测参数经WSN网络传输数据处理单元。

S3)电机输入信息参数计算。

S4)电机输出参数在线估计计算。

S5)电机能效状况评估。

所述的方法，所述步骤S1的两类参数包括电机电压、电流有效值，电机输入电功率，电机输出转速，电机输出转矩，电机输出功率，电机效率等参数。

所述的方法，电流和电压传感器采集电机输入数据，而电机输入电功率可由所采集的电压、电流数据计算而得，公式如下：

$P=\frac{1}{n}[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{AC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{BC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)]$

通过对定子电压和定子电流滤波可得转子的齿槽谐波量,由检测到的谐波频率,根据其与转速的关系可得转子转速。其计算公式为：

$N=\frac{60}{z_r}(f_{\mathrm{sh}}-f_0)$

式中，z_r——转子齿槽数；

f_sh——转子齿槽谐波频率；

f₀——基波频率。

输出转矩由气隙转矩减去由机械损耗和杂散损耗产生的转矩而获得，气隙转矩计算公式为：

$T_1=\frac{p}{2\sqrt{3}}\{(i_A-i_{\text{B}})\text{\∫[}{u}_{\mathrm{CA}}-1/2R(i_C-i_A)]\mathrm{dt}-(i_C-i_A)g\∫[u_{\mathrm{AB}}-1/2R(i_A-i_B)]\mathrm{dt}\}$

式中，p——电机极对数；

i_A、i_B、i_C——线电流；

u_AC、u_AB——线电压；

R——线间电阻；

输出转矩为：

$T=T_1-\frac{P_{\mathrm{Fe}}}{2\mathrm{\πn}/60}-\frac{P_s}{2\mathrm{\πn}/60}$

式中，P_Fe，P_s——为电机的机械损耗和杂散损耗，可引用IEEE STD-12标准给定的估计值计算。

输出功率和效率在上述数据的支撑下可计算得出，公式如下：

$P_M=\frac{2\mathrm{\πn}}{60}T$ $\mathrm{\η}=\frac{P_M}{P}$

所述的方法，步骤S2、S3、S4的方法为：在电机***上安装相应的无线传感器，并组成无线传感器网络，无线传感器网络包括相连的汇聚节点设备和网关设备，传感器与汇聚节点设备相连。基于WSN的电机在线能效监测***主要由两部分功能单元组成，现场数据采集与传输单元和上位机在线监测与分析单元。数据采集与处理单元主要由DSP数据处理器和电流电压传感器构成；上位机在线监测与分析软件采用LABVIEW软件编写，其主要功能是对电机运行参数数据进行实时显示。

所述的方法，步骤S4的评估方法为：对WSN上传的数据进行分析,在已有知识库基础上完成对电机运行的能效状态进行评价,实现电机日常运行情况的管理或对电机节能改造提供技术支撑。

电机性能分析主要包括:效率-转速-转矩-转速、输入功率-转速、输出功率-转速、转矩-输出功率、效率-数据功率等，并可提供分析曲线及评价结果报告。

下面结合具体实施例来进一步详述本发明。

本发明涉及一种基于WSN的电机能效监测方法，主要是对电机的输入功率、输出功率、功率因数、效率等参数进行在线计算，并对电机的信息进行科学的分析。该方法通过运用新型工业无线传感器技术，建立WSN网络，通过WSN上传监测数据，对电机***进行实时在线监测。本方法采用气隙转矩法进行效率计算，具有运行安全、成本低、监测精度高等特点，适合于在工业生产中广泛使用的中小型三相异步电机使用。而且采用非侵入式在线检测方法，最大减小由于安装其他设备对电机性能造成的影响。提出通过分析采集的定子电压和定子电流数据逐步得到电机能效参数值，并对各种检测技术和信号分析理论分离异常状态信息，及时监测电机设备运行时线电压、线电流、输入功率、转速、输出转矩、输出功率、功率因数和效率等，在线实时监测电机能效状况，为电机***实施先进的能源管理提供技术支撑。

电机能效监测***中的WSN(无线传感器网络)主要由固定在设备上依次相连的传感器节点、汇聚节点、网关和监控上位机组成。电机参数监测传感器所采集数据通过无线传感器网络上传至监控上位机。

一种基于WSN的电机能效监测方法，其主要步骤如下：

S1)对被监测电机***安装无线传感器，主要包括电压、电流、频率传感器等；

S2)建立WSN无线传感器网络，WSN网络包括主要SCI(串行通信接口)串行通信和ZigBee无线通信两部分，即通过SCI串行通信与数据处理单元进行数据传输，遵守IEEE802.15.4/ZigBee协议的无线通信功能实现与上位机通讯，实现***数据有效传输，同时可有效降低布线成本，适应现场复杂环境。其中IEEE802.15.4提供下层通信协议，ZigBee在前者的基础上提供更多服务。

S3)构建电机能效数据处理上位机，上位机通过串口与WSN数据模块进行通讯,进而实现对现场数据采集与传输的控制。上位机在线监测与分析主要是对电机运行参数数据进行实时显示，并对其进行分析，在已有知识库基础上完成对电机运行的能效状态进行评价,实现电机日常运行情况的管理或对电机节能改造提供技术支撑。

S4)电机能效数据输入信息计算，主要包括电机输入电压、电流值，电机输入功率；

S5)电机输出参数在线估算，主要包括电机转速，电机输出转矩，电机输出功率以及效率参数。

具体实施步骤如下：

1、电机参数通过传感器采集数据，主要数据为电机电压、电流、频率等相关参数。

2、电机能效数据通过WSN网络上传至数据采集单元，该单元主要包括DSP数据采集卡和基于ZigBee的无线数据传输单元。数据采集与处理单元主要由DSP数据处理器和电流电压传感器构成。

3、通过上位机对电机终端传感器所采集数据进行处理和分析，电机性能分析主要包括：效率-转速-转矩-转速、输入功率-转速、输出功率-转速、转矩-输出功率、效率-数据功率等，并可提供分析曲线及评价结果报告。

S1)电机输入电压、电流监测，该数据可以直接通过传感器采集而得。

S2)电机转速参数监测，通过异步电机设计原理可知，电动机的定子电流会因转子齿槽效应的存在，而感应出反映电机转速信息的齿谐波分量，转速信息同时也可以在转子电流上反映。三相异步电机工作于50Hz频率下，采用霍尔效应的电流传感器，采集到的电机定子电流信号的有效值进而可在电机定子电流信号的基础上，获得三相异步电机齿谐波的特征信号，实现对齿谐波频率的检测及转速估计。最后在主程序中找到齿谐波频率的大小，带入以下公式即可求得转速。

$N=\frac{60}{z_r}(f_{\mathrm{sh}}-f_0)$

S3)电机转矩参数估算，气隙、绕组和铁心三部分组成磁路***，在励磁的条件下气隙两侧产生力矩，这样可以使转子运动，输出机械功。磁场储能的变化非常重要，这种磁场储能、电能和机械能相互转换的过程是很复杂的。此时，电机的输入功率为定子电阻损耗、气隙功率和定子磁场能的变化率之和，气隙功率是跨过气隙传递到转子的功率。当计算输入功率时，转矩检测可以转化为电机气隙转矩T与机械损耗P_Fe和杂散损耗P_sP的检测，输出转矩的计算公式为：

$T=T_1-\frac{P_{\mathrm{Fe}}}{2\mathrm{\πn}/60}-\frac{P_s}{2\mathrm{\πn}/60}$

S4)电机效率估算，实施电机能源管理的重要基础是电机效率的在线检测，首先计算出电机的输入功率P，然后计算电机的输出功率，进而可得到电机的效率，公式如下：

$P=\frac{1}{n}[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{AC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{BC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)]$

$P_M=\frac{2\mathrm{\πn}}{60}T$

$\mathrm{\η}=\frac{P_M}{P}$

Claims (9)

1.一种基于WSN的电机能效监测方法，其特征在于包括：

S1)确定电机输入信息参数，根据该类参数在电机上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与上位机无线连接；

S3)开启电机，采集无线传感器的数据；

S4)对电机的输入、输出参数进行在线计算；

S5)对电机的能效情况进行评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，电机上安装的无线传感器包括电压、电流、霍尔和频率传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，无线传感器的数据采集模块通过串行通信接口与数据处理模块相连，无线传感器再通过IEEE802.15.4与ZigBee协议与汇聚节点设备和网关设备组成无线传感器网络；上位机包括依次相连的数据处理单元、无线数据接收单元，网关设备与无线数据接收单元进行无线连接。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4所计算的参数包括输入功率、转子转速、输出转矩、输出功率和效率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，输入功率的计算方法包括：

根据下式计算输入功率P：

$P=\frac{1}{n}[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{AC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{BC}}\left(k\right)\•i\left(k\right)]$

其中，n为采样个数，u为线电压，i为相电流，下标A、B、C分别表示电机的三个相电路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，转子转速的计算方法包括：

根据下式计算转子转速N：

$N=\frac{60}{z_r}(f_{\mathrm{sh}}-f_0)$

其中，z_r为转子齿槽数，f_sh为转子齿槽谐波频率，f₀为基波频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，输出转矩的计算方法包括：

根据下式(1)计算气隙转矩T₁：

$T_1=\frac{p}{2\sqrt{3}}\{(i_A-i_{\text{B}})\text{\∫[}{u}_{\mathrm{CA}}-1/2R(i_C-i_A)]\mathrm{dt}-(i_C-i_A)g\∫[u_{\mathrm{AB}}-1/2R(i_A-i_B)]\mathrm{dt}\}---\left(1\right)$

式中，p为电机极对数，i_A、i_B、i_C为线电流，R为线间电阻，t为时间，g为重力加速度；

然后根据下式(2)计算输出转矩T：

$T=T_1-\frac{P_{\mathrm{Fe}}}{2\mathrm{\πN}/60}-\frac{P_s}{2\mathrm{\πN}/60}---\left(2\right)$

式中，P_Fe为电机的机械损耗，P_s为电机的杂散损耗。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，输出功率和效率的计算方法包括：

按下式(3)计算输出功率P_M：

$P_M=\frac{2\mathrm{\πN}}{60}T---\left(3\right)$

再按下式(4)计算效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{P_M}{P}---\left(4\right).$

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S5的能效评估方法包括：绘制效率-转子转速、输出转矩-转子转速、输入功率-转子转速、输出功率-转子转速、输出转矩-输出功率、效率-输出功率的曲线，根据这些曲线确定能效最优点。