CN112858714B - 一种异步电动机的转速软计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于异步电动机转速计算技术领域，具体提供一种异步电动机的转速软计算方法，利用异步电动机电流信号和振动信号相结合的方式实现异步电动机转速的软测量。该方法的实现包括两部分，一是采集电流信号计算有效值，利用电流数据推导出负载电流与转速的关系式，然后根据电流数据计算得到转速粗略值；二是是利用电机振动信号的频谱分析，对计算出来的转速粗略值进行校正，得到转速精确值。本发明解决了当转速表经过长久使用后对异步电动机转速测量不准的问题。

Description

一种异步电动机的转速软计算方法

技术领域

本发明属于异步电动机转速计算技术领域，具体提供一种异步电动机的转速软计算方法。

背景技术

异步电动机在现代生产生活中扮演着十分重要的角色，随着异步电动机结构的逐渐复杂化、精密化，异步电动机一旦发生严重故障，会给生产带来严重损失。因此，对异步电动机进行故障诊断技术的研究是十分重要的。对异步电动机进行故障诊断，采集异步电动机的转速信息是必不可少的步骤，精确的转速信息能够使故障诊断结果更加准确。

目前，工业现场异步电动机转速测量一般采用转速表测转速，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速信息。目前，国内外常用的测速方法有光反射法、磁电法、光栅法、霍尔开关检测法等。利用转速表来测量异步电动机转速一般情况下测得的转速结果是十分准确的。但是，在实际情况下，由于异步电动机的工作背景复杂，长时间的运行会让异步电动机表面堆积灰尘、水汽等等。因此，转速表可能会受电磁干扰和温度变化的影响或者转速表的激光发射装置会受到干扰，导致转速测量结果不准确。利用这种情况下测得的转速信息进行故障诊断，可能会发生误判或者漏判。

因此，根据以上情况可知，如何在转速表测量不准确情况下获取精确转速信息成为一种需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种异步电动机的转速软计算方法，电流信号与振动信号相结合，解决实际物理测量—转速表测量转速有时候会受到工作环境影响引起误差的问题。

本发明是这样实现的，提供一种异步电动机的转速软计算方法，包括如下步骤：

1)采集异步电动机的电流瞬时值信号；

2)根据采集到的电流瞬时值信号，计算电流有效值；

3)根据电流有效值计算异步电动机的粗略转速值；

4)采集异步电动机的振动信号；

5)根据采集的振动信号进行振动信号频谱分析；

6)根据步骤3)中计算的粗略转速值在频谱中定位精确转速值所在位置的粗略频率；

7)根据真实频谱，利用粗略频率计算出精确频率，利用精确频率计算出异步电动机的精确转速。

优选地，所述步骤2)中，根据公式(1)，利用采集到的电流瞬时值信号计算电流有效值I_a：

I_a是电流有效值，i_a是采集到的的电流瞬时值信号，num是采集电流信号i_a的数据长度。

进一步优选，所述步骤3)中，根据公式(2)，利用电流有效值I_a计算异步电动机的粗略转速值n：

其中，f₁为供电频率，参数k₁为定子绕组每相电阻R₁，参数k₂为转子绕组频率折合后的每相电阻R'₂，参数k₃为(X₁+X'₂)²，X₁为定子绕组每相漏电抗，为常数，X'₂为转子绕组频率折合后的每相漏电抗，也为常数，参数k₄为

p是磁极对数，U₁为定子绕组每相电压，

为功率因数，即公式(2)可变换为：

进一步优选，所述公式(3)是通过如下过程变换而来：

对于异步电动机来说，转速n与供电频率f₁以及转差率s和磁极对数p满足以下方程式：

磁极对数p为一个固定常数，转差率s是一个没有单位的数，一般情况下，转差率的大小在0和1之间，当异步电动机转子转向与气隙旋转磁密的转向相反时，s＞1，异步电动机电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于副绕组，定子电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁芯而闭合，并在转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，而这电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩从而使电动机转动，根据异步电动机等效电路，异步电动机的机械特性的参数表达式，即在定子电压、频率参数固定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的函数关系为：

异步电动机的电磁转矩T与输出功率P₂、转速的关系满足如下方程式：

异步电动机输出功率P₂与负载电流满足方程式：

由公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)得到公式(3)。

进一步优选，根据非线性最小二乘法思想计算参数k₁、k₂、k₃、k₄，也就是求解下述非线性方程组：

F_i(x)＝0 (10)

i为非线性方程组的个数，x为非线性方程组的解，是一个向量，根据现场采集得到电流有效值I_a与转速值n组成的4～8组互不相关数据，建立方程组：

i为1～m，m为参与计算的样本数量，即4～8；x是k₁、k₂、k₃、k₄组成的一个一行四列的矩阵；

对于非线性方程组(11)无法通过正常方法直接求解，故只有采用最小二乘法思想编程求其近似数值解，先给定x初值[1 1 1 1]，利用迭代法，通过编程实现，经过多次迭代后，可求得近似数值解为x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]，将通过样本数据求解出来的待定系数值x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]，带入到方程(2)中，因为待定系数x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]和供电频率f₁都为已知数，故可得到I_a与n的对应关系，其公式如下：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

提出一种结合异步电动机的电流信号与振动信号进行软测量得到异步电动机转速的方法，解决了当转速表经过长久使用后对异步电动机转速测量不准或者现场根本不适合安装转速测量装置的问题，大大减少了维修成本和硬件投资。

附图说明

图1为本发明提供的方法的流程图；

图2为振动信号频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

由于目前对大型电动机或关键部位电机的运行状态监测已经比较健全，通常会对其采集振动信号和电流信号。异步电动机在工作过程中会出现振动，因此采集到的振动信号会蕴含丰富的异步电动机运行状态信息。由于异步电动机工作背景复杂，背景噪声会使得对异步电动机振动信号进行频谱分析会发现许多频率成分，信息繁杂，其中包含转频信息。本发明利用电流信号计算出异步电动机转速粗略值，再利用振动信号频谱分析图中的转频信息对其进行校正，得到准确的转速值。

参考图1，本发明提供的方法包括如下步骤：

1)采集异步电动机的电流瞬时信号；

2)根据采集到的电流瞬时信号，利用下述公式计算电流有效值I_a；

I_a是电流有效值，i_a是采集到的的电流瞬时值信号，num是采集电流信号i_a的数据长度。

3)根据电流有效值计算异步电动机的粗略转速值，即：

其中，f₁为供电频率，参数k₁为定子绕组每相电阻R₁，参数k₂为转子绕组频率折合后的每相电阻R'₂，参数k₃为(X₁+X'₂)²，X₁为定子绕组每相漏电抗，为常数，X'₂为转子绕组频率折合后的每相漏电抗，也为常数，参数k₄为

p是磁极对数，U₁为定子绕组每相电压，

为功率因数，即公式(2)可变换为：

4)采集异步电动机的振动信号；

5)根据采集的振动信号进行振动信号频谱分析；

6)根据步骤3)中计算的粗略转速值在频谱中定位精确转速值所在位置的粗略频率；

7)根据真实频谱，利用粗略频率计算出精确频率，利用精确频率计算出异步电动机的精确转速。

具体的，公式(3)是通过如下过程变换而来：

对于异步电动机来说，转速n与供电频率f₁以及转差率s和磁极对数p满足以下方程式：

磁极对数p为一个固定常数，转差率s是一个没有单位的数，一般情况下，转差率的大小在0和1之间，当异步电动机转子转向与气隙旋转磁密的转向相反时，s＞1，异步电动机电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于副绕组，定子电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁芯而闭合，并在转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，而这电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩从而使电动机转动，根据异步电动机等效电路，异步电动机的机械特性的参数表达式，即在定子电压、频率参数固定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的函数关系为：

异步电动机的电磁转矩T与输出功率P₂、转速的关系满足如下方程式：

异步电动机输出功率P₂与负载电流满足方程式：

由公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)得到公式(3)。

进一步优选，根据非线性最小二乘法计算参数k₁、k₂、k₃、k₄，非线性最小二乘法可以看做是解下述非线性方程组：

F_i(x)＝0 (10)

i为非线性方程组的个数，x为非线性方程组的解，是一个向量，根据现场采集得到电流有效值I_a与转速值n组成的4～8组互不相关数据，建立方程组：

i为1～m，m为参与计算的样本数量，即4～8；x是k₁、k₂、k₃、k₄组成的一个一行四列的矩阵；

对于非线性方程组(11)无法通过正常方法直接求解，故只有采用最小二乘法思想编程求其近似数值解，先给定x初值[1 1 1 1]，利用迭代法，通过编程实现，经过多次迭代后，可求得近似数值解为x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]，将通过样本数据求解出来的待定系数值x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]，带入到方程(2)中，因为待定系数x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]和供电频率f₁都为已知数，故可得到I_a与n的对应关系，其公式如下：

实施例1、

首先，实时采集异步电动机电流信号并计算有效值，将计算结果代入公式(12)，得到异步电动机转速的粗略转速为995.8265r/min。经过编程实现计算得到参数k₁、k₂、k₃、k₄，由于上述方程式的运算过程忽略磁通等因素的影响，所以经过电流信号的计算得到的只是转速的粗略值n_1。

其次，利用振动信号进行频谱分析，对得到的转速粗略值进行校正，由转频信息得到转速值n。对异步电动机振动信号进行频谱分析。根据假设信号采样频率1000hz，采样5s得到5000组数据。经过快速傅里叶变换得到振动信号频谱图如图2，由图2可以看出在离n_1/60最近的位置，有大约为16.61hz的频率成分出现，在经真实频谱计算以后得到，频率信息为16.6016hz，进而计算得到精确转速n为996.096r/min。

Claims (5)

1.一种异步电动机的转速软计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集异步电动机的电流瞬时值信号；

2)根据采集到的电流瞬时值信号，计算电流有效值；

3)根据电流有效值计算异步电动机的粗略转速值；

4)采集异步电动机的振动信号；

5)根据采集的振动信号进行振动信号频谱分析；

6)根据步骤3)中计算的粗略转速值在频谱中定位精确转速值所在位置的粗略频率；

7)根据真实频谱，利用粗略频率计算出精确频率，利用精确频率计算出异步电动机的精确转速。

2.如权利要求1所述的异步电动机的转速软计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据公式(1)，利用采集到的电流瞬时值信号计算电流有效值I_a：

I_a是电流有效值，i_a是采集到的电流瞬时值信号，num是采集电流信号i_a的数据长度。

3.如权利要求1所述的异步电动机的转速软计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据公式(2)，利用电流有效值I_a计算异步电动机的粗略转速值n：

其中，f₁为供电频率，参数k₁为定子绕组每相电阻R₁，参数k₂为转子绕组频率折合后的每相电阻R'₂，参数k₃为(X₁+X'₂)²，X₁为定子绕组每相漏电抗，为常数，X'₂为转子绕组频率折合后的每相漏电抗，也为常数，参数k₄为

p是磁极对数，U₁为定子绕组每相电压，

为功率因数，即公式(2)可变换为：

4.如权利要求3所述的异步电动机的转速软计算方法，其特征在于，所述公式(3)是通过如下过程变换而来：

对于异步电动机来说，粗略转速值n与供电频率f₁以及转差率s和磁极对数p满足以下方程式：

磁极对数p为一个固定常数，转差率s是一个没有单位的数，当异步电动机转子转向与气隙旋转磁密的转向相反时，s＞1，否则，0＜s＜1，异步电动机电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于副绕组，定子电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁芯而闭合，并在转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，而这电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩从而使电动机转动，根据异步电动机等效电路，异步电动机的机械特性的参数表达式，即在定子电压、频率参数固定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的函数关系为：

异步电动机的电磁转矩T与输出功率P₂、粗略转速值的关系满足如下方程式：

异步电动机输出功率P₂与电流有效值满足方程式：

由公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)得到公式(3)。

5.如权利要求3所述的异步电动机的转速软计算方法，其特征在于，根据非线性最小二乘法思想计算参数k₁、k₂、k₃、k₄，也就是求解下述非线性方程组：

F_i(x)＝0 (10)

i为非线性方程组的个数，x为非线性方程组的解，是一个向量，根据现场采集得到电流有效值I_a与粗略转速值n组成的4～8组互不相关数据，建立方程组：

i为1～m，m为参与计算的样本数量，即4～8；x是k₁、k₂、k₃、k₄组成的一个一行四列的矩阵；

对于非线性方程组(11)无法通过正常方法直接求解，故只有采用最小二乘法思想编程求其近似数值解，先给定x初值[1 1 1 1]，利用迭代法，通过编程实现，经过多次迭代后，可求得近似数值解为x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]，将通过样本数据求解出来的待定系数值x₀＝[k₀₁k₀₂ k₀₃ k₀₄]，代入到方程(2)中，因为待定系数x₀＝[k₀₁ k₀₂ k₀₃ k₀₄]和供电频率f₁都为已知数，故可得到I_a与n的对应关系，其公式如下：

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