同步采样法在电机温升测试系统中的应用*

张祯海， 迟长春， 邵士良， 练正兵

(上海电机学院 电气学院，上海 200240)

0 引 言

温升是电机损耗与散热情况的量度，已成为评价电机性能的一个重要指标，对其测试非常重要。传统的电机温升测试是用传统的专用仪器测量，必须有读数、记录等人工参与才能完成。随着虚拟仪器的发展又出现了目前广泛采用的电机温升测试系统，即采用虚拟仪器技术，通过计算机与系统测量设备等硬件和软件的结合，对数据进行采集、分析、处理、显示、打印及存储，实现对电机温升参数的智能采集和计算，具有结构简单、测试方便、打印报表等诸多优点。但在实际应用中，由于硬件连接、软件执行、数据处理等各种故障的原因会造成方法误差、采样不同步误差、数据误差、舍入误差等各种各样的误差[1]。本文介绍测试系统中的数据采集系统，加入同步采样环节，提高了系统的测试精度和速度。

1 系统结构及测试原理

电机测试系统采用先进的虚拟仪器技术[2- 4]，把计算机强大的计算能力和仪器设备的硬件测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对试验的控制和数据的运算、分析、处理、显示、打印及存储，使系统功能远远超过一般仪器的简单组合。

1.1 系统总体结构

本温升测试系统以计算机为控制中枢，主要由测功机、传感器、PLC处理器、程控电源、各电参量显示仪、PC机及打印机组成。所有的部件都设计为模块式组件，并可根据测试项目的具体要求进行选配，以给测试者提供最大可能的柔化性应用方案。图1为该系统总体结构图。

图1 系统总体结构图

系统工作时，电机运行时的各项数据经过数据采集系统、PLC、RS-232通信接口将数据传送到PC机中。PC机通过温升测试系统软件进行数据实时曲线显示、数据保存等，最后通过打印机打印数据，生成报表。

1.2 温升计算原理

电机的温升通常是通过测量其绕组的冷、热态电阻变化获得的。测电机各绕组温升采用电阻法,是利用绕组导体的电阻随温度升高而增加的原理,根据电阻变化计算出温度变化的测温方式。电阻法测得的绕组温度是整个绕组的平均温度。

通常使用电解铜导线作电机绕组，在-50℃～ 150℃的范围内，各时刻冷、热态直流电阻R1和Rn与冷、热态温度t1和tn之间的关系为

(1)

从而可得温升算式为

(2)

数据采集系统通过采集各瞬时电压、电流，通过信号调理等处理后上传至PLC。根据采集到的电压、电流值计算出各瞬时电阻，然后软件通过式(1)、式(2)计算出各时间间隔的温升值。

2 同步采样数据采集系统

在以上介绍的电机测试软件中，数据采集系统是最核心的环节。数据采集是指将电压、电流等电量信号与温度、压力等非电量信号在测控现场的模拟量，进行采集、转换成数字量后，再对所读入的数据进行存储、显示或打印的过程。

采用均匀取样方式对周期信号进行数字化测量时，采样频率与信号基波频率之间存在整数倍关系，即采样时间间隔T0、被测交流信号周期Ts和1个周期内采样点数N之间满足关系式Ts=NT0的采样方式为同步采样法[5]。

2.1 总体结构

一个典型的数据采集系统(见图2)通常由传感器、信号调理、采样保持与A/D转换、微处理器及外围设备组成[6]。

图2 典型数据采集系统结构图

在典型的数据采集系统硬件结构上加入同步环节，即形成同步采样法的数据采集系统(见图3)。所谓积分环节,即为一整形电路。被测的电压或电流信号通过信号调理电路整形后，振荡器形成的脉冲将正弦波信号整成同频率的方波信号，利用上升沿到来时起动或停止采样，使得采样周期与被测信号周期严格同步[7]。

图3 同步采样法系统结构

2.2 软件算法

对交流量的测量可以看作是一种积分求均值的运算，例如电压有效值和功率的计算式为

(3)

(4)

式中：T——信号周期；

T0——积分起点。

不考虑开方或其他算术运算，并作变量化转换(令x=ωt)：

(5)

2π——f(x)的周期；

x0——积分起点所对应的值。

如将宽为2π的积分区间x0,x0+2π等分为N段，均匀采样N个数据f(xi)，i=1,2,3，…，N。可以证明，当N>M(M为f(x)最高谐波次数)时，有

(6)

这就是同步采样及其算法的理论基础。

但在实际采样过程中，由于各种各样的偏差采样周期不是2π，而是2π+Δ(Δ为周期偏差，其值可正可负，但必有Δ>-2π)。因此一般情况下，式(6)将不再成立，在|Δ|不太大的情况下，通过适当增加采样数据量和采用新的算法可获得对f(x)的高准确度估计。

在下面的推导中，认为被测信号f(x)处于稳态情况。

将宽为2π+Δ的积分区间x0,x0+2π+Δ等分为N段，均匀采样得N+1个数据f(xi)，i=0,1,2,…，N，根据数值求积算式作如下定义的运算：

(7)

式中： 上标“1”表示第一次求积运算，ρi(i=i0,i0+1，…，i0+N)为对应求积算式所确定的权系数。可以看出，F1将是采样起点i0(实质是x0，x0=xi0)的函数。

如对信号连续采样n个周期(即适当增加采样数据)，则在[x0,x0+n(2π+Δ)〗均匀采样nN+1个数据f(xi)，i=0,1,2,…，nN，则可作n次迭代。

(8)

(9)

[k=1,2…，n；m=0,1,2…，(n-k)N]

可以证明，当f(x)的最高次谐波数为M，每周期采样点数N满足：

(10)

(11)

(12)

则：

(13)

实际测量时，只要估算出被测信号的最高次谐波次数M和最大周期偏差Δ，当采样点数满足式(11)时，就能保证迭代获得平均值的准确估计。

3 测量实例

基于以上同步采样的数据采集系统，现有一型号为YYL90L-4E的单相感应电动机，测得各数据结果如下。

未加入同步采样前，采用传统采样方法，测得该电机根据不同负载大小情况，数据如表1所示。

表1 YYL90L4E系列单相感应电动机数据测试

从该表可看出，有效值的平均误差约3%，而功率的平均误差约5%，再加上其他影响，必然会对电机温升以及其他特性的测试带来很大的误差。而应用同步采样方法后，同一电机相同负载下测得的数据如表2所示。

表2 加入同步采样法后电机数据测试

由表2数据明显可看出，将同步采样法应用到电机测试系统后，各种误差约0.5%，这样就大大减少了误差，并且提高了测试精度。因此，将同步采样法应用到电机测试系统的数据采集中很有必要，使得数据更可靠，更精确。

根据该测试系统，经测得该电机的各项性能参数如图4所示。

通过观测该感应电机在空载时5min的温升情况，得该电机的温升曲线如图5所示。

图4 YYL90L-4E单相感应电动机性能曲线

图5 YYL90L-4E单相感应电动机温升曲线

4 结 语

本文通过同步采样在数据采集系统中的软、硬件实现，应用到电机的温升测试系统，减少了误差，提高了数据采集效率和精度。该方法还可广泛用于各种交流电量的采集系统中。

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