一種電流電壓傳感器集成箱及包含其的電機參數實時採集裝置以及採集方法

2023-09-09 17:07:35 2

一種電流電壓傳感器集成箱及包含其的電機參數實時採集裝置以及採集方法
【專利摘要】本發明公開了一種電流電壓傳感器集成箱及包含其的電機參數實時採集裝置以及採集方法。電機參數實時採集裝置還包括電源模塊、轉矩轉速傳感器模塊、AppSIM仿真平臺，電源模塊與電流電壓傳感器集成箱的三相四線輸入端相連，電流電壓傳感器集成箱的三相四線輸出端與電機的定子繞組相連，轉矩轉速傳感器模塊與電機的轉子相連，AppSIM仿真平臺分別與電流電壓傳感器集成箱和轉矩轉速傳感器模塊相連，用於實時採集、存儲並顯示電流電壓傳感器集成箱輸出的三路電壓和三路電流信號和輸出轉速信號和轉矩轉速傳感器模塊輸出的轉矩信號。本發明實現對電機參數的實時採集、分析處理、在線顯示和動態存儲，具有良好的實時性和穩定性。
【專利說明】一種電流電壓傳感器集成箱及包含其的電機參數實時採集 裝置以及採集方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於電機參數實時採集領域，尤其涉及一種電流電壓傳感器集成箱，並且 包含有電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集裝置及採集方法。

【背景技術】
[0002] 電機是工業生產應用的重要設備，同時也是自動控制系統的核心部件。通過對電 動機電壓、電流信號的分析可以判斷電動機是否出現單相短路、定子繞組匝間短路等故障。 因此對電機的運行工況進行實時監控顯得尤為重要。
[0003] 傳統的電機參數採集是工作人員通過採用常規電工儀表人工讀取、記錄、分析電 機參數。該方法工作繁瑣並且效率很低。首先由於讀表的非同時性以及所讀數據不一定是 瞬時值，所以系統不具備監測的實時性。其次現場沒有抗幹擾措施，所得信號噪聲較大，而 且不具備實時分析數據的能力，所以系統不具備監測的準確性。更重要的是，該方法安全性 很難保證，如果測量高電壓、大電流的電機參數，可能對工作人員的安全造成威脅。如何實 時、準確、安全的採集電機參數成為當前丞待解決的問題之一。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種集成的電流電壓傳感器集成箱，本發明的目的還包括提 供能夠實時採集電機參數的一種包含有電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集裝置， 本發明的目的也包括一種電機參數實時採集方法。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0006] -種電流電壓傳感器集成箱，包括箱體，箱體內有12V開關電源、15V開關電源、風 扇模塊和電流電壓傳感器組，
[0007] 風扇模塊的電源正極接12V開關電源的輸出正極，風扇模塊的接地端接12V開關 電源的接地端；
[0008] 電流電壓傳感器組包括三個電壓傳感器、三個電流傳感器和三相四線電纜，每個 電壓傳感器的電壓輸入端的負極均連接三相四線電纜的接地端，三相四線電纜的三相中的 一相分別與一個電壓傳感器的電壓輸入端的正極連接，每個電壓傳感器的電源正極端均與 12V開關電源的輸出正極相連，每個電壓傳感器的輸出端分別接100 Ω電阻然後接到12V開 關電源的接地端，每個電壓傳感器的電源負極端與12V開關電源的輸出負極相連，三個電 壓傳感器的輸出端輸出三路測量電壓；
[0009] 三相四線電纜的三相中的一相分別與一個電流傳感器的輸入端連接，每個電流傳 感器的電源正極端與15V開關電源的輸出正極相連，每個電流傳感器的電源負極端與15V 開關電源的輸出負極相連，每個電流傳感器的接地端與與15V開關電源的接地端相連，三 個電流傳感器的輸出端輸出三路測量電流。
[0010] 一種電流電壓傳感器集成箱還包括： toon] 電流電壓傳感器組的個數為兩個，兩個電流電壓傳感器組的內部連接相同，兩個 電流電壓傳感器組以相同的方式共同連接在一個12V開關電源、一個15V開關電源和一個 風扇模塊上。
[0012] 一種包括電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集裝置，還包括電源模塊、轉 矩轉速傳感器模塊和AppSIM仿真平臺，電源模塊通過三相四線與電流電壓傳感器集成箱 的三相四線輸入端相連，電流電壓傳感器集成箱的三相四線輸出端通過三相四線與電機的 定子繞組相連，轉矩轉速傳感器模塊與電機的轉子相連，AppSM仿真平臺分別與電流電壓 傳感器集成箱和轉矩轉速傳感器模塊相連，用於實時採集、存儲並顯示電流電壓傳感器集 成箱輸出的三路電壓和三路電流信號和輸出轉速信號和轉矩轉速傳感器模塊輸出的轉矩 信號。
[0013] 一種包括電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集裝置還可以包括：
[0014] 1、轉矩轉速傳感器模塊包括扭矩傳感器CYT-302、智能隔離配電器XFPD-D15?和 24V電源，扭矩傳感器CYT-302的管腳1與智能隔離配電器XFPD-D15?的管腳2連接，扭矩 傳感器CYT-302的管腳2與智能隔離配電器XFPD-D15?的管腳6連接，扭矩傳感器CYT-302 的管腳3與24V電源的輸出正極、智能隔離配電器XFPD-D15?的管腳3、管腳7、管腳16連 接，扭矩傳感器CYT-302的管腳4與24V電源的接地端、智能隔離配電器XFPD-D15?的管 腳1、管腳5、管腳14、管腳5相連，智能隔離配電器XFPD-D15?的管腳9和管腳11為信號 輸出管腳。
[0015] 2、AppSM仿真平臺包括信號接口箱、實時仿真器和上位機，電流電壓傳感器集成 箱將電流與電壓信號傳送給信號接口箱，轉矩轉速傳感器模塊將轉矩與轉速信號傳送給信 號接口箱，信號接口箱將輸出結果傳送給實時仿真器，實時仿真器根據接收到得信息進行 分析，將結果傳送給上位機。
[0016] 一種包括電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集方法，包括以下幾個步驟：
[0017] 步驟一：電流電壓傳感器集成箱測量電機的電流和電壓信號，轉矩轉速傳感器模 塊測量電機的轉矩和轉速信號；
[0018] 步驟二：AppSIM仿真平臺的實時仿真器驅動接口箱的板卡對電流、電壓、轉矩和 轉速信號進行採集；
[0019] 步驟三：在實時仿真器中對採集到的信號進行濾波處理，並將採集到的信號轉化 為電機實際參數信號，同時將電機實際參數信號進行存儲；
[0020] 步驟四：實時仿真器將電機實際參數信號傳送給上位機進行實時顯示。
[0021] 本發明的有益效果為：
[0022] 本裝置基於APPSIM平臺對電機參數進行採集屬於在線採集，平臺採用QNX強實時 作業系統，仿真步長可達微秒級，相比離線採集，本裝置具有良好的實時性效果，能夠實時 地對系統工況進行監測；相比通過DSP或虛擬儀器等其他在線採集方法，本裝置所採用系 統平臺集成完善，接口板卡充足，能夠實時高速的採集模擬和數位訊號，同時模型程序編寫 簡潔方便，支持在線調參功能，可以方便的對電機參數進行在線監控；
[0023] 基於AppSIM平臺實現對數據的實時採集、分析處理、在線顯示和動態存儲。 AppSIM是基於Matlab/Simul ink圖形化開發平臺，該平臺模型簡潔，使用方便；同時平臺中 的實時仿真器支持模型分割和多核CPU並行計算，系統穩定可靠，相比其他數據採集系統 具有較強的優勢；
[0024] 裝置系統平臺支持數據的動態存儲。實時仿真器將數據實時存儲為Matlab的MAT 文件，並能夠傳送到上位機中分析處理；同時，實時仿真器可與上位機實時數據通信，通過 上位機界面實時顯示電機參數的曲線以及所需要的系統監測值，所顯示數據為瞬時值，如 果需要有效值，也可方便的求出顯示；
[0025] 裝置將電壓電流傳感器及其配套的電源模塊和風扇整合在傳感器集成箱中，實現 與工作人員的隔離，防止因為電機系統高電壓和大電流對人體造成傷害，同時裝置的信號 接線完全在其內部完成，降低了採集系統現場環境的複雜紛亂程度，也減少了因為接線斷 路或短路引發的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1本發明系統結構圖；
[0027] 圖2傳感器集成箱外觀圖1 ;
[0028] 圖3傳感器集成箱外觀圖2 ;
[0029] 圖4傳感器集成箱內部電路原理圖；
[0030] 圖5轉矩轉速測量模塊電路原理圖；
[0031] 圖6電機參數採集裝置運行流程圖。

【具體實施方式】
[0032] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0033]為了解決常用電機參數採集裝置實時性差、信號噪聲高和安全係數低等缺點，本 發明提供一種基於AppSIM平臺通過傳感器集成箱實時採集電機參數的裝置，進而實現對 電機運行工況監控的功能。所採集的參數包括電機定子三相電壓、定子三相電流和電機的 轉速和轉矩。當然針對不同的電機，本裝置最多可以採集六路電壓電流信號。
[0034] 本發明包括如下幾部分內容：
[0035] 1.通過傳感器集成箱測定電壓和電流。一般情況下，傳感器集成箱通過線纜連接 在調速系統的控制模塊和待測電機之間。其中測量傳感器採用萊姆公司的AV100-500型電 壓傳感器和HAS50-S/SP50型電流傳感器，並將上述傳感器和它們需要的電源，以及散熱風 扇整合為一體，形成傳感器集成箱，同時配有電源線接口和統一的數據輸出接口；
[0036] 2.通過扭矩傳感器和它配套的F/I轉換模塊測定轉速和轉矩，該傳感器使用北 京天宇恆創傳感器技術公司的CYT-302型扭矩傳感器。該傳感器輸出為電流信號，經過 XFPD-D15?智能隔離配電器轉換成電壓信號；
[0037] 3.測量裝置安裝位置。對於電壓和電流信號的測量，傳感器集成箱的輸出埠連 接在待測電機的定子繞組上，若系統存在變頻調速模塊，則輸入埠連接到調速系統的變 頻調速模塊，否則直接連接到電源模塊即可。對於轉速和轉矩信號的測量，扭矩傳感器的軸 和待測電機的轉子連接在一起，使轉子帶動扭矩傳感器的軸轉動，則扭矩傳感器輸出轉矩 轉速信號。
[0038] 4.系統在AppSIM平臺上基於Matlab/Simulink構建濾波器，對所採集數據進行噪 聲處理；
[0039] 5.電機參數通過實驗接口箱和實時仿真器傳遞給上位機，在上位機的AppSM平 臺的軟體上，實現電機參數實時可視化顯示。
[0040] 下面根據附圖詳細介紹本發明的連接關係與原理說明。
[0041] 結合圖1，電機參數採集實驗系統如圖所示。由電源模塊產生的三相高壓大電流 引入控制模塊進行變頻控制處理，控制模塊輸出的三相電流經過傳感器集成箱後流入待測 電機定子三相繞組。其中，參數採集裝置測得的三相電壓和三相電流信號，以及扭矩傳感器 測得的轉速和轉矩信號將共同送入實驗接口箱的模擬輸入埠，進而送入實時仿真器分析 處理後，送到上位機顯示。在AppSM平臺上構建的電機參數採集程序包括參數採集主程序 和顯示監控程序。參數採集主程序在snusubsystem模型中編寫，主程序包括初始化設置模 塊、採集板卡驅動模塊和數據動態存儲模塊。顯示監控程序在s C_SUbSyStem中編寫。同時， 利用Matlab中的用戶圖形界面GUI來編寫可視化窗口，用來在線監控電機參數的變化曲線 和瞬時值變化情況。
[0042] 實時仿真器作為AppSM實時仿真平臺的重要組成部分，也是本電機參數採集裝 置的核心控制器。仿真器支持模型分割和多核CPU並行計算，系統穩定可靠。它能夠對所 採集的數據進行實時地分析處理，其中包括將傳感器輸出信號轉換為電機參數實際信號值 和對信號的濾波處理等操作，同時實時仿真器還能夠實現與上位機的通信功能，使數據能 夠實時顯示在上位機的窗口中。
[0043] 結合圖2和圖3,圖2為從右側面看傳感器集成箱的外觀圖，圖3為從左側面看傳 感器集成箱的外觀圖。本發明裝置中的傳感器集成箱的主要組成部分包括：A箱體，B電源 埠，C數據線埠，D、E、F通風口，G、Η、I、J航空接頭。其中電源埠 B的輸入工作電壓 為220V市電；埠 C是DB37數據線公頭；通風口 D、E、F用來散熱；G為輸入端第I組航 空接頭；Η為輸入端第I I組航空接頭；J為輸出端第I組航空接頭；I為輸出端第I I 組航空接頭；G、H、I、J分別接入三相四線的被測線纜。傳感器箱有兩條通道，可以同時測量 兩組共六相電壓和電流值。
[0044] 如圖4所示，為傳感器集成箱內部電路原理圖。電路主要包括：6個電壓傳感器U1、 似、仍、價、現、邯、6個電流傳感器嘆、耶、詘、瓜0、瓜1、瓜2、±12￥開關電源譏3、±15￥開 關電源U14和風扇模塊U15。風扇電源電壓為12V，管腳1接+12V，即接到±12V開關電源 U13的管腳1，管腳2接地，即接到± 12V開關電源U13的管腳2。
[0045] 其中U1、U2、U3為第I組電壓傳感器，分別測量第I組a、b、c三相的電壓，U1、 U2、U3的管腳4連接第I組輸入端和輸出端航空接頭的接線端地，Ul、U2、U3的管腳5分 別連接第I組輸入端航空接頭另外3個接線端；U7、U8、U9為第I I組電壓傳感器，分別 測量第I I組a、b、c三相的電壓，U7、U8、U9的管腳4連接第I I組輸入端和輸出端航 空接頭的接線端地，U7、U8、U9的管腳5分別連接第I I組輸入端航空接頭另外3個接線 端；電壓傳感器瓜、似、仍、價、現、冊的管腳1接+12￥，即接到±12￥開關電源瓜3的管腳 1;電壓傳感器瓜、似、仍、價、現、冊的管腳3接-12￥，即接到±12￥開關電源瓜3的管腳 3;電壓傳感器瓜、似、仍、價、現、冊的管腳2分別接100〇電阻然後接地，即接到±12￥開 關電源U13的管腳2,取電阻兩端電壓為各傳感器的輸出信號。
[0046] 其中U4、U5、U6為第I組電流傳感器，第I組線纜的a、b、c相分別通過U4、U5、 U6的線纜流入管腳5,三根線纜兩端分別連在第I組的輸入和輸出航空接頭除地之外的另 三個接線端上；U10、Ull、U12為第I I組電流傳感器，第I I組線纜的a、b、c相分別通 過U10、U11、U12的線纜流入管腳5,線纜兩端分別連在第I I組的輸入和輸出航空接頭除 地之外的另三個接線端上；電流傳感器以、耶、服、瓜0、瓜1、瓜2的管腳1接+15￥電源，即 接到±15￥開關電源譏4的管腳1;電流傳感器嘆、耶、詘、瓜0、譏1、譏2的管腳2接-15￥ 電源，即接到±15￥開關電源瓜4的管腳3;電流傳感器嘆、耶、服、瓜0、瓜1、瓜2的管腳4 接電源地，即接到±15V開關電源U14的管腳2 ;電流傳感器嘆、耶、服州10、瓜1、瓜2的管 腳3分別為各傳感器的信號輸出端。
[0047] 如圖5所示，為轉矩轉速測量模塊的電路原理圖。電路主要包括：扭矩傳感器及其 配套的F/I轉換模塊U16、智能隔離配電器U17和+24V電源U18。扭矩傳感器及其配套的 F/I轉換模塊U16的管腳1為轉速信號輸出，管腳2為轉矩信號輸出，管腳3為+24V電源輸 入端，即連接+24V電源U18的管腳1 ;管腳4為電源地，即連接+24V電源U18的管腳2。智 能隔離配電器U17的管腳1和管腳2為轉速輸入管腳。U17的管腳1為轉速輸入負極，連接 +24V電源U18的管腳2 ;U17的管腳2為轉速輸入正極，連接U16的管腳1。智能隔離配電 器U17的管腳5和管腳6為轉矩輸入管腳，U17的管腳5為轉矩輸入負極，連接+24V電源 U18的管腳2，U17的管腳6為轉矩輸入正極，連接U16的管腳2。智能隔離配電器U17的管 腳9和管腳10為轉速信號輸出，管腳11和管腳12為轉矩信號輸出。智能隔離配電器U17 的管腳3、7和16連接電源正極，即接到+24V電源U18的管腳1，智能隔離配電器U17的管 腳14和15連接電源地，即接到+24V電源U18的管腳2。
[0048] 結合圖6電機參數採集裝置運行流程圖如圖所示。首先，傳感器集成箱和轉速轉 矩測量模塊對電機參數信號進行測量，然後APPSIM平臺的實時仿真器驅動實驗接口箱的 板卡對上述信號進行採集，之後信號在實時仿真器中進行軟體調零和軟體濾波等處理，並 將傳感器輸出信號轉化為電機參數實際信號，最後對信號進行動態存儲，並實時顯示在上 位機軟體中。
【權利要求】
1. 一種電流電壓傳感器集成箱，其特徵在於：包括箱體，箱體內有12V開關電源、15V開 關電源、風扇模塊和電流電壓傳感器組， 風扇模塊的電源正極接12V開關電源的輸出正極，風扇模塊的接地端接12V開關電源 的接地端； 電流電壓傳感器組包括三個電壓傳感器、三個電流傳感器和三相四線電纜，每個電壓 傳感器的電壓輸入端的負極均連接三相四線電纜的接地端，三相四線電纜的三相中的一相 分別與一個電壓傳感器的電壓輸入端的正極連接，每個電壓傳感器的電源正極端均與12V 開關電源的輸出正極相連，每個電壓傳感器的輸出端分別接100 Ω電阻然後接到12V開關 電源的接地端，每個電壓傳感器的電源負極端與12V開關電源的輸出負極相連，三個電壓 傳感器的輸出端輸出三路測量電壓； 三相四線電纜的三相中的一相分別與一個電流傳感器的輸入端連接，每個電流傳感器 的電源正極端與15V開關電源的輸出正極相連，每個電流傳感器的電源負極端與15V開關 電源的輸出負極相連，每個電流傳感器的接地端與與15V開關電源的接地端相連，三個電 流傳感器的輸出端輸出三路測量電流。
2. 根據權利要求1所述的一種電流電壓傳感器集成箱，其特徵在於：所述的電流電壓 傳感器組的個數為兩個，兩個電流電壓傳感器組的內部連接相同，兩個電流電壓傳感器組 以相同的方式共同連接在一個12V開關電源、一個15V開關電源和一個風扇模塊上。
3. -種包括權利要求1所述的電流電壓傳感器集成箱的電機參數實時採集裝置，其 特徵在於：還包括電源模塊、轉矩轉速傳感器模塊和AppSIM仿真平臺，電源模塊通過三相 四線與電流電壓傳感器集成箱的三相四線輸入端相連，電流電壓傳感器集成箱的三相四 線輸出端通過三相四線與電機的定子繞組相連，轉矩轉速傳感器模塊與電機的轉子相連， AppSIM仿真平臺分別與電流電壓傳感器集成箱和轉矩轉速傳感器模塊相連，用於實時採 集、存儲並顯示電流電壓傳感器集成箱輸出的三路電壓和三路電流信號和輸出轉速信號和 轉矩轉速傳感器模塊輸出的轉矩信號。
4. 根據權利要求3所述的一種包括權利要求1所述的電流電壓傳感器集成箱的電機 參數實時採集裝置，其特徵在於：所述的轉矩轉速傳感器模塊包括扭矩傳感器CYT-302、智 能隔離配電器XFPD-D15?和24V電源，扭矩傳感器CYT-302的管腳1與智能隔離配電器 XFPD-D155D的管腳2連接，扭矩傳感器CYT-302的管腳2與智能隔離配電器XFPD-D15? 的管腳6連接，扭矩傳感器CYT-302的管腳3與24V電源的輸出正極、智能隔離配電器 XFPD-D15?的管腳3、管腳7、管腳16連接，扭矩傳感器CYT-302的管腳4與24V電源的接 地端、智能隔離配電器XFPD-D15?的管腳1、管腳5、管腳14、管腳5相連，智能隔離配電器 XFPD-D15?的管腳9和管腳11為信號輸出管腳。
5. 根據權利要求3或4所述的一種包括權利要求1所述的電流電壓傳感器集成箱的電 機參數實時採集裝置，其特徵在於：所述的AppSIM仿真平臺包括信號接口箱、實時仿真器 和上位機，電流電壓傳感器集成箱將電流與電壓信號傳送給信號接口箱，轉矩轉速傳感器 模塊將轉矩與轉速信號傳送給信號接口箱，信號接口箱將輸出結果傳送給實時仿真器，實 時仿真器根據接收到得信息進行分析，將結果傳送給上位機。
6. -種基於權利要求3所述的電機參數實時採集裝置的電機參數實時採集方法，其特 徵在於，包括以下幾個步驟： 步驟一：電流電壓傳感器集成箱測量電機的電流和電壓信號，轉矩轉速傳感器模塊測 量電機的轉矩和轉速信號； 步驟二：AppSIM仿真平臺的實時仿真器驅動接口箱的板卡對電流、電壓、轉矩和轉速 信號進行採集； 步驟三：在實時仿真器中對採集到的信號進行濾波處理，並將採集到的信號轉化為電 機實際參數信號，同時將電機實際參數信號進行存儲； 步驟四：實時仿真器將電機實際參數信號傳送給上位機進行實時顯示。
【文檔編號】G01R19/00GK104122431SQ201410333792
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】劉勝, 戰慧強, 李冰, 唐瓊, 蘇鵬, 程垠鍾, 智鵬飛, 朱婉璐 申請人:哈爾濱工程大學