交流電機設備異常信號提取方法
2023-07-21 01:19:36
專利名稱：交流電機設備異常信號提取方法
技術領域：
本發明涉及一種分析設備異常的方法，尤其涉及一種分析交流電機設備異常的方法。
背景技術：
在工業領域中，交流電機是一種主要的動力源。在實際使用中，電機及拖動設備可能會處於不正常的工作狀態，所以需要時刻掌握電機的工作狀態，對電機及其拖動設備進行診斷。
目前業界主要採用通過採集電機電流，分析其中的設備異常信號來掌握電機及其拖動設備的工作狀態。現有技術的提取異常信號的方法如圖1所示，先從電流傳感器中採樣電流信號101，然後經A/D轉換變成數位訊號102，再對該數位訊號進行分析處理103，比如對該信號進行FFT譜分析等。
但是採用現有方法有以下的不足在現有操作過程中，由於電流信號中的主要成份為50Hz工頻信號，而包含在電流信號中的異常信號與其相比極其微弱，因此在信號分析中要提取異常信號非常困難。通常只能分析那些影響較大的設備異常，而對那些影響較小的設備異常，目前而言基本無法檢測到。參照圖2可以更直觀的看出異常頻率信號與50Hz工頻信號的比例，從中又能發現靠近50Hz的異常頻率信號還可能被50Hz信號所淹沒。總之，50Hz工頻信號在一定程度上影響了分析的準確性。
發明內容
本發明的目的在於解決了上述的工頻信號幹擾問題，提供了一種從交流電機中提取設備異常信號的方法，能夠有效地排除50Hz工頻信號對分析結果的幹擾。
本發明的技術方案為一種交流電機設備異常信號提取方法，包含下列步驟(a)分別從所述交流電機中採集電機電流信號和電機電壓信號；(b)調節所述電機電壓信號和/或所述電機電流信號的相位，使所述電機電壓信號和所述電機電流信號的相位一致；(c)調節所述電機電壓信號和所述電機電流信號的幅值比例至兩者的幅值相等；(d)將所述電機電流信號和所述電機電壓信號的差值輸出，即為設備異常信號。
上述的設備異常信號提取方法，其中，所述步驟(a)中，採用電流傳感器採集所述電機電流信號；採用電壓傳感器採集所述電機電壓信號。
上述的設備異常信號提取方法，其中，所述步驟(b)包括第一步，測定所述電機電流信號與電機電壓信號的相位差，產生第一控制電壓；第二步，根據所述第一控制電壓產生固定相移角，對所述電機電流信號和/或電機電壓信號進行移相操作；第三步，再次測定所述電機電流信號與電機電壓信號的相位差，產生第二控制電壓；第四步，根據所述第二控制電壓對所述電機電流信號和/或電機電壓信號進行可變的移相操作。
上述的設備異常信號提取方法，其中，所述第二步中固定相移角的範圍是0-35度，所述第四步中可變移相的範圍是0-5度。
上述的設備異常信號提取方法，其中，所述步驟(c)包括第一步，設定基準交流信號，並轉化成基準直流信號；第二步，將所述電機電流信號與電機電壓信號分別轉化成電機電流直流信號與電機電壓直流信號；第三步，分別將所述電機電流直流信號與電機電壓直流信號與所述基準直流信號比較，分別產生一控制電壓；第四步，根據所述控制電壓分別調節所述電機電流信號與電機電壓信號的幅值，以致兩者都與所述基準交流信號一致。
本發明的設備異常信號提取方法對比現有技術，有如下顯著效果在採集電流信號的同時採集電壓信號，然後調節電流信號和/或電壓信號的相位，同時調節電流信號與電壓信號的幅值比例，使兩者的相位一致且幅值相等，最後從調整後的電流信號中減去電壓信號。因為電壓與電流的頻率始終相等，兩者中均含有工頻信號且異常設備只影響電流信號，所以由信號相減得到的剩餘信號中將不包含該工頻信號的成份，而只包含異常設備信號。再通過A/D轉換將該剩餘信號轉變成數位訊號進行分析處理。這樣就可以排除工頻信號的幹擾，並最大限度地發揮A/D的動態範圍，可以診斷、分析出用現有方法分析不到的設備異常。
圖1是現有技術的提取異常信號的示意圖。
圖2是現有技術的提取異常信號中對原始電流信號FFT譜的圖。
圖3是本發明一個較佳實施例提取異常信號方法的流程圖。
圖4是本發明一個較佳實施例提取異常信號的示意圖。
圖5是本發明的調節移動相位實施例的方法流程圖。
圖6是本發明的調節移動相位實施例的框圖。
圖7是本發明的可變移相電路的框圖。
圖8是本發明的根據相位差產生控制電壓的框圖。
圖9是本發明的調節幅值比例實施例的方法流程圖。
圖10是本發明的自動增益控制電路實施例的框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述請參加圖3和圖4，示出了本發明提取異常信號的較佳實施例。首先，使用電流傳感器401採集電機電流信號，使用電壓傳感器402採集電機電壓信號，完成第一步301。在電流傳感器401後接跟隨器403A，在電壓傳感器402後接跟隨器403B，跟隨器的輸入阻抗高而輸出阻抗低，起緩衝、隔離、提高帶載能力的作用，避免後面的電路對前面的電路產生影響。在跟隨器403A後連有自動增益控制電路404A，在跟隨器403B後依次連有移相器405和自動增益控制電路404B。設定一基準源406，產生一個基準信號分別輸入至自動增益控制電路404A和404B中。在自動增益控制電路404A和404B中分別將電機電流信號與電機電壓信號的幅值調節至與基準信號相當。自動增益控制電路404A和404B各具有兩個輸出端，其中一個輸出端連接鑑相器407，另一個輸出端各連接一個跟隨器403C、403D，這兩個跟隨器共同連接一個對消電路408。鑑相器407識別電機電壓信號與電流信號的相位差，並將該相位差作為控制信號輸入至移相器405中，電機電壓信號在移相器405中進行移相調節，使其相位與電機電流信號的相位相同，完成第二步302。同時在各自的自動增益控制電路404A和404B中對電機電流信號和電機電壓信號的幅值進行比例調節，使得兩者的幅值相等，完成第三步303；最後，通過對消電路408從處理後的電流信號中減去處理後的電壓信號，最終輸出的信號將不含50Hz的工頻信號而只含有異常設備信號，完成第四步304。可將輸出的異常設備信號經A/D轉換變成數位訊號後對其進行分析處理。經過移相和幅值調節的電流信號與電壓信號的差值就是異常設備信號是基於以下原理不論電網頻率波動與否，電壓與電流的頻率始終相等，而且異常設備只影響電流信號，而對電壓信號的影響可以忽略。
尤其注意的是，在本實施例中是將電壓信號進行移相操作，但是只對電流信號進行移相或是對電流信號與電壓信號同時移相，只要操作滿足兩者的相位最後一致，都是本發明的實施例，包含在本發明中。
請參見圖5和圖6，示出了本發明調節相位的一個較佳實施例，可以採用選擇固定相移角和更改可變相移角結合的方法來逐步逼近所需移動的相位。在本實施例中可以實現最大相移角為40度的相位調節。第一步501中，結合圖4和圖8，通過鑑相器407取得電機電流信號與電壓信號的相位差信號，將該相位差信號輸入至比例積分放大電路801(簡稱PI調節器)，而後將PI調節器801的輸出信號輸入至減法電路，與基準信號電路相減，最後產生與相位差成比例的第一控制電壓。第二步502中，結合圖6，在移相調節電路中，依次串聯3個固定相移角的模塊601、602、603，分別為20度、10度和5度。在這3個模塊上依次並聯3個開關K3、K2和K1，可以通過閉合或斷開這些開關來選擇所需的相移角。這表明在該移相調節電路中，固定相移的範圍是0-35度。根據第一控制電壓得知固定相移角的大小，對電機電壓信號進行移相操作。第三步503中，測定經固定角移相後的電機電流信號與電壓信號的相位差，產生第二控制電壓，具體實現同第一步。第四步504中，結合圖6和圖7，在上述固定相移角模塊後串聯一個可變相移角電路604，在其後又串接一個運放605。該可變相移角電路604設定0-5度的移相範圍，是採用單片CMOS模擬雙路掃描器件實現相移的。具體電路如圖7所示，單片CMOS模擬雙路掃描器件701作為一個壓控變阻器，通過改變內部阻值來實現不同的相移角。在第三步中生成的第二控制電壓加在掃描器件701的控制端，通過控制端來改變裝置內的電阻，再由RC電路組成移相電路，最終實現5度範圍內的相位微調變化。
舉例來說，當電壓信號與電流信號的相位差為3度時，閉合開關K1、K2和K3，調節可變相移角模塊至3度。當電壓信號與電流信號的相位差為8度時，閉合K2、K3，斷開K1，這就選擇了5度的固定相移角模塊603，同時調節可變相移角電路604至3度，此時調節的相移角為5度固定相移角和3度可變相移角之和。類似地，可以通過閉合或斷開開關K1、K2、K3來選擇固定相移角模塊以及調節可變相移角模塊來實現0度到40度範圍內的移相，從而實現相位的控制和調節。
下表示出了各種相移角度的組合情況
注「1」為觸點閉合；「0」為觸點斷開。
尤其注意的是，上述固定相移角模塊和可變相移電路的相移範圍是人為設定的，可以根據需要更改。
請參見圖9，示出了調節信號幅度比例的一個較佳實施例。第一步，設定一基準交流信號，並轉化成基準直流信號901；第二步，將電機電流信號和電壓信號分別轉化成電機電流直流信號與電壓直流信號902；第三步，將電機電流直流信號與電壓直流信號與基準直流信號比較，各產生一控制電壓903；第四步，分別根據該控制電壓調節電機電流信號與電壓信號的幅值，以致兩者都與基準交流信號一致904。
請參見圖10，以調節電機電流信號的幅值比例為例。如圖10所示，AGC開環電路是一塊現成的晶片，該電路是一種在輸入信號幅度變化很大的情況下使輸出信號幅度保持恆定或僅在較小範圍內變化的自動控制電路。但只靠這一電路不能達到理想的增益效果，因此可增加相應的外圍電路，通過反饋控制實時調節變化的輸入信號，使AGC電路輸出幅值恆定的信號，達到滿意的自動增益控制效果。該外圍反饋電路主要由跟隨電路111、絕對值電路112、誤差比較電路113和放大電路114構成。基準源406連接誤差比較電路113，放大電路114連接AGC開環電路。
AGC開環電路輸出的幅值恆定的信號經跟隨電路111和絕對值電路112後與基準源406產生的基準信號在誤差比較電路113中進行比較，所得的差值經放大電路114放大後作為反饋信號輸入AGC開環電路中，從而提高幅度調節的精確度以及自動增益控制的效果。
在電機電流信號調節幅值的同時，電機電壓信號也調節至與同一基準交流信號一致，其處理過程相同，在此不再重複描述。
經移相和幅值調節後的電機電流信號與電機電壓信號在對消電路中相減對消，差值即為設備異常信號。
上述實施例是提供給本領域普通技術人員來實現或使用本發明的，本領域普通技術人員可在不脫離本發明的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本發明的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。
權利要求
1一種交流電機設備異常信號提取方法，包含下列步驟(a)分別從所述交流電機中採集電機電流信號和電機電壓信號；(b)調節所述電機電壓信號和/或所述電機電流信號的相位，使所述電機電壓信號和所述電機電流信號的相位一致；(c)調節所述電機電壓信號和所述電機電流信號的幅值比例至兩者的幅值相等；(d)將所述電機電流信號和所述電機電壓信號的差值輸出，即為設備異常信號。
2根據權利要求1所述的設備異常信號提取方法，其特徵在於，所述步驟(a)中，採用電流傳感器採集所述電機電流信號；採用電壓傳感器採集所述電機電壓信號。
3根據權利要求1所述的設備異常信號提取方法，其特徵在於，所述步驟(b)包括第一步，測定所述電機電流信號與電機電壓信號的相位差，產生第一控制電壓；第二步，根據所述第一控制電壓產生固定相移角，對所述電機電流信號和/或電機電壓信號進行移相操作；第三步，再次測定所述電機電流信號與電機電壓信號的相位差，產生第二控制電壓；第四步，根據所述第二控制電壓對所述電機電流信號和/或電機電壓信號進行可變的移相操作。
4根據權利要求3所述的設備異常信號提取方法，其特徵在於，所述第二步中固定相移角的範圍是0-35度，所述第四步中可變移相的範圍是0-5度。
5根據權利要求1所述的設備異常信號提取方法，其特徵在於，所述步驟(c)包括第一步，設定基準交流信號，並轉化成基準直流信號；第二步，將所述電機電流信號與電機電壓信號分別轉化成電機電流直流信號與電機電壓直流信號；第三步，分別將所述電機電流直流信號與電機電壓直流信號與所述基準直流信號比較，分別產生一控制電壓；第四步，根據所述控制電壓分別調節所述電機電流信號與電機電壓信號的幅值，以致兩者都與所述基準交流信號一致。
全文摘要
本發明公開了一種交流電機設備異常信號提取方法，旨在提供一種從交流電機中提取設備異常信號的方法，能夠有效的排除工頻信號的噪聲幹擾。其技術要點是從該交流電機中採集得到電機電流信號和電機電壓信號；調節所述電機電壓信號和/或所述電機電流信號的相位，使兩者相位一致；調節所述電機電流信號與所述電機電壓信號的幅值比例至兩者的幅值相等；從所述電機電流信號中減去所述電機電壓信號，從而輸出設備異常信號。本發明應用在對交流電機及其拖動設備的診斷中。
文檔編號G01R31/34GK101042425SQ20061002503
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者萬年紅 申請人:上海寶鋼工業檢測公司