应用电机电流特征分析技术测量异步电机转速
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flow
fsyn
i (t ) k 1 k 2 cos(2f 2t ) k 3 cos(2f 3t ) kn cos(2fnt )cos(2f 1t )
i (t ) m (t ) cos( 2f 1t )
nlow 60
120 f 1 60 P
(7)
i (t ) 2
表 I 估算法和直接测量法转速的比较
负载率 (%) 24.5 44.7 64.9 85.9 107.0 负载率 (%) 27.4 38.2 49.4 61.3 72.8 85.5 94.1
2.2 kW, 6对极, 3相异步电机,50 Hz直接供电 MCSA 测量速度 (rpm) (rpm) 991.40 989.7 982.03 982.2 970.31 970.3 958.59 959.4 942.18 942.7 4.0 kW, 4对极, 3相异步电机,50 Hz直接供电 MCSA 测量速度 (rpm) (rpm) 1485.93 1486.6 1478.90 1476.8 1471.87 1471.3 1462.50 1462.6 1455.46 1454.2 1433.75 1444.3 1434.37 1433.5
关键字—实际效率,异步电机, 整流供电, 电机电流特性 分析, 非侵入式,转速测量.
I. 简介 在工业国家， 超过50%的总电能被电机驱动 系统所消耗。异步电机因其廉价和耐用而被广 泛应用。 近年来,能源问题推动了电机效率的研 究。许多能源报告宣称广泛使用高效率的电机 可以节约大量能源。存在各种理由来检测现有 的异步电机,例如出于更换过时或磨损电机的 考虑。一些论文中提到与实际效率估计有关的 几种方法，并且新的方法每年都会出现。 一个建议的方法[1-3]是一种非侵入式方 法，可以帮助工厂判断是否要用高效电机代替 低效电机。这种方法估算电机效率不需要将电 机从运行中断开，也不需要计算电机的输出功 率。它所需的现场数据为输入电压、电流、电 功率,就可以得到任意负载下的电机输出转速。 使用转子转速编码器或光学转速测量计的方 法会降低可靠性并增加成本。偶尔必须直接测 量电机转速的时，需要在无转轴侦测条件下估 算电机转速。一些无转轴侦测方案 [4,5] 例如 模型参考自适应控制法（MRAC）和齿槽谐波 检测法（RSH）由电机本身的结构决定。 （MCSA）。
振幅 1 0.5 0 -0.5 电流信号
电源
-1 0 振幅 0.03
50
100
150
200
250
电流信号的快速傅里叶变换
分析 记录器
电流
0.02 0.01 X= 24.7656 Y= 0.010169
转速计
负载
转速
00
23.8
24
24.2
24.4 频率 (Hz)
24.
24.8
25
异步电机 转速估计
异步电机 b) 4.0 kW异步电机，负载率27.4 % 图. 4. MCSA技术对直接供电异步电机的时域和频域分析
(10)
振幅 1 0.5 0 -0.5 -1 0 振幅 3 2 1 0 15.6 X= 16.3672 Y= 0.0013574 15.8 16 16.216.4 频率 (Hz) 16.6 16.8 50 100 150 200 250 电流信号
电流信号的快速傅里叶变换
a) 2.2 kW 异步电机，负载率 44.7 %
nr fr 60
快速傅里叶变换 运算
图1. 使用电机电流分析技术测量电机转速的算法
flow
f syn
定子电流信号可以表示为
n i (t ) k 1 km cos(2fmt ) cos(2f 1t ) m2
P = 4 pole
(1)
nlow 1350 rpm
(6)
数据采样 i (t ) k 1 km cos(2fmt ) cos(2f 1t ) m 2
n
解调
m(t ) k 1 k 2 cos(2f 2t ) k 3 cos(2f 3t ) kn cos(2fnt )
..
从(6)得到的电流数据可以用快速傅里叶变 换(FFT)来分析，以找到振幅最大的频率成分。 这个频率必须位于下限 ( f low ) 和上限 ( f syn )之间
这项技术需要对定子电流波形进行采样和收 集。电机电流信号可以从位于电机电源的一个 非侵入式电流传感器获得。由于 MCSA 技术 利用定子电流频谱分析的结果来记录一个在 运行的电机的转速，因此它需要一个精确的频 谱分析。该技术主要由四个部分组成，即数据 采样， 解调， 快速傅里叶变换运算和速度计算， 如图 1。必须指出的是，这项应用只需要信号 频率成分，而不是大小。
II. 使用MCSA技术测量速度 众所周知，电源向三相定子绕组供电会产 生一个同步旋转磁场，并在转子绕组感应出电 压。电机感应电压由旋转磁场和转子的相对速 度决定。转子电流感应产生一个有效的转子磁 场，会在定子绕组中感应产生很小的电流，并 形成高次谐波旋转磁场。因此，转子频率可以 通过检测定子电流频谱得到，转子速度可以由 转子频率计算得到。
其中m（t）表示定子电流的幅度。 低通滤波器可以用来滤除定子电流信号。 低通滤波器的截止频率设置为2 F1以减少温 度，转子和定子槽数，以及振动的杂波影响。.
i (t ) i (t ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ m(t ) 2 cos 2 (2f 1t )
等式重新整理为
(5)
i(t ) 2
1 1 m(t ) 2 cos(2 2f 1t )m(t ) 2 2 2
模型参考自适应控制法需要通过标准测试 得到的电机等效电路参数，这是一种侵入性任 务。一般情况下，RSH方法的主要缺陷是缺乏 鲁棒性，例如特殊电机下典型的未知转子槽数 参数的情况。针对直接供电和整流供电，本文 介绍的无转轴侦测转速估算方案不需要电机 等效电路参数、电机结构、开关频率和开关方 式。因此，提出了应用电机电流特性分析法 MCSA是由橡树岭国家实验室（ORNL） [6,7]开发的一项电动机械技术。它为各种各样 的工业电机提供了一个转轴侦测的，选择性 的，并具有成本效益的手段来进行在线监测。 它已被用作改善在工厂运行的可侵入式电机 轴承磨损程度的测试方法。在全面评估电动阀 （MOVs）的老化程度时，MCSA能够监测、 鉴别和跟踪电动阀的异常，例如线电压异常和 蜗轮齿磨损。近来MCSA已被用于工业中一些 三相异步驱动电机的故障自检，例如转子断条 和定子短路。MCSA可以用作时域或频域分 析。本文侧重于使用频谱分析来检测转速。电 机转速可以在控制中心确定，并且可以用作非 侵入式异步电机实际效率估算方案中无转轴 侦测的速度检测的过程。.
误差 (rpm) 1.70 - 0.17 0.01 0.81 - 0.52 误差 (rpm) - 0.67 2.10 0.57 - 0.10 1.26 - 0.55 0.87
B. 整流供电(非正弦) 当电机通过整流电源供电时，电流信号中 出现谐波。图.5显示了2.2kW电机由非正弦整 流电源供电，工作频率分别在40、50、60 Hz， 负载率为83.4%时时域和频域的结果范例。从 图.5 a)，可以看出当2.2kW电机由整流电源供 电，工作频率为40 Hz时，转子频率为12.6953 Hz， 计算转速是761.718 rpm， 实际转速为762.7 rpm。图.5 b)，工作频率为50 Hz时，转子频率 为16.0156 Hz，计算转速为960.936 rpm，实际 转速是959.6 rpm。图.5 c)，工作频率为60 Hz， 转子频率为18.9844 Hz，计算转速为1139.064 rpm，实际转速为1138.9 rpm。表II列出了整流 电源供电时电机速度估算值和实际值的比较， 包括负载率，估算和测量的电机转速，转速误 差。图.6和表III式4.0kW电机由非正弦整流电 源供电时的相应结果。实验证明该技术可以成 功应用在整流电源供电异步电机上。 对于直接供电和整流电源供电两种异步 电机从30%负载率到额定负载，实验结果均证 实了使用MCSA技术估算的电机转速和实际 转速误差在2 rpm以内。显而易见，该技术具 有简单，非侵入性，和精确的特点。由于检测 的转子频率接近（低于）选择磁场频率，重要 的是要注意频率分辨率（FR）一定要小。这样 一来，采样率（SR）要低，数据量（N data） 要大，可以用下式描述
fr D max FR
(9)
然后电机速度计算如下
nr fr 60
III. 实验验证 实验装置如图. 3， 两台2.2kW三相鼠笼式异 步电机， 220/380 V, 9.5/5.5 A, 6对极, 940 rpm, 4.0 kW， 380/660 V, 8.8/5.1 A, 4对极, 1440 rpm，在各种 负载下测试。直接供电和整流供电都考虑在 内。直接供电电源为50HZ交流电源，整流供 电（非正弦）开关频率为2 kHz ，工作频率为 40, 50和60 Hz.。定子电流通过日本横河电机 (AR1100A) 的电流探头记录得到。 记录器可以 记录最多达130416项数据，采样率(SR)为5 kHz。 不同负载扭矩下电机实际转速通过转速 计直接得到，以和该技术估算值相比较。
f r Dmax FR
(1)中的电流信号可以被解调处理为
i (t ) k 1 k 2 cos( 2f 2t ) k 3 cos( 2f 3t ) kn cos( 2fnt )cos( 2f 1t )
(2)
k n 和 f n 为表示定子电流n次谐波的常数和频率， f1 50 Hz 是交流电源的频率，因此(2)可以改写为
图. 3. 实验装置.
A. 直接供电(正弦电源) 对于连接到50Hz电源上正常运行的电机， f1是50Hz，谐波电流是微不足道的。图.4显示 了直接供电的2.2kW和4.0kW电机电流信号的 时域和频域采样结果。从图.4 a)中，可以看出 当2.2kW电机直接供电负载率44.7%时， 测量转 子频率为16.3672Hz， 从(10)中计算得到转子速 度是982.03rpm，而电机的实际转速为 982.2rpm。从图.4 b)中，可以看出当4.0kW电 机直接供电负载率27.4%时，测量转子频率为 24.7656Hz， 计算转子速度为1485.93rpm， 实际 转速为1486.6rpm。表I比较了两个直接供电不 同负载扭矩工频50Hz异步电机利用MCSA技 术得到的转速估算值和使用光学测数计得到 的转速结果。可以看出，从电机空载到满载， 估算转速误差在2rpm以内。
应用电机电流特征分析技术测量异步电机转速
P. Phumiphak, 和 C. Chat-uthai
拉卡邦先皇技术学院，曼谷，泰国
摘要: 作为非侵入式估算异步电机实际 效率的一项步骤，使用轴向速度编码器或者光 学测数计直接测量异步电机的转速会降低可 靠性且提高花费。本文提出了应用电机电流信 号分析技术(MCSA)的速度传感器测量方案。直 接供电（正弦）和不同工频的整流供电（非正 弦）都被考虑在内。 本技术中，等效电路参数和机器的结构都不是 必需的。此外对于整流供电而言，变频器的信 息例如开关频率和开关PWM调制方式也不作要 求。通过工作在不同负载扭矩下的2.2kW和 4.0kW三相异步电机的转速测量的实验结果， 该拟议技术得到验证。实验结果显示，整体转 速估算精度约有2rpm的误差。
f r 24.92 Hz 频率 (Hz) 图 2.转子速度检测过程.
i (t ) m(t ) cos(2f 1t )
m(t ) k 1 k 2 cos( 2f 2t ) k 3 cos( 2f 3t ) kn cos( 2fnt )
(3)
(4)
随后，转子频率( f r ) 可以通过谐波电流 峰值点位置( Dmax )和频率分辨率 (FR)相乘 得到，如图. 2。
1 1 m(t ) 2 cos(2 2f 1t ) m(t ) 2 2 2
(8)
速度计算
i(t ) 0.707 m(t )
fr D max FR
nlow 是电机频率下限的转速， 它被设定为最大扭矩速度或者90%以上的选择磁场速 度， f syn 是 旋转磁场的频率，P 是电机极对数。.
fsyn
i (t ) k 1 k 2 cos(2f 2t ) k 3 cos(2f 3t ) kn cos(2fnt )cos(2f 1t )
i (t ) m (t ) cos( 2f 1t )
nlow 60
120 f 1 60 P
(7)
i (t ) 2
表 I 估算法和直接测量法转速的比较
负载率 (%) 24.5 44.7 64.9 85.9 107.0 负载率 (%) 27.4 38.2 49.4 61.3 72.8 85.5 94.1
2.2 kW, 6对极, 3相异步电机,50 Hz直接供电 MCSA 测量速度 (rpm) (rpm) 991.40 989.7 982.03 982.2 970.31 970.3 958.59 959.4 942.18 942.7 4.0 kW, 4对极, 3相异步电机,50 Hz直接供电 MCSA 测量速度 (rpm) (rpm) 1485.93 1486.6 1478.90 1476.8 1471.87 1471.3 1462.50 1462.6 1455.46 1454.2 1433.75 1444.3 1434.37 1433.5
关键字—实际效率,异步电机, 整流供电, 电机电流特性 分析, 非侵入式,转速测量.
I. 简介 在工业国家， 超过50%的总电能被电机驱动 系统所消耗。异步电机因其廉价和耐用而被广 泛应用。 近年来,能源问题推动了电机效率的研 究。许多能源报告宣称广泛使用高效率的电机 可以节约大量能源。存在各种理由来检测现有 的异步电机,例如出于更换过时或磨损电机的 考虑。一些论文中提到与实际效率估计有关的 几种方法，并且新的方法每年都会出现。 一个建议的方法[1-3]是一种非侵入式方 法，可以帮助工厂判断是否要用高效电机代替 低效电机。这种方法估算电机效率不需要将电 机从运行中断开，也不需要计算电机的输出功 率。它所需的现场数据为输入电压、电流、电 功率,就可以得到任意负载下的电机输出转速。 使用转子转速编码器或光学转速测量计的方 法会降低可靠性并增加成本。偶尔必须直接测 量电机转速的时，需要在无转轴侦测条件下估 算电机转速。一些无转轴侦测方案 [4,5] 例如 模型参考自适应控制法（MRAC）和齿槽谐波 检测法（RSH）由电机本身的结构决定。 （MCSA）。
振幅 1 0.5 0 -0.5 电流信号
电源
-1 0 振幅 0.03
50
100
150
200
250
电流信号的快速傅里叶变换
分析 记录器
电流
0.02 0.01 X= 24.7656 Y= 0.010169
转速计
负载
转速
00
23.8
24
24.2
24.4 频率 (Hz)
24.
24.8
25
异步电机 转速估计
异步电机 b) 4.0 kW异步电机，负载率27.4 % 图. 4. MCSA技术对直接供电异步电机的时域和频域分析
(10)
振幅 1 0.5 0 -0.5 -1 0 振幅 3 2 1 0 15.6 X= 16.3672 Y= 0.0013574 15.8 16 16.216.4 频率 (Hz) 16.6 16.8 50 100 150 200 250 电流信号
电流信号的快速傅里叶变换
a) 2.2 kW 异步电机，负载率 44.7 %
nr fr 60
快速傅里叶变换 运算
图1. 使用电机电流分析技术测量电机转速的算法
flow
f syn
定子电流信号可以表示为
n i (t ) k 1 km cos(2fmt ) cos(2f 1t ) m2
P = 4 pole
(1)
nlow 1350 rpm
(6)
数据采样 i (t ) k 1 km cos(2fmt ) cos(2f 1t ) m 2
n
解调
m(t ) k 1 k 2 cos(2f 2t ) k 3 cos(2f 3t ) kn cos(2fnt )
..
从(6)得到的电流数据可以用快速傅里叶变 换(FFT)来分析，以找到振幅最大的频率成分。 这个频率必须位于下限 ( f low ) 和上限 ( f syn )之间
这项技术需要对定子电流波形进行采样和收 集。电机电流信号可以从位于电机电源的一个 非侵入式电流传感器获得。由于 MCSA 技术 利用定子电流频谱分析的结果来记录一个在 运行的电机的转速，因此它需要一个精确的频 谱分析。该技术主要由四个部分组成，即数据 采样， 解调， 快速傅里叶变换运算和速度计算， 如图 1。必须指出的是，这项应用只需要信号 频率成分，而不是大小。
II. 使用MCSA技术测量速度 众所周知，电源向三相定子绕组供电会产 生一个同步旋转磁场，并在转子绕组感应出电 压。电机感应电压由旋转磁场和转子的相对速 度决定。转子电流感应产生一个有效的转子磁 场，会在定子绕组中感应产生很小的电流，并 形成高次谐波旋转磁场。因此，转子频率可以 通过检测定子电流频谱得到，转子速度可以由 转子频率计算得到。
其中m（t）表示定子电流的幅度。 低通滤波器可以用来滤除定子电流信号。 低通滤波器的截止频率设置为2 F1以减少温 度，转子和定子槽数，以及振动的杂波影响。.
i (t ) i (t ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ m(t ) 2 cos 2 (2f 1t )
等式重新整理为
(5)
i(t ) 2
1 1 m(t ) 2 cos(2 2f 1t )m(t ) 2 2 2
模型参考自适应控制法需要通过标准测试 得到的电机等效电路参数，这是一种侵入性任 务。一般情况下，RSH方法的主要缺陷是缺乏 鲁棒性，例如特殊电机下典型的未知转子槽数 参数的情况。针对直接供电和整流供电，本文 介绍的无转轴侦测转速估算方案不需要电机 等效电路参数、电机结构、开关频率和开关方 式。因此，提出了应用电机电流特性分析法 MCSA是由橡树岭国家实验室（ORNL） [6,7]开发的一项电动机械技术。它为各种各样 的工业电机提供了一个转轴侦测的，选择性 的，并具有成本效益的手段来进行在线监测。 它已被用作改善在工厂运行的可侵入式电机 轴承磨损程度的测试方法。在全面评估电动阀 （MOVs）的老化程度时，MCSA能够监测、 鉴别和跟踪电动阀的异常，例如线电压异常和 蜗轮齿磨损。近来MCSA已被用于工业中一些 三相异步驱动电机的故障自检，例如转子断条 和定子短路。MCSA可以用作时域或频域分 析。本文侧重于使用频谱分析来检测转速。电 机转速可以在控制中心确定，并且可以用作非 侵入式异步电机实际效率估算方案中无转轴 侦测的速度检测的过程。.
误差 (rpm) 1.70 - 0.17 0.01 0.81 - 0.52 误差 (rpm) - 0.67 2.10 0.57 - 0.10 1.26 - 0.55 0.87
B. 整流供电(非正弦) 当电机通过整流电源供电时，电流信号中 出现谐波。图.5显示了2.2kW电机由非正弦整 流电源供电，工作频率分别在40、50、60 Hz， 负载率为83.4%时时域和频域的结果范例。从 图.5 a)，可以看出当2.2kW电机由整流电源供 电，工作频率为40 Hz时，转子频率为12.6953 Hz， 计算转速是761.718 rpm， 实际转速为762.7 rpm。图.5 b)，工作频率为50 Hz时，转子频率 为16.0156 Hz，计算转速为960.936 rpm，实际 转速是959.6 rpm。图.5 c)，工作频率为60 Hz， 转子频率为18.9844 Hz，计算转速为1139.064 rpm，实际转速为1138.9 rpm。表II列出了整流 电源供电时电机速度估算值和实际值的比较， 包括负载率，估算和测量的电机转速，转速误 差。图.6和表III式4.0kW电机由非正弦整流电 源供电时的相应结果。实验证明该技术可以成 功应用在整流电源供电异步电机上。 对于直接供电和整流电源供电两种异步 电机从30%负载率到额定负载，实验结果均证 实了使用MCSA技术估算的电机转速和实际 转速误差在2 rpm以内。显而易见，该技术具 有简单，非侵入性，和精确的特点。由于检测 的转子频率接近（低于）选择磁场频率，重要 的是要注意频率分辨率（FR）一定要小。这样 一来，采样率（SR）要低，数据量（N data） 要大，可以用下式描述
fr D max FR
(9)
然后电机速度计算如下
nr fr 60
III. 实验验证 实验装置如图. 3， 两台2.2kW三相鼠笼式异 步电机， 220/380 V, 9.5/5.5 A, 6对极, 940 rpm, 4.0 kW， 380/660 V, 8.8/5.1 A, 4对极, 1440 rpm，在各种 负载下测试。直接供电和整流供电都考虑在 内。直接供电电源为50HZ交流电源，整流供 电（非正弦）开关频率为2 kHz ，工作频率为 40, 50和60 Hz.。定子电流通过日本横河电机 (AR1100A) 的电流探头记录得到。 记录器可以 记录最多达130416项数据，采样率(SR)为5 kHz。 不同负载扭矩下电机实际转速通过转速 计直接得到，以和该技术估算值相比较。
f r Dmax FR
(1)中的电流信号可以被解调处理为
i (t ) k 1 k 2 cos( 2f 2t ) k 3 cos( 2f 3t ) kn cos( 2fnt )cos( 2f 1t )
(2)
k n 和 f n 为表示定子电流n次谐波的常数和频率， f1 50 Hz 是交流电源的频率，因此(2)可以改写为
图. 3. 实验装置.
A. 直接供电(正弦电源) 对于连接到50Hz电源上正常运行的电机， f1是50Hz，谐波电流是微不足道的。图.4显示 了直接供电的2.2kW和4.0kW电机电流信号的 时域和频域采样结果。从图.4 a)中，可以看出 当2.2kW电机直接供电负载率44.7%时， 测量转 子频率为16.3672Hz， 从(10)中计算得到转子速 度是982.03rpm，而电机的实际转速为 982.2rpm。从图.4 b)中，可以看出当4.0kW电 机直接供电负载率27.4%时，测量转子频率为 24.7656Hz， 计算转子速度为1485.93rpm， 实际 转速为1486.6rpm。表I比较了两个直接供电不 同负载扭矩工频50Hz异步电机利用MCSA技 术得到的转速估算值和使用光学测数计得到 的转速结果。可以看出，从电机空载到满载， 估算转速误差在2rpm以内。
应用电机电流特征分析技术测量异步电机转速
P. Phumiphak, 和 C. Chat-uthai
拉卡邦先皇技术学院，曼谷，泰国
摘要: 作为非侵入式估算异步电机实际 效率的一项步骤，使用轴向速度编码器或者光 学测数计直接测量异步电机的转速会降低可 靠性且提高花费。本文提出了应用电机电流信 号分析技术(MCSA)的速度传感器测量方案。直 接供电（正弦）和不同工频的整流供电（非正 弦）都被考虑在内。 本技术中，等效电路参数和机器的结构都不是 必需的。此外对于整流供电而言，变频器的信 息例如开关频率和开关PWM调制方式也不作要 求。通过工作在不同负载扭矩下的2.2kW和 4.0kW三相异步电机的转速测量的实验结果， 该拟议技术得到验证。实验结果显示，整体转 速估算精度约有2rpm的误差。
f r 24.92 Hz 频率 (Hz) 图 2.转子速度检测过程.
i (t ) m(t ) cos(2f 1t )
m(t ) k 1 k 2 cos( 2f 2t ) k 3 cos( 2f 3t ) kn cos( 2fnt )
(3)
(4)
随后，转子频率( f r ) 可以通过谐波电流 峰值点位置( Dmax )和频率分辨率 (FR)相乘 得到，如图. 2。
1 1 m(t ) 2 cos(2 2f 1t ) m(t ) 2 2 2
(8)
速度计算
i(t ) 0.707 m(t )
fr D max FR
nlow 是电机频率下限的转速， 它被设定为最大扭矩速度或者90%以上的选择磁场速 度， f syn 是 旋转磁场的频率，P 是电机极对数。.