大功率风机能量平衡分析和风机效率测试仪的设计与应用.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯ U DC 密级 编号⋯ 十南大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职称 太功率风机能量平衡分析和风机一 ⋯⋯效率测试仪韵设盐复虞用⋯⋯． ⋯⋯⋯⋯控制科学董王程⋯⋯⋯⋯． 王迅 ⋯⋯⋯⋯⋯唐朝慝⋯教授⋯⋯⋯⋯～ 分类号U D C 硕士学位论文 密级 大功率风机能量平衡分析和风机效率测试仪的设计 与应用 L a r g eP o w e r F a nE n e r g yB a l a n c eA n a l y s i sa n d D e s i g na n dA p p l i c a t i o no fF a nE f f i c i e n c yT e s t e r 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 王迅 控制科学与工程 信息科学与工程学院 唐朝晖 答辩委员会主席 刍猫途 中南大学 2 0 12 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名圣赴日期2 望坐年上月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名王弛 导师签名脚日期业年羔月丝日 摘要 风机是矿山井下安全作业的主要机械设备，它的性能直接关系到 井下人员的人身安全，同时，由于风机长时间运行，它的性能会受到 老化等因素的影响，因此对风机进行定期检测，能够保证风机高效和 安全运行。而风机的关键指标之一是效率，因此风机的效率检测是人 员安全的重要保障，同时风机的高效运行对企业节能、节约成本具有 重要意义。 目前大部分风机效率测试方法的测试过程复杂，需用U 型压力计 等十几种测试仪表，且在测量电机效率时，需要进行负载分离以便进 行空载试验，导致测试成本高、对生产影响大。另外，目前存在的风 机效率测试仪，其价格较贵，且不能进行实时处理和长期测量。 针对上述实际情况，本文研发一套便携式风机效率测试仪，在进 行电机效率测量时不需进行空载实验，甚至不需停机。它是一种测量 技术和计算机技术相结合的测量仪器，适用于三相三线制功率、功率 因数和效率的检测。笔记本电脑通过效率测试仪采集输入风机机组的 电流、电压信号数据，运用改进的遗传算法对驱动风机的异步电机等 效电路参数进行识别，求得电机的效率。同时把智能压力风量仪的测 试数据传送给计算机，进而计算出风机的效率和机组效率。另外，也 对风机机组的能量平衡过程进行了较为详细的分析。 实际测试过程表明研发的测试仪与传统测试仪相比，具有测量 结果可信、实时性和可靠性好，操作简单、可视化输出等优点，实现 了实时测量和显示、数据保存和查询等功能。 关键词遗传算法，风机机组，风机效率测试仪，能量平衡分析 I I A B S T R A C T T h ef a ni St h em a i nm e c h a n i c a le q u i p m e n ti nu n d e r g r o u n dm i n ef o r s a f eo p e r a t i o n ，w h o s ep e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h ep e r s o n a ls a f e t yo f t h em i n e r s ．M e a n w h i l e ，d u r i n gt h el o n gt i m er u n n i n g ，i t sp e r f o r m a n c e w i l lb ei m p a c t e dw i t ha g i n ga n do t h e rf a c t o r s ．S oi ti si m p o r t a n tt ot e s t t h ef a nr e g u l a r l yf o rh i 曲e f f i c i e n c yr u n n i n g ．A n de f f i c i e n c yi st h ek e y i n d e x o ff a n ，S Oi ti Se s s e n t i a lt h a tt h ee f f i c i e n c ym e a s u r eo ff a nf o r p e r s o n n e ls e c u r i t y ．A tt h es a m et i m e ，i th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gt h a tt h e h i g he f f i c i e n c yr u n n i n go ff a nt os a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gr e s o u r c e c o s tf o rE n t e r p r i s e s ． N u m e r o u sm e t h o d se x i s tf o rm e a s u r i n gt h ee f f i c i e n c yo ff a n ．B u t m a n yo ft h e mh a v ec o m p l i c a t e dt e s t i n gp r o c e s s ，a n dn e e dd o z e no ft h e t e s t i n gi n s t r u m e n t st om e a s u r e ，s u c ha st h eUt y p eo fp r e s s u r eg a u g e ．A n d m a n yo ft h e mn e e dd i s c o n n e c t i o nt h em o t o rf r o ml o a d sf o ran o l o a dt e s t ， w i t hh i g ht e s tc o s ta n dl a r g ei m p a c to np r o d u c t i o ni nt h em e a s u r e m e n t p r o c e s so f 也em o t o re f f i c i e n c y ．I na d d i t i o n ．s o m ef a ne 伍c i e n c yt e s t e r s e x i s t ，w h i c hp r i c ei sm o r ee x p e n s i v e ，a n dc a nn o tb er e a l t i m ep r o c e s s i n g a n dl o n g t e r mm e a s u r e m e n t ． A c c o r d i n gt ot h ea b o v es i t u a t i o n ，t h isp a p e rh a sd e v e l o p e das e to f p o r t a b l e f a ne f f i c i e n c yt e s t e r ，w h i c hd e t e r m i n e sl a r g ep o w e rm o t o r e f f i c i e n c yw i t h o u ts h u t d o w na n dan o l o a dt e s t ．I ti s am e a s u r i n g i n s t r u m e n tt h a tb a s e do nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h r e e p h a s et h r e e w i r ep o w e r ，p o w e r f a c t o ra n de f f i c i e n c yo fm e a s u r e m e n t ．砀ee f f i c i e n c yt e s t e rm o n i t o r st h e i n p u tv o l t a g e ，i n p u tc u r r e n to ff a n ，t r a n s m i t t i n gt h ea c q u i s i t i o nd a t at o n o t e b o o kc o m p u t e r ．T h e na ne q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fa s y n c h r o n o u s m o t o ru s i n gt h e i m p r o v e dG e n e t i cA l g o r i t h m t oi d e n t i f y e q u i v a l e n t c i r c u i tp a r a m e t e r sc a l c u l a t e st h em o t o re f f i c i e n c y ．A tt h es a m et i m e ，t h e t e s td a t af r o mi n t e l l i g e n tp r e s s u r ea i rq u a n t i t yi n s t r u m e n ti st r a n s m i t t e dt o t h ec o m p u t e r ，a n dt h e nc a l c u l a t et h ee f f i c i e n c yo ft h ef a na n dt h eu n i t e f f i c i e n c y 。I na d d i t i o n ，t h ee n e r g yb a l a n c ep r o c e s so fu n i tf a nw a sg i v e na d e t a i l e da n a l y s i s ． T h ea c t u a lt e s tp r o c e s ss h o w st h a tt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n th a s I I s o m ea d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e ，s u c ha sr e l i a b l e m e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h e r e a l _ t i m ea n d r e l i a b i l i t y ，s i m p l eo p e r a t i o n ， v i s u a l o u t p u t ，e t c ．I t h a sa c h i e v e ds o m e f u n c t i o n st h a tr e a l ．t i m e m e a s u r e m e n t ，d i s p l a y ，r e a l - t i m ed a t as t o r a g ea n da c q u i r e m e n t ． K E YW O R D S g e n e t i ca l g o r i t h m ， b a l a n c ea n a l y s i s I I I f a nu n i t ，f a ne f f i c i e n c yt e s t e r ，e n e r g y 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 课题的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 目前电机效率常用测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 风机效率测量方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 论文研究内容与安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 第二章风机机组的能量平衡分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 三相异步电机的结构和转差率的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．1 三相异步电机的基本结构和额定参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．2 三相异步电机的转差率及测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 异步电机功率传递与损耗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．3 异步电机等效电路与效率表示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 风机结构和能量平衡分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．1 风机结构及主要性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．2 风机能量平衡分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．5 风机机组效率检测方法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 ．1 风机机组效率计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 风机检测方法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 第三章基于改进的遗传算法的电机效率测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 遗传算法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．1 遗传算法的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 ．2 遗传算法的操作过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 ．3 改进的遗传算法的实现过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 遗传算法的数学理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 改进的遗传算法在效率测试中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 第四章效率测试仪的组成和工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1 风机效率仪的硬件组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1 风机测试仪的基本组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1 ．2 数据采集卡特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．1 ．3 智能压力风量仪介绍⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 测试仪软件的实现机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1 测试软件的设计框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 ．2 测试软件整体类图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2 ．3 测试软件的核心技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．3 数字滤波算法与工程量换算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 数字滤波算法介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．3 ．2 工程量变换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．4 人机接口界面设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第五章测试仪在风机机组效率测试中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．5 0 5 ．1 测试仪在风机效率测试中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．1 某台风机的性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．1 ．2 测试仪在主电机效率测试中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．2 风机机组测试结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．1 某台风机机组效率的测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．2 某风机机组效率测试结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 ．1 研究工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 ．2 后续工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 攻读硕士期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 I I 硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 课题的背景 第一章绪论 整个风机机组由电机和风机两部分组成，如图1 ．1 所示。电机在国民经济各 个工业领域具有广泛应用，其用电量占全国总用电量的5 0 ％以上【l 】，而且由于三 相异步电机具有结构简单、制造成本低、易维修、运行效率高等优点，因此被大 量用在风机机组中，作为风机的动力，而风机又是矿井井下通风必不可少的机械 设备之一，因此电机的性能关系到井下矿工的人身安全，同时测量电机效率又是 衡量电机性能的重要指标之一，因此电机本身的效率与矿工的安全以及企业的资 金节约、能源节约等方面息息相关。 风机主电机 轴流风机 图1 - 1 风机机组示意图 风机的主要作用是压缩和输送气体，其原理是把电机的机械能转变为气体的 能量。风机的类型主要有离心式、轴流式、混流式和横流式等【2 】。风机主要应用 在矿井、火力发电厂通风，锅炉的通风和引风等方面，用途非常广泛，几乎涉及 到国民经济的各个领域。因此，风机的高效运行对于企业节能、节约成本具有重 要意义。本文测试的轴流风机主要应用在矿井的通风方面，它向矿井输送新鲜空 气，同时排走有毒气体和其它尘埃，它对矿工的人身安全非常重要。另外，由于 风机长期运行，它的性能受到老化等因素的影响，需要对其进行定期测量，因此 风机效率测量对人员安全保障、设备的高效运行至关重要。 由于风机效率的测量工作非常复杂，目前很少有专用的测试仪器，因此使风 机节能工作不能有效地开展1 3 】。传统测试方法是使用U 型压力计等测量仪器来测 量风机的输出参数，然后用传统方法来测量电机效率。这种测量方法对电机要求 比较高，需要测量电机的各种参数，且必须在电机停机的情况下进行测量。其测 量工作复杂，效果很不理想。 目前，测量仪器基本上都是单独针对电机或风机进行测量，而同时测量电机 和风机的效率 或风机机组的效率 更能客观地反映风机机组的工作情况，对于企 业的节能具有更现实的意义，因此研制一种低成本、测试方便、操作简单、界面 友好，同时能正确测量电机效率和风机效率 或风机机组的效率 的便携式风机效 率测试仪是风机测量技术发展的趋势。 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 目前电机效率常用测试方法 在文献【4 ，5 】中介绍了多种不同的电机效率测量方法。它们的不同之处在于测 量精度、具体操作方法和对现场环境的适应性。事实上，在大多数情况下，当空 载试验和堵转试验不能被接受时，在现场对电机输出转矩的测量是很难实现的。 有许多现场测量方法没有被工业现场采用，是由于它的处理过程有一定的破坏性 和操作的复杂性【6 】o 例如，O n t a r i oH y d r o 篚d 经提出在电机轴上使用应变仪。这种 方法尽管具有不错的精度，但它需要先停机，并且初步的安装需要大量的准备工 作。标准E 1 方法中的大多数变动或修改要么简化空载测试和减少负载测量数目 到一个点，比如大功率电机的B e c n e l 的方法【‘7 1 ，要么完全用风摩耗和铁耗的假设 值来代替空载测试【8 J 。 由于需要在工业现场的条件下对电机效率进行测试，因此对测量提出了较高 的要求，要求所用的测试方法能适应现场的情况，并有一定的准确性。电机效率 由电机的输出功率与输入功率来确定，而输入功率从电源输入端可以相对较容易 地测定，因此关键在于电机轴端的输出功率。其传统测试方法有下列几种。 1 转差率方法 这种方法测量时电机轴端的输出功率由式 1 ．1 来确定，因此该方法只需在现 场条件下测量转差率和输入功率，就可求得电机的效率，因此操作与计算较为简 单，但是在实际制造中允许电机的实际转差率与额定转差率有- 4 - 2 0 ％的偏差，因 此给这种方法带来了一定的误差。 电机输出功率 型曩筹 额定输出功率 1 - 1 2 电流方法 用电流方法测量时，电机输出功率由式 1 。2 来确定，这种方法只需测量电机 的输入电流即可。但是由于电流中包含有空载电流，且空载电流不会随负载的减 小而减小。同时还指出，对于一般异步电机而言，它的铭牌电流值与实际满载电 流可能有士1 0 ％的偏差，从而使这种方法给实际测量带来较大的误差。 电机输出功率 型雩基嘉警 额定输出功率 1 ．2 3 等效电路法 电机效率的测量可以从等效电路的计算中求得，其中共有定子电阻五、定子 电抗而、励磁电阻‰、励磁电抗x 。、转子电抗t 和转子电阻砭／S6 e 1 ．阻抗。这 些阻抗值可通过两个空载试验和电阻测试求得。通过空载试验求得相关数据，然 后借助丁型等效电路，可求得不同转速情况下的效率。但从上述可知，它需要进 行空载试验，即将负载和电机分离，同时还需要改变电压，这两个条件在某些现 2 硕士学位论文第一章绪论 场条件下都难实现。 4 损耗分析法 损耗分析法首先要获得定、转子铜耗、铁耗、机械损耗和附加损耗这5 项损 耗，然后算出总损耗，最后求得效率。由于在现场条件下较难测得这些损耗值， 因此往往将此方法与其它方法结合使用来求得这5 项损耗的数值，从而求得效率。 但其缺点是需将电机和被驱动机械在机械连接上进行分解【9 J ，这在某些运行现场 不可能达到。在不允许这样做的情况下，不能通过空载试验来确定铁耗和风摩耗。 5 转矩仪方法 这种测量方法是将转矩传感器放在电机与负载之间，通过直接测量电机轴端 的输出转矩和转速，进而求取电机效率，不包含任何假定值，因此其测量精度约 为土1 ％，但其缺点是在测试现场很难运用这种测试，实施起来有较大的困难性。 在对现场电机进行测试时，除了考虑准确性之外，还应考虑到现场实施的可 操作性、简单性和经济性。并且近年来由于电子计算机技术的迅速发展，出现了 一些新的效率测试方法[ 10 1 ，如气隙转矩法和遗传算法等【1 1 1 。 1 气隙转矩法 这种方法与别的方法的不同之处在于它可以在电源三相不平衡的条件下准 确地测量电机的效率。在气隙转矩法中，由于计算输出功率所使用的气隙转矩已 经包含了逆序磁场所产生的转矩损失，因此它能较准确地测量电机的效率水平 【1 1 。但其共同的缺点是气隙转矩法仍需进行一空载试验，这在某些现场情况下不 允许进行，如在测试风机的电机效率时，不允许将电动机与被驱动风机在机械连 接上分解，因此就不可能进行空载试验来测量其气隙转矩。因此这种在工程应用 上比较广泛的测量方法不适合于本文。 2 基于遗传算法的效率测试方法 由于不少现场效率测试方法都需进行电机空载试验或堵转实验来确定铁耗 和风摩耗，这在不允许进行空载试验的情况下是很难测试的。而遗传算法在测量 电机效率时，其最大优点是不需进行空载试验，不需分解系统的机械连接，通过 遗传算法对电机参数进行识别，以确定电机的等效电路参数，从而求得效率。因 此这种方法具有很好的发展前景。随着现代控制理论的快速发展，最j , - ．乘法 【1 2 1 、神经网络和一些智能搜索算法也逐渐被应用于异步电机的参数识别【1 3 , 1 4 】。 1 ．3 风机效率测量方法研究现状 最基本的风机效率测量方法是测量风机风量、进出口压力和轴功率，然后进 行人工计算。王娟和李春曦【1 5 】提出了基于热力学法的风机效率数学模型，其基 本原理是在理想状态下，气体在风机内获得能量、温度升高。除此之外，还伴随 硕士学位论文第一章绪论 着风机各种能量的损耗。它在测量风机进、出口温度的基础上可得到风机效率。 其优点是不需测量风量和轴功率，只要检测进出口温差和压差。但其缺点是在推 导数学模型的过程中假设风机进出口高度相同，风机进、出口气体的平均速度相 同，把风机输送的气体当作理想气体，把定压比热当作一个定值或使用变比热计 算的情况下推导出来的。这些假设条件中有许多与实际情况不符，因此大大降低 了测量的准确度。此外在风机损失中，未能被气体吸收的热能部分由外摩擦损失 和风机外壳散热损失近似估算出来的，这时计算公式较复杂，这就降低了它的精 度，也使计算成为一个繁琐的过程。 汤中于，于月森【l6 】在通风机效率现场测试系统的研究一文中使用气隙 转矩法测量电机的效率，而风机的输出功率通过风量间接测出。但风机效率测试 系统的核心部件由A T 8 9 S 5 2 单片机和A l t e r a 公司的A P E X 2 0 K 器件F P G A 组成， 由于单片机主频较低，数据处理能力较弱，使得该系统具有操作界面不友好，实 时处理能力低，数据存储能力差等特点，此外在测量时必须先对电机进行停机。 国内风机测试仪研究现状有由哈尔滨四远测控技术公司生产的风机性能综 合测试仪，它可以用来测试风机风量、静压、温度，并计算风机动压、风机效率 等参数。这种测量方法和本文采用的很相似，也需要多点测量，但它使用的芯片 其计算能力有限，且存储能力也达不到长时间的测量。 由徐州矿一电子技术研究所生产的风机机组效率测试仪，主要应用于煤矿 中。它可对通风机组的静压、全压、风量等进行测量和计算。但有一个缺点就是 最大测量功率只能达到7 5 0 K W ，且其存储功能有限，最多只能存储1 0 0 组数据。 总之，一些研究机构对电机和风机效率测试方法有了比较深入的研究，并产 生了一些测试仪，但这些测试仪的核心部件基本采用微处理器，具有数据处理能 力较弱，系统操作界面不友好，实时处理能力低，数据存储能力差等特点。而基 于便携式的风机机组计算机测试系统，目前国内外的研究与应用还是比较少见。 本课题是中南大学与南方某企业进行校企合作的项目，开展了动力系统能量 平衡测试技术方面的研究，对全矿装机容量大于4 0 0 千瓦的风机机组设备进行能 量平衡测试。为了保证测试数据的准确性和可靠性，本设计研发了一套便携式风 机效率测试系统，该测试系统对检测数据进行记录、工程量换算、非线性补偿和 显示等处理工作和计算电机、风机机组效率。通过便携式的测试过程，降低了人 工操作与记录的劳动强度，减少了因人工操作带来的误差。 1 ．4 论文研究内容与安排 本文研发了一套便携式风机效率测试仪，它是一种基于测量技术和计算机技 术的测量仪器，适用于三相三线制功率、功率因数和效率的测量。它对风机机组 4 硕士学位论文 第一章绪论 输入端的电流、电压信号进行检测，通过功率变送器、信号隔离器、信号调理电 路和U S B 数据采集卡，将采集的数据输入笔记本电脑。采集的数据包括电流、电 压、功率和功率因数，然后基于三相异步电机的等效电路模型，运用改进的自适 应遗传算法来对电机等效电路参数进行识别，从而求得电机的效率，同时把智能 压力风量仪的测试数据送给计算机，进而计算出风机的效率和机组效率。风机效 率测试仪与传统测试仪相比，它实现了实时测量和显示、数据保存和查询等功能， 具有操作简单、处理能力强、可视化输出等优点。 风机效率测试系统由便携式风机效率测试仪、笔记本电脑和测试软件组成。 测试仪和电脑采用U S B 接口电缆连接。风机效率测试仪包括钳形电流互感器， 功率变送器、信号隔离器和数据采集卡。本文开发的风机效率测试软件是一套基 于W i n d o w sX P 平台的应用程序测试软件，它由M i c r o s o f tV i s u a lC 6 ．0 开发完 成。其主要部分包括信号采集模块、数字滤波、遗传算法、数据处理算法，保证 数据的可靠性与准确性。本文主要介绍了风机机组的能量传递过程和能量平衡， 风机效率测量仪的基本结构、硬件和软件设计，详细说明如何利用遗传算法估算 等效电路模型参数，求得电机效率，以及如何求得风机机组的效率。 因此，本文的主要内容安排如下 第一章绪论，简要介绍异步电机效率、风机效率的研究现状和发展动态， 以及本文的主要研究内容。 第二章介绍了三相异步电机的组成和转差率的测量方案，重点介绍了异步 电机的能量传递图。在异步电机等效电路模型的基础上，推导出遗传算法的适应 度函数。最后，对轴流风机能量传递过程中的损耗进行了较详细的分析，并导出 了风机机组的效率测量方法。 第三章介绍改进的自适应遗传算法的基本原理和具体实现过程，并运用模 式定理对遗传算法的搜索过程进行了理论分析，指出遗传操作过程实际是对模式 进行组合的过程。最后阐述了改进的遗传算法在电机效率现场测试中的应用。 第四章介绍测试系统硬件和软件架构，首先对硬件的各个功能部分进行了 简单的介绍，然后介绍了软件的整体框架，并重点介绍了多线程编程思想，以及 各个线程进行协作共同完成系统功能的机理。最后对人机接口界面进行了描述， 并以图的方式展示了各个界面。 第五章首先应用遗传算法对某台风机主电机的等效电路进行参数识别，它 说明了这种方法的有效性和可执行性。然后，使用风机效率测试仪对某台风机在 不同叶片角度下的各个参数进行了现场测试，并给出了结果。 第六章结论与展望。总结本文的研究成果，同时指出还有待完善和待解决 的问题。 硕士学位论文 第二章风机机组的能量平衡分析 第二章风机机组的能量平衡分析 风机机组的能量平衡包括电机的能量平衡和风机的能量平衡。其中异步电机 是指在定子和转子之间通过气隙磁场，在电磁感应作用下，在转子内产生感应电 流，以实现机电能量转换的机器。在工业应用上，主要以三相异步电机为主。本 文测试的风机指在矿井中广泛应用的轴流风机。因此，主要针对轴流风机的能量 传递过程进行分析。 2 ．1 三相异步电机的结构和转差率的测量 2 ．1 ．1 三相异步电机的基本结构和额定参数 三相异步电机主要由定子和转子两部分组成。其中定子由定子铁心、定子绕 组和机座三部分构成，定子铁心是异步电机主磁路的一部分，主要用于安装定子 绕组【l7 | 。定子绕组是异步电机的主电路部分，其作用是通过时变电流产生感应 电势，以实现机电能量转换。机座主要是固定和支撑定子铁心，并具有散热功能。 转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成，同样，转子铁心是异步电机主磁路的一 部分【1 8 J ，并安放转子绕组，转子绕组是转子的电路部分，它不与定子绕组相连， 转子绕组主要用来产生感生电势和电磁转矩，而转轴主要是用来支撑转子和传递 机械能。定子和转子之间有气隙，定子铁心、转子铁心和气隙组成了异步电机的 主磁路。 异步电机的铭牌上标有额定值，其额定值为 1 ．额定功率R 在额定条件下，电机轴端上输出的机械功率。 2 ．额定电压U Ⅳ在额定条件时，加在定子绕组上的线电压。 3 ．额定频率．厂Ⅳ其额定频率一般为5 0 舷。 4 ．额定电流，Ⅳ在额定运行条件下，电机输入的线电流。 三相异步电机的额定功率为 昂 √3 ‰凡佩C O S ‰ 2 - 1 式中叩Ⅳ和c o s 纨分别为电机额定运行时的效率和功率因数。 5 ．额定转速n Ⅳ在额定运行条件下，转子的转速。 2 ．1 ．2 三相异步电机的转差率及测量方法 异步电机是利用电磁感应原理，通过定子的电流产生旋转磁场，并在转子中 产生感应电流，并相互作用形成电磁转矩。在电机正常运行时，异步电机的转子 转速总是略低于同步转速璩，同步转速璩与转子转速门之差，称为转差，而转差 A n 与同步转速璩的比值称为转差率，常用S 来表示 硕士学位论文第二章风机机组的能量平衡分析 s 型 2 ．2 玎j 转差率是用来表征异步电机运行状态的一个基本量。其中同步转速由电源的 频率和绕组的极对数决定，有璩 6 0 f ／p ，其中厂为电源频率，p 为极对数。由 于负载不同，转差率也不同，因此，异步电机的转速随负载的变化而不同。 由公式 2 ．2 可知，若能测量电机的转速聆值，就可计算出转差率s 。但因为 一般异步电机的，2 。和门相差很少，因此在计算中存在两个大数相减的情况，从而 使求得的s 值具有相对较大的误差。所以用测量转速的方法来测量转差率s 值是 很不理想的【1 9 】。因此本文应用频闪法来直接测量转差率。 频闪法测量的基本原理是若在电机的旋转部分用白色漆点作一个明显的标 记，当电机旋转时，用闪光灯照射标记部分，如果闪光灯每秒钟内闪亮的次数和 电机每秒的转数一致时，就会看到所做的标记好像是静止的。这是由于每当标记 旋转到某一位置时，闪光灯正好闪亮，由于人的视觉保留作用，使标记看上去是 静止的。使用这一原理可以无接触地测量异步电机的转差率，并对电机的工作状 态毫无影响，使用非常方便。用频闪法测速仪测量转差率，由于它与转轴间无任 何机械联接，这对于本文不能接触转轴而要准确测量其转差率的机器来说，是很 方便的。 具体操作为在被测电机的旋转部分作一个标记，测量时将闪光灯调节到同 步档，使其闪光的频率与电源频率同步，然后将闪光灯照射电机中的标记，这时 标记的影子是逆转向缓慢移动，用秒表测量f 秒内影子转过的圈数Ⅳ，则其转差 率为 6 0 Ⅳ6 0 Ⅳ s i A n x1 0 0 ％ 寺1 0 0 ％ 去x 1 0 0 ％ o u j 掣t J 1 0 0 ％ 2 - 3 刀，刀。 P 式中厂为实验电源的频率，P 为异步电机的极对数。由此可见，使用这种方 法可以避免两个大数相减的缺点，并且测量方便。如果对精度有较高的要求，可 以对电源的频率值进行测量。 2 ．2 异步电机功率传递与损耗 从电机学中可以得知，异步电机在能量转换过程中，在电机内部必然会产生 各种各样的损耗，这些损耗有下面几种类型。 首先异步电机的功率传递过程如图2 ．1 所示。图2 1 中，只是从电源输入到异 步电机定子上的电功率，即输入功率。从功率传递图中可以看出，输入功率一部 分消耗于定子铜耗p 。。和定子铁耗如。扣除这些损耗后，剩下的功率便是定子 硕士学位论文笙三童垦垫塑塑塑堂量兰堑坌塑 - _ _ _ _ _