熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置的制作方法

本實用新型屬于系統能效測試技術領域，特別涉及一種熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置。

背景技術：

電機系統是一個包含有電動機、被拖動裝置、傳動控制系統和管網負荷在內的統一整體，其各個環節的能量消耗方式及程度各有不同。我國工業應用中的電機系統能效水平明顯偏低，整體電機系統能效低于國外先進水平約10-20個百分點，節能潛力巨大。在我國北方，通過熱力站電機驅動循環水泵給用戶直接供暖，成為供暖季的主要供熱方式。而熱力站分布在居民小區，通常一個熱力站需負責向所在轄區內的一個或多個居民小區進行供暖。每個熱力站內的主要用電設備就是驅動循環水泵和補水泵的電動機，循環水泵電機在供暖季長時間運行且不會停機。因此，循環水泵負載便成為熱力站能耗的重要組成部分，如果僅采用工頻供電與傳統閥門控制流量，會浪費大量電能。為了滿足此類負載調速需求，達到節能目的，大多數熱力站會采用變頻器驅動調速技術。這樣可以提高電機系統運行效率，有效降低電廠成本。然而，采用變頻調速技術后，如果不能根據負荷需求，對變頻電機系統在不同運行工況下的運行情況進行實時調節，也會導致即使采用變頻驅動，仍導致變頻器、電機及負荷三者之間匹配不合理，系統各環節運行能耗較大的情況。因此，為了能夠為變頻器電機系統提供更好的運行控制策略，需要針對不同的系統實時監測系統各環節的運行能耗情況，搞清楚系統各環節能耗與不同運行工況之間聯系，進而提出有效的節能改造措施。

在熱力站變頻供電電機系統能耗監測中，最重要的就是對系統中的變頻器和變頻專用異步電機運行效率進行在線精確測量，并對其數據進行分析處理。為了達到精確評估的目的，需要測量的量為變頻器的輸入端電壓、電流和變頻器輸出端電壓、電流。對于工程現場的變頻電機，由于變頻器的電力電子器件在工作時會產生大量的諧波和干擾，并且由于很多變頻電機系統運行場合條件嚴苛，空間狹窄，以致研發高精度、小體積的電壓電流采集裝置成為難點。所以對變頻器的輸入、輸出數據進行精確的采集成為非常必要解決的問題。在精確采集到這些信號的基礎上，便能準確地對變頻電機系統的能耗進行精確的在線監測。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本實用新型的目的在于提供一種熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置。具體技術方案如下。

一種熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置，包括：數據采集、處理及傳輸單元、外接電源和上位機；所述數據采集、處理及傳輸單元包括數據采集模塊，信號調理模塊，A/D轉換模塊，數據處理模塊，通信模塊和天線；所述外接電源包括熔斷開關、隔離變壓器、控制電源端子，用于為整個裝置提供所需電源。

所述數據采集模塊包括用于采集變頻器輸入端電氣量所用的電壓傳感器和電流傳感器，電壓電流傳感器精度均為0.2級，輸出的都是±5V的電壓信號；用于采集變頻器輸入端電氣量的所用的電壓傳感器和電流傳感器的帶寬B≥20f₁，f₁為工頻頻率值；用于采集變頻器輸入端電氣量的所用的電壓傳感器和電流傳感器的帶寬B≥10f_k，f_1k為變頻器的開關頻率。

所述信號調理模塊為由電阻電容組成的運算放大電路，主要功能是對所采集的電氣量信息進行調理。

所述A/D轉換模塊用于實現對原始采集到的數據模擬轉換為CPU可識別的數字量，芯片采用AD7656，

所述數據處理模塊采用CPU數據處理單元，其芯片型號為MB91F467DA，主要功能是對獲得的信號進行處理和運算，進而求得系統能耗信息。

所述通信模塊采用MAX202CPE，將監測得到的能耗信息，通過通信傳輸電路上傳至上位機，通過顯示采集和處理的結果向電機系統操作人員傳達信息。

所述上位機為采集與計算監測結果的匯總顯示單元，該上位機通過天線接收通信模塊的有效數據，經過上位機后臺軟件處理可在線獲得熱力站變頻電機系統能耗數據。

本實用新型提供的熱力站變頻電機系統能耗在線監測的裝置的有益效果：

可方便熱力站運維人員對熱力站變頻電機的輸入、輸出端電氣量的觀察和測試，解決變頻電機系統運行時的電壓、電流以及運行能耗難以監測的問題，確保熱力站的安全高效運行。本實用新型的熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置應用后，可以做到對熱力站變頻器的輸入、輸出端電氣量的高精度測量，進一步可利用所測得的電氣量計算變頻電機系統的能耗狀況，直接和間接效益明顯；可有效提高熱力站運維人員的工作效率及管理水平；另一方面，可以及早發現運行中的問題，實現熱力站電氣設備的運行的在線檢測及能效計算，經濟效益顯著。

附圖說明

圖1為本實用新型熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置結構圖。

圖2為本實用新型熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置的工作流程圖。

圖3為信號調理模塊電路圖。

圖4為A/D轉化模塊電路圖。

圖5為數據處理模塊電路圖。

圖6為通信模塊電路圖。

圖中：1-箱體；2-安裝橫梁、3-安裝螺母；4-電壓信號熔斷式開關；5-隔離變壓器輸入側熔斷開關；6-隔離變壓器；7-電源插座；8-隔離變壓器輸出熔斷開關；9-控制電源端子；10-通信模塊；11-電流信號端子；12-電壓信號端子；13-天線；14-電源指示燈；15-工作指示燈；16-復位按鈕。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置進行詳細說明。

本實用新型中所述的熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置包括整體固定在待測電氣設備周邊墻壁上的箱體1，安裝橫梁2，用于安裝箱體內各個部件；安裝螺母3，用于固定安裝橫梁及其它固定在橫梁上的部件；整個裝置分三大部分，數據采集、處理及傳輸單元、外接電源和上位機。

所述數據采集、處理及傳輸單元包括數據采集模塊，信號調理模塊，A/D轉換模塊，數據處理模塊，通信模塊10和天線13。當圖2中的電壓傳感器和電流傳感器正常工作時，由電壓傳感器采集到的電壓信號經過電壓信號熔斷式開關4接入電壓信號端子12，采集到的電流信號直接接入電流信號端子11；之后，所采集到的電氣量信號便按附圖1中的箭頭指示方向分別經過數據采集模塊，信號調理模塊，A/D轉換模塊，數據處理模塊處理，最終傳至DTU通信模塊10，并通過天線13傳遞至上位機。

所述外接電源包括隔離變壓器輸入側熔斷開關5，隔離變壓器6，隔離變壓器輸出側熔斷開關8、控制電源端子9，用于為整個裝置提供所需電源。當電源工作正常時，電源指示燈14顯示正常，否則為燈滅狀態；當整個裝置工作正常時，工作指示燈15常亮顯示；復位按鈕16用于對數據處理模塊進行復位操作。電源插座7主要用于在裝置進行調試和維修時為其他電動工具及設備供電。附圖2中的電壓傳感器、電流傳感器、變頻器、循環泵電機獨立安裝在電機配電柜中。

所述上位機為采集與計算監測結果的匯總顯示單元，該上位機通過天線13接收通信模塊10的有效數據，經過上位機后臺軟件處理可在線獲得熱力站變頻電機系統能耗數據。

所述電壓、電流傳感器由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器組成，其安裝位置可根據被測熱力站變頻電機系統變頻器特點確定，選擇合適位置進行安裝后，其中電壓傳感器并聯接入待測電路，電流傳感器通過環狀感應裝置串聯接入待測電路。

所述電壓、電流輸入端口為待測電氣信號經過采集輸入能耗計算電路的入口，通過這些已采集數據可為熱力站系統能耗提供基本的計算數據來源。

所述信號調理模塊的電路如附圖3所示，其驅動電源由±12V電源構成，以電流的運放為例進行說明，其中I_C為電流傳感器所采集到的電流信號，II_C為經過運放及其調理電路處理的輸出電流，此運放回路是電壓跟隨形式，采用OP07運放芯片，附圖2中的端點2為反向輸入端，端點3為正向輸入端，端點6為運放OP07的輸出端，對于之前所采集的電壓或電流信號，經電阻偏置、電容濾波、運放隔離、反饋，得到A/D轉換回路所需要的信號，其電阻的主要作用是偏置和限流，電容起到濾除信號中的高頻干擾，穩定信號的作用。

附圖4為所述一路A/D轉換模塊的電路圖，A/D轉換模塊的功能在于將運放輸出的信號通過A/D轉換，將模擬信號轉換為數字信號，以供后續CPU計算，所用A/D轉換芯片為AD7656，能在1.2V～5.5V的電源系統中以40Mbps的速率傳輸數據.附圖4中I IC為附圖3中經過信號調理模塊輸出的模擬信號，I為經過A/D轉換后的數字信號；V0代表一路的輸入端口，ADD為一路數字信號輸出端口，AVCC和SGND代表輸入側的模擬電路電源，DVCC和DGND代表輸出側的數字電路電源；C為電源的濾波電容，取值為1μF。

附圖5為一路數據處理模塊的電路圖，數據處理芯片采用MB91F467DA，圖中I為附圖4中經過信號A/D轉換模塊輸出的數字信號，ADD代表數據處理芯片的一路的輸入端口；SOT和SIN為一路信號輸出端口，需經上拉電阻置高后輸出；DVCC和DGND代表輸出側的數字電路電源；C為電源的濾波電容，取值為1μF，R為電阻，取值為10kΩ。

附圖6為所述通信模塊，芯片采用MAX202CPE，用于將CPU所處理的數據進行外部傳輸，所傳遞的信號通過該模塊從CPU到達上位機，圖中SIN和SOT為附圖5中經過數據處理模塊的輸出信號，RIN、ROUT、TIN、TOUT分別為串口端子；DVCC和DGND代表電源和接地端，電源取+5V；C為電源的濾波電容，取值為1μF。自CPU來的數據信號經過高速光耦(IL712)隔離傳遞給通信接口芯片(MAX202)，通過MAX202輸出端(RS232T、RS232R)與上位機進行數據交換。

本實用新型所述的熱力站變頻電機系統能耗在線監測裝置，其工作流程是，三相電壓電流信號通過電壓傳感器、電流傳感器傳遞至本裝置的端子11,12。電壓電流傳感器依次通過電壓電流輸入端口和信號調理模塊與模數轉換、數據處理連接，其中數據處理模塊即電路中的CPU部分對前述模塊所傳來的數據進行處理，處理所得的采集結果再通過通信模塊傳遞到上位機進行顯示。

需要說明的是，上述實施方式僅為本實用新型較佳的實施方案，不能將其理解為對本實用新型保護范圍的限制，在未脫離本實用新型構思前提下，對本實用新型所做的任何微小變化與修飾均屬于本實用新型的保護范圍。