電機作為一種重要的驅(qū)動設備，尤其三相電機，在日常生活以及工業(yè)之中有著極為廣泛的運用，引起了越來越多的人的關(guān)注和重視。然而基于三相電機本身具有的特點，其使用環(huán)境復雜多樣，在這樣的情況下，使得在運轉(zhuǎn)過程中，常常出現(xiàn)各種意想不到的問題，給正常的生產(chǎn)經(jīng)營帶來諸多的問題和困難，對設備的性能造成了不可逆的破壞，同時還極可能造成各種危險和事故。面對這樣的情況，電機的故障診斷技術(shù)和方法得到了迅速發(fā)展。

目前，電機故障診斷的方法較多，如神經(jīng)網(wǎng)絡、專家學習、深度學習等。但基于電壓電流的診斷是工程實施最方便的方法，而用于電機故障診斷的電壓電流數(shù)據(jù)是需要電流電壓的波形數(shù)據(jù)，這必然就涉及到電流電壓的采集以及數(shù)據(jù)分析。

本文主要介紹電流電壓數(shù)據(jù)采集和電量計算方面的主要技術(shù)方法。

電壓電流波形采集

工業(yè)現(xiàn)場中的電流電壓信號是模擬量數(shù)據(jù)，都是隨時間連續(xù)變化的，稱為連續(xù)信號。但對于計算機來說，處理這些連續(xù)的信號顯然是無能為力，要使計算機能夠識別、計算、處理這些連續(xù)信號就必須將其轉(zhuǎn)化為離散信號，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號的過程就叫采樣。因此，要分析電流電壓的數(shù)據(jù)，需要模擬量的電流電壓數(shù)據(jù)進行性采樣。在模擬量采集領(lǐng)域，必然遵循采樣定理，而最重要也是基本的采樣定理便是香農(nóng)采樣定理。

1香農(nóng)采樣定理

香農(nóng)采樣定理，又稱內(nèi)奎斯特采樣定理，是美國物理學家內(nèi)奎斯特于1924年提出的一個理論。該理論是信息論，特別是通訊與信號處理學科中的一個重要的基本結(jié)論。

香農(nóng)采樣定理定義：

為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬頻譜中最高頻率的2倍，即：

我們可以同構(gòu)不同速率測量的正弦波來理解其原因

圖1采樣率過低的波形重構(gòu)圖

情況A，頻率f的正弦波以同一頻率采樣，這些采樣標記在原始信號的左側(cè)，在右側(cè)構(gòu)建時，信號錯誤地顯示為恒定直流電壓。

情況B，采樣率是信號頻率的兩倍。現(xiàn)在信號顯示為三角波。這種情況下，f等于奈奎斯特頻率，這也是特定采樣頻率下為了避免混疊而允許的最高頻率分量。

情況C，采樣率是4f/3。此時重構(gòu)的波形無法準確的還原原波形信號。

可見，采樣率過低會造成波形重構(gòu)不準確。因此，為了無失真地恢復原波形信號，采樣率fs必須大于被測信號感興趣最高頻率分量的兩倍。通常希望采樣率大于信號頻率約五倍。

2UIM采樣電路

公司研發(fā)的電壓電流采集終端UIM實現(xiàn)了電機運行時電流電壓數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和分析，具有采集精度高，傳輸數(shù)據(jù)量大，支持信號類型多，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。目前已在造紙行業(yè)、煤機行業(yè)、電機制造業(yè)、水泥行業(yè)等場合得到了應用。

電壓電流采集終端使用了模擬轉(zhuǎn)換芯片ADS1258進行模擬信號的采集和轉(zhuǎn)換。

電量參數(shù)計算

電機電量參數(shù)包含功率因數(shù)、有功功率、無功功率、電壓RMS、電流RMS、電壓不平衡、電流不平衡、負載率、頻率、總諧波率等。

電量參數(shù)均是由電流電壓的波形數(shù)據(jù)計算而來。其中電壓RMS可根據(jù)實時監(jiān)測的電壓波形數(shù)據(jù)進行線電壓和相電壓的轉(zhuǎn)換以及積分求得，同理電流RMS也可以用同樣的方法得到；電壓不平衡度、電流不平衡度、負載率、總諧波率的計算也比較簡單；而有功功率和頻率的計算稍微復雜，下面主要介紹有功功率和頻率的計算方法。

1有功功率測量方法

在三相電路的功率測量中，主要測量方法有二瓦計法和三瓦記法兩種方法。

二瓦計法的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律，適用于在三相回路中只有三個電流存在的場合，如：a、三相三線制接法，中線不引出（只能采用二瓦計法）；b、三相三線制，中線引出但不與地線或?qū)嶒?a target="_blank">電源相連的場合。

三瓦計法由于需要采用中性點作為電壓的參考點，因此該方法適用的場合如：a、三相三線制，中性線引出，但中性線不與電源或地線連接的場合；b、三相四線制，由于無法判斷三相負載是否平衡或是否中性線上有零序電流產(chǎn)生，只能采用三瓦計法。

可見，對于不同的接線方式場合，應選擇合適的功率測量方式，才能得到準確的功率參數(shù)。目前，已經(jīng)部署UIM的工業(yè)現(xiàn)場采用的電壓互感器為三相三線制，并且沒有引出中性線，從電壓傳感器出來的信號是表示三相電機的線電壓，從電流互感器出來的信號是表示電機的三相電流信號。因此，采用的功率測量方法是二瓦計法。

二瓦計法的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律：在集總電路中，任何時刻，對任意節(jié)點，所有流入流出節(jié)點的之旅電流的代數(shù)和恒等于零。

假設三相負載的中線為N，依據(jù)電壓的定義：

三相瞬時功率：

將式（1）和式（2）代入式（3），得

因此，有功功率等于瞬時功率在一個周期內(nèi)求積分再求平均，得到：

P為三相電路有功功率的總和，為在一個周期內(nèi)的積分的平均值，為在一個周期內(nèi)的平均值。在正弦穩(wěn)態(tài)電路中：

即:式中,均為正弦電壓電流的有效值；為和的相位差。為和的相位差。

從變換的公式中可以看出，采用這種方法進行三相總功率測量時，只需要測量兩個電壓和兩個電流，這就是二瓦計法的推導原理及由來。

2頻率計算——FFT

工頻50Hz下的電壓電流波形中包含有若干頻率的雜波，根據(jù)波形數(shù)據(jù)計算出電壓電流的頻率，目前常用的是快速傅里葉變換（FFT）。

快速傅里葉變換(fastFouriertransform)是1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出的，是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的，簡稱FFT。

FFT的基本思想是把原始的N點序列，依次分解成一系列的短序列。充分利用DFT計算式中指數(shù)因子所具有的對稱性質(zhì)和周期性質(zhì)，進而求出這些短序列相應的DFT并進行適當組合，達到刪除重復計算，減少乘法運算和簡化結(jié)構(gòu)的目的。特別是被變換的抽樣點數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計算量的節(jié)省就越顯著。下面對FFT和DFT的計算量進行了簡要對比分析。

有限長離散信號x(n)，n=0，1，…，N-1的DFT定義為：

可以看出，DFT需要計算大約N2次乘法和N2次加法。當N較大時，這個計算量是很大的。利用WN的對稱性和周期性，將N點DFT分解為兩個N／2點的DFT，這樣兩個N／2點DFT總的計算量只是原來的一半，即(N／2)2+(N／2)2=N2／2，這樣可以繼續(xù)分解下去，將N／2再分解為N／4點DFT等。對于N=2m點的DFT都可以分解為2點的DFT，這樣其計算量可以減少為(N／2)log2N次乘法和Nlog2N次加法。

下面簡要介紹FFT的基本思路：

其中X1(k)和X2(k)分別為x1(n)和x2(n)的N／2點DFT。由于X1(k)和X2(k)均以N／2為周期，且，所以X(k)又可表示為：

上式的運算可以用圖2表示，根據(jù)其形狀稱之為蝶形運算。依此類推，經(jīng)過m-1次分解，最后將N點DFT分解為N／2個兩點DFT。

圖2FFT的蝶行運算

圖38點FFT分解流程圖

結(jié)束語

上面簡單講述了進行電壓電流數(shù)據(jù)采集時使用到的原理，以及進行電量參數(shù)計算所用到的計算方法的基本思想，希望通過上述的閱讀，能夠?qū)?shù)據(jù)采集和電量參數(shù)計算有所基本了解，以便更好地交流或?qū)W習。