电梯平衡系数检测仪的研制.pdf

2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】电梯平衡系数检测仪的研制林 晓（福建省计量科学研究院，福建 福州 350000）摘要：为在复杂工况条件下准确测量电梯运行的功率参数，文中研制了基于虚拟仪器技术的电梯平衡系数检测仪。根据电梯平衡系数检验时实际信号的时变特征，在设计通用硬件的基础上开发了具有采样功能和数据分析、处理的软件系统组态，重点阐述了采样序列的整周期变换、幅值/相位动态补偿的方法。对研制的样机进行了全性能的测试，试验表明，该检测仪满足采取快捷方法中“空载功率法”检验电梯平衡系数的要求，其功率测量不确定度优于 1%。关键词：平衡系数；重采样；滤波；频率动态补偿；虚拟仪器收稿日期：2022-09-30基金项目：福建省市场监督管理局科技项目（FJMS2020022）作者简介：林 晓，男，福建省计量科学研究院电学所，工程师Development of Elevator Balance Coefficient TesterLIN Xiao(Fujian Metrology Institute,Fuzhou 350000,Fujian,China)Abstract:In order to accurately measure the power parameters of the elevator operation under complex working conditions,the elevator balance coefficient detector based on virtual instrument technology is developed.According to the time-varying characteristics of the actual signal during the elevator balance coefficient test,a software system configuration with sampling function and data analysis and processing is developed on the basis of the design of general hardware,and the method of full-cycle transformation and amplitude/phase dynamic compensation of the sampling sequence is emphasized.The full performance of the developed prototype is tested,and the test shows that the detector meets the requirements of taking the no-load power method in the quick method,and the power measurement uncertainty is better than 1%.Key Words:Balance coefficient;Resampling;Filtering;Frequency dynamic compensation;Virtual instrument0 引言电梯平衡系数是电梯的一项关键性能参数，直接关系到电梯运行的经济性、舒适性和安全性。按照现行的电梯技术规范与技术标准要求，新装电梯验收、老旧电梯重大维修或轿厢和对重系统有重大变更的需要开展平衡系数的检验1。目前电梯平衡系数的检验方法主要有三种：国标方法、称重方法和快捷方法，其中快捷方法中规定了“二次加载电流法”和“空载功率法”2。在T/CASEI T101-2015 电梯平衡系数快捷检测方法中规定“空载功率法”的检验流程为：将功率测量仪表接入电梯驱动电机的入线端，实时测量驱动电机的有功功率，并使用速度测量传感器实时测量电梯轿厢的运行速度，以轿厢和对重处于同一水平位置为记录条件，记录电梯空载上行和下行的驱动电机有功功率（s、x）和速度（s、x），然后依据公式计算平衡系数。由于电梯平衡系数检验中，电梯驱动电机的回路电流和端电压与电梯的电气结构密切相关，以 VVVF（变频变压调速）电梯为例，在电梯实际运行过程中，电流和电压不是稳定参量，并且频率也会变化，采用通用的功率测量仪表并不能准确测量平衡系数计算所需功率参数。鉴于此，文中基于虚拟仪器技术开发了电梯平衡系数检测仪，以期适用于电梯运行时复杂工况条件下的功率参数的准确测量。2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】1 硬件系统设计电梯平衡系数检测仪硬件系统由主控计算机、数据采集卡、电压传感单元、电流传感器及旋转编码器构成。工作原理简述：电压传感单元和电流传感器采集电梯驱动电机的电压和电流，并转化为与数字采集器适配的小信号，旋转编码器采集电梯的运行速度并转化为电参量，主控计算机控制数据采集器按照预定的采样设置对输入的模拟小信号进行高速同步采样，数据采集器通过 USB 通讯接口将获得的离散采样序列传输至主控计算机，然后由编制的上位机程序，实现信号的分析和处理。系统结构示意图如图 1 所示。图 1 电梯平衡系数检测仪结构示意图1.1 主控计算机考虑到平衡系数检测仪的便携性，主控计算机选择研扬的 X86 架构的核心板 UP board，关键技术参数如下：主频 1.44 GHz，RAM 容量：4 G，eMMC容量：64 G，具备 4 个 USB2.0 接口和 1 个 USB3.0接口，支持 win10/Linux/Android 系统。在此平台上可以方便地编制和运行上位机软件。1.2 数据采集器电梯驱动电机一般为三相连接的电气系统，测量三相电路的功率需要多个同步采集通道，为此，需要选择同步数据采集器，项目中选择了北京思迈科华的 USB-5100 系列数据采集卡。该采集卡的关键技术参数见表 1。表 1 采集技术指标 性能参数 技术特征同步通道数 8(diff)分辨率 16-bit最高采样率 250kS/s/Ch定时分辨率 10ns 量程 10V/5V 性能参数 技术特征 输入阻抗 100M FIFO 2MPts/Ch模拟输入准确度 0.01%RG1.3 电压传感单元电压传感单元由精密电阻分压器和电压跟随器构成，其中分压器采用了 EE 系列精密金属膜电阻，分压比设计为 201:1，低压臂阻抗 1k，输入信号模拟带宽 100kHz；电压跟随器采用德州仪器OPA140 低偏运算放大器，电压跟随器采用了二级结构设计3，总体的幅值跟随误差优于 0.01%。1.4 电流传感器 电流传感器选用了 HIOKI 公司的 CT7000 系列电流传感器和 CM7290 信号变换单元。传感器频带：DC 5 kHz，量程：100 A/1 V（输出率：10 mV/A），输出阻抗：50，测量方式：真有效值，输出模式：波形、有效值、峰值和频率，基本误差：0.3%RG8 dgt，最大相移：1.8（50 Hz）。2 软件系统组态电梯平衡系数检测仪基于虚拟仪器技术开发，软件系统采用美国 NI 公司的 LabVIEW 平台开发，主要功能分成两个部分：（1）采样功能配置；（2）数据分析和处理。2.1 采样功能配置采样器的配置过程包括建立与上位机的会话通道，选通模拟输入通道，设置通道的输入量程、采样率和触发源，采集并传输采样序列。采样率设置后采样样本的时间间隔与时钟源直接相关，受限于时钟源的准确度并考虑后续的数据处理需要，在采样功能配置阶段，需要进行时基修正。具体的做法是：采用具有已知频率的高准确度信号源作为待测信号，在完成基本采样设置后，启动数据采集器进行采样，然后将采样获得的数据样本进行分析处理，计算样本的实际时间间隔，从而完成对采样时基的修正。此外，通道采样数需要根据现场信号特征和FIFO 空间大小设置。2.2 数据分析与处理电梯平衡系数检测仪共使用了 7 个同步输入通数据采集器电压传感单元电流传感器旋转编码器主控计算机电梯平衡系数检测仪电压电流速度2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】道、三个电压（A、B、C）、三个电流（A、B、C）和一个速度（）。其中，前 6 个通道用于驱动电机电功率的测量，第 7 个通道用于缆绳速度的测量。使用 6 个通道采集基本电量参数可以满足负载在“三角形”和“星形”连接方式下的电功率测量，电气连接如图 2 或图 3 所示。图 2 电机电气连接示意图 1图 3 电机电气连接示意图 22.2.1 基本电参数分析模块检测仪运行时，数据采集器同步采集 6 个通道的模拟信号并得到相应的离散数据序列（X1）、（X2）.（X6），结合采样率换算得到样本时间间隔t 及系统时间0，再由波形创建 VI，获得 6个通道的时域波形提供给后续分析和处理。由三相电路的电功率计算方法可知，按图 2 连接时，总功率按式（2）计算；按图 3 连接时，总功率按式（3）计算。（2）；（3）由式（2）和式（3）可知，根据不同的电气连接方式可以获得不同的三相电路功率，编制的基本电参数核心分析模块的程序框图如图 4 所示。图中程序框图的左边为数据采集器获得的时域波形，右边为基本电参数的分析结果。图 4 基本电参数分析模块程序框图2.2.2 动态补偿模块在电梯平衡系数的检验实践中，电梯驱动电机的基本参数如电压、电流、频率都是随时间变动，其中尤以频率的影响为甚，频率的变化使得在对波形数据进行傅里叶分析时，难以保证采样序列的整周期截断，从而造成较大的分析误差，在数据分析的过程中，需要采取必要的措施来解决此问题。动态补偿模块包括了两个基本功能：（1）采样序列的整周期变换；（2）幅值和相位的频率动态补偿。采样序列的整周期变换的方法是：取一个通道的采样信号作为参考信号，对参考信号进行频率特性滤波，滤波后的信号应用“过零检测法”获得参考信。相电流相位，；相电流相位，；相电压之间的夹角，相电压和；相电压之间的夹角，相电压和；相电流，；相电流，；相之间的线电压，相和；相之间的线电压，相和式中：CABCBAACAAVBCVBAcabcbacabcbaUIIUU。相电流相位，；相电流相位，；相电压之间的夹角，相电压和CABCBAACAAVBCVBAcabcIIUUIIUU；相电压之间的夹角，相电压和；相电流之间的夹角，相电压和；相电流，；相电流，；相电流，；相相电压，；相相电压，；相相电压，式中：CCBBAAACABAAVCVBVAcbacbacbaIIIUUU2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】号的过零信息，将获得的过零信息作为重采样触发信号，进而达到采样序列的整周期变换，减小分析方法带来的误差。幅值和相位的动态补偿的方法是：对检测仪施加标准的幅值和相位信号，通过改变频率，获得幅值和相位的频率误差特性，然后对检测仪进行动态修正。动态补偿模块的处理流程如图5所示。图 5 幅值/相位频率动态补偿3 性能测试按项目目标，电梯平衡系数检测仪功率参数 的 量 程 范 围 设 计 为 380V、100 A，工 作 频 率10 80 Hz，功率测量指标：1%。为了整体评价检测仪的功率测量性能，在试验室条件下开展了性能评价试验，包括幅值/相位频率补偿试验，整机性能评价试验。其中幅值频率补偿试验开展了线性测量试验和扫频测量试验。由于电压通道采用的是电阻分压器，分压器的幅值和相位在工作信号下的影响可以忽略，幅值和相位试验的内容仅针对电流通道开展。3.1 幅值频率补偿试验幅值频率的动态补偿需要考查线性和扫频性能，为此需要在不同幅度和不同频率下开展试验，具体实施：提供不同幅度和不同频率下的标准电流信号，由检测仪测量补偿前后的电流值，并给出补偿前后的误差。标准电流信号由电能功率标准源（型号：M133C）和标准分流器（型号：A40B）提供，试验结果见表 2 和表 3。表 2 补偿前电流测量误差频率 误差/（%）10A 20A 30A 40A 50A15 -0.39 -0.33 -0.37 -0.49 -0.70 20 -0.24 -0.17 -0.16 -0.18 -0.23 25 -0.15 -0.09 -0.07 -0.07 -0.08 30 -0.08 -0.05 -0.02 -0.01 -0.01 35 -0.04 -0.02 0.01 0.03 0.03 40 0.00 0.01 0.03 0.05 0.06 45 0.03 0.03 0.05 0.06 0.07 频率 误差/（%）10A 20A 30A 40A 50A51 0.06 0.06 0.07 0.08 0.09 55 0.07 0.07 0.08 0.09 0.10 60 0.09 0.08 0.09 0.10 0.11 65 0.10 0.09 0.10 0.10 0.11 70 0.11 0.10 0.10 0.11 0.12 75 0.12 0.11 0.11 0.12 0.13 80 0.13 0.12 0.12 0.12 0.13 表 3 补偿后电流测量误差频率 误差/（%）10A 20A 30A 40A 50A15-0.02 0.03-0.01-0.13-0.3420-0.03 0.04 0.05 0.03-0.0225-0.03 0.02 0.05 0.05 0.0430-0.02 0.01 0.04 0.05 0.0535-0.01 0.01 0.03 0.05 0.0540 0.00 0.01 0.03 0.04 0.0545 0.00 0.01 0.02 0.04 0.0551 0.01 0.00 0.02 0.02 0.0355 0.00 0.00 0.01 0.02 0.0360 0.00-0.01 0.00 0.01 0.0265 0.00-0.01-0.01 0.00 0.0170-0.01-0.02-0.02-0.01 0.0075-0.01-0.03-0.03-0.02-0.0180-0.03-0.04-0.04-0.04-0.03比较表 2 和表 3 的数据明显看出，经幅值频率补偿后，电流的测量误差明显减小。3.2 相位频率补偿试验在功率参数测量中，相位的指标影响更加显著，受限于采用开环的电流传感器，不可避免地会引入较大的相位误差，从而影响功率的整体测量准确度，因此非常有必要对相位进行频率动态补偿，根据得到的分析频率，动态修正电流测量通道的角差。具体实施：提供不同幅度不同频率的标准电流信号，测量分流器和传感器输出的二次信号的相移，该相移即为电流传感器在不同幅度和不同频率下的角差。试验用信号同 3.1。表 4 和表 5 给出了补偿前后的角差测量结果。表 4 补偿前电流传感器角差频率 误差/（）10A 20A 30A 40A 50A15 3.61 3.96 4.60 5.40 6.43 20 2.70 2.81 3.08 3.46 3.90 25 2.17 2.19 2.32 2.53 2.77 30 1.83 1.81 1.88 1.99 2.14 35 1.59 1.55 1.58 1.65 1.74 2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】频率 误差/（）10A 20A 30A 40A 50A40 1.41 1.35 1.37 1.41 1.47 45 1.26 1.21 1.21 1.23 1.27 51 1.13 1.07 1.06 1.08 1.10 55 1.05 1.00 0.99 0.99 1.01 60 0.98 0.92 0.90 0.91 0.92 65 0.91 0.85 0.84 0.84 0.84 70 0.85 0.80 0.78 0.78 0.78 75 0.80 0.75 0.73 0.72 0.73 80 0.75 0.71 0.69 0.68 0.68 表 5 补偿后电流传感器角差频率 误差/（）10A 20A 30A 40A 50A15-0.51 -0.16 0.48 1.28 2.31 20-0.24 -0.13 0.15 0.52 0.96 25-0.13 -0.11 0.02 0.22 0.47 30-0.08 -0.10 -0.04 0.08 0.23 35-0.05 -0.09 -0.06 0.01 0.10 40 0.00 -0.06 -0.04 0.00 0.06 45 0.01 -0.05 -0.05 -0.02 0.02 51 0.02 -0.04 -0.05 -0.03 -0.01 55 0.03 -0.03 -0.04 -0.04 -0.02 60 0.03 -0.02 -0.04 -0.04 -0.02 65 0.04 -0.01 -0.03 -0.03 -0.02 70 0.05 0.00 -0.02 -0.02 -0.02 75 0.07 0.02 0.00 -0.01 0.00 80 0.09 0.05 0.03 0.02 0.02 比较表 4 和表 5 的数据，补偿后电流传感器的角差明显减小，此外还可以看出，频率低于25 Hz时，补偿后的角差依然较大，频率高于 25 Hz 后，最大角差小于 0.5，按工程经验，对于一般的开环电流传感器，其性能已经达到极限。另外，表 4 和表5的数据还反应出另一个特征，低频段（15 35 Hz)角差随着幅度的增加，角差往正方向变化。同时说明了电流传感器的角差在特定频段与电流信号的幅度有关。3.3 整机性能评价试验整机性能在“3V3A”的接线模式下进行，电气连接图参照图 2。试验用功率信号由 M133C 提供，按其说明书给出的指标，M133C 的功率测量误差为0.03%。试验结果如表 6 所示。从表 6 的数据可以看出，补偿之前功率测量的最大相对误差达到 5.15%，补偿之后最大相对误差为 0.59%。满足 T/CASEI T101-2015电梯平衡系数快捷检测方法规定的“空载功率法”使用的功率测试仪表的精度要求。表 6 试验结果4 结语电梯平衡系数检验中使用功率法相较于其他方法具有省时省力的效果。目前通用的功率测量仪表无法满足电梯实际运行过程中的功率参数测量要求，主要由于电梯驱动电机运行工况下的基本参数都呈现时变特征，并且在电源端普遍存在回路电流严重畸变，同时电机端的电压存在高频噪声，通用功率测量仪表很难保证功率参数的测量准确度。文中根据应用需求，从电梯运行信号的时变特征出发，研究了采样序列整周期变换方法和幅值/相位的频率动态补偿方法。开发了基于虚拟仪器技术的电梯平衡系数检测仪，并开展中间参数和整机的性能试验，试验结果表明，该检测仪的功率测量不确定度优于 1%，满足电梯平衡系数的检验需求。样机的推广应用将有助于提高电梯平衡系数的检验水平和完善检验手段。参考文献1孙立新,戴广宇.电梯平衡系数快捷检测新技术研究J.中国特种设备安全,2015,08(30):11-16.2 电梯平衡系数快捷检测方法:T/CASEI T101-2015S.3 林晓.工频分压器二次电压测量系统的研制 J.质量技术监督研究,2017,12(20):7-11.电压 电流 频率 最大误差（%）最大误差（%）（补偿前）（补偿后）Pab Pbc P Pab Pbc P100V 10A 15Hz80Hz 3.20 -2.07 0.57 0.59 0.27 0.34100V 20A 15Hz80Hz 3.49 -2.20 0.65 0.23 0.26 0.18100V 30A 15Hz80Hz 4.00 -2.44 0.78 0.17 0.19 0.17100V 40A 15Hz80Hz 4.53 -2.86 0.84 0.19 -0.47 -0.23100V 50A 15Hz80Hz 5.15 -3.45 0.85-0.13 -0.15 -0.14100V 60A 15Hz80Hz 2.83 -1.48 0.67 0.22 0.13 0.13100V 70A 15Hz80Hz 3.07 -1.64 0.72 0.22 -0.24 0.16100V 80A 15Hz80Hz 3.36 -1.85 0.75 0.28 0.12 0.18