陳英武，樊可清，羅炳聰

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商用中央空調(diào)的剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)

陳英武，樊可清，羅炳聰

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

商用中央空調(diào)在運行時會存在較小的剩余電流，若該剩余電流過大則說明空調(diào)系統(tǒng)可能存在故障漏電等情況. 為檢測空調(diào)的剩余電流值，本文運用虛擬儀器技術(shù)，并搭配不同型號的剩余電流互感器構(gòu)建了商用中央空調(diào)剩余電流監(jiān)測系統(tǒng). 實驗證明，該檢測系統(tǒng)可適用于不同型號的中央空調(diào)，具有適用性強、測試結(jié)果準確等優(yōu)點.

商用中央空調(diào)；剩余電流；監(jiān)測系統(tǒng)

商用中央空調(diào)內(nèi)有多個三相負載（如壓縮機、風機等）同時工作，內(nèi)部供電線路復雜，其供電電壓波形也含有一定的諧波，這些諧波會通過電機繞組的對地寄生電容和電機電纜線的對地寄生電容產(chǎn)生對地漏電流[1]，設備運行時會產(chǎn)生的正常剩余電流. 若剩余電流大小超過正常值，則說明產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，因此，對空調(diào)剩余電流的監(jiān)測成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要手段. 目前的剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)大多是將系統(tǒng)集成到配、變電綜合配電箱中，對多個用戶和多臺設備的總剩余電流進行監(jiān)測，其剩余電流范圍在[2]；而現(xiàn)有的基于虛擬儀器電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測對象主要是電網(wǎng)諧波、三相電壓和電流不平衡率等，沒有針對剩余電流的監(jiān)測[3-4].

本文采用美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱NI）的C系列電壓測量模塊、剩余電流互感器和NI LabVIEW軟件，結(jié)合調(diào)理電路，實現(xiàn)對商用中央空調(diào)剩余電流的監(jiān)測. 利用此監(jiān)測系統(tǒng)，一方面對空調(diào)正常工作時的剩余電流大小進行檢測，此值可以為空調(diào)剩余電流保護裝置的選型提供參考依據(jù)，也可以判斷設備質(zhì)量是否合格；另一方面對出現(xiàn)故障漏電時較大的剩余電流自動進行數(shù)據(jù)記錄，并報警，記錄的數(shù)據(jù)方便研發(fā)人員后期查看，分析故障產(chǎn)生的原因.

1 剩余電流檢測

1.1 剩余電流互感器

剩余電流是指通過電氣線路的瞬時電流矢量和（用有效值表示）[5]，它是較大負載電流下的微弱差值電流. 用于檢測剩余電流的互感器通常是非接觸的，目前常用的非接觸式的電流互感器主要有電磁式電流互感器、霍爾電流互感器和磁調(diào)制式電流互感器[6].

因監(jiān)測系統(tǒng)主要用在空調(diào)測試實驗室，其監(jiān)測的商用中央空調(diào)屬于定頻空調(diào)，此類空調(diào)配電系統(tǒng)的接地式采用TN-S系統(tǒng)，并要求傳感器裝卸方便，所以可選用電磁式電流互感器. 電磁式電流互感器基于法拉第電磁感應原理來檢測線路中的剩余電流，其工作原理如圖1所示，圖中、為線路負載電流；為互感器二次回路感應電流；為二次回路感應電壓；為二次回路電阻.

圖1 電磁式剩余電流互感器工作原理

1.2 剩余電流檢測方法

根據(jù)磁動勢平衡原理，一、二次繞組的電流應滿足如下關(guān)系：

所選互感器鐵芯磁導率較高，鐵芯中各種損耗很小，因此所需勵磁磁動勢可忽略[7]，即：

由式（3）、（4）可得：

1.3 剩余電流檢測波形

根據(jù)1.2中介紹的測試方法，對實際剩余電流進行監(jiān)測，測試的原始電壓波形如圖2所示.

圖2 剩余電流原始波形

2 剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件采集部分和軟件數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成. 硬件部分主要由剩余電流互感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成，用于感知被測的剩余電流，提取信號數(shù)據(jù)；軟件部分對采集到的數(shù)字信號進行濾波、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析以及結(jié)果顯示等.

系統(tǒng)首先通過剩余電流互感器將需要檢測的剩余電流信號通過二次回路電阻轉(zhuǎn)換成采集卡可以采集的電壓信號，之后利用采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件將此電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字信號，同時在計算機軟件中對這些數(shù)字信號進行分析、處理、存儲，最終將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶.

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件選取

硬件是整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，主要負責將物理信號轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信號.

互感器的選擇：實際測試時是將連接商用中央空調(diào)的三根相線和中性線全部穿過互感器，而這些連接線直徑較大，所選傳感器的內(nèi)孔徑尺寸要滿足測試要求，另外環(huán)境以及電磁干擾也需要考慮，因此聯(lián)系某互感器生產(chǎn)廠家專門定制了以高磁導率鎳鋼或納米晶為材料的互感器，其穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的平衡特性、并具有極強的抗電磁場干擾能力，工作溫度范圍為.

2.3 剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

軟件部分是虛擬儀器系統(tǒng)的主體，一方面負責控制硬件的工作，另一方面又負責對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理、顯示和存儲. 此檢測系統(tǒng)的軟件部分采用NI推出的圖形化虛擬儀器專用軟件開發(fā)平臺LabVIEW實現(xiàn)，采用生產(chǎn)者/消費者模式，其流程圖如圖3所示.

圖3 剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

生產(chǎn)者/消費者模式如圖4所示，有2個While循環(huán)（上面為主循環(huán)、下面為從循環(huán)）和若干個“隊列”內(nèi)置函數(shù)（Queue）構(gòu)成. 該設計模式可以把數(shù)據(jù)的采集生成過程和數(shù)據(jù)的計算分析過程分開獨立進行，相互之間的干擾較小. 采用了隊列的數(shù)據(jù)存儲方式（FIFO），通過隊列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把生產(chǎn)者中得到的數(shù)據(jù)傳遞到消費者中[8].

圖4 剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序框圖

在圖4中，生產(chǎn)者主要負責數(shù)據(jù)采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字信號，為后面消費者進行計算分析提供有效的數(shù)據(jù)源；消費者主要負責對數(shù)據(jù)進行分析處理、結(jié)果顯示、剩余電流波形顯示、數(shù)據(jù)實時保存、報警信息顯示和存儲. 報警的信息的存儲采用手動方式，當剩余電流值超過預警值時就會有報警信息彈出，點擊程序前面板的“保存報警信息”按鈕，如圖5所示，即可將報警信息自動保存到Excel工作表中.

圖5 系統(tǒng)前面板

在系統(tǒng)前面板中，也可對數(shù)據(jù)保存路徑以及剩余電流報警值進行設置，測得的剩余電流能實時顯示波形和大小，報警信息中包含具體的時間標識.

3 測試結(jié)果對比驗證

對比驗證方案采用NI 9227電流測試模塊實現(xiàn)，同時檢測設備各相電流，并將各相電流進行矢量合成，將所測結(jié)果與剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)所測結(jié)果進行對比分析. NI 9227是一個4通道電流輸入模塊，可提供4個同步采樣隔離模擬輸入通道的連接，ADC分辨率為24位，使用內(nèi)部主時基時的采樣率最大值可達，適合測量標稱和最高的每通道峰值電流.

所用驗證原理圖如圖6所示，利用NI9227的AI0和AI1通道分別測試流過相和相的電流，并在計算機中對所測得電流做矢量合成，在負載的與GND之間串接一個電阻，根據(jù)所選用的電阻值不同，模擬負載產(chǎn)生的不同接地泄漏電流，同時使用剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)測試負載的剩余電流，測試結(jié)果如表1所示（表1僅列出部分測試數(shù)據(jù)）.

4 結(jié)束語

該剩余電流監(jiān)控系統(tǒng)檢測的剩余電流主要是工頻、正弦剩余電流信號，所采用的剩余電流互感器為電磁式剩余電流互感器，對于非工頻、非正弦的復雜波形剩余電流信號還無法進行有效的檢測，若需對復雜波形的剩余電流進行監(jiān)測，可考慮使用磁調(diào)制式電流互感器作為剩余電流檢測元件；因所用NI 9205輸入范圍選用，其所能測的剩余電流值小于，可通過軟件編程實現(xiàn)對較大剩余電流值的監(jiān)測，設定閾值，當剩余電流值超過閾值時，選用較大的輸入范圍進行數(shù)據(jù)采集；另外考慮到NI 9205通道較多，可選取合適的電壓和電流傳感器監(jiān)測空調(diào)的電能質(zhì)量.

[1] 陳坤，夏明. 變頻器前端漏電保護開關(guān)的研究和應用[J]. 自動化技術(shù)與應用，2008, 27(1): 133-134, 69.

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[責任編輯：韋 韜]

Research on the Residual Current Monitoring System for Commercial Central Air-conditioning

CHENYing-wu, FANKe-qing, LUOBing-cong

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

There is a small residual current when the commercial central air-conditioning is at run time. If the excess current is too large, then there probably exists fault leakage in the air conditioning system. In order to detect the residual current value of air-conditioning, this study built a monitoring system for commercial central air-conditioning using the virtual instrument technology and mutual inductors for different types of the residual currents. Experiments show that the detection system can be applied to different types of central air conditioning and has the advantages of strong applicability and accurate test results.

commercial central air-conditioning; residual currents; monitoring systems

1006-7302（2015）03-0070-05

TM933.1

A

2014-12-16

陳英武（1986—），男，河南永城人，在讀碩士生，主要研究方向為工程測試與信號處理；樊可清，教授，博士，碩士生導師，通信作者，研究方向為智能信息處理與工程診斷、測試技術(shù)與工程信號處理.