基于MCA技術的三相異步電機故障

肖海紅 王宜澤 王樹朝

摘 要：三相異步電機故障在線監控能夠實時監測電機運行狀況，保護電網的正常運行。本文描述了電機在線監控終端的設計方案，給出了基于MCA技術電機故障監控依據及終端設計原理。實踐證明，該設計方法能夠判斷定子或轉子故障，具有一定的應用價值。

關鍵詞：三相電機；故障監測；終端；MCA技術

引言

三相異步電動機的繞組是電動機的組成部分，電機繞組故障會造成電能損耗。美國電力研究學會（EPRI）關于電機的研究報告稱：電機故障約有53%源于機械原因，約47%源于電氣原因，其中，如匝間、相間短路等出現在定子繞組的故障約占37%[1]。因此，針對電機故障電氣故障檢測一直是工程師們研究的熱點。在電機電氣故障檢測中，常采動態電氣電參數測量[2-3]和靜態線路參數測量方法[4]。這兩種測量方法在電機檢測中，采用以往常規的電氣檢測方法只能進行絕緣、阻值、效率、電壓是否平衡等基本電氣故障檢測，對部分阻值變化微弱的早期匝間短路，阻抗和相角不平衡產生的三相不平衡，定子故障等都無能無力。而且這些方法不能判斷出故障的嚴重程度，更不能判定故障出現的部位[1]。

電特性檢測對匝間、層間、相間短路的可靠檢出，并能判斷故障源于定子還是轉子的強大優勢被人們所關注。美國BJM（桑美）公司以此為基礎推出用于電特性檢測的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等一系列檢測設備，并將這種檢測方法統稱為MCA技術[1]。

電機運行過程故障監測對電機運行狀態監控具有重要意義，而基于電特性技術檢測的檢測儀研制，能夠確保電機設備安全運行，并保護電力系統。

綜上所述，設計一種基于電特性電機故障檢測儀對電機故障檢測具有實際意義。

1 故障檢測原理及終端總體設計

1.1 電特性測試故障評判標準

電特性檢測核心是測量兩相之間電阻、電感、阻抗、相角；分析各參數搭配情況，判斷電機運行狀態。IEEE通過15年的測試數據考核得到電機故障評判標準，如表1所示[5-6]。

表中數據時測量兩相之間數據，求得偏移量進行比較。當電感L和阻抗Z保持“平行關系”時，三相不平衡的原因來自轉子；當電感L和阻抗Z不是“平行關系”時，三相不平衡的原因多來自定子繞組的過熱或污染。

電特性參數的測量采用交流電歐姆定律公式。

從上述公式可以看出，只要測量兩相間電流、電壓功率和頻率，就可以得到電感、阻抗。

1.2 電特性測試儀總體設計

根據電特性故障判斷標準，本監測終端主要由電壓、電流取樣電路和頻率測量電路以及單片機電路等組成，監測終端總體框圖如圖1所示。

相電壓取樣電路采用電壓互感器分別取樣UV、VW、WU之間電壓數據；電流取樣電路采用電流互感器取樣三相電流信號。電壓、電流信號經放大、濾波電路送AD7656，轉換為數字信號。鎖相環用以將一個正弦周期等分為64份，一個正弦周期輸出64個脈沖，中斷單片機，啟動AD轉換。STM32單片機通過FFT變換原理、歐姆定律，計算出電壓、電流、功率、阻抗和電感。

頻率測量采用脈寬填數原理，計算出交流電頻率。按鍵電路等其他輔助電路用以完成該終端其他功能。

2 故障檢測儀硬件設計

三相電機監測終端硬件電路主要由電壓取樣、電流取樣、AD轉換電路、頻率測量電路組成，本文將重點介紹以上電路，其他電路采用經典電路[7、8]。

2.1 電壓、電流取樣電路

根據電特性參數測試特點，電流取樣電路如圖2，電壓取樣采用將電壓轉換為電流方式，用同樣電路圖進行電壓取樣。

電流互感器采用高準確度、寬量程CT，在額定輸入為5A時，電流互感器輸出10mA。電流互感器串接100Ω電阻進行電流電壓變換，使得額定電壓輸出為1V，在經過后面的電壓跟隨與放大電路后，讓輸入到后面A/D的信號為4V。以使系統能夠受到電流120%額定電流的沖擊。

電壓互感器的制作工藝復雜成本較高，本測量終端的電壓互取樣電路采用電阻與電流互感器原邊串聯，提供10mA電流，用電流互感器對電壓信號進行取樣，原理圖同電流取樣。

2.2 AD轉換器與單片機接口電路

AD轉換器采用16位、高速、低功耗、6通道同時采樣的AD7606，與單片機接口電路如圖3所示。

AD7606的數據線DB0～DB15分別連接對應的FSMC數據線，片選信號分別接到FSMC接口片選信號PG9_FSMC_NE2。

AD7606的BUSY引腳電平為高時表示AD正在進行轉換，變低表示轉換完成。將BUSY引腳接到STM32的外部中斷引腳并配置為下降沿觸發。OS[0..2]為過采樣配置引腳，通過控制STM32相關GPIO的電平可以是AD7606工作在不同的過采樣狀態。

2.3 頻率測量電路

為準確測量ω的大小，以求得準確的角頻率，設計了頻率測量電路，頻率測量采用脈寬填數技術，電路如圖4所示。

電壓信號經過零比較器將正弦波轉換為矩形波，然后經過74LS74進行二分頻，將矩形波轉換為頻率為矩形波一半的方波信號。該方波信號的高低電平時間均為正弦波周期T.則該正弦波頻率為：

波形變換過程及由CPLD構成的脈寬填數周期測量原理見參考文獻[7]。

3 故障監測終端軟件設計

電機故障監測終端軟件由順序執行的初始化、FFT運算等組成，主流程圖如圖5所示。

圖5中，系統初始化完成AD轉換接口電路STM32PA扣配置、定時器設置、中斷配置等工作，以使單片機系統能夠正常工作。

初始化后，程序進入等待啟動AD命令，啟動AD后，單片機等待AD轉換完畢，讀取數字信號，然后判斷是否完成64點采樣，若64點采樣完畢，則通過調用STM32內嵌FFT變換程序，計算出相間電壓、電流有效值，并計算出有功功率及阻抗、電感等電特性量，然后判斷電機故障或正常運行。

在程序運行過程中，不斷檢測是否有按鍵命令或者上位機命令，若有相應命令，則處理命令，然后繼續對電特性的不斷檢測及判斷；若無命令，則繼續連續檢測電機電特性參數。

4 監測終端測試

在實驗室條件下，采用標準表鄭州華特測控新技術有限公司的三相多功能標準表WT-3030和T360三相電源對本監測終端進行了對電壓、電流及功率的對比測試。表2為200V電壓、5A電流下功率對比測試結果。

5 結語

描述了基于MCA技術的電機故障監測終端設計，該監測終端能夠現場監測電機運行特性，判斷定子繞組或轉子繞組故障。對保護電機正常運行和保護電力系統具有一應應用價值。不足之處是本系統未能實現倍頻電流的測量。

參考文獻

[1]劉磊，董自虎.電特性檢測在艦艇交流電機故障診斷中的應用[J].船電技術，2015，35（7）：62-65.

[2]汪虎強，陳建政.三相電機電流檢測系統的設計及實現[J].無線互聯科技，2016，（3）：63-65.

[3]李小慶，朱景偉，王健，等.永磁容錯電機故障識別與檢測方法[J].電機與控制應用，2015，42（1）：61-66.

[4]才家剛，吳亞旗.電機試驗技術及設備手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]Howard W Penros.Static motor circuit analysis：An introduction to theory and application [J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2000，4（16）：6-10.

[6]汪平剛，張曉謹.MCA技術原理及其在電機繞組故障診斷中的應用[J].設備維修與管理，2005，（8）：32-35.

[7]Xiao Haihong，Luo Jming.Design of Electrical Parameter Measurement System for Three Phase AC Motor Based on STM32.Sensors & Transducers[J].2014，（7）：205-210.

[8]王克甫，肖海紅.基于PsOC的工頻相位差計設計[J].電氣應用，2013，32（20）：86-88.

（作者單位：1.河南工程學院 電氣信息工程學院；2.鄭州大學 信息工程學院）