永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧先明， 龔書生， 季 燦， 葉宗彬(.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 6；.國網(wǎng)四川省電力公司 樂山供電公司，四川 樂山 64000)

0 引 言

在“節(jié)能減排”的背景下，國家大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電[1]。裝機(jī)容量也迅速增長，使得直驅(qū)永磁電動機(jī)組的占比得到提升，永磁電動機(jī)單機(jī)容量也越來越大[2]。電動機(jī)容量越大，其發(fā)熱量也隨之增加[3]。電動機(jī)溫升過高將導(dǎo)致電動機(jī)繞組絕緣層損壞；永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫升過高，將會導(dǎo)致永磁體磁密度下降甚至永久性退磁[4]。為了保證電動機(jī)安全可靠運(yùn)行，對電動機(jī)的溫度監(jiān)測顯得尤為重要，尤其是永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)測。由于轉(zhuǎn)子隨電動機(jī)運(yùn)行高速旋轉(zhuǎn)，測溫點(diǎn)也隨之運(yùn)動，存在諸如電動機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、振動對檢測裝置的影響，以及檢測信號傳輸及電磁干擾等問題。市場上對電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度檢測的裝置不多，本文設(shè)計(jì)的永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)，對于永磁電動機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

1 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場分析

在對電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度測量前，需找到電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度較高的點(diǎn)作為溫度傳感器的測量點(diǎn)。因此需要對電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場進(jìn)行仿真分析，為傳感器的安裝提供理論依據(jù)。

本文利用有限元ANSYS軟件對一臺轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、額定電壓為220 V、額定功率為550 W的永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行溫度場仿真，電動機(jī)在帶額定負(fù)載、過載以及定子繞組故障時(shí)轉(zhuǎn)子溫度場仿真結(jié)果如圖1所示。本文將電動機(jī)電流設(shè)置為2倍額定電流來模擬過載運(yùn)行的情況；通過去除電動機(jī)定子側(cè)的一相繞組，模擬電動機(jī)繞組斷線故障。

(a) 額定負(fù)載

從圖1可知，由于電動機(jī)中部不易散熱，溫度最高點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子中部，因此可將轉(zhuǎn)子中部的永磁體作為溫度傳感器的測溫點(diǎn)。不同工況下電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度如表1所示。從表1可以看出，電動機(jī)額定運(yùn)行以及發(fā)生單相故障時(shí)，轉(zhuǎn)子溫度較低，而當(dāng)電動機(jī)過載運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度劇增，最低溫度為92.8 ℃，最高溫度為108.3 ℃。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生單相故障時(shí)，從圖1(c)中可以看出，最高溫度點(diǎn)仍集中在轉(zhuǎn)子中部的永磁體上，只是溫度最高點(diǎn)的分布不均勻，最高溫度也比正常情況下的溫度低，只有41.1 ℃。因此對電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)測，不僅能實(shí)時(shí)掌握電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的異常變化判斷并找到電動機(jī)故障，對電動機(jī)的維護(hù)提供了保障。

表1 不同工況下電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度

2 溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩部分：①下位機(jī)系統(tǒng)。由溫度傳感器、微處理器系統(tǒng)、無線發(fā)射模塊、無線供電接收模塊組成；②上位機(jī)系統(tǒng)。由供電發(fā)射裝置和電腦端溫度顯示界面組成，如圖2所示。當(dāng)永磁電動機(jī)正常運(yùn)行，安裝在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的溫度采集發(fā)射裝置中的微處理器采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并處理得到電動機(jī)相應(yīng)被測點(diǎn)的溫度數(shù)值，將溫度數(shù)值通過無線發(fā)射模塊，以射頻信號的模式發(fā)射到固定在永磁電動機(jī)外殼上的接收裝置上。通過接收裝置上的無線接收模塊接收無線信號，并由微處理器控制顯示到顯示屏上，且通過USB串口與電腦連接將溫度數(shù)值傳輸?shù)诫娔X里，在溫度顯示界面中顯示出來。電動機(jī)外殼上的顯示屏方便現(xiàn)場工作人員了解電動機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)溫度，電腦溫度顯示界面方便值守人員監(jiān)測電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度，實(shí)時(shí)了解電動機(jī)運(yùn)行狀況，確保生產(chǎn)活動正常進(jìn)行。溫度采集裝置的電源由無線供電裝置提供。

圖2 永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)模塊

STM32是基于ARM架構(gòu)的CortexM內(nèi)核的32 bit微處理器。這款芯片有3個(gè)12 bit的逐次逼近型的ADC轉(zhuǎn)換器，擁有16個(gè)測量外部信號源和2個(gè)測量內(nèi)部信號源的18個(gè)通道，且轉(zhuǎn)換分為規(guī)則和注入通道組兩個(gè)通道組，轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)1 MHz，同時(shí)該芯片擁有51個(gè)通用I/O口[5]。STM32F103RCT6在功能和性能上均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，其最小系統(tǒng)模塊如圖3所示[6]。

圖3 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)組成

3.2 溫度傳感器測溫電路

溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100，在一定范圍內(nèi)，其阻值隨溫度的變化成線性變化，因此通過測量Pt100的阻值即可得到被測物體溫度。本文采用電橋法測量Pt100的電阻值，為了減小Pt100的引線電阻引起的附加電壓對測溫造成誤差，采用三線制的接法以減小測溫誤差[79]，PT100三線制接法如圖4所示。

電動機(jī)轉(zhuǎn)子需要監(jiān)測的點(diǎn)較多，因此設(shè)計(jì)多路溫度調(diào)理電路來進(jìn)行測溫。本系統(tǒng)測溫板設(shè)計(jì)了4路溫度調(diào)理電路，在實(shí)際應(yīng)用中如果要增加測量點(diǎn)的個(gè)數(shù)，可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，測量點(diǎn)過多可以利用選通開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。圖5為4路溫度信號調(diào)理電路中的1路。

圖4 鉑熱電阻三線制連接電路

圖5 溫度信號調(diào)理電路

3.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)測溫裝置的無線收發(fā)模塊采用NRF24L01無線通信模塊，工作在2.4～2.5 GHz頻段。無線模塊的供電電壓由STM32F103RCT6芯片的電源電壓提供，IRQ引腳作為可屏蔽中斷腳與STM32F103RCT6芯片PC7引腳相連；CE引腳作為控制模塊收發(fā)模式的條件之一與STM32F103RCT6芯片PC6相連；CSN作為SPI片選引腳與STM32F103RCT6芯片的PB12相連；其余引腳為無線模塊的SPI口：SCK、MISO、MOSI分別與STM32F103RCT6芯片的SPI2口中的SPI2_SCK、SPI2_MISO、SPI2_MOSI相連。NRF24L01模塊接口電路如圖6所示。

3.4 溫度顯示模塊

為了便于現(xiàn)場工作人員查看電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度，溫度接收裝置采用OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度。該顯示屏體積小、能耗較低、屏幕視角寬廣、分辨率高。采用的是7針的SPI接口模式[11]，選擇連接STM32F103RCT6的SPI3作為接口。OLED顯示屏的接口電路和實(shí)物如圖7所示。

3.5 磁耦合共振無線供電裝置設(shè)計(jì)

3.5.1磁耦合共振無線供電系統(tǒng)

磁耦合共振無線供電系統(tǒng)可分為兩部分，一部分為發(fā)射電路;另一部分接收電路，如圖8所示。發(fā)射端電源可以是交流電源也可以是直流電源，如果是交流電源則需要整流濾波變成相應(yīng)的直流電源。將直流電源通過高頻逆變得到高頻的交流電，通過諧振補(bǔ)償電路和發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻的電磁波將電能發(fā)射出去，通過兩線圈的耦合共振，由接收線圈接收電能并通過整流電路得到直流電壓，再經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)電路穩(wěn)壓濾波得到能夠滿足負(fù)載要求的電壓值[12]。

圖6 NRF24L01無線模塊接口電路

圖7 OLED顯示屏接口電路圖及實(shí)物圖

圖8 磁耦合共振無線供電的系統(tǒng)框圖

3.5.2無線供電發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)

磁耦合共振無線供電系統(tǒng)的發(fā)射端電路如圖9所示。該電路的工作原理是：當(dāng)直流電源通電，電壓和電流同時(shí)施加到兩個(gè)由磁環(huán)電感和開關(guān)器件組成的橋臂上，由于元器件本身的差異，導(dǎo)致其中一個(gè)橋臂流過的電流較大，使得該開關(guān)器件開通，另一個(gè)開關(guān)器件由二極管拉低關(guān)斷。兩個(gè)開關(guān)管推挽電流饋電，Q1、Q2不停交替開通關(guān)斷，逆變產(chǎn)生正弦信號，頻率由LC并聯(lián)諧振電路決定。產(chǎn)生的高頻電磁場通過線圈將能量發(fā)射出去。

圖9 磁耦合共振無線供電發(fā)射端電路圖

選擇價(jià)格低廉、開關(guān)速度快、寄生電容小、損耗小的IRFZ44作為高頻逆變的開關(guān)管，IRFZ44為N溝道增強(qiáng)型MOSFET，其性能優(yōu)異，適應(yīng)于高頻逆變電路。諧振電容選擇具有高絕緣電阻、穩(wěn)定性好、耐高溫高壓、適合高頻電路的聚丙烯電容(CBB電容)。為了提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)考慮趨膚效應(yīng)，因此，在制作線圈時(shí)采用線徑較粗、絕緣的銅線繞制多匝組成。兩個(gè)磁環(huán)電感選擇100 μH，D1、D2選擇型號為1N4148整流二極管。電阻采用金屬膜電阻，該類型電阻具有較好的穩(wěn)定性，精度高，適合高頻電路中使用。

3.5.3無線供電接收裝置的設(shè)計(jì)

為簡化電路，采用和發(fā)射端相同材質(zhì)、規(guī)格、匝數(shù)的線圈，并聯(lián)電容與發(fā)射端的電容等值。接收電路如圖10所示。

圖10 磁耦合共振無線供電接收端電路圖

整流電路采用全橋整流，提高輸出功率利用率，降低電壓紋波。整流二極管采用價(jià)格低廉、耐壓值高、反向恢復(fù)時(shí)間短、適用于高頻整流的1N4148[13]。選擇LM7805作為穩(wěn)壓芯片，通過穩(wěn)壓電路輸出5 V直流電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一部分為發(fā)送端；另一部分為接收端。其中系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端主程序的流程圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 發(fā)送端主程序流程圖

圖12 接收端主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

5.1 溫度測量精度實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證Pt100測溫裝置的測溫精度是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[14]，在相同的條件下以不同溫度的水作為熱源進(jìn)行測溫，將Pt100和紅外溫度計(jì)測量的溫度值進(jìn)行對比。測溫裝置實(shí)物如圖13所示，測量溫度的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù)

圖13 鉑熱電阻測溫裝置實(shí)物圖

由表2可知,最小測量溫度差值為0.3 ℃，最大溫度差值為1.1 ℃。溫度偏差不大，測溫精度滿足系統(tǒng)要求。

5.2 無線傳輸距離測試

無線模塊可在一定的距離范圍內(nèi)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。本測試分為不連接天線和連接天線兩種，測試環(huán)境為空曠地帶測試和有墻體障礙物測試。傳輸距離和無線模塊配置的發(fā)射功率有關(guān)，發(fā)射功率越大傳輸距離越遠(yuǎn)，因此在試驗(yàn)中為了盡可能增大傳輸距離，統(tǒng)一將發(fā)射功率配置為0 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為2 Mb/s。

表3 不接天線的測試結(jié)果

表4 接天線的測試結(jié)果

表3和4中，1表示能收到傳輸數(shù)據(jù)；0表示不能收到傳輸數(shù)據(jù)。從測試結(jié)果可以看出，不連接天線時(shí)，在空曠環(huán)境中能傳輸數(shù)據(jù)的最遠(yuǎn)距離為15 m左右，有墻體障礙時(shí)為5 m左右;在連接天線的情況下，空曠環(huán)境實(shí)測距離超過220 m，有墻體障礙時(shí)能達(dá)到30 m。由于測溫裝置安裝在電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和固定的外殼側(cè)，從測試距離來看，完全滿足電動機(jī)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

5.3 上位機(jī)溫度顯示測試

將無線溫度接收裝置通過USB串口連接到電腦端，上位機(jī)顯示如圖14所示。本文以兩路溫度測試為例，對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測[15]。

5.4 測溫裝置穩(wěn)壓供電測試

圖14 溫度上位機(jī)測試結(jié)果

無線供電的發(fā)射裝置和溫度接收裝置由適配器供電，實(shí)驗(yàn)連接圖如圖15所示。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，在一定范圍內(nèi)測溫裝置能穩(wěn)定工作。經(jīng)過測試，無線供電收發(fā)線圈在相距11 cm以內(nèi)，供電接收裝置的穩(wěn)壓端輸出電壓均穩(wěn)定在4.8 V以上，完全滿足對測溫裝置的供電要求。圖16為線圈相距11 cm處，測溫裝置端電壓及電流的波形圖。經(jīng)過整流穩(wěn)壓的電壓波形很平穩(wěn)，U為4.80 V；電流波形I為90.1 mA，功率為0.432 W。從測試結(jié)果可知，無線供電裝置能很好的為測溫裝置供電，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖15 測溫裝置無線供電測試

圖16 測溫裝置端電壓電流波形

6 結(jié) 語

本文利用有限元ANSYS軟件對一臺轉(zhuǎn)速1 500 r/min、額定電壓為220 V、額定功率為550 W的永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行溫度場仿真，為溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。介紹了非接觸供電方式下永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于無線射頻信號傳輸?shù)臏y溫裝置，將溫度數(shù)據(jù)采集與無線信號傳輸相結(jié)合，解決了轉(zhuǎn)子溫度測量的信號傳遞問題。磁耦合共振的無線供電裝置，解決了電動機(jī)轉(zhuǎn)子測溫裝置的供電問題，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

對無線測溫裝置的測溫精度與無線傳輸距離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，利用無線供電裝置對測溫裝置進(jìn)行無線穩(wěn)壓供電實(shí)驗(yàn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對于永磁電動機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

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