基于PLC的交流異步電動機故障預估與保護系統設計

陳飛 馬劍

摘要：三相異步電動機工業生產中電能轉化為機械能的重要單元，為人類的進步和發展做出了不可磨滅的貢獻。自變壓變頻技術和設備成熟以來幾乎完全取代了直流電機全面進入到了人們的生產生活中來。雖然三相異步電動機價格相對低廉、結構性能穩定，但其工作的可靠性也慢慢進入到大家關注的視野。本文針對應用最為廣泛的鼠籠型三相異步電動機，以工業應用成熟的PLC為控制器，通過對電動機定子電壓、定子電流、電機轉速、電機震動等運行參數的采集和判定，展開鼠籠型三相異步電動機的故障預估與保護系統的研究和設計，對電動機安全運行具有重要意義。

關鍵詞：PLC;電機;故障預估與保護

電動機自問世以來就在社會生產和人們生活中扮演著重要的角色[1-2]。電動機就電源類型而言可分為直流電機和交流電機。交流電機又分為單相電機和三相異步電機。三相異步電機按轉子類型又分為繞線式轉子異步電動機和鼠籠型轉子異步電動機，后者因結構簡單、價格低廉而被廣泛應用。伴隨著變壓變頻調速技術和設備的不斷成熟和發展，三相異步電動機幾乎全面進入到了人們的生產生活中來。對于企業而言系統和設備的穩定可靠才是最重要的指標。但由于電源質量、電機制造本身、維護保養等問題，三相異步電動機也頻繁出現故障影響生產生活[3-4]，本文針對這一問題開展了以下研究工作。

1鼠籠型三相異步電動機故障分類與統計

電機故障主要分為電氣故障和機械故障，每種故障的發生都伴隨有相應的運行參數異常變化。從上世紀60年代開始對于電機故障診斷技術的研究至今已經有近60年的時間了。通過對大量的電機故障分析發現，定子繞組的故障占了絕大部分，其中短路故障占比超過了50%，其他還包括轉子故障，氣隙故障，軸承故障等。

經過調研和統計分析，鼠籠式三相異步電動機常見且對應運行狀態參數可測的故障類型及危害統計如表1所示。

2 鼠籠型三相異步電動機故障預估與保護系統設計

2.1 數據采集系統設計

依據上節所列故障類型和運行狀態參數表征可知，七類故障類型對應到運行參數可分為：電壓、電流、溫度、振動和轉速。

2.1.1 溫度檢測

當電機小幅過載時，電流達不到保護動作值，這時需要借助溫度傳感器將實時溫度傳給PLC，當溫度過高（一般超過155℃）時通過程序控制使電機停止。

本文選用SIN-P202型溫度傳感器作為電機溫度檢測裝置。溫度傳感器檢測范圍為-50～350℃，溫度變送器的輸出值S在0到10V之間變化。

溫度傳感器的輸出信號傳遞到PLC模擬量輸入模塊進行A/D轉換，當輸入信號在0-10V之間變換時，對應的模擬量寄存器內的值將在0～32000之間。

2.1.2 轉速檢測

本文選用E3C-LS3R反射型光電傳感器作為電動機轉速檢測裝置，光電轉速傳感器是開關式傳感器的其中一種類型。其工作原理是利用光電轉速傳感器來測定電動機的轉速，在電動機轉軸上固定一個反光點，也可根據實際情況設定多個反光點。當轉軸轉動到設定好的反光點與光電傳感器對應位置時，光電元件接收反射光信號，沒有照射到反光點時，光電元件不接受反射光。光電傳感器輸出方式為開關量，將此開關量信號送到PLC，采用PLC的計數模塊進行計數，通過數據運算，以此求得電動機的轉速。

3鼠籠型三相異步電動機故障預估與保護程序設計

本文基于與S7200系列PLC配套的STEP7Micowin軟件進行交流異步電動機故障預估與保護程序設計。

電機運行過程中，PLC采集狀態信號，檢測到過電流信號時，過電流報警指示燈亮，電機自動停止。檢測到缺相時，即任意一相電壓為0時，發出報警信號，缺相指示燈亮，電機立即停止。檢測到速度高于設定值時，發出轉速過高報警信號，電機立即停止。檢測到電壓低于設定值時，表示欠壓，發出報警信號。檢測到電機過熱時，發出報警信號。檢測到電機過熱和過電流同時存在時，電機立即停止。檢測到短路時，發出報警信號，電機立即停止。監測到振動超出范圍時，發出轉子掃膛或結構松動報警信號，電機立即停止。按下復位按鈕，故障信號指示燈復位。

4 結論

本文通過工業應用成熟的PLC控制技術設計了鼠籠型三相異步電動機故障預估與保護系統的硬件結構部分和軟件控制部分，實現了對電機過電壓、欠電壓、缺相、過載、超速、短路和機械故障等7類狀態參數直接可測故障的預估和保護。具有一定的工業實用和推廣價值。但實際上電機故障種類遠不止以上所述，故障表征也繁復紛雜，本文將繼續在電機故障預估和保護方向展開深入研究，為提高電機的使用可靠性不懈努力！

參考文獻：

[1]王昊，彭運猛，鄭全新.淺談三相異步電動機電路保護[J].農業技術與裝備，2019（05）：89+91.

[2]劉遠.基于機電一體化中的電機控制與保護[J].數字通信世界，2020（03）：80.

[3]何朝陽.基于PLC電機故障診斷系統[J].科學技術創新，2019（27）：177-178.

（作者單位：新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院）