三相籠型異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉 攀，張 奎，梁里鵬

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800；2.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦，山西 呂梁 033602）

隨著時(shí)間的推移，電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的監(jiān)控以及故障診斷等技術(shù)不斷發(fā)生改變。作為現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中常用的機(jī)械——籠型異步電動(dòng)機(jī)，采用的是電磁感應(yīng)等相關(guān)理論，主要目的是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。為保障電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行，降低故障出現(xiàn)率，文章面向其在線監(jiān)測(cè)問題開展了一系列研究工作。

目前我國已處于以計(jì)算機(jī)、傳感器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要手段的階段，從發(fā)展歷程來看，可將其劃分為四個(gè)階段：第一，通過操作人員感官感受及簡易工具來監(jiān)測(cè)；第二，通過簡易故障監(jiān)測(cè)設(shè)備來處理；第三，通過更高級(jí)儀器進(jìn)行離線監(jiān)測(cè)；第四，通過相應(yīng)傳感器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)手段進(jìn)行在線監(jiān)控。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)水平隨之提高，生產(chǎn)階段的電動(dòng)機(jī)故障影響愈發(fā)嚴(yán)重。故而，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)各個(gè)發(fā)展階段可知，前兩個(gè)階段以簡單故障檢測(cè)為主，大部分情況下，只有故障發(fā)生后才可以被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，但損失已無法挽回，故其已漸漸退出歷史舞臺(tái)；而后兩個(gè)階段則得到了進(jìn)一步發(fā)展，特別是在線監(jiān)測(cè)受到了人們高度重視[1]。

1 異步電動(dòng)機(jī)常見故障

1.1 轉(zhuǎn)子斷條故障

籠條與端環(huán)總體設(shè)計(jì)有誤差，由于籠型異步電動(dòng)機(jī)端環(huán)采用整體鑄造方式，兩者間使用剛性連接，從單個(gè)籠條來看，它無法自由伸縮，故而應(yīng)力常常匯聚于焊接點(diǎn)；電動(dòng)機(jī)焊接效果差、籠條鐵芯沖孔工藝差，因?yàn)閼?yīng)力點(diǎn)大部分位于籠條和端環(huán)焊口周圍，當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)行振動(dòng)時(shí)，極易出現(xiàn)斷條等問題；而如果鐵芯槽中籠條沖壓達(dá)不到要求，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的離心力會(huì)出現(xiàn)明顯竄動(dòng)的情況。

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)自身攜帶負(fù)載長期變動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致籠條和端環(huán)焊接位置受到極大彎曲應(yīng)力。啟動(dòng)期間升溫過快，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行或首次啟動(dòng)失敗時(shí)，要求等待2h 才能重新啟動(dòng)；若反復(fù)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)溫升必將大于自身允許值，導(dǎo)致焊接處直接開焊。重載與反復(fù)啟動(dòng)相似，同樣會(huì)造成電動(dòng)機(jī)大幅升溫，使得籠條和端環(huán)焊接位置開焊；若未及時(shí)解決故障，由于離心力的作用，斷條給定子繞組絕緣造成破壞，會(huì)帶來定子短路問題，或工作人員水平較低，實(shí)際維修階段造成籠條和端環(huán)出現(xiàn)形變而帶來應(yīng)力集中問題[2]。

1.2 氣隙偏心故障

目前，科技水平存在局限，以及電動(dòng)機(jī)在日常運(yùn)行后出現(xiàn)磨損等情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子外緣與定子內(nèi)緣之間不可避免地存在縫隙，容易發(fā)生偏心故障。結(jié)合實(shí)際情況來看，具體包含靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心問題：前者表示電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子中心軸未處于同一條直線，相互間氣隙分布不均勻，且具有不變性特征；后者是轉(zhuǎn)軸變形、軸承出現(xiàn)磨損等原因引起的，導(dǎo)致偏心隨轉(zhuǎn)子的運(yùn)行而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并沒有固定位置。通常情況下，這兩種問題會(huì)同時(shí)存在。

1.3 定子故障

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究可知，定子繞組故障占比達(dá)到40%～45%。定子故障以定子匝間短路、繞組接地與斷路情況為主，電動(dòng)機(jī)故障起因比較多，歸根結(jié)底在于其長期不間斷作業(yè)，使得相關(guān)部件（繞組等）溫度過高，絕緣失去存在意義，或其所在運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，如空氣水分、灰塵量較大等，并與其絕緣相互作用，使得絕緣擊穿概率大幅提升；也有研究報(bào)道稱是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到電磁力及機(jī)械應(yīng)力等外力作用導(dǎo)致絕緣受損或破壞，最后引發(fā)定子短路故障。一旦電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)上述故障，且未第一時(shí)間察覺與維護(hù)，就會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭到破壞，而且會(huì)影響生產(chǎn)線上的其余設(shè)備或者造成停產(chǎn)問題，甚至使整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備都失去作用[3]。定子匝間短路是多發(fā)故障之一，更是一種早期故障，若初期就能察覺故障的存在，便能防止故障程度的加重，盡可能減少各方面的損失。

2 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模

2.1 正常狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)機(jī)正常狀態(tài)下，定子繞組三相對(duì)稱，定子回路連接情況如圖1 所示。電動(dòng)機(jī)存在3 個(gè)定子回路，假設(shè)定子各相電流依次為ia、ib、ic，轉(zhuǎn)子存在n根導(dǎo)條，臨近的2條與其向?qū)?yīng)的端環(huán)組成了1 條回路，共同組成完整的回路，考慮到這一點(diǎn)，總共存在（n+1）條回路，不同回路內(nèi)部電路依次記作i1、i2、in、ie，由此能夠確定，電動(dòng)機(jī)獨(dú)立回路數(shù)是（n+4）。

2.2 定子匝間短路模型

假如電動(dòng)機(jī)A 相出現(xiàn)匝間短路，電動(dòng)機(jī)匝間發(fā)生短路相的參數(shù)如下：每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為w1；如果A 相繞組ad 段發(fā)生匝間短路，短路匝數(shù)記作wad，rad是指短路繞組自身電阻，短路位置過渡電阻是Rg，而正常串聯(lián)匝數(shù)為w1-wad，短路位置環(huán)流為iad，短路線圈內(nèi)的總電流是ia+iad。關(guān)于匝間短路方程，僅需略微變動(dòng)短路相方程，換言之，如果A 相出現(xiàn)短路，僅用變動(dòng)A 相對(duì)應(yīng)方程[4]。

對(duì)正常情況、轉(zhuǎn)子斷條、匝間短路以及氣隙偏心發(fā)生后籠型異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)分析可知，在任何不同的運(yùn)行情況下，僅按照實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)矩陣便能解決需求。若電動(dòng)機(jī)僅發(fā)生一種故障，則故障特征和理論完全一致；若發(fā)生兩種或多種故障，而故障并不嚴(yán)重時(shí)，診斷過程中無需擔(dān)心故障間彼此影響，這完全吻合電動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初期察覺故障的設(shè)計(jì)思想，因此此次設(shè)計(jì)直接忽略故障間的影響問題。

圖1 定子回路連接圖

3 電動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 微控制器的選擇

從現(xiàn)有單片機(jī)兼容性、性價(jià)比等角度出發(fā)進(jìn)行分析，經(jīng)全面對(duì)比，此次微處理控制器選擇ATMEL 企業(yè)旗下的AT89S51 產(chǎn)品。該產(chǎn)品是CMOS 單片機(jī)，位數(shù)為8 位，其最大特點(diǎn)是運(yùn)行低功耗且性能研究十分成熟，片內(nèi)擁有只讀存儲(chǔ)器，大小為4kB，可重復(fù)讀取存儲(chǔ)1 000 次，具有密度高、存儲(chǔ)性能好等優(yōu)點(diǎn)。AT89S51 能直接調(diào)用MCS-51 指令，且和80C51 引腳結(jié)構(gòu)完全相同。AT89S51 功能全面且強(qiáng)大，能滿足現(xiàn)今大量控制系統(tǒng)需求。

3.2 信號(hào)采集電路

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采集電動(dòng)機(jī)相關(guān)信息，包括3 個(gè)相電壓、電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)遵從電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)，通過早期電流電壓傳感器來處理，容易使被測(cè)相位發(fā)生變化，且被測(cè)量常需要完成濾波處理，所以電流電壓信號(hào)檢測(cè)過程中，應(yīng)采取科學(xué)、有效手段克服各種不良因素，防止電動(dòng)機(jī)受到影響。

該系統(tǒng)應(yīng)選擇閉環(huán)式霍爾電流、電壓2 種傳感器，由此得到所需的電流、電壓信號(hào)。這兩種傳感器的工作原理在于依靠霍爾元件感應(yīng)導(dǎo)線附近磁場(chǎng)強(qiáng)度，經(jīng)分析處理可判斷電流電壓值。閉環(huán)霍爾測(cè)量傳感器主要工作原理為霍爾補(bǔ)償，即針對(duì)副邊、原邊線圈感應(yīng)獲得磁場(chǎng)，利用前者緩沖后者對(duì)電動(dòng)機(jī)原磁場(chǎng)造成的干擾，在此基礎(chǔ)上能夠消除測(cè)量元件對(duì)原磁場(chǎng)的影響。這種電流、電壓傳感器擁有許多優(yōu)點(diǎn)，包括測(cè)量區(qū)間廣、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)及時(shí)、安全可靠等，與此同時(shí)，二者體型小巧、重量輕，可大幅降低安裝難度。

對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，霍爾元件擁有大量獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如體積小、使用時(shí)間長、質(zhì)量小、安裝簡易、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、精準(zhǔn)度高、線性度理想等。因此，該系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)速測(cè)量電路同樣選擇霍爾元件進(jìn)行處理，把它裝于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，可以形成霍爾脈沖信號(hào)。

3.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從模擬式轉(zhuǎn)變成數(shù)字式，作為該系統(tǒng)的重要組成部分，一旦其性能不夠理想，分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性也會(huì)隨之大打折扣，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果，導(dǎo)致故障不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，使該系統(tǒng)失去存在的意義。故障初期，其相應(yīng)特征并沒有展現(xiàn)出來，且頻率與基波頻率大體一致，因此A/D 轉(zhuǎn)換器精確度必須達(dá)到一定程度，才能準(zhǔn)確了解電動(dòng)機(jī)運(yùn)行有無異常。按照上述分析結(jié)果，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，該系統(tǒng)選擇AD7656。

AD7656 主要性能特點(diǎn)如下：運(yùn)行通道多（6 個(gè)）、集成程度高、低功耗。每個(gè)通道的采樣率均為250kSPS，其內(nèi)安裝有基準(zhǔn)電壓源以及基準(zhǔn)緩沖器。片內(nèi)放大器具有噪聲小、寬幅采樣等特點(diǎn)。其接口齊全，串口、并口均有，均可使MCU 及DSP 接收到有效信號(hào)。

3.4 鎖相倍頻電路

為有效跟蹤電網(wǎng)頻率，此次實(shí)現(xiàn)了鎖相倍頻電路，不僅如此，它還能夠給A/D 轉(zhuǎn)換電路帶來觸發(fā)信號(hào)，如圖2所示。該電路主要有低通濾波器、壓控振蕩器、相位比較器三個(gè)部分。

圖2 鎖相倍頻電路

鎖相環(huán)電路應(yīng)選取CD4046，分頻器應(yīng)采用12 位二進(jìn)制CD4040。將CD4040 當(dāng)作增量計(jì)數(shù)器，根據(jù)Q1,Q2,…,Q12輸出情況可判斷脈沖數(shù)，該電路輸出Q1 ～Q9，檢測(cè)輸出脈沖為512 次。

4 結(jié)束語

文章探究了異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)對(duì)其運(yùn)行階段常見故障的分析，讓故障形成初期就能得到有效檢測(cè)，同時(shí)判斷具體類型。通過現(xiàn)代傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)籠型異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并可采集與調(diào)控相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提高了異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。