智能電機(jī)溫升計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 巖，劉 飛，靳 越， 侯秀梅

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000）

智能電機(jī)溫升計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 巖，劉 飛，靳 越， 侯秀梅

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000）

作為一個(gè)重要的指標(biāo)，電機(jī)溫升對電機(jī)的安全運(yùn)行和壽命長短會產(chǎn)生非常重要的影響，因此廠家經(jīng)常會把電機(jī)溫升測試作為電機(jī)出廠試驗(yàn)的重要組成部分。近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能電機(jī)也相繼出現(xiàn)在各種生產(chǎn)實(shí)踐中。而溫升的在線監(jiān)測，就成為保障智能電機(jī)安全穩(wěn)定工作的重要手段。介紹了多種電機(jī)溫升的測試方法，同時(shí)根據(jù)定子電阻與其自身溫升的線性關(guān)系，重點(diǎn)研究用定子電阻在線監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)對智能電機(jī)定子繞組平均溫升的在線實(shí)時(shí)測試，并設(shè)計(jì)開發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)，詳細(xì)討論了系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。

電機(jī)溫升；電阻法；定子電阻；在線監(jiān)測

電機(jī)在運(yùn)行過程中，內(nèi)部進(jìn)行著相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換使一部分能量被有效地利用，而另一部分能量會因?yàn)楦鞣N情況轉(zhuǎn)變?yōu)閾p耗[1]。在各種損耗當(dāng)中，熱能是最終的轉(zhuǎn)化形式，而熱能的產(chǎn)生，會使電機(jī)的各個(gè)部分發(fā)熱，使他們的溫度高于周圍介質(zhì)的溫度。如果溫度超過允許的溫升，還會使絕緣材料迅速老化而損壞，縮短電機(jī)運(yùn)行壽命等問題。因此，為保證電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的溫升能夠控制在允許的溫度范圍內(nèi)，就需要對電機(jī)運(yùn)行的溫升變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，以便能夠及時(shí)采取措施避免電機(jī)故障。

近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，智能電機(jī)也不同程度的出現(xiàn)在了各種生產(chǎn)實(shí)踐過程中，而智能電機(jī)對于溫度的要求更為嚴(yán)格，因此，一套有效、完整的計(jì)算機(jī)溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)對于保證智能電機(jī)的可靠運(yùn)行就顯得尤為重要。

1 智能電機(jī)關(guān)鍵部位溫升在線監(jiān)測方法的介紹

利用有效的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用各種分析方法對故障信號進(jìn)行分析并利用特征數(shù)值判定故障種類，是保證電機(jī)安全運(yùn)行的主要手段。如果狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)生了異常的突變，就說明電機(jī)的狀態(tài)存在有一定的安全隱患，這樣就可以有效地指導(dǎo)維修技術(shù)人員采取一定的方式進(jìn)行檢查，以便減少或避免故障帶來的損失。

目前主流的測溫方式從所使用的傳感器與被測裝置的位置接觸關(guān)系來劃分，可分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩種形式[1]。

接觸式測溫是指通過設(shè)在測量點(diǎn)的溫度傳感元件直接感受來自溫度的變化產(chǎn)生相應(yīng)的物理參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)溫度的測量，有示溫片測溫法、熱電偶間接測溫法、集成溫度傳感器測溫法等；非接觸式測溫法主要是通過熱輻射原理來實(shí)現(xiàn)溫度測量的，測溫元件無需與被測介質(zhì)直接接觸，典型方法有紅外傳感器測溫法、光纖溫度傳感器測溫法等。兩種測量方式各有優(yōu)點(diǎn)：接觸式的優(yōu)點(diǎn)是傳感器成本低、安裝簡單，測量精度高且可靠性強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，同時(shí)不能夠工作在高溫、強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場的環(huán)境條件下；而非接觸式測溫的優(yōu)點(diǎn)在于接收器可遠(yuǎn)離測量點(diǎn)，有效解決了高壓隔離以及傳感器材料不耐高溫的問題，測溫速度較快，不會影響被測物體的溫度場，缺點(diǎn)是測量效果受到物體的反射、被測對象到測量設(shè)備之間的距離、煙塵和水汽等其他外界環(huán)境因素的影響，一般測溫的誤差較大。

2 智能電機(jī)溫度采集方式分析及在線監(jiān)測硬件介紹

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測控技術(shù)越來越多的在電機(jī)測試領(lǐng)域采用。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測控技術(shù)對電機(jī)的溫升情況進(jìn)行檢測，一方面可以簡化電路，提高測試精度和可靠性，顯著增強(qiáng)測控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度；另一方面還可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級換代等。

針對以上的分析，本文采用熒光光纖溫度傳感方式來對電機(jī)的溫升信息進(jìn)行收集。熒光測溫的物理背景源于兩個(gè)相近的激發(fā)態(tài)能級之間的熱平衡，當(dāng)表征熒光材料特征的某一參數(shù)受溫度影響明顯，而且關(guān)系單調(diào)，那么就可以利用這種線性關(guān)系間接地進(jìn)行溫度測量。

熒光光纖溫度傳感器分為熒光強(qiáng)度型光纖溫度傳感器、熒光強(qiáng)度式光纖溫度傳感器、熒光壽命型光纖溫度傳感器三種。其中，熒光壽命型光纖溫度傳感器利用熒光余輝的衰敗時(shí)間受溫度調(diào)制且單調(diào)，同時(shí)它不受激勵(lì)光源強(qiáng)度的變化、光纖傳輸效率、耦合程度的變化影響，與其他類型的光纖熒光測溫法，如熒光光強(qiáng)測溫法、熒光光強(qiáng)強(qiáng)度比測溫法相比，在測溫原理和實(shí)現(xiàn)上有一定的優(yōu)越性，因此本文選用此法進(jìn)行測量[2]。

電機(jī)溫升計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括了溫度的采集單元，它要實(shí)現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化處理，數(shù)據(jù)的傳輸。具體可以分為以下幾個(gè)模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

傳感部分采用的是熒光溫度測量的原理，具有抗電磁干抗、體積小、測量安全、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離被測物、高壓隔離的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊就負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)光觸發(fā)信號，將表征熒光余輝時(shí)間常數(shù)的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，接著將其進(jìn)行放大和濾波等預(yù)處理，隨后將得到的信號傳送給數(shù)據(jù)處理單元。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

從傳感器端收集來的數(shù)據(jù)要傳送給數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。處理的第一步就是將收集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，這一部分功能由A/D轉(zhuǎn)換器來完成，轉(zhuǎn)換后的信號傳送給數(shù)據(jù)處理模塊的MCU，在MCU當(dāng)中，內(nèi)置一定的算法（本例中采取的是FFT算法），將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙碚鞅粶y物溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的存儲器。

（3）數(shù)據(jù)的傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸目前大多采用兩種基本方式：一種為有線傳輸，另一種采用無線傳輸。有線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是局域網(wǎng)安全性高、速度快，缺點(diǎn)是有效范圍較小。無線傳輸范圍廣，但技術(shù)相對復(fù)雜，安全性較差，維護(hù)成本較高。因?yàn)橹悄茈姍C(jī)所在地的范圍不會太廣，因此，本系統(tǒng)采用有線傳輸方式來完成數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3 智能電機(jī)溫度在線監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的軟件編程工具是Borland公司推出的C++Builder6.0。該語言語法靈活簡潔，執(zhí)行效率高，同時(shí)簡單易用，穩(wěn)定可靠，是Windows平臺下最好的C++開發(fā)平臺之一。

作為智能電機(jī)溫升檢測軟件，主要完成的功能應(yīng)具備：（1）自動(dòng)測試

根據(jù)熒光光纖溫度傳感器的工作原理，該軟件要能夠按照指定的測試周期，間隔進(jìn)行周而復(fù)始的測試過程，以便于得到時(shí)電機(jī)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化的全過程。

（2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示方式主要有兩種：一種是LCD顯示，一種是數(shù)據(jù)傳送至中央處理中心后的集中顯示。對于LCD顯示，主要的要求是準(zhǔn)確、快速，而對于中央處理中心的數(shù)據(jù)顯示，具體要求是方便、直觀，因此要增加被測對象各種表征參數(shù)的圖形實(shí)時(shí)顯示。

（3）數(shù)據(jù)計(jì)算處理部分

本系統(tǒng)的熒光壽命測量方法利用周期激勵(lì)信號產(chǎn)生周期的熒光信號，采用高速、靈敏的電子器件對余輝信號進(jìn)行采樣，通過一定的處理排除不利信號的干擾，同時(shí)還要在數(shù)據(jù)計(jì)算處理部分對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求值，主要的方法本例采用FFT方法。

FFT方法[3]的指導(dǎo)思想是：根據(jù)熒光信號為指數(shù)衰減號的特點(diǎn)，首先對這種信號進(jìn)行FFT變換，然后從變換后的非零次頻譜項(xiàng)中計(jì)算出熒光壽命[2]。在激勵(lì)停止后，熒光輻射按照指數(shù)規(guī)律衰減的時(shí)間常數(shù)稱為熒光壽命，熒光壽命是溫度T的函數(shù)。FFT方法以快速傅氏變換結(jié)果作切入點(diǎn)，利用非零項(xiàng)相位角的正切值求出熒光壽命，具有誤差小、速度快、不受外界影響等優(yōu)點(diǎn)。

（4）數(shù)據(jù)查詢功能

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)保存有相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)可以查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)當(dāng)天測得的溫度數(shù)值以及報(bào)警參數(shù)的設(shè)置。同時(shí)，系統(tǒng)還要具備相應(yīng)打印功能。

（5）系統(tǒng)安全功能

系統(tǒng)對操作人員進(jìn)行分級處理，并設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限，以保證系統(tǒng)的安全性。

軟件總體結(jié)構(gòu)還設(shè)置了相應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)器，以便有效地完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的有效性。

4 結(jié)語

在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能是利用各種數(shù)據(jù)采集方式來實(shí)時(shí)采集電器設(shè)備運(yùn)行過程中周圍環(huán)境的各種信息（如溫度、濕度、壓力等），以便于隨時(shí)掌握電器設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)的判別，如有異常，及時(shí)報(bào)警。因此在線監(jiān)測單元的任務(wù)是確保智能電機(jī)本身可靠運(yùn)行的重要手段。

本文論述了采用光纖溫度傳感器構(gòu)建測溫方式的電機(jī)溫升測試方式，并介紹相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，對生產(chǎn)實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1] 邱林.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站電器溫升監(jiān)測技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012：6-8.

[2] 魏學(xué)飛.電機(jī)溫升的計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測[D].杭州：浙江大學(xué)，2009: 3-5.

[3] 陳振生.智能化高壓電器溫升的在線監(jiān)測[J].電工技術(shù)雜志，2002（5）：14-16.

Design of computermonitoring system for intelligentmotor temperature rising

LIYan,LIU Fei,JIN Yue,HOU Xiu-mei
(Department ofElectronic,Zhangjiakou VocationalCollege of Technology,Zhangjiakou Heibei075000,China)

As an important indicator,the temperature rising is of great importance for motor's safely running and the longevity of isolation;so that motor's temperature rising test turns out to be a significant part before leaving factory.In recent years,with the rapid development of power electronics technology,intelligent motor have also appeared in various production practices.The online monitoring of temperature rise becomes an important means to safeguard the security and stability of the work of intelligent motor. Many kinds of test methods for a variety of motor temperature rise were introduced.According to the relationship between the stator resistance and self temperature rise,the online real-time average temperature rising of the intelligent motor stator windings was tested by the stator resistance with online monitor.The computer automated test system based on data acquisition card was designed, and the composition of hardware and the design of software were discussed.

motor’s temperature rising;resistor method;stator resistor;online test

TM 306

A

1002-087 X(2013)11-2053-02

2013-04-16

李巖（1979—），男，河北省人，講師，工程碩士，主要研究方向?yàn)殡娮有畔?，自?dòng)控制，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。