基于單片機的交流電機故障識別

甘宏源，張振國，冀學斗，于洋

（西南石油大學，四川 成都 610500）

基于單片機的交流電機故障識別

甘宏源，張振國，冀學斗，于洋

（西南石油大學，四川 成都 610500）

外界環(huán)境的變化會使電動機的工作狀態(tài)受到不同程度的影響，造成電動機內(nèi)部或外部控制設(shè)備等產(chǎn)生故障，如電動機卡死、過載、開路等。本文設(shè)計的基于單片機的交流電機故障識別系統(tǒng)利用霍爾電流傳感器對兩相交流電動機電流進行檢測，經(jīng)信號放大、整流后，經(jīng)單片機AD轉(zhuǎn)換，由定標函數(shù)獲得交流電流值。當電流達到故障閾值時發(fā)出報警，特殊情況下可自動斷開電動機電源，保證設(shè)備安全。

單片機；交流電機；故障識別；霍爾電流傳感器

0 引言

設(shè)備是否安全有效的工作，直接影響著人們生產(chǎn)與生活。如戶外的通信、光電、電源控制箱、水井泵等，地處偏遠，監(jiān)管難度大，難以及時發(fā)現(xiàn)故障。

目前市場上存在的配套、成熟的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要是面向高端設(shè)備。由于民用設(shè)備的電動機成本只有幾百元到幾千元，因此，在民用設(shè)備上并沒有配套的智能監(jiān)控系統(tǒng)。電動機一旦發(fā)生異常，會引起很大的經(jīng)濟損失。

圖1

Mariana Iorgulescu等人在基于振動頻譜和電流分析的直流電動機故障診斷研究中，對電機振動及定子電流進行測量、分析來診斷電動機故障，對電動機早期故障的識別取得了良好效果。但其適用于大型動力設(shè)備的監(jiān)控，價格昂貴。本文在其理論基礎(chǔ)上，利用單片機（圖1）對電流測量與分析，實現(xiàn)對民用交流電動機簡單故障的識別，減少人工監(jiān)管，及時提示故障，降低由電動機故障引起的經(jīng)濟損失。具有重量輕、體積小、價格低廉、安裝簡便、性能可靠等優(yōu)點。

1 電動機故障特性

本文通過對電動機電流監(jiān)測，分析其電流特征來實現(xiàn)對電機故障的診斷。因此我們對故障電機的電流特性做了如下研究。

電動機卡死電流特性：轉(zhuǎn)子卡死，相當于嚴重過載，載荷達到最大，電動機的電壓仍為額定的電壓,但是電流急劇增大。在電動機啟動時，電流也會遠遠高于正常電流，啟動完成后，電流會逐步下降到正常范圍。設(shè)定一個卡死的電流閥值時需要考慮啟動特性，避免誤判。當單片機持續(xù)檢測到設(shè)備中電流達到此閥值，就可以認定設(shè)備發(fā)生卡死。

電動機空載電流特性：設(shè)備空載，功率低、電流低，一般在額定電壓下，正常的電動機空載電流約為額定電流的20%～50%，空載損耗約為額定功率的3%～8%。電動機的電流會明顯低于正常工作時電流。在單片機內(nèi)部設(shè)定電流空載范圍，當電流出現(xiàn)在此范圍內(nèi)，判定出現(xiàn)空載的工況。

電動機過載電流特性：電動機在正常情況下，總能維持負載轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之間的平衡，但當負載轉(zhuǎn)矩過大，超過額定轉(zhuǎn)矩時，電動機只能繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的提高會使電流升高，嚴重時燒壞電動機。當檢測到電流超過正常工作電流一定范圍并持續(xù)，就可以判定為過載。

電動機開路電流特性：造成電動機開路的原因有很多，比如：焊接不牢、焊點脫落、接線不牢、電動機被盜等。當發(fā)生斷路時，電路中無電流，設(shè)備不能正常接通。單片機檢測到設(shè)備電流為零，判定為開路。

表1 集成霍爾電流傳感器定標數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)包含霍爾電流傳感器、運算放大電路、精密整流電路、單片機系統(tǒng)及繼電器電路，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

將霍爾傳感器與電動機串聯(lián)，檢測交流電流并轉(zhuǎn)化為交流電壓信號，經(jīng)運算放大電路將電壓信號放大，由精密整流電路轉(zhuǎn)換為線性直流電壓，再輸入單片機AD轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機進行計算、分析。

單片機采集最近的多組數(shù)據(jù)進行處理，得到電流變化趨勢，并結(jié)合故障閾值綜合判斷電動機的工作狀態(tài)是否正常，當判斷為異常狀態(tài)時，發(fā)出報警，必要情況下，可以在報警的同時控制繼電器自動切斷電源，保證設(shè)備安全。

2.1 交流電動機電流檢測

集成霍爾電流傳感器（ACS712）將電路中的交流電流信號轉(zhuǎn)化為交流電壓信號。經(jīng)集成霍爾傳感器輸出的交流電壓信號不能通過單片機直接采集，需要經(jīng)過放大整流為直流電壓信號，運算放大電路將集成霍爾傳感器輸出的交流電壓信號放大，經(jīng)過精密整流電路輸出為直流電壓信號，通過單片機AD轉(zhuǎn)換，由定標函數(shù)計算出電路中的電流值。本文采用ICC AVR編程軟件對ATmega16單片機進行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件分析與控制。

2.2 交流電流信號定標

定標測試中，采用了一個功率為200W的白熾燈，兩個功率為500W的電阻絲，一個800W的電阻絲。在實際的測試過程中，先將功率為200W的白熾燈接入測試電路，實測電路中電流為0.92A，輸出的電壓為192mV。然后通過開關(guān)控制接入電路中電阻絲和白熾燈的數(shù)量，將不同功率數(shù)量的電阻絲和白熾燈以不同的組合接入測試電路，得到的電流和電壓數(shù)據(jù)分別計入表格，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)電壓與電流呈線性關(guān)系（表1）。

擬合后的電壓電流定標函數(shù)如式（1）所示：

3 測試

在實驗室環(huán)境下對基于單片機的交流電機故障識別系統(tǒng)進行了測試。使用了一臺鼓風機作為被測對象，將故障識別系統(tǒng)接入鼓風機的工作電路中，鼓風機正常工作，保持正常工作狀態(tài)并設(shè)定為系統(tǒng)工作正常，將鼓風機出風口堵住，鼓風機工作異常，電流升高，單片機發(fā)出報警，提示設(shè)備發(fā)生過載。將設(shè)備關(guān)停，卡住鼓風機葉片，開啟設(shè)備后，單片機立即發(fā)出報警，提示設(shè)備卡死，并且主動切斷了設(shè)備電源，險情解除。將鼓風機電源斷開，再次啟動，單片機報警提示斷路。在測試設(shè)備空載時，將鼓風機出口堵住一部分，將此時狀態(tài)設(shè)定為正常工作狀態(tài)，此時將出風口清理干凈，鼓風機轉(zhuǎn)速提高，電流降低，電流出現(xiàn)空載特性，單片機發(fā)出報警，提示設(shè)備空載。

4 結(jié)論

通過實驗測試，基于單片機的交流電機故障識別系統(tǒng)可以有效識別出動力設(shè)備的工作狀態(tài)，當發(fā)生異常工況可以快速報警通知，當故障嚴重時可以自主切斷電源，極大的提高了設(shè)備的安全性。本系統(tǒng)適用于小型民用動力設(shè)備，具有成本低、安裝方便的特點，可以有效保護設(shè)備安全，減輕監(jiān)管負擔。

[1]Mariana Iorgulescu,Robert Beloiu. Study of DC Motor Diagnosis Based on the Vibration Spectrum and Current Analysis. IEEE. 10.1109/ICATE.2012.6403430,1～4.

[2]蔡澤祥，王振浩，王鄉(xiāng)，谷俊和.異步電動機故障電流分析及保護[J].繼電器，1994,(第3期).

[3]張霞明.基于電流檢測的三相異步電動機熱保護裝置的應(yīng)用研究[J].水電站機電技術(shù)，2016,(第5期).

TP368

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1671-0711（2016）11（上）-0095-02