基于MCA技術(shù)的三相異步電機(jī)故障

肖海紅 王宜澤 王樹(shù)朝

摘 要：三相異步電機(jī)故障在線監(jiān)控能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀況，保護(hù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。本文描述了電機(jī)在線監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案，給出了基于MCA技術(shù)電機(jī)故障監(jiān)控依據(jù)及終端設(shè)計(jì)原理。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方法能夠判斷定子或轉(zhuǎn)子故障，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三相電機(jī)；故障監(jiān)測(cè)；終端；MCA技術(shù)

引言

三相異步電動(dòng)機(jī)的繞組是電動(dòng)機(jī)的組成部分，電機(jī)繞組故障會(huì)造成電能損耗。美國(guó)電力研究學(xué)會(huì)（EPRI）關(guān)于電機(jī)的研究報(bào)告稱：電機(jī)故障約有53%源于機(jī)械原因，約47%源于電氣原因，其中，如匝間、相間短路等出現(xiàn)在定子繞組的故障約占37%[1]。因此，針對(duì)電機(jī)故障電氣故障檢測(cè)一直是工程師們研究的熱點(diǎn)。在電機(jī)電氣故障檢測(cè)中，常采動(dòng)態(tài)電氣電參數(shù)測(cè)量[2-3]和靜態(tài)線路參數(shù)測(cè)量方法[4]。這兩種測(cè)量方法在電機(jī)檢測(cè)中，采用以往常規(guī)的電氣檢測(cè)方法只能進(jìn)行絕緣、阻值、效率、電壓是否平衡等基本電氣故障檢測(cè)，對(duì)部分阻值變化微弱的早期匝間短路，阻抗和相角不平衡產(chǎn)生的三相不平衡，定子故障等都無(wú)能無(wú)力。而且這些方法不能判斷出故障的嚴(yán)重程度，更不能判定故障出現(xiàn)的部位[1]。

電特性檢測(cè)對(duì)匝間、層間、相間短路的可靠檢出，并能判斷故障源于定子還是轉(zhuǎn)子的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)被人們所關(guān)注。美國(guó)BJM（桑美）公司以此為基礎(chǔ)推出用于電特性檢測(cè)的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等一系列檢測(cè)設(shè)備，并將這種檢測(cè)方法統(tǒng)稱為MCA技術(shù)[1]。

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程故障監(jiān)測(cè)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控具有重要意義，而基于電特性技術(shù)檢測(cè)的檢測(cè)儀研制，能夠確保電機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行，并保護(hù)電力系統(tǒng)。

綜上所述，設(shè)計(jì)一種基于電特性電機(jī)故障檢測(cè)儀對(duì)電機(jī)故障檢測(cè)具有實(shí)際意義。

1 故障檢測(cè)原理及終端總體設(shè)計(jì)

1.1 電特性測(cè)試故障評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

電特性檢測(cè)核心是測(cè)量?jī)上嘀g電阻、電感、阻抗、相角；分析各參數(shù)搭配情況，判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。IEEE通過(guò)15年的測(cè)試數(shù)據(jù)考核得到電機(jī)故障評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[5-6]。

表中數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)量?jī)上嘀g數(shù)據(jù)，求得偏移量進(jìn)行比較。當(dāng)電感L和阻抗Z保持“平行關(guān)系”時(shí)，三相不平衡的原因來(lái)自轉(zhuǎn)子；當(dāng)電感L和阻抗Z不是“平行關(guān)系”時(shí)，三相不平衡的原因多來(lái)自定子繞組的過(guò)熱或污染。

電特性參數(shù)的測(cè)量采用交流電歐姆定律公式。

從上述公式可以看出，只要測(cè)量?jī)上嚅g電流、電壓功率和頻率，就可以得到電感、阻抗。

1.2 電特性測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)

根據(jù)電特性故障判斷標(biāo)準(zhǔn)，本監(jiān)測(cè)終端主要由電壓、電流取樣電路和頻率測(cè)量電路以及單片機(jī)電路等組成，監(jiān)測(cè)終端總體框圖如圖1所示。

相電壓取樣電路采用電壓互感器分別取樣UV、VW、WU之間電壓數(shù)據(jù)；電流取樣電路采用電流互感器取樣三相電流信號(hào)。電壓、電流信號(hào)經(jīng)放大、濾波電路送AD7656，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。鎖相環(huán)用以將一個(gè)正弦周期等分為64份，一個(gè)正弦周期輸出64個(gè)脈沖，中斷單片機(jī)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。STM32單片機(jī)通過(guò)FFT變換原理、歐姆定律，計(jì)算出電壓、電流、功率、阻抗和電感。

頻率測(cè)量采用脈寬填數(shù)原理，計(jì)算出交流電頻率。按鍵電路等其他輔助電路用以完成該終端其他功能。

2 故障檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

三相電機(jī)監(jiān)測(cè)終端硬件電路主要由電壓取樣、電流取樣、AD轉(zhuǎn)換電路、頻率測(cè)量電路組成，本文將重點(diǎn)介紹以上電路，其他電路采用經(jīng)典電路[7、8]。

2.1 電壓、電流取樣電路

根據(jù)電特性參數(shù)測(cè)試特點(diǎn)，電流取樣電路如圖2，電壓取樣采用將電壓轉(zhuǎn)換為電流方式，用同樣電路圖進(jìn)行電壓取樣。

電流互感器采用高準(zhǔn)確度、寬量程CT，在額定輸入為5A時(shí)，電流互感器輸出10mA。電流互感器串接100Ω電阻進(jìn)行電流電壓變換，使得額定電壓輸出為1V，在經(jīng)過(guò)后面的電壓跟隨與放大電路后，讓輸入到后面A/D的信號(hào)為4V。以使系統(tǒng)能夠受到電流120%額定電流的沖擊。

電壓互感器的制作工藝復(fù)雜成本較高，本測(cè)量終端的電壓互取樣電路采用電阻與電流互感器原邊串聯(lián)，提供10mA電流，用電流互感器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行取樣，原理圖同電流取樣。

2.2 AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路

AD轉(zhuǎn)換器采用16位、高速、低功耗、6通道同時(shí)采樣的AD7606，與單片機(jī)接口電路如圖3所示。

AD7606的數(shù)據(jù)線DB0～DB15分別連接對(duì)應(yīng)的FSMC數(shù)據(jù)線，片選信號(hào)分別接到FSMC接口片選信號(hào)PG9_FSMC_NE2。

AD7606的BUSY引腳電平為高時(shí)表示AD正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變低表示轉(zhuǎn)換完成。將BUSY引腳接到STM32的外部中斷引腳并配置為下降沿觸發(fā)。OS[0..2]為過(guò)采樣配置引腳，通過(guò)控制STM32相關(guān)GPIO的電平可以是AD7606工作在不同的過(guò)采樣狀態(tài)。

2.3 頻率測(cè)量電路

為準(zhǔn)確測(cè)量ω的大小，以求得準(zhǔn)確的角頻率，設(shè)計(jì)了頻率測(cè)量電路，頻率測(cè)量采用脈寬填數(shù)技術(shù)，電路如圖4所示。

電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器將正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，然后經(jīng)過(guò)74LS74進(jìn)行二分頻，將矩形波轉(zhuǎn)換為頻率為矩形波一半的方波信號(hào)。該方波信號(hào)的高低電平時(shí)間均為正弦波周期T.則該正弦波頻率為：

波形變換過(guò)程及由CPLD構(gòu)成的脈寬填數(shù)周期測(cè)量原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。

3 故障監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)故障監(jiān)測(cè)終端軟件由順序執(zhí)行的初始化、FFT運(yùn)算等組成，主流程圖如圖5所示。

圖5中，系統(tǒng)初始化完成AD轉(zhuǎn)換接口電路STM32PA扣配置、定時(shí)器設(shè)置、中斷配置等工作，以使單片機(jī)系統(tǒng)能夠正常工作。

初始化后，程序進(jìn)入等待啟動(dòng)AD命令，啟動(dòng)AD后，單片機(jī)等待AD轉(zhuǎn)換完畢，讀取數(shù)字信號(hào)，然后判斷是否完成64點(diǎn)采樣，若64點(diǎn)采樣完畢，則通過(guò)調(diào)用STM32內(nèi)嵌FFT變換程序，計(jì)算出相間電壓、電流有效值，并計(jì)算出有功功率及阻抗、電感等電特性量，然后判斷電機(jī)故障或正常運(yùn)行。

在程序運(yùn)行過(guò)程中，不斷檢測(cè)是否有按鍵命令或者上位機(jī)命令，若有相應(yīng)命令，則處理命令，然后繼續(xù)對(duì)電特性的不斷檢測(cè)及判斷；若無(wú)命令，則繼續(xù)連續(xù)檢測(cè)電機(jī)電特性參數(shù)。

4 監(jiān)測(cè)終端測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)表鄭州華特測(cè)控新技術(shù)有限公司的三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表WT-3030和T360三相電源對(duì)本監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行了對(duì)電壓、電流及功率的對(duì)比測(cè)試。表2為200V電壓、5A電流下功率對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

描述了基于MCA技術(shù)的電機(jī)故障監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)，該監(jiān)測(cè)終端能夠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行特性，判斷定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組故障。對(duì)保護(hù)電機(jī)正常運(yùn)行和保護(hù)電力系統(tǒng)具有一應(yīng)應(yīng)用價(jià)值。不足之處是本系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)倍頻電流的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院；2.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院）