基于PLC的交流異步電動機故障預(yù)估與保護系統(tǒng)設(shè)計

陳飛 馬劍

摘要：三相異步電動機工業(yè)生產(chǎn)中電能轉(zhuǎn)化為機械能的重要單元，為人類的進步和發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻。自變壓變頻技術(shù)和設(shè)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(chǎn)生活中來。雖然三相異步電動機價格相對低廉、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，但其工作的可靠性也慢慢進入到大家關(guān)注的視野。本文針對應(yīng)用最為廣泛的鼠籠型三相異步電動機，以工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)速、電機震動等運行參數(shù)的采集和判定，展開鼠籠型三相異步電動機的故障預(yù)估與保護系統(tǒng)的研究和設(shè)計，對電動機安全運行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：PLC;電機;故障預(yù)估與保護

電動機自問世以來就在社會生產(chǎn)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(zhuǎn)子類型又分為繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機和鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，后者因結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉而被廣泛應(yīng)用。伴隨著變壓變頻調(diào)速技術(shù)和設(shè)備的不斷成熟和發(fā)展，三相異步電動機幾乎全面進入到了人們的生產(chǎn)生活中來。對于企業(yè)而言系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定可靠才是最重要的指標(biāo)。但由于電源質(zhì)量、電機制造本身、維護保養(yǎng)等問題，三相異步電動機也頻繁出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)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(tǒng)計

電機故障主要分為電氣故障和機械故障，每種故障的發(fā)生都伴隨有相應(yīng)的運行參數(shù)異常變化。從上世紀(jì)60年代開始對于電機故障診斷技術(shù)的研究至今已經(jīng)有近60年的時間了。通過對大量的電機故障分析發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)子故障，氣隙故障，軸承故障等。

經(jīng)過調(diào)研和統(tǒng)計分析，鼠籠式三相異步電動機常見且對應(yīng)運行狀態(tài)參數(shù)可測的故障類型及危害統(tǒng)計如表1所示。

2 鼠籠型三相異步電動機故障預(yù)估與保護系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)上節(jié)所列故障類型和運行狀態(tài)參數(shù)表征可知，七類故障類型對應(yīng)到運行參數(shù)可分為：電壓、電流、溫度、振動和轉(zhuǎn)速。

2.1.1 溫度檢測

當(dāng)電機小幅過載時，電流達(dá)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(dāng)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(zhuǎn)換，當(dāng)輸入信號在0-10V之間變換時，對應(yīng)的模擬量寄存器內(nèi)的值將在0～32000之間。

2.1.2 轉(zhuǎn)速檢測

本文選用E3C-LS3R反射型光電傳感器作為電動機轉(zhuǎn)速檢測裝置，光電轉(zhuǎn)速傳感器是開關(guān)式傳感器的其中一種類型。其工作原理是利用光電轉(zhuǎn)速傳感器來測定電動機的轉(zhuǎn)速，在電動機轉(zhuǎn)軸上固定一個反光點，也可根據(jù)實際情況設(shè)定多個反光點。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動到設(shè)定好的反光點與光電傳感器對應(yīng)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(guān)量，將此開關(guān)量信號送到PLC，采用PLC的計數(shù)模塊進行計數(shù)，通過數(shù)據(jù)運算，以此求得電動機的轉(zhuǎn)速。

3鼠籠型三相異步電動機故障預(yù)估與保護程序設(shè)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(yù)估與保護程序設(shè)計。

電機運行過程中，PLC采集狀態(tài)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(fā)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(shè)定值時，發(fā)出轉(zhuǎn)速過高報警信號，電機立即停止。檢測到電壓低于設(shè)定值時，表示欠壓，發(fā)出報警信號。檢測到電機過熱時，發(fā)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(fā)出報警信號，電機立即停止。監(jiān)測到振動超出范圍時，發(fā)出轉(zhuǎn)子掃膛或結(jié)構(gòu)松動報警信號，電機立即停止。按下復(fù)位按鈕，故障信號指示燈復(fù)位。

4 結(jié)論

本文通過工業(yè)應(yīng)用成熟的PLC控制技術(shù)設(shè)計了鼠籠型三相異步電動機故障預(yù)估與保護系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)部分和軟件控制部分，實現(xiàn)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(tài)參數(shù)直接可測故障的預(yù)估和保護。具有一定的工業(yè)實用和推廣價值。但實際上電機故障種類遠(yuǎn)不止以上所述，故障表征也繁復(fù)紛雜，本文將繼續(xù)在電機故障預(yù)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(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019（05）：89+91.

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

[3]何朝陽.基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（27）：177-178.

（作者單位：新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院）