基于無感線圈應(yīng)用于電機(jī)在線檢測和監(jiān)控的探究

潘柏根,趙云峰,張 俊,張 興,單軍寶,楊 剛,何微波

(安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城 242500)

0 引 言

無感線圈作為傳感器，在工業(yè)應(yīng)用上越來越廣泛。本文在電機(jī)溫升試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，嘗試采用無感線圈作為傳感器對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的繞組溫度進(jìn)行在線精準(zhǔn)直測。為了得到電機(jī)溫升值，再通過對(duì)試驗(yàn)過程中的冷態(tài)和熱態(tài)環(huán)境溫度進(jìn)行測量，就可準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)的溫升值。為了對(duì)電機(jī)過溫保護(hù)，將無感線圈在線得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后輸?shù)竭^溫控制器中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)過溫保護(hù)。將來無感線圈在電機(jī)試驗(yàn)和監(jiān)控方面得到廣泛應(yīng)用，不僅有利于電機(jī)安全使用，也為最終使用者節(jié)省大量的維護(hù)成本。

1 無感線圈的在線測溫及電機(jī)溫升值測量工作原理

1.1 在線測溫工作原理

根據(jù)無感線圈的電阻值隨溫度變化來測量電機(jī)繞組溫度。為了使無感線圈測得的溫度就是電機(jī)繞組溫度，將做好的無感線圈與電機(jī)繞組綁在一起嵌入鐵芯槽中。通過電阻測試儀在線測量無感線圈的電阻值，再根據(jù)電機(jī)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T1032-2012中的換算公式(1)可以準(zhǔn)確算出無感線圈測點(diǎn)處的溫度，即對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)刻測點(diǎn)處的電機(jī)繞組溫度。

(1)

式中，θ1為測點(diǎn)無感線圈溫度，單位：℃；Rt為測點(diǎn)無感線圈電阻，單位：Ω；θe為冷態(tài)環(huán)境，單位：℃；K1為銅質(zhì)導(dǎo)體材料在0℃時(shí)導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)235。

1.2 電機(jī)溫升值測量工作原理

根據(jù)GB / T1032-2012標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)試驗(yàn)方法，首先試驗(yàn)前測出無感線圈的冷態(tài)電阻和相應(yīng)的冷態(tài)環(huán)境溫度。通過1.1中在線測量電機(jī)繞組溫度的方法，電機(jī)熱試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的一組電機(jī)繞組溫度及熱態(tài)環(huán)境溫度，并算得電機(jī)繞組在熱試驗(yàn)時(shí)的最高溫度。再根據(jù)電機(jī)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB / T1032-2012中的溫升公式可以準(zhǔn)確算出電機(jī)的溫升值為

(2)

式中，Δθ為電機(jī)溫升值，單位：K；Rn為穩(wěn)態(tài)時(shí)無感線圈電阻，單位：Ω；Rc為熱試驗(yàn)開始前測得的冷態(tài)繞組電阻，單位：Ω；θb為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷態(tài)介質(zhì)溫度，單位：℃；θc為冷態(tài)環(huán)境溫度, 單位：℃；K1為銅質(zhì)導(dǎo)體材料在0℃時(shí)導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，取235。

2 無感線圈應(yīng)用于電機(jī)溫度測量的可行性

從測量的可行性來說，由于電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，三相交流電機(jī)繞組中存在旋轉(zhuǎn)磁場。無感線圈是一根經(jīng)過多次對(duì)折的銅導(dǎo)線，在電機(jī)鐵芯槽中一定受到磁場線的切割。根據(jù)物理電磁原理可知，無感線圈的兩端是存在一定的電勢。這樣對(duì)于用弱電路的電阻測試儀器來說可能就無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，電勢過高可能將其損壞。如果電勢高于安全電壓，在不知情的情況下會(huì)造成人身安全問題。因此，使用無感線圈時(shí)必須做到：安全要有保障，測量數(shù)據(jù)要可靠。

2.1 無感線圈制作

這種無感線圈制作比較簡單，就地取材即可。電機(jī)生產(chǎn)廠家在根據(jù)電機(jī)型號(hào)可以取一段直徑不低于1 mm的電機(jī)繞組漆包線，將其對(duì)折1～3次，然后在兩端分別接兩根引出線。最后，用絕緣蠟管將無感線圈部分全部套起來,如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)測溫，必須將其放入恒溫室測取基準(zhǔn)溫度及對(duì)應(yīng)的無感線圈的電阻值，作為電機(jī)出廠數(shù)據(jù)之一。

圖1 無感線圈示意圖

2.2 在電機(jī)中埋置無感線圈

在Solidworks軟件中建立電機(jī)定子模型，如圖2所示，定子槽內(nèi)沿著軸線方向，在定子繞組線包上放置無感電阻，無感電阻長度與定子鐵心長度相等，出線端通過4根導(dǎo)線引出，這樣利用電橋測量時(shí)，利用四線法原理消除引出線自身電阻的影響。

圖2 無感線圈埋置圖

2.3 無感線圈埋置不干擾電機(jī)本身性能

無感線圈與電機(jī)繞組一同嵌入鐵芯槽中，必須考慮它對(duì)電機(jī)電磁性能有沒有影響。當(dāng)無感線圈太粗和不平整會(huì)對(duì)電機(jī)磁場有一定影響，可能造成電機(jī)運(yùn)行性能降低。因此，無感線圈在制作時(shí)，盡量采用線徑很小(一般取線徑1 mm)的漆包線。為了避免造成電機(jī)繞組的磁場出現(xiàn)突變，無感線圈要平整且折疊長度要略長于鐵芯的長度。

2.4 無感線圈的使用安全

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，無感線圈兩端相對(duì)地的電壓通常不為零，一般可以根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算的。由于無感線圈的兩端的電勢相同，所以其兩端電壓為零。電阻測試儀進(jìn)行在線測量無感線圈的電阻，使用安全和其電阻測量準(zhǔn)確可靠。無感線圈兩端對(duì)地電壓是存在的。通常在小功率電機(jī)中無感線圈兩端對(duì)地電壓較低，在大功率電機(jī)中無感線圈兩端對(duì)地電壓較高。

Eg=BLv

(3)

式中，Eg為無感線圈端部產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，單位：V；B為電動(dòng)機(jī)通電時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度大小，單位：T；L為無感線圈的有效長度，一般取電機(jī)的鐵心長度,單位：m；v為旋轉(zhuǎn)磁場的線速度，單位：m/s。

2.5 在Maxwell ansoft建立電機(jī)模型

利用Maxwell中RMxprt模塊建立3 kW的YX3-112M-4電機(jī)仿真模型，定子繞線圖如圖3所示，經(jīng)型式實(shí)驗(yàn)測定，該電機(jī)雜散損耗為42 W，機(jī)械摩擦損耗為16 W，鐵耗為97 W,其中，仿真過程中電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速不能高于同步轉(zhuǎn)速，取初始轉(zhuǎn)速為1430 r/min。定子的長度為120 mm，外徑和內(nèi)徑分別為160 mm和120 mm，槽數(shù)取36，且為梨型槽，扇形分瓣數(shù)為1。在轉(zhuǎn)子部分，內(nèi)外徑分別取38 mm和102 mm，槽數(shù)為32，為消除氣隙中的高次諧波成分，將斜槽數(shù)設(shè)置為1。仿真參數(shù)設(shè)置中，電機(jī)的負(fù)載類型取恒功率負(fù)載形式，電機(jī)的額定輸出功率為3 kW,額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速1430 r/min，采用星型連接方式。

圖3 電機(jī)定子繞線圖

2.6 在Maxwell ansoft中進(jìn)行仿真分析

在建立的YX3-112M-4模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建Maxwell2D分析模型，求解設(shè)置中選取恒定功率的加載方式，轉(zhuǎn)速為1430 r/min，額定電壓為380 V，仿真時(shí)間設(shè)定為0.2 s，仿真步長為0.001。

在仿真0.2 s時(shí)，磁力線分布如圖4所示，定子中的交變電流在電機(jī)中產(chǎn)生交變的磁場，由于在轉(zhuǎn)子軸上的磁密很低，在仿真中將轉(zhuǎn)軸設(shè)置為不導(dǎo)磁材料，因此，磁力線從定子進(jìn)入氣隙，從氣隙中進(jìn)入轉(zhuǎn)子的硅鋼片，轉(zhuǎn)子中的鑄鋁導(dǎo)條在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生安培力，使電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5顯示了電機(jī)在瞬態(tài)場中的磁密云分布情況，從仿真結(jié)果中得出最大磁場強(qiáng)度為2.922特斯拉，由此可以得出埋置的無感線圈的定子槽中磁場強(qiáng)度小于等于2.922特斯拉，根據(jù)公式(3)，計(jì)算得出無感線圈對(duì)地電壓約為4.2 V。

圖4 磁場矢量圖

圖5 磁場磁密圖

2.7 無感線圈的電阻測量的可靠性

由于在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，無感線圈的兩端電勢是在不斷變化，但無感線圈兩端之間電壓始終為零，即無感線圈內(nèi)部不存在感應(yīng)電流。所以在電機(jī)運(yùn)行的情況下，用弱電路的電阻測試儀是完全不受影響地測量出無感線圈的電阻。原因是對(duì)無感線圈在線測量時(shí)，僅有電阻測試儀上的微弱電流流過無感線圈的。

3 型式試驗(yàn)對(duì)比

表1 三相異步電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)熱試驗(yàn)原始記錄

3.1 型式試驗(yàn)

按照2.1節(jié)無感線圈的制作過程制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)埋置一個(gè)無感線圈和一個(gè)PT100，對(duì)安裝完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行型式試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以恒定功率加載直至達(dá)到額定負(fù)載，實(shí)驗(yàn)開始前測量冷態(tài)無感電阻的阻值、三相異步電機(jī)三相繞組的阻值、環(huán)境溫度。利用某公司的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。根據(jù)GB1032-2012中規(guī)定，依據(jù)PT100測取溫度值在半個(gè)小時(shí)內(nèi)繞組溫度變化不超過1 K時(shí)，電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。依據(jù)現(xiàn)在普遍使用的電阻法要求，停機(jī)后測取停機(jī)50～80 s后繞組數(shù)據(jù),利用讀取的數(shù)據(jù)反推停機(jī)零秒時(shí)的電阻，如圖6所示。反推原理在GB1032-2012中有詳細(xì)敘述，此處不再贅述。根據(jù)GB1032-2012中電阻變化與溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系式(2)，得到該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)熱試驗(yàn)的溫升值為66.4 K。

圖6 反推電機(jī)繞組停機(jī)時(shí)零秒電阻

由PT100判斷電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，因此最后一點(diǎn)測點(diǎn)溫度值在127 s讀取。結(jié)合無感線圈實(shí)時(shí)測量電機(jī)繞組溫度表2，利用式(2)可以在不停機(jī)的狀態(tài)下測取電機(jī)的溫升值為66.57 K。

表2 利用無感線圈實(shí)時(shí)測量電機(jī)繞組溫度表

3.2 型式試驗(yàn)結(jié)果分析

在型式試驗(yàn)中，電阻法測得的電機(jī)熱試驗(yàn)平衡時(shí)的溫升66.4 K，相應(yīng)的利用無感線圈測得溫升值為66.57 K，兩種實(shí)驗(yàn)方法測得結(jié)果誤差在±5%內(nèi)，說明無感線圈測取電機(jī)繞組實(shí)時(shí)溫度和穩(wěn)態(tài)溫升值的有效性。

4 無感線圈應(yīng)用電機(jī)溫升測量和過溫保護(hù)的不足之處

無感線圈必須預(yù)先同繞組一起嵌入電機(jī)鐵芯槽中，可能為繞組嵌線帶來困難。目前，還沒有一款直接將無感線圈的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值的儀表。因此，無感線圈應(yīng)用電機(jī)溫升測量還需要各電機(jī)生產(chǎn)廠家的大力推廣和相應(yīng)的儀表廠協(xié)同生產(chǎn)這種測溫儀表。

5 結(jié) 語

無感線圈必須預(yù)先同繞組一起嵌入電機(jī)鐵芯槽中，才能準(zhǔn)確測量電機(jī)繞組溫度。再次，無感線圈固定在電機(jī)鐵芯槽里，測量值穩(wěn)定可靠。無感線圈的線徑盡量較小，其電阻就較大。電阻越大，對(duì)溫度的計(jì)算值就較準(zhǔn)確。該方式測量準(zhǔn)確度和可靠性要高于目前的標(biāo)準(zhǔn)中的測量方法，并且能夠彌補(bǔ)斷電測量電機(jī)繞組溫度的缺陷。