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摘 要:三相异步电机故障在线监控能够实时监测电机运行状况,保护电网的正常运行。本文描述了电机在线监控终端的设计方案,给出了基于MCA技术电机故障监控依据及终端设計原理。实践证明,该设计方法能够判断定子或转子故障,具有一定的应用价值。
关键词:三相电机;故障监测;终端;MCA技术
引言
三相异步电动机的绕组是电动机的组成部分,电机绕组故障会造成电能损耗。美国电力研究学会(EPRI)关于电机的研究报告称:电机故障约有53%源于机械原因,约47%源于电气原因,其中,如匝间、相间短路等出现在定子绕组的故障约占37%[1]。因此,针对电机故障电气故障检测一直是工程师们研究的热点。在电机电气故障检测中,常采动态电气电参数测量[2-3]和静态线路参数测量方法[4]。这两种测量方法在电机检测中,采用以往常规的电气检测方法只能进行绝缘、阻值、效率、电压是否平衡等基本电气故障检测,对部分阻值变化微弱的早期匝间短路,阻抗和相角不平衡产生的三相不平衡,定子故障等都无能无力。而且这些方法不能判断出故障的严重程度,更不能判定故障出现的部位[1]。
电特性检测对匝间、层间、相间短路的可靠检出,并能判断故障源于定子还是转子的强大优势被人们所关注。美国BJM(桑美)公司以此为基础推出用于电特性检测的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等一系列检测设备,并将这种检测方法统称为MCA技术[1]。
电机运行过程故障监测对电机运行状态监控具有重要意义,而基于电特性技术检测的检测仪研制,能够确保电机设备安全运行,并保护电力系统。
综上所述,设计一种基于电特性电机故障检测仪对电机故障检测具有实际意义。
1 故障检测原理及终端总体设计
1.1 电特性测试故障评判标准
电特性检测核心是测量两相之间电阻、电感、阻抗、相角;分析各参数搭配情况,判断电机运行状态。IEEE通过15年的测试数据考核得到电机故障评判标准,如表1所示[5-6]。
表中数据时测量两相之间数据,求得偏移量进行比较。当电感L和阻抗Z保持“平行关系”时,三相不平衡的原因来自转子;当电感L和阻抗Z不是“平行关系”时,三相不平衡的原因多来自定子绕组的过热或污染。
电特性参数的测量采用交流电欧姆定律公式。
从上述公式可以看出,只要测量两相间电流、电压功率和频率,就可以得到电感、阻抗。
1.2 电特性测试仪总体设计
根据电特性故障判断标准,本监测终端主要由电压、电流取样电路和频率测量电路以及单片机电路等组成,监测终端总体框图如图1所示。
相电压取样电路采用电压互感器分别取样UV、VW、WU之间电压数据;电流取样电路采用电流互感器取样三相电流信号。电压、电流信号经放大、滤波电路送AD7656,转换为数字信号。锁相环用以将一个正弦周期等分为64份,一个正弦周期输出64个脉冲,中断单片机,启动AD转换。STM32单片机通过FFT变换原理、欧姆定律,计算出电压、电流、功率、阻抗和电感。
频率测量采用脉宽填数原理,计算出交流电频率。按键电路等其他辅助电路用以完成该终端其他功能。
2 故障检测仪硬件设计
三相电机监测终端硬件电路主要由电压取样、电流取样、AD转换电路、频率测量电路组成,本文将重点介绍以上电路,其他电路采用经典电路[7、8]。
2.1 电压、电流取样电路
根据电特性参数测试特点,电流取样电路如图2,电压取样采用将电压转换为电流方式,用同样电路图进行电压取样。
电流互感器采用高准确度、宽量程CT,在额定输入为5A时,电流互感器输出10mA。电流互感器串接100Ω电阻进行电流电压变换,使得额定电压输出为1V,在经过后面的电压跟随与放大电路后,让输入到后面A/D的信号为4V。以使系统能够受到电流120%额定电流的冲击。
电压互感器的制作工艺复杂成本较高,本测量终端的电压互取样电路采用电阻与电流互感器原边串联,提供10mA电流,用电流互感器对电压信号进行取样,原理图同电流取样。
2.2 AD转换器与单片机接口电路
AD转换器采用16位、高速、低功耗、6通道同时采样的AD7606,与单片机接口电路如图3所示。
AD7606的数据线DB0~DB15分别连接对应的FSMC数据线,片选信号分别接到FSMC接口片选信号PG9_FSMC_NE2。
AD7606的BUSY引脚电平为高时表示AD正在进行转换,变低表示转换完成。将BUSY引脚接到STM32的外部中断引脚并配置为下降沿触发。OS[0..2]为过采样配置引脚,通过控制STM32相关GPIO的电平可以是AD7606工作在不同的过采样状态。
2.3 频率测量电路
为准确测量ω的大小,以求得准确的角频率,设计了频率测量电路,频率测量采用脉宽填数技术,电路如图4所示。
电压信号经过零比较器将正弦波转换为矩形波,然后经过74LS74进行二分频,将矩形波转换为频率为矩形波一半的方波信号。该方波信号的高低电平时间均为正弦波周期T.则该正弦波频率为:
波形变换过程及由CPLD构成的脉宽填数周期测量原理见参考文献[7]。
3 故障监测终端软件设计
电机故障监测终端软件由顺序执行的初始化、FFT运算等组成,主流程图如图5所示。
图5中,系统初始化完成AD转换接口电路STM32PA扣配置、定时器设置、中断配置等工作,以使单片机系统能够正常工作。
初始化后,程序进入等待启动AD命令,启动AD后,单片机等待AD转换完毕,读取数字信号,然后判断是否完成64点采样,若64点采样完毕,则通过调用STM32内嵌FFT变换程序,计算出相间电压、电流有效值,并计算出有功功率及阻抗、电感等电特性量,然后判断电机故障或正常运行。 在程序运行过程中,不断检测是否有按键命令或者上位机命令,若有相应命令,则处理命令,然后继续对电特性的不断检测及判断;若无命令,则继续连续检测电机电特性参数。
4 监测终端测试
在实验室条件下,采用标准表郑州华特测控新技术有限公司的三相多功能标准表WT-3030和T360三相电源对本监测终端进行了对电压、电流及功率的对比测试。表2为200V电压、5A电流下功率对比测试结果。
5 結语
描述了基于MCA技术的电机故障监测终端设计,该监测终端能够现场监测电机运行特性,判断定子绕组或转子绕组故障。对保护电机正常运行和保护电力系统具有一应应用价值。不足之处是本系统未能实现倍频电流的测量。
参考文献
[1]刘磊,董自虎.电特性检测在舰艇交流电机故障诊断中的应用[J].船电技术,2015,35(7):62-65.
[2]汪虎强,陈建政.三相电机电流检测系统的设计及实现[J].无线互联科技,2016,(3):63-65.
[3]李小庆,朱景伟,王健,等.永磁容错电机故障识别与检测方法[J].电机与控制应用,2015,42(1):61-66.
[4]才家刚,吴亚旗.电机试验技术及设备手册[M].北京:机械工业出版社,2011.
[5]Howard W Penros.Static motor circuit analysis:An introduction to theory and application [J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2000,4(16):6-10.
[6]汪平刚,张晓谨.MCA技术原理及其在电机绕组故障诊断中的应用[J].设备维修与管理,2005,(8):32-35.
[7]Xiao Haihong,Luo Jming.Design of Electrical Parameter Measurement System for Three Phase AC Motor Based on STM32.Sensors & Transducers[J].2014,(7):205-210.
[8]王克甫,肖海红.基于PsOC的工频相位差计设计[J].电气应用,2013,32(20):86-88.
(作者单位:1.河南工程学院 电气信息工程学院;2.郑州大学 信息工程学院)
关键词:三相电机;故障监测;终端;MCA技术
引言
三相异步电动机的绕组是电动机的组成部分,电机绕组故障会造成电能损耗。美国电力研究学会(EPRI)关于电机的研究报告称:电机故障约有53%源于机械原因,约47%源于电气原因,其中,如匝间、相间短路等出现在定子绕组的故障约占37%[1]。因此,针对电机故障电气故障检测一直是工程师们研究的热点。在电机电气故障检测中,常采动态电气电参数测量[2-3]和静态线路参数测量方法[4]。这两种测量方法在电机检测中,采用以往常规的电气检测方法只能进行绝缘、阻值、效率、电压是否平衡等基本电气故障检测,对部分阻值变化微弱的早期匝间短路,阻抗和相角不平衡产生的三相不平衡,定子故障等都无能无力。而且这些方法不能判断出故障的严重程度,更不能判定故障出现的部位[1]。
电特性检测对匝间、层间、相间短路的可靠检出,并能判断故障源于定子还是转子的强大优势被人们所关注。美国BJM(桑美)公司以此为基础推出用于电特性检测的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等一系列检测设备,并将这种检测方法统称为MCA技术[1]。
电机运行过程故障监测对电机运行状态监控具有重要意义,而基于电特性技术检测的检测仪研制,能够确保电机设备安全运行,并保护电力系统。
综上所述,设计一种基于电特性电机故障检测仪对电机故障检测具有实际意义。
1 故障检测原理及终端总体设计
1.1 电特性测试故障评判标准
电特性检测核心是测量两相之间电阻、电感、阻抗、相角;分析各参数搭配情况,判断电机运行状态。IEEE通过15年的测试数据考核得到电机故障评判标准,如表1所示[5-6]。
表中数据时测量两相之间数据,求得偏移量进行比较。当电感L和阻抗Z保持“平行关系”时,三相不平衡的原因来自转子;当电感L和阻抗Z不是“平行关系”时,三相不平衡的原因多来自定子绕组的过热或污染。
电特性参数的测量采用交流电欧姆定律公式。
从上述公式可以看出,只要测量两相间电流、电压功率和频率,就可以得到电感、阻抗。
1.2 电特性测试仪总体设计
根据电特性故障判断标准,本监测终端主要由电压、电流取样电路和频率测量电路以及单片机电路等组成,监测终端总体框图如图1所示。
相电压取样电路采用电压互感器分别取样UV、VW、WU之间电压数据;电流取样电路采用电流互感器取样三相电流信号。电压、电流信号经放大、滤波电路送AD7656,转换为数字信号。锁相环用以将一个正弦周期等分为64份,一个正弦周期输出64个脉冲,中断单片机,启动AD转换。STM32单片机通过FFT变换原理、欧姆定律,计算出电压、电流、功率、阻抗和电感。
频率测量采用脉宽填数原理,计算出交流电频率。按键电路等其他辅助电路用以完成该终端其他功能。
2 故障检测仪硬件设计
三相电机监测终端硬件电路主要由电压取样、电流取样、AD转换电路、频率测量电路组成,本文将重点介绍以上电路,其他电路采用经典电路[7、8]。
2.1 电压、电流取样电路
根据电特性参数测试特点,电流取样电路如图2,电压取样采用将电压转换为电流方式,用同样电路图进行电压取样。
电流互感器采用高准确度、宽量程CT,在额定输入为5A时,电流互感器输出10mA。电流互感器串接100Ω电阻进行电流电压变换,使得额定电压输出为1V,在经过后面的电压跟随与放大电路后,让输入到后面A/D的信号为4V。以使系统能够受到电流120%额定电流的冲击。
电压互感器的制作工艺复杂成本较高,本测量终端的电压互取样电路采用电阻与电流互感器原边串联,提供10mA电流,用电流互感器对电压信号进行取样,原理图同电流取样。
2.2 AD转换器与单片机接口电路
AD转换器采用16位、高速、低功耗、6通道同时采样的AD7606,与单片机接口电路如图3所示。
AD7606的数据线DB0~DB15分别连接对应的FSMC数据线,片选信号分别接到FSMC接口片选信号PG9_FSMC_NE2。
AD7606的BUSY引脚电平为高时表示AD正在进行转换,变低表示转换完成。将BUSY引脚接到STM32的外部中断引脚并配置为下降沿触发。OS[0..2]为过采样配置引脚,通过控制STM32相关GPIO的电平可以是AD7606工作在不同的过采样状态。
2.3 频率测量电路
为准确测量ω的大小,以求得准确的角频率,设计了频率测量电路,频率测量采用脉宽填数技术,电路如图4所示。
电压信号经过零比较器将正弦波转换为矩形波,然后经过74LS74进行二分频,将矩形波转换为频率为矩形波一半的方波信号。该方波信号的高低电平时间均为正弦波周期T.则该正弦波频率为:
波形变换过程及由CPLD构成的脉宽填数周期测量原理见参考文献[7]。
3 故障监测终端软件设计
电机故障监测终端软件由顺序执行的初始化、FFT运算等组成,主流程图如图5所示。
图5中,系统初始化完成AD转换接口电路STM32PA扣配置、定时器设置、中断配置等工作,以使单片机系统能够正常工作。
初始化后,程序进入等待启动AD命令,启动AD后,单片机等待AD转换完毕,读取数字信号,然后判断是否完成64点采样,若64点采样完毕,则通过调用STM32内嵌FFT变换程序,计算出相间电压、电流有效值,并计算出有功功率及阻抗、电感等电特性量,然后判断电机故障或正常运行。 在程序运行过程中,不断检测是否有按键命令或者上位机命令,若有相应命令,则处理命令,然后继续对电特性的不断检测及判断;若无命令,则继续连续检测电机电特性参数。
4 监测终端测试
在实验室条件下,采用标准表郑州华特测控新技术有限公司的三相多功能标准表WT-3030和T360三相电源对本监测终端进行了对电压、电流及功率的对比测试。表2为200V电压、5A电流下功率对比测试结果。
5 結语
描述了基于MCA技术的电机故障监测终端设计,该监测终端能够现场监测电机运行特性,判断定子绕组或转子绕组故障。对保护电机正常运行和保护电力系统具有一应应用价值。不足之处是本系统未能实现倍频电流的测量。
参考文献
[1]刘磊,董自虎.电特性检测在舰艇交流电机故障诊断中的应用[J].船电技术,2015,35(7):62-65.
[2]汪虎强,陈建政.三相电机电流检测系统的设计及实现[J].无线互联科技,2016,(3):63-65.
[3]李小庆,朱景伟,王健,等.永磁容错电机故障识别与检测方法[J].电机与控制应用,2015,42(1):61-66.
[4]才家刚,吴亚旗.电机试验技术及设备手册[M].北京:机械工业出版社,2011.
[5]Howard W Penros.Static motor circuit analysis:An introduction to theory and application [J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2000,4(16):6-10.
[6]汪平刚,张晓谨.MCA技术原理及其在电机绕组故障诊断中的应用[J].设备维修与管理,2005,(8):32-35.
[7]Xiao Haihong,Luo Jming.Design of Electrical Parameter Measurement System for Three Phase AC Motor Based on STM32.Sensors & Transducers[J].2014,(7):205-210.
[8]王克甫,肖海红.基于PsOC的工频相位差计设计[J].电气应用,2013,32(20):86-88.
(作者单位:1.河南工程学院 电气信息工程学院;2.郑州大学 信息工程学院)