李 巖，劉 飛，靳 越， 侯秀梅

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000）

智能電機(jī)溫升計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 巖，劉 飛，靳 越， 侯秀梅

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000）

作為一個(gè)重要的指標(biāo)，電機(jī)溫升對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行和壽命長(zhǎng)短會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，因此廠家經(jīng)常會(huì)把電機(jī)溫升測(cè)試作為電機(jī)出廠試驗(yàn)的重要組成部分。近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能電機(jī)也相繼出現(xiàn)在各種生產(chǎn)實(shí)踐中。而溫升的在線監(jiān)測(cè)，就成為保障智能電機(jī)安全穩(wěn)定工作的重要手段。介紹了多種電機(jī)溫升的測(cè)試方法，同時(shí)根據(jù)定子電阻與其自身溫升的線性關(guān)系，重點(diǎn)研究用定子電阻在線監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電機(jī)定子繞組平均溫升的在線實(shí)時(shí)測(cè)試，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)討論了系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。

電機(jī)溫升；電阻法；定子電阻；在線監(jiān)測(cè)

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部進(jìn)行著相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換使一部分能量被有效地利用，而另一部分能量會(huì)因?yàn)楦鞣N情況轉(zhuǎn)變?yōu)閾p耗[1]。在各種損耗當(dāng)中，熱能是最終的轉(zhuǎn)化形式，而熱能的產(chǎn)生，會(huì)使電機(jī)的各個(gè)部分發(fā)熱，使他們的溫度高于周?chē)橘|(zhì)的溫度。如果溫度超過(guò)允許的溫升，還會(huì)使絕緣材料迅速老化而損壞，縮短電機(jī)運(yùn)行壽命等問(wèn)題。因此，為保證電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的溫升能夠控制在允許的溫度范圍內(nèi)，就需要對(duì)電機(jī)運(yùn)行的溫升變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，以便能夠及時(shí)采取措施避免電機(jī)故障。

近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，智能電機(jī)也不同程度的出現(xiàn)在了各種生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，而智能電機(jī)對(duì)于溫度的要求更為嚴(yán)格，因此，一套有效、完整的計(jì)算機(jī)溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保證智能電機(jī)的可靠運(yùn)行就顯得尤為重要。

1 智能電機(jī)關(guān)鍵部位溫升在線監(jiān)測(cè)方法的介紹

利用有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用各種分析方法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析并利用特征數(shù)值判定故障種類(lèi)，是保證電機(jī)安全運(yùn)行的主要手段。如果狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)生了異常的突變，就說(shuō)明電機(jī)的狀態(tài)存在有一定的安全隱患，這樣就可以有效地指導(dǎo)維修技術(shù)人員采取一定的方式進(jìn)行檢查，以便減少或避免故障帶來(lái)的損失。

目前主流的測(cè)溫方式從所使用的傳感器與被測(cè)裝置的位置接觸關(guān)系來(lái)劃分，可分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩種形式[1]。

接觸式測(cè)溫是指通過(guò)設(shè)在測(cè)量點(diǎn)的溫度傳感元件直接感受來(lái)自溫度的變化產(chǎn)生相應(yīng)的物理參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，有示溫片測(cè)溫法、熱電偶間接測(cè)溫法、集成溫度傳感器測(cè)溫法等；非接觸式測(cè)溫法主要是通過(guò)熱輻射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的，測(cè)溫元件無(wú)需與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，典型方法有紅外傳感器測(cè)溫法、光纖溫度傳感器測(cè)溫法等。兩種測(cè)量方式各有優(yōu)點(diǎn)：接觸式的優(yōu)點(diǎn)是傳感器成本低、安裝簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高且可靠性強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，同時(shí)不能夠工作在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境條件下；而非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)在于接收器可遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn)，有效解決了高壓隔離以及傳感器材料不耐高溫的問(wèn)題，測(cè)溫速度較快，不會(huì)影響被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，缺點(diǎn)是測(cè)量效果受到物體的反射、被測(cè)對(duì)象到測(cè)量設(shè)備之間的距離、煙塵和水汽等其他外界環(huán)境因素的影響，一般測(cè)溫的誤差較大。

2 智能電機(jī)溫度采集方式分析及在線監(jiān)測(cè)硬件介紹

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)越來(lái)越多的在電機(jī)測(cè)試領(lǐng)域采用。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)對(duì)電機(jī)的溫升情況進(jìn)行檢測(cè)，一方面可以簡(jiǎn)化電路，提高測(cè)試精度和可靠性，顯著增強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度；另一方面還可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級(jí)換代等。

針對(duì)以上的分析，本文采用熒光光纖溫度傳感方式來(lái)對(duì)電機(jī)的溫升信息進(jìn)行收集。熒光測(cè)溫的物理背景源于兩個(gè)相近的激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的熱平衡，當(dāng)表征熒光材料特征的某一參數(shù)受溫度影響明顯，而且關(guān)系單調(diào)，那么就可以利用這種線性關(guān)系間接地進(jìn)行溫度測(cè)量。

熒光光纖溫度傳感器分為熒光強(qiáng)度型光纖溫度傳感器、熒光強(qiáng)度式光纖溫度傳感器、熒光壽命型光纖溫度傳感器三種。其中，熒光壽命型光纖溫度傳感器利用熒光余輝的衰敗時(shí)間受溫度調(diào)制且單調(diào)，同時(shí)它不受激勵(lì)光源強(qiáng)度的變化、光纖傳輸效率、耦合程度的變化影響，與其他類(lèi)型的光纖熒光測(cè)溫法，如熒光光強(qiáng)測(cè)溫法、熒光光強(qiáng)強(qiáng)度比測(cè)溫法相比，在測(cè)溫原理和實(shí)現(xiàn)上有一定的優(yōu)越性，因此本文選用此法進(jìn)行測(cè)量[2]。

電機(jī)溫升計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括了溫度的采集單元，它要實(shí)現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化處理，數(shù)據(jù)的傳輸。具體可以分為以下幾個(gè)模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

傳感部分采用的是熒光溫度測(cè)量的原理，具有抗電磁干抗、體積小、測(cè)量安全、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離被測(cè)物、高壓隔離的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊就負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)光觸發(fā)信號(hào)，將表征熒光余輝時(shí)間常數(shù)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，接著將其進(jìn)行放大和濾波等預(yù)處理，隨后將得到的信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理單元。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

從傳感器端收集來(lái)的數(shù)據(jù)要傳送給數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。處理的第一步就是將收集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，這一部分功能由A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊的MCU，在MCU當(dāng)中，內(nèi)置一定的算法（本例中采取的是FFT算法），將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙碚鞅粶y(cè)物溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的存儲(chǔ)器。

（3）數(shù)據(jù)的傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸目前大多采用兩種基本方式：一種為有線傳輸，另一種采用無(wú)線傳輸。有線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是局域網(wǎng)安全性高、速度快，缺點(diǎn)是有效范圍較小。無(wú)線傳輸范圍廣，但技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，安全性較差，維護(hù)成本較高。因?yàn)橹悄茈姍C(jī)所在地的范圍不會(huì)太廣，因此，本系統(tǒng)采用有線傳輸方式來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3 智能電機(jī)溫度在線監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的軟件編程工具是Borland公司推出的C++Builder6.0。該語(yǔ)言語(yǔ)法靈活簡(jiǎn)潔，執(zhí)行效率高，同時(shí)簡(jiǎn)單易用，穩(wěn)定可靠，是Windows平臺(tái)下最好的C++開(kāi)發(fā)平臺(tái)之一。

作為智能電機(jī)溫升檢測(cè)軟件，主要完成的功能應(yīng)具備：（1）自動(dòng)測(cè)試

根據(jù)熒光光纖溫度傳感器的工作原理，該軟件要能夠按照指定的測(cè)試周期，間隔進(jìn)行周而復(fù)始的測(cè)試過(guò)程，以便于得到時(shí)電機(jī)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化的全過(guò)程。

（2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示方式主要有兩種：一種是LCD顯示，一種是數(shù)據(jù)傳送至中央處理中心后的集中顯示。對(duì)于LCD顯示，主要的要求是準(zhǔn)確、快速，而對(duì)于中央處理中心的數(shù)據(jù)顯示，具體要求是方便、直觀，因此要增加被測(cè)對(duì)象各種表征參數(shù)的圖形實(shí)時(shí)顯示。

（3）數(shù)據(jù)計(jì)算處理部分

本系統(tǒng)的熒光壽命測(cè)量方法利用周期激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生周期的熒光信號(hào)，采用高速、靈敏的電子器件對(duì)余輝信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)一定的處理排除不利信號(hào)的干擾，同時(shí)還要在數(shù)據(jù)計(jì)算處理部分對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求值，主要的方法本例采用FFT方法。

FFT方法[3]的指導(dǎo)思想是：根據(jù)熒光信號(hào)為指數(shù)衰減號(hào)的特點(diǎn)，首先對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行FFT變換，然后從變換后的非零次頻譜項(xiàng)中計(jì)算出熒光壽命[2]。在激勵(lì)停止后，熒光輻射按照指數(shù)規(guī)律衰減的時(shí)間常數(shù)稱(chēng)為熒光壽命，熒光壽命是溫度T的函數(shù)。FFT方法以快速傅氏變換結(jié)果作切入點(diǎn)，利用非零項(xiàng)相位角的正切值求出熒光壽命，具有誤差小、速度快、不受外界影響等優(yōu)點(diǎn)。

（4）數(shù)據(jù)查詢(xún)功能

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)保存有相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)可以查詢(xún)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)當(dāng)天測(cè)得的溫度數(shù)值以及報(bào)警參數(shù)的設(shè)置。同時(shí)，系統(tǒng)還要具備相應(yīng)打印功能。

（5）系統(tǒng)安全功能

系統(tǒng)對(duì)操作人員進(jìn)行分級(jí)處理，并設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限，以保證系統(tǒng)的安全性。

軟件總體結(jié)構(gòu)還設(shè)置了相應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)器，以便有效地完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是利用各種數(shù)據(jù)采集方式來(lái)實(shí)時(shí)采集電器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中周?chē)h(huán)境的各種信息（如溫度、濕度、壓力等），以便于隨時(shí)掌握電器設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)的判別，如有異常，及時(shí)報(bào)警。因此在線監(jiān)測(cè)單元的任務(wù)是確保智能電機(jī)本身可靠運(yùn)行的重要手段。

本文論述了采用光纖溫度傳感器構(gòu)建測(cè)溫方式的電機(jī)溫升測(cè)試方式，并介紹相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1] 邱林.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站電器溫升監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2012：6-8.

[2] 魏學(xué)飛.電機(jī)溫升的計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)[D].杭州：浙江大學(xué)，2009: 3-5.

[3] 陳振生.智能化高壓電器溫升的在線監(jiān)測(cè)[J].電工技術(shù)雜志，2002（5）：14-16.

Design of computermonitoring system for intelligentmotor temperature rising

LIYan,LIU Fei,JIN Yue,HOU Xiu-mei
(Department ofElectronic,Zhangjiakou VocationalCollege of Technology,Zhangjiakou Heibei075000,China)

As an important indicator,the temperature rising is of great importance for motor's safely running and the longevity of isolation;so that motor's temperature rising test turns out to be a significant part before leaving factory.In recent years,with the rapid development of power electronics technology,intelligent motor have also appeared in various production practices.The online monitoring of temperature rise becomes an important means to safeguard the security and stability of the work of intelligent motor. Many kinds of test methods for a variety of motor temperature rise were introduced.According to the relationship between the stator resistance and self temperature rise,the online real-time average temperature rising of the intelligent motor stator windings was tested by the stator resistance with online monitor.The computer automated test system based on data acquisition card was designed, and the composition of hardware and the design of software were discussed.

motor’s temperature rising;resistor method;stator resistor;online test

TM 306

A

1002-087 X(2013)11-2053-02

2013-04-16

李巖（1979—），男，河北省人，講師，工程碩士，主要研究方向?yàn)殡娮有畔?，自?dòng)控制，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。