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        基于單片機(jī)的交流電機(jī)故障識(shí)別

        2016-11-22 06:19:38甘宏源張振國(guó)冀學(xué)斗于洋
        中國(guó)設(shè)備工程 2016年15期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)交流故障

        甘宏源,張振國(guó),冀學(xué)斗,于洋

        (西南石油大學(xué),四川 成都 610500)

        基于單片機(jī)的交流電機(jī)故障識(shí)別

        甘宏源,張振國(guó),冀學(xué)斗,于洋

        (西南石油大學(xué),四川 成都 610500)

        外界環(huán)境的變化會(huì)使電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)受到不同程度的影響,造成電動(dòng)機(jī)內(nèi)部或外部控制設(shè)備等產(chǎn)生故障,如電動(dòng)機(jī)卡死、過(guò)載、開(kāi)路等。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的交流電機(jī)故障識(shí)別系統(tǒng)利用霍爾電流傳感器對(duì)兩相交流電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè),經(jīng)信號(hào)放大、整流后,經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換,由定標(biāo)函數(shù)獲得交流電流值。當(dāng)電流達(dá)到故障閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警,特殊情況下可自動(dòng)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源,保證設(shè)備安全。

        單片機(jī);交流電機(jī);故障識(shí)別;霍爾電流傳感器

        0 引言

        設(shè)備是否安全有效的工作,直接影響著人們生產(chǎn)與生活。如戶(hù)外的通信、光電、電源控制箱、水井泵等,地處偏遠(yuǎn),監(jiān)管難度大,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

        目前市場(chǎng)上存在的配套、成熟的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要是面向高端設(shè)備。由于民用設(shè)備的電動(dòng)機(jī)成本只有幾百元到幾千元,因此,在民用設(shè)備上并沒(méi)有配套的智能監(jiān)控系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)一旦發(fā)生異常,會(huì)引起很大的經(jīng)濟(jì)損失。

        圖1

        Mariana Iorgulescu等人在基于振動(dòng)頻譜和電流分析的直流電動(dòng)機(jī)故障診斷研究中,對(duì)電機(jī)振動(dòng)及定子電流進(jìn)行測(cè)量、分析來(lái)診斷電動(dòng)機(jī)故障,對(duì)電動(dòng)機(jī)早期故障的識(shí)別取得了良好效果。但其適用于大型動(dòng)力設(shè)備的監(jiān)控,價(jià)格昂貴。本文在其理論基礎(chǔ)上,利用單片機(jī)(圖1)對(duì)電流測(cè)量與分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)民用交流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單故障的識(shí)別,減少人工監(jiān)管,及時(shí)提示故障,降低由電動(dòng)機(jī)故障引起的經(jīng)濟(jì)損失。具有重量輕、體積小、價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

        1 電動(dòng)機(jī)故障特性

        本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè),分析其電流特征來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)故障的診斷。因此我們對(duì)故障電機(jī)的電流特性做了如下研究。

        電動(dòng)機(jī)卡死電流特性:轉(zhuǎn)子卡死,相當(dāng)于嚴(yán)重過(guò)載,載荷達(dá)到最大,電動(dòng)機(jī)的電壓仍為額定的電壓,但是電流急劇增大。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),電流也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常電流,啟動(dòng)完成后,電流會(huì)逐步下降到正常范圍。設(shè)定一個(gè)卡死的電流閥值時(shí)需要考慮啟動(dòng)特性,避免誤判。當(dāng)單片機(jī)持續(xù)檢測(cè)到設(shè)備中電流達(dá)到此閥值,就可以認(rèn)定設(shè)備發(fā)生卡死。

        電動(dòng)機(jī)空載電流特性:設(shè)備空載,功率低、電流低,一般在額定電壓下,正常的電動(dòng)機(jī)空載電流約為額定電流的20%~50%,空載損耗約為額定功率的3%~8%。電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)明顯低于正常工作時(shí)電流。在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定電流空載范圍,當(dāng)電流出現(xiàn)在此范圍內(nèi),判定出現(xiàn)空載的工況。

        電動(dòng)機(jī)過(guò)載電流特性:電動(dòng)機(jī)在正常情況下,總能維持負(fù)載轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之間的平衡,但當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大,超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)只能繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速,提高轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩的提高會(huì)使電流升高,嚴(yán)重時(shí)燒壞電動(dòng)機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到電流超過(guò)正常工作電流一定范圍并持續(xù),就可以判定為過(guò)載。

        電動(dòng)機(jī)開(kāi)路電流特性:造成電動(dòng)機(jī)開(kāi)路的原因有很多,比如:焊接不牢、焊點(diǎn)脫落、接線(xiàn)不牢、電動(dòng)機(jī)被盜等。當(dāng)發(fā)生斷路時(shí),電路中無(wú)電流,設(shè)備不能正常接通。單片機(jī)檢測(cè)到設(shè)備電流為零,判定為開(kāi)路。

        表1 集成霍爾電流傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        系統(tǒng)包含霍爾電流傳感器、運(yùn)算放大電路、精密整流電路、單片機(jī)系統(tǒng)及繼電器電路,如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

        將霍爾傳感器與電動(dòng)機(jī)串聯(lián),檢測(cè)交流電流并轉(zhuǎn)化為交流電壓信號(hào),經(jīng)運(yùn)算放大電路將電壓信號(hào)放大,由精密整流電路轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性直流電壓,再輸入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算、分析。

        單片機(jī)采集最近的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到電流變化趨勢(shì),并結(jié)合故障閾值綜合判斷電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是否正常,當(dāng)判斷為異常狀態(tài)時(shí),發(fā)出報(bào)警,必要情況下,可以在報(bào)警的同時(shí)控制繼電器自動(dòng)切斷電源,保證設(shè)備安全。

        2.1 交流電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)

        集成霍爾電流傳感器(ACS712)將電路中的交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流電壓信號(hào)。經(jīng)集成霍爾傳感器輸出的交流電壓信號(hào)不能通過(guò)單片機(jī)直接采集,需要經(jīng)過(guò)放大整流為直流電壓信號(hào),運(yùn)算放大電路將集成霍爾傳感器輸出的交流電壓信號(hào)放大,經(jīng)過(guò)精密整流電路輸出為直流電壓信號(hào),通過(guò)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換,由定標(biāo)函數(shù)計(jì)算出電路中的電流值。本文采用ICC AVR編程軟件對(duì)ATmega16單片機(jī)進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件分析與控制。

        2.2 交流電流信號(hào)定標(biāo)

        定標(biāo)測(cè)試中,采用了一個(gè)功率為200W的白熾燈,兩個(gè)功率為500W的電阻絲,一個(gè)800W的電阻絲。在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中,先將功率為200W的白熾燈接入測(cè)試電路,實(shí)測(cè)電路中電流為0.92A,輸出的電壓為192mV。然后通過(guò)開(kāi)關(guān)控制接入電路中電阻絲和白熾燈的數(shù)量,將不同功率數(shù)量的電阻絲和白熾燈以不同的組合接入測(cè)試電路,得到的電流和電壓數(shù)據(jù)分別計(jì)入表格,將數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)電壓與電流呈線(xiàn)性關(guān)系(表1)。

        擬合后的電壓電流定標(biāo)函數(shù)如式(1)所示:

        3 測(cè)試

        在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)基于單片機(jī)的交流電機(jī)故障識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。使用了一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)作為被測(cè)對(duì)象,將故障識(shí)別系統(tǒng)接入鼓風(fēng)機(jī)的工作電路中,鼓風(fēng)機(jī)正常工作,保持正常工作狀態(tài)并設(shè)定為系統(tǒng)工作正常,將鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口堵住,鼓風(fēng)機(jī)工作異常,電流升高,單片機(jī)發(fā)出報(bào)警,提示設(shè)備發(fā)生過(guò)載。將設(shè)備關(guān)停,卡住鼓風(fēng)機(jī)葉片,開(kāi)啟設(shè)備后,單片機(jī)立即發(fā)出報(bào)警,提示設(shè)備卡死,并且主動(dòng)切斷了設(shè)備電源,險(xiǎn)情解除。將鼓風(fēng)機(jī)電源斷開(kāi),再次啟動(dòng),單片機(jī)報(bào)警提示斷路。在測(cè)試設(shè)備空載時(shí),將鼓風(fēng)機(jī)出口堵住一部分,將此時(shí)狀態(tài)設(shè)定為正常工作狀態(tài),此時(shí)將出風(fēng)口清理干凈,鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高,電流降低,電流出現(xiàn)空載特性,單片機(jī)發(fā)出報(bào)警,提示設(shè)備空載。

        4 結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,基于單片機(jī)的交流電機(jī)故障識(shí)別系統(tǒng)可以有效識(shí)別出動(dòng)力設(shè)備的工作狀態(tài),當(dāng)發(fā)生異常工況可以快速報(bào)警通知,當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)可以自主切斷電源,極大的提高了設(shè)備的安全性。本系統(tǒng)適用于小型民用動(dòng)力設(shè)備,具有成本低、安裝方便的特點(diǎn),可以有效保護(hù)設(shè)備安全,減輕監(jiān)管負(fù)擔(dān)。

        [1]Mariana Iorgulescu,Robert Beloiu. Study of DC Motor Diagnosis Based on the Vibration Spectrum and Current Analysis. IEEE. 10.1109/ICATE.2012.6403430,1~4.

        [2]蔡澤祥,王振浩,王鄉(xiāng),谷俊和.異步電動(dòng)機(jī)故障電流分析及保護(hù)[J].繼電器,1994,(第3期).

        [3]張霞明.基于電流檢測(cè)的三相異步電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)裝置的應(yīng)用研究[J].水電站機(jī)電技術(shù),2016,(第5期).

        TP368

        A

        1671-0711(2016)11(上)-0095-02

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