劉 攀，張 奎，梁里鵬

（1.山西農(nóng)業(yè)大學信息學院，山西 晉中 030800；2.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦，山西 呂梁 033602）

隨著時間的推移，電動機發(fā)生故障的監(jiān)控以及故障診斷等技術不斷發(fā)生改變。作為現(xiàn)代社會生產(chǎn)中常用的機械——籠型異步電動機，采用的是電磁感應等相關理論，主要目的是把電能轉變?yōu)闄C械能。為保障電動機可靠運行，降低故障出現(xiàn)率，文章面向其在線監(jiān)測問題開展了一系列研究工作。

目前我國已處于以計算機、傳感器以及網(wǎng)絡技術為主要手段的階段，從發(fā)展歷程來看，可將其劃分為四個階段：第一，通過操作人員感官感受及簡易工具來監(jiān)測；第二，通過簡易故障監(jiān)測設備來處理；第三，通過更高級儀器進行離線監(jiān)測；第四，通過相應傳感器、計算機、網(wǎng)絡等先進手段進行在線監(jiān)控。隨著技術的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化技術水平隨之提高，生產(chǎn)階段的電動機故障影響愈發(fā)嚴重。故而，人們對電動機故障監(jiān)測提出了更高標準，結合電動機監(jiān)測各個發(fā)展階段可知，前兩個階段以簡單故障檢測為主，大部分情況下，只有故障發(fā)生后才可以被檢測發(fā)現(xiàn)，但損失已無法挽回，故其已漸漸退出歷史舞臺；而后兩個階段則得到了進一步發(fā)展，特別是在線監(jiān)測受到了人們高度重視[1]。

1 異步電動機常見故障

1.1 轉子斷條故障

籠條與端環(huán)總體設計有誤差，由于籠型異步電動機端環(huán)采用整體鑄造方式，兩者間使用剛性連接，從單個籠條來看，它無法自由伸縮，故而應力常常匯聚于焊接點；電動機焊接效果差、籠條鐵芯沖孔工藝差，因為應力點大部分位于籠條和端環(huán)焊口周圍，當電動機啟動或運行振動時，極易出現(xiàn)斷條等問題；而如果鐵芯槽中籠條沖壓達不到要求，電動機運行產(chǎn)生的離心力會出現(xiàn)明顯竄動的情況。

電動機工作時自身攜帶負載長期變動，會導致籠條和端環(huán)焊接位置受到極大彎曲應力。啟動期間升溫過快，電動機停止運行或首次啟動失敗時，要求等待2h 才能重新啟動；若反復啟動，電動機溫升必將大于自身允許值，導致焊接處直接開焊。重載與反復啟動相似，同樣會造成電動機大幅升溫，使得籠條和端環(huán)焊接位置開焊；若未及時解決故障，由于離心力的作用，斷條給定子繞組絕緣造成破壞，會帶來定子短路問題，或工作人員水平較低，實際維修階段造成籠條和端環(huán)出現(xiàn)形變而帶來應力集中問題[2]。

1.2 氣隙偏心故障

目前，科技水平存在局限，以及電動機在日常運行后出現(xiàn)磨損等情況，導致轉子外緣與定子內(nèi)緣之間不可避免地存在縫隙，容易發(fā)生偏心故障。結合實際情況來看，具體包含靜態(tài)、動態(tài)偏心問題：前者表示電動機定子、轉子中心軸未處于同一條直線，相互間氣隙分布不均勻，且具有不變性特征；后者是轉軸變形、軸承出現(xiàn)磨損等原因引起的，導致偏心隨轉子的運行而發(fā)生動態(tài)變化，并沒有固定位置。通常情況下，這兩種問題會同時存在。

1.3 定子故障

結合國內(nèi)外相關研究可知，定子繞組故障占比達到40%～45%。定子故障以定子匝間短路、繞組接地與斷路情況為主，電動機故障起因比較多，歸根結底在于其長期不間斷作業(yè)，使得相關部件（繞組等）溫度過高，絕緣失去存在意義，或其所在運行環(huán)境非常復雜，如空氣水分、灰塵量較大等，并與其絕緣相互作用，使得絕緣擊穿概率大幅提升；也有研究報道稱是電動機運轉時受到電磁力及機械應力等外力作用導致絕緣受損或破壞，最后引發(fā)定子短路故障。一旦電動機出現(xiàn)上述故障，且未第一時間察覺與維護，就會使電動機遭到破壞，而且會影響生產(chǎn)線上的其余設備或者造成停產(chǎn)問題，甚至使整個生產(chǎn)線設備都失去作用[3]。定子匝間短路是多發(fā)故障之一，更是一種早期故障，若初期就能察覺故障的存在，便能防止故障程度的加重，盡可能減少各方面的損失。

2 電動機的數(shù)學建模

2.1 正常狀態(tài)下的數(shù)學模型

電動機正常狀態(tài)下，定子繞組三相對稱，定子回路連接情況如圖1 所示。電動機存在3 個定子回路，假設定子各相電流依次為ia、ib、ic，轉子存在n根導條，臨近的2條與其向對應的端環(huán)組成了1 條回路，共同組成完整的回路，考慮到這一點，總共存在（n+1）條回路，不同回路內(nèi)部電路依次記作i1、i2、in、ie，由此能夠確定，電動機獨立回路數(shù)是（n+4）。

2.2 定子匝間短路模型

假如電動機A 相出現(xiàn)匝間短路，電動機匝間發(fā)生短路相的參數(shù)如下：每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為w1；如果A 相繞組ad 段發(fā)生匝間短路，短路匝數(shù)記作wad，rad是指短路繞組自身電阻，短路位置過渡電阻是Rg，而正常串聯(lián)匝數(shù)為w1-wad，短路位置環(huán)流為iad，短路線圈內(nèi)的總電流是ia+iad。關于匝間短路方程，僅需略微變動短路相方程，換言之，如果A 相出現(xiàn)短路，僅用變動A 相對應方程[4]。

對正常情況、轉子斷條、匝間短路以及氣隙偏心發(fā)生后籠型異步電動機動態(tài)數(shù)學模型進行詳細分析可知，在任何不同的運行情況下，僅按照實際情況調整參數(shù)矩陣便能解決需求。若電動機僅發(fā)生一種故障，則故障特征和理論完全一致；若發(fā)生兩種或多種故障，而故障并不嚴重時，診斷過程中無需擔心故障間彼此影響，這完全吻合電動機故障監(jiān)測系統(tǒng)初期察覺故障的設計思想，因此此次設計直接忽略故障間的影響問題。

圖1 定子回路連接圖

3 電動機故障監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 微控制器的選擇

從現(xiàn)有單片機兼容性、性價比等角度出發(fā)進行分析，經(jīng)全面對比，此次微處理控制器選擇ATMEL 企業(yè)旗下的AT89S51 產(chǎn)品。該產(chǎn)品是CMOS 單片機，位數(shù)為8 位，其最大特點是運行低功耗且性能研究十分成熟，片內(nèi)擁有只讀存儲器，大小為4kB，可重復讀取存儲1 000 次，具有密度高、存儲性能好等優(yōu)點。AT89S51 能直接調用MCS-51 指令，且和80C51 引腳結構完全相同。AT89S51 功能全面且強大，能滿足現(xiàn)今大量控制系統(tǒng)需求。

3.2 信號采集電路

該監(jiān)測系統(tǒng)應采集電動機相關信息，包括3 個相電壓、電流與轉子轉速。因為異步電動機遵從電磁感應原理實現(xiàn)，通過早期電流電壓傳感器來處理，容易使被測相位發(fā)生變化，且被測量常需要完成濾波處理，所以電流電壓信號檢測過程中，應采取科學、有效手段克服各種不良因素，防止電動機受到影響。

該系統(tǒng)應選擇閉環(huán)式霍爾電流、電壓2 種傳感器，由此得到所需的電流、電壓信號。這兩種傳感器的工作原理在于依靠霍爾元件感應導線附近磁場強度，經(jīng)分析處理可判斷電流電壓值。閉環(huán)霍爾測量傳感器主要工作原理為霍爾補償，即針對副邊、原邊線圈感應獲得磁場，利用前者緩沖后者對電動機原磁場造成的干擾，在此基礎上能夠消除測量元件對原磁場的影響。這種電流、電壓傳感器擁有許多優(yōu)點，包括測量區(qū)間廣、準確度高、響應及時、安全可靠等，與此同時，二者體型小巧、重量輕，可大幅降低安裝難度。

對于轉速測量電路，霍爾元件擁有大量獨特優(yōu)勢，如體積小、使用時間長、質量小、安裝簡易、抗干擾能力強、低功耗、精準度高、線性度理想等。因此，該系統(tǒng)內(nèi)部轉速測量電路同樣選擇霍爾元件進行處理，把它裝于電動機轉子位置，可以形成霍爾脈沖信號。

3.3 A/D 轉換電路

A/D 轉換電路負責將數(shù)據(jù)從模擬式轉變成數(shù)字式，作為該系統(tǒng)的重要組成部分，一旦其性能不夠理想，分析異步電動機運行狀態(tài)的準確性也會隨之大打折扣，甚至出現(xiàn)錯誤結果，導致故障不能被及時發(fā)現(xiàn)，使該系統(tǒng)失去存在的意義。故障初期，其相應特征并沒有展現(xiàn)出來，且頻率與基波頻率大體一致，因此A/D 轉換器精確度必須達到一定程度，才能準確了解電動機運行有無異常。按照上述分析結果，為滿足實際應用需求，該系統(tǒng)選擇AD7656。

AD7656 主要性能特點如下：運行通道多（6 個）、集成程度高、低功耗。每個通道的采樣率均為250kSPS，其內(nèi)安裝有基準電壓源以及基準緩沖器。片內(nèi)放大器具有噪聲小、寬幅采樣等特點。其接口齊全，串口、并口均有，均可使MCU 及DSP 接收到有效信號。

3.4 鎖相倍頻電路

為有效跟蹤電網(wǎng)頻率，此次實現(xiàn)了鎖相倍頻電路，不僅如此，它還能夠給A/D 轉換電路帶來觸發(fā)信號，如圖2所示。該電路主要有低通濾波器、壓控振蕩器、相位比較器三個部分。

圖2 鎖相倍頻電路

鎖相環(huán)電路應選取CD4046，分頻器應采用12 位二進制CD4040。將CD4040 當作增量計數(shù)器，根據(jù)Q1,Q2,…,Q12輸出情況可判斷脈沖數(shù)，該電路輸出Q1 ～Q9，檢測輸出脈沖為512 次。

4 結束語

文章探究了異步電動機的應用及監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)對其運行階段常見故障的分析，讓故障形成初期就能得到有效檢測，同時判斷具體類型。通過現(xiàn)代傳感器與計算機技術的有效融合，實現(xiàn)籠型異步電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于計算機的電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)，可動態(tài)監(jiān)控電動機的運轉情況，并可采集與調控相關運行數(shù)據(jù)，提高了異步電動機的運行效率。