甘宏源，張振國，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，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、過載、開路等。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

本文通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)，分析其電流特征來實(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)矩過大，超過額定轉(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)到電流超過正常工作電流一定范圍并持續(xù)，就可以判定為過載。

電動(dòng)機(jī)開路電流特性：造成電動(dòng)機(jī)開路的原因有很多，比如：焊接不牢、焊點(diǎn)脫落、接線不牢、電動(dòng)機(jī)被盜等。當(dāng)發(fā)生斷路時(shí)，電路中無電流，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)不能通過單片機(jī)直接采集，需要經(jīng)過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)過精密整流電路輸出為直流電壓信號(hào)，通過單片機(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。然后通過開關(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)生過載。將設(shè)備關(guān)停，卡住鼓風(fēng)機(jī)葉片，開啟設(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，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).

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