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大型电机转子温度红外监控系统的研制

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/3/5 17:24:06   

 关键词:  转子 监控系统 电机

0引言
大型电机定子各部分温度的检测及其应用已相当普及,而转子温度的检测及其应用则较少。这是因为转子速度过高又处在电机结构的中心位置,给转子温度的测量带来种种困难。在实际生产中,大型异步电动机因负荷过大,频繁起动,导致转子过热、甚至断条,严重时将被迫停产造成较大的经济损失。如发电厂的球磨电机、排粉电机、钢厂的轧钢电机等,大多存在这一问题。为此研制了大型电机转子温度红外监控系统。系统对转子温度进行实时监测,再经单片机处理后,将数据远程传送给控制室的上位机,由上位机对电机进行实时监控,用以调整电机负荷,限制电机频繁启动。所研制的系统已在丰镇发电厂2台1050kW的排粉电机中调试成功。
1转子测温系统简介
系统原理框图如图1。


1.1测温原理
电机转子发热时将不断向外辐射红外线,根据斯蒂芬—波尔兹曼定律:绝对温度为T的物体单位面积上全波长辐射的总功率W为:
其中σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数;λ为红外辐射波长,T为发热体绝对温度,ε为物体比辐射率。
按上述原理,将接收到的全波长辐射总功率转换成电信号,经放大、测量、变换后可得物体的表面温度值。而实际上,由于电机内部结构复杂,端部绕组有很强的电磁场,有较高的电压(一般在6kV以上),用普通的红外传感器很难取出转子温度信号,为此设计了由光导材料(红外光纤和光导管)及红外传感元件组成的探测器。用这种探测器来传递转子温度信号并转换成电信号,经处理后即可获得转子的温度值。
1.2光导式红外温度探测器
光导式红外温度探测器由红外透镜、红外导光材料、红外传感器及放大电路组成。考虑到电机转子温度的变化范围一般在0~250℃,根据维恩位移定律其峰值波长约为3~10μm。为此选择多晶硫化锌作为透镜材料,经特殊处理后,其透过波长可达0.4~16μm,其工作环境温度也较高。
红外导光材料(红外光纤或光导管)用以传递转子温度信息,是关键性材料。红外光纤细而软,可适量弯曲,有较好的绝缘性能和较强的抗电磁场干扰能力,但损耗较大。As—Ce—Te材料在8~10μm波长有较低的损耗,As-S材料在2~3μm内有较低损耗,将2种材料按一定的比率结合起来可拓宽红外线的透过波段。光纤导管靠反射传递红外能量,透过波长范围宽、损耗小。但绝缘性能和韧性均不如红外光纤。因此,红外光纤和光纤导管可按电机的不同结构来选用。
由透镜和红外导光材料传递来的转子温度信号,通过高集成度的热电堆红外元件转换成电信号,再经放大电路变成0~5V的电压信号,以便送单片机处理。此即为光导式探测器的工作过程。
1.3单片机数据处理
对光导红外探测器输出电压信号的处理是通过80C196单片机来完成的。处理过程包括:信号采集、中值滤波、插值查表、译码显示等过程。另外,单片机还具有高温查询、声光报警、与上位机进行通信的功能,最终将转子温度数据传送给上位机。图2为单片机的程序框图,其中T1为红外温度,T2为环境温度,Tc为当前转子温度,Tm为曾出现过的最大温度,Ti为报警温度。


2减少系统误差及提高抗干扰能力的措施
(1)转子温度略大于室温时,对红外元件已非常敏感,但通过红外光导材料后,温度信号却大大衰减,经红外元件转换后的电压信号亦非常微弱,为此设计低温漂高倍率的放大电路,使输出电压信号达到要求,从而确定了转子温度值与输出电压值之间有一一对应的关系。放大器的质量决定温度的转换精度。
(2)考虑转子的温度范围(O~250℃),其温度下限与室温属同一数量级。为此,增加环境传感器进行补偿,消除因环境温度的变化所引起的测量误差。环境温度特性见图3a。
(3)为提高测量精度,选用具有10位AD转换的80C196单片机,对应0~5V的电压范围,其分辨率为4.88mV,当转子温度范围为0~200℃时,其灵敏度小于0.25℃。为消除噪声干扰,应通过软件对采样值进行滤波,剔除异常值。
(4)红外测温的因素较多,如传感器、热源材料、表面粗糙度、测量距离等,为排除各种因素的影响,实测出热源的温度和红外探测器输出电压信号间的函数关系(见图3b),将这些标定值存放在单片机系统中,通过插值查表,可得到精确的温度值。在采取上述各种措施后,使测量精度达到工业许可的范围。

(5)系统抗干扰能力取决于各个环节的抗干扰。在红外信号的传输段,因红外信号是微米级的波长,与电机基波和谐波磁场的波长相差甚远,采用光导管传导红外能量,基本排除了绕组端部磁场的干扰。信号经光电元件转化后,采用了高倍率低温漂的前置放大器及滤波电路,加之良好的接地,使探测器的抗干扰能力明显提高。系统的信号线采用屏蔽线,远程通信采用双绞线。在采取上述措施后,使系统的抗干扰能力达到要求。
3多路远程通信及安装调试
在大型企业中,被测电机的位置分散且离控制室较远,因此,监控的可靠程度取决于远程通信的质量。选用了串行半双工通信方式,波特率为9600b/s,通信距离可达1.2km。经RS485接口与上位机相连。通信框图如图4。控制室的上位机通过呼叫的方式与下位机取得联系。被呼叫的下位机接到呼叫信号后,向上位机发送转子温度数据,通信示意见图4。上位机采用VB软件编程,有良好的界面,用以对各台下位机送来的数据进行处理,绘制各台电机的温度曲线。温度超过报警温度时,发出语音提醒和画面警告信号,同时输出控制信号。


由于转子断条主要出现在鼠笼绕组的两端,考虑转子两端电流的对称性,一般在每台电机的端部安装一个探测器即可。红外传感器和光导管连成一体,安装时将光导管的透镜端从端部绕组的缝隙中插入,对准转子端部,光导管的传感器固定在电机机壳上,信号线引到仪器接口。
调试时,首先要调整红外透镜与转子被测表面间的距离和角度,力求准确;其次,对下位机显示的温度值与上位机收到温度值进行核对,否则就要重新调整通信电路的参数;最后,检查上位机的控制输出,上位机的控制信号是通过常闭触点串联在电机的起动支路中(并非串联在自锁支路中),一旦转子温度超过警戒值,上位机立即输出控制信号,切断起动支路,限制电机下次再起动。此时,自锁支路并未切断,电机并不停转,以确保生产正常进行。图5是电机在热态条件下再次起动时所绘制的电机转子温度曲线,揭示了二次起动时转子温度变化过程。


4结束语
该系统用红外光导材料将电机转子温度信号从结构复杂、具有强电磁干扰的电机内部引出来,经红外传感器转换和单片机处理后得的温度值满足工业测量要求,可推广到其他具有复杂结构的内部运动物体的温度的监测。通过对电机转子温度的实时监控来减少电机的故障,对生产具有一定的现实意义。其中多路远程监控系统也适用于各大中企业的控制模式。

来源:中国电力网
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