0 引言
大型電機(jī)定子各部分溫度的檢測(cè)及其應(yīng)用已相當(dāng)普及，而轉(zhuǎn)子溫度的檢測(cè)及其應(yīng)用則較少。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子速度過(guò)高又處在電機(jī)結(jié)構(gòu)的中心位置，給轉(zhuǎn)子溫度的測(cè)量帶來(lái)種種困難。在實(shí)際生產(chǎn)中，大型異步電動(dòng)機(jī)因負(fù)荷過(guò)大，頻繁起動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)熱、甚至斷條，嚴(yán)重時(shí)將被迫停產(chǎn)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。如發(fā)電廠的球磨電機(jī)、排粉電機(jī)、鋼廠的軋鋼電機(jī)等，大多存在這一問(wèn)題。為此研制了大型電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度紅外監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再經(jīng)單片機(jī)處理后，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送給控制室的上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，用以調(diào)整電機(jī)負(fù)荷，限制電機(jī)頻繁啟動(dòng)。所研制的系統(tǒng)已在豐鎮(zhèn)發(fā)電廠2臺(tái)1050kW的排粉電機(jī)中調(diào)試成功。
1 轉(zhuǎn)子測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1 測(cè)溫原理
電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱時(shí)將不斷向外輻射紅外線(xiàn)，根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律：絕對(duì)溫度為T(mén)的物體單位面積上全波長(zhǎng)輻射的總功率W為：
其中σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)；λ為紅外輻射波長(zhǎng)，T為發(fā)熱體絕對(duì)溫度，ε為物體比輻射率。
按上述原理，將接收到的全波長(zhǎng)輻射總功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、測(cè)量、變換后可得物體的表面溫度值。而實(shí)際上，由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，端部繞組有很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，有較高的電壓(一般在6kV以上)，用普通的紅外傳感器很難取出轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)，為此設(shè)計(jì)了由光導(dǎo)材料(紅外光纖和光導(dǎo)管)及紅外傳感元件組成的探測(cè)器。用這種探測(cè)器來(lái)傳遞轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)處理后即可獲得轉(zhuǎn)子的溫度值。
1.2 光導(dǎo)式紅外溫度探測(cè)器
光導(dǎo)式紅外溫度探測(cè)器由紅外透鏡、紅外導(dǎo)光材料、紅外傳感器及放大電路組成?？紤]到電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的變化范圍一般在0～250℃，根據(jù)維恩位移定律其峰值波長(zhǎng)約為3～10μm。為此選擇多晶硫化鋅作為透鏡材料，經(jīng)特殊處理后，其透過(guò)波長(zhǎng)可達(dá)0.4～16μm，其工作環(huán)境溫度也較高。
紅外導(dǎo)光材料(紅外光纖或光導(dǎo)管)用以傳遞轉(zhuǎn)子溫度信息，是關(guān)鍵性材料。紅外光纖細(xì)而軟，可適量彎曲，有較好的絕緣性能和較強(qiáng)的抗電磁場(chǎng)干擾能力，但損耗較大。As—Ce—Te材料在8～10μm波長(zhǎng)有較低的損耗，As-S材料在2～3μm內(nèi)有較低損耗，將2種材料按一定的比率結(jié)合起來(lái)可拓寬紅外線(xiàn)的透過(guò)波段。光纖導(dǎo)管靠反射傳遞紅外能量，透過(guò)波長(zhǎng)范圍寬、損耗小。但絕緣性能和韌性均不如紅外光纖。因此，紅外光纖和光纖導(dǎo)管可按電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)來(lái)選用。
由透鏡和紅外導(dǎo)光材料傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)，通過(guò)高集成度的熱電堆紅外元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路變成0～5V的電壓信號(hào)，以便送單片機(jī)處理。此即為光導(dǎo)式探測(cè)器的工作過(guò)程。
1.3 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理
對(duì)光導(dǎo)紅外探測(cè)器輸出電壓信號(hào)的處理是通過(guò)80C196單片機(jī)來(lái)完成的。處理過(guò)程包括：信號(hào)采集、中值濾波、插值查表、譯碼顯示等過(guò)程。另外，單片機(jī)還具有高溫查詢(xún)、聲光報(bào)警、與上位機(jī)進(jìn)行通信的功能，最終將轉(zhuǎn)子溫度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。圖2為單片機(jī)的程序框圖，其中T1為紅外溫度，T2為環(huán)境溫度，Tc為當(dāng)前轉(zhuǎn)子溫度，Tm為曾出現(xiàn)過(guò)的最大溫度，Ti為報(bào)警溫度。
2 減少系統(tǒng)誤差及提高抗干擾能力的措施
(1)轉(zhuǎn)子溫度略大于室溫時(shí)，對(duì)紅外元件已非常敏感，但通過(guò)紅外光導(dǎo)材料后，溫度信號(hào)卻大大衰減，經(jīng)紅外元件轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)亦非常微弱，為此設(shè)計(jì)低溫漂高倍率的放大電路，使輸出電壓信號(hào)達(dá)到要求，從而確定了轉(zhuǎn)子溫度值與輸出電壓值之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。放大器的質(zhì)量決定溫度的轉(zhuǎn)換精度。
(2)考慮轉(zhuǎn)子的溫度范圍(O～250℃)，其溫度下限與室溫屬同一數(shù)量級(jí)。為此，增加環(huán)境傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，消除因環(huán)境溫度的變化所引起的測(cè)量誤差。環(huán)境溫度特性見(jiàn)圖3a。
(3)為提高測(cè)量精度，選用具有10位AD轉(zhuǎn)換的80C196單片機(jī)，對(duì)應(yīng)0～5V的電壓范圍，其分辨率為4.88 mV，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度范圍為0～200℃時(shí)，其靈敏度小于0.25℃。為消除噪聲干擾，應(yīng)通過(guò)軟件對(duì)采樣值進(jìn)行濾波，剔除異常值。
(4)紅外測(cè)溫的因素較多，如傳感器、熱源材料、表面粗糙度、測(cè)量距離等，為排除各種因素的影響，實(shí)測(cè)出熱源的溫度和紅外探測(cè)器輸出電壓信號(hào)間的函數(shù)關(guān)系(見(jiàn)圖3b)，將這些標(biāo)定值存放在單片機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)插值查表，可得到精確的溫度值。在采取上述各種措施后，使測(cè)量精度達(dá)到工業(yè)許可的范圍。
(5)系統(tǒng)抗干擾能力取決于各個(gè)環(huán)節(jié)的抗干擾。在紅外信號(hào)的傳輸段，因紅外信號(hào)是微米級(jí)的波長(zhǎng)，與電機(jī)基波和諧波磁場(chǎng)的波長(zhǎng)相差甚遠(yuǎn)，采用光導(dǎo)管傳導(dǎo)紅外能量，基本排除了繞組端部磁場(chǎng)的干擾。信號(hào)經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)化后，采用了高倍率低溫漂的前置放大器及濾波電路，加之良好的接地，使探測(cè)器的抗干擾能力明顯提高。系統(tǒng)的信號(hào)線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)，遠(yuǎn)程通信采用雙絞線(xiàn)。在采取上述措施后，使系統(tǒng)的抗干擾能力達(dá)到要求。
3 多路遠(yuǎn)程通信及安裝調(diào)試
在大型企業(yè)中，被測(cè)電機(jī)的位置分散且離控制室較遠(yuǎn)，因此，監(jiān)控的可靠程度取決于遠(yuǎn)程通信的質(zhì)量。選用了串行半雙工通信方式，波特率為9600b/s，通信距離可達(dá)1.2km。經(jīng)RS485接口與上位機(jī)相連。通信框圖如圖4?？刂剖业纳衔粰C(jī)通過(guò)呼叫的方式與下位機(jī)取得聯(lián)系。被呼叫的下位機(jī)接到呼叫信號(hào)后，向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)子溫度數(shù)據(jù)，通信示意見(jiàn)圖4。上位機(jī)采用VB軟件編程，有良好的界面，用以對(duì)各臺(tái)下位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制各臺(tái)電機(jī)的溫度曲線(xiàn)。溫度超過(guò)報(bào)警溫度時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音提醒和畫(huà)面警告信號(hào)，同時(shí)輸出控制信號(hào)。
由于轉(zhuǎn)子斷條主要出現(xiàn)在鼠籠繞組的兩端，考慮轉(zhuǎn)子兩端電流的對(duì)稱(chēng)性，一般在每臺(tái)電機(jī)的端部安裝一個(gè)探測(cè)器即可。紅外傳感器和光導(dǎo)管連成一體，安裝時(shí)將光導(dǎo)管的透鏡端從端部繞組的縫隙中插入，對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子端部，光導(dǎo)管的傳感器固定在電機(jī)機(jī)殼上，信號(hào)線(xiàn)引到儀器接口。
調(diào)試時(shí)，首先要調(diào)整紅外透鏡與轉(zhuǎn)子被測(cè)表面間的距離和角度，力求準(zhǔn)確；其次，對(duì)下位機(jī)顯示的溫度值與上位機(jī)收到溫度值進(jìn)行核對(duì)，否則就要重新調(diào)整通信電路的參數(shù)；最后，檢查上位機(jī)的控制輸出，上位機(jī)的控制信號(hào)是通過(guò)常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在電機(jī)的起動(dòng)支路中(并非串聯(lián)在自鎖支路中)，一旦轉(zhuǎn)子溫度超過(guò)警戒值，上位機(jī)立即輸出控制信號(hào)，切斷起動(dòng)支路，限制電機(jī)下次再起動(dòng)。此時(shí)，自鎖支路并未切斷，電機(jī)并不停轉(zhuǎn)，以確保生產(chǎn)正常進(jìn)行。圖5是電機(jī)在熱態(tài)條件下再次起動(dòng)時(shí)所繪制的電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度曲線(xiàn)，揭示了二次起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子溫度變化過(guò)程。
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)用紅外光導(dǎo)材料將電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)從結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有強(qiáng)電磁干擾的電機(jī)內(nèi)部引出來(lái)，經(jīng)紅外傳感器轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理后得的溫度值滿(mǎn)足工業(yè)測(cè)量要求，可推廣到其他具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體的溫度的監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)減少電機(jī)的故障，對(duì)生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。其中多路遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也適用于各大中企業(yè)的控制模式。
（轉(zhuǎn)載）
