大型电机转子温度红外监控系统的研制

电力18讯：    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4.88 mV，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