基于MCA技术的三相异步电机故障

肖海红 王宜泽 王树朝

摘 要：三相异步电机故障在线监控能够实时监测电机运行状况，保护电网的正常运行。本文描述了电机在线监控终端的设计方案，给出了基于MCA技术电机故障监控依据及终端设計原理。实践证明，该设计方法能够判断定子或转子故障，具有一定的应用价值。

关键词：三相电机；故障监测；终端；MCA技术

引言

三相异步电动机的绕组是电动机的组成部分，电机绕组故障会造成电能损耗。美国电力研究学会（EPRI）关于电机的研究报告称：电机故障约有53%源于机械原因，约47%源于电气原因，其中，如匝间、相间短路等出现在定子绕组的故障约占37%[1]。因此，针对电机故障电气故障检测一直是工程师们研究的热点。在电机电气故障检测中，常采动态电气电参数测量[2-3]和静态线路参数测量方法[4]。这两种测量方法在电机检测中，采用以往常规的电气检测方法只能进行绝缘、阻值、效率、电压是否平衡等基本电气故障检测，对部分阻值变化微弱的早期匝间短路，阻抗和相角不平衡产生的三相不平衡，定子故障等都无能无力。而且这些方法不能判断出故障的严重程度，更不能判定故障出现的部位[1]。

电特性检测对匝间、层间、相间短路的可靠检出，并能判断故障源于定子还是转子的强大优势被人们所关注。美国BJM（桑美）公司以此为基础推出用于电特性检测的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等一系列检测设备，并将这种检测方法统称为MCA技术[1]。

电机运行过程故障监测对电机运行状态监控具有重要意义，而基于电特性技术检测的检测仪研制，能够确保电机设备安全运行，并保护电力系统。

综上所述，设计一种基于电特性电机故障检测仪对电机故障检测具有实际意义。

1 故障检测原理及终端总体设计

1.1 电特性测试故障评判标准

电特性检测核心是测量两相之间电阻、电感、阻抗、相角；分析各参数搭配情况，判断电机运行状态。IEEE通过15年的测试数据考核得到电机故障评判标准，如表1所示[5-6]。

表中数据时测量两相之间数据，求得偏移量进行比较。当电感L和阻抗Z保持“平行关系”时，三相不平衡的原因来自转子；当电感L和阻抗Z不是“平行关系”时，三相不平衡的原因多来自定子绕组的过热或污染。

电特性参数的测量采用交流电欧姆定律公式。

从上述公式可以看出，只要测量两相间电流、电压功率和频率，就可以得到电感、阻抗。

1.2 电特性测试仪总体设计

根据电特性故障判断标准，本监测终端主要由电压、电流取样电路和频率测量电路以及单片机电路等组成，监测终端总体框图如图1所示。

相电压取样电路采用电压互感器分别取样UV、VW、WU之间电压数据；电流取样电路采用电流互感器取样三相电流信号。电压、电流信号经放大、滤波电路送AD7656，转换为数字信号。锁相环用以将一个正弦周期等分为64份，一个正弦周期输出64个脉冲，中断单片机，启动AD转换。STM32单片机通过FFT变换原理、欧姆定律，计算出电压、电流、功率、阻抗和电感。

频率测量采用脉宽填数原理，计算出交流电频率。按键电路等其他辅助电路用以完成该终端其他功能。

2 故障检测仪硬件设计

三相电机监测终端硬件电路主要由电压取样、电流取样、AD转换电路、频率测量电路组成，本文将重点介绍以上电路，其他电路采用经典电路[7、8]。

2.1 电压、电流取样电路

根据电特性参数测试特点，电流取样电路如图2，电压取样采用将电压转换为电流方式，用同样电路图进行电压取样。

电流互感器采用高准确度、宽量程CT，在额定输入为5A时，电流互感器输出10mA。电流互感器串接100Ω电阻进行电流电压变换，使得额定电压输出为1V，在经过后面的电压跟随与放大电路后，让输入到后面A/D的信号为4V。以使系统能够受到电流120%额定电流的冲击。

电压互感器的制作工艺复杂成本较高，本测量终端的电压互取样电路采用电阻与电流互感器原边串联，提供10mA电流，用电流互感器对电压信号进行取样，原理图同电流取样。

2.2 AD转换器与单片机接口电路

AD转换器采用16位、高速、低功耗、6通道同时采样的AD7606，与单片机接口电路如图3所示。

AD7606的数据线DB0～DB15分别连接对应的FSMC数据线，片选信号分别接到FSMC接口片选信号PG9_FSMC_NE2。

AD7606的BUSY引脚电平为高时表示AD正在进行转换，变低表示转换完成。将BUSY引脚接到STM32的外部中断引脚并配置为下降沿触发。OS[0..2]为过采样配置引脚，通过控制STM32相关GPIO的电平可以是AD7606工作在不同的过采样状态。

2.3 频率测量电路

为准确测量ω的大小，以求得准确的角频率，设计了频率测量电路，频率测量采用脉宽填数技术，电路如图4所示。

电压信号经过零比较器将正弦波转换为矩形波，然后经过74LS74进行二分频，将矩形波转换为频率为矩形波一半的方波信号。该方波信号的高低电平时间均为正弦波周期T.则该正弦波频率为：

波形变换过程及由CPLD构成的脉宽填数周期测量原理见参考文献[7]。

3 故障监测终端软件设计

电机故障监测终端软件由顺序执行的初始化、FFT运算等组成，主流程图如图5所示。

图5中，系统初始化完成AD转换接口电路STM32PA扣配置、定时器设置、中断配置等工作，以使单片机系统能够正常工作。

初始化后，程序进入等待启动AD命令，启动AD后，单片机等待AD转换完毕，读取数字信号，然后判断是否完成64点采样，若64点采样完毕，则通过调用STM32内嵌FFT变换程序，计算出相间电压、电流有效值，并计算出有功功率及阻抗、电感等电特性量，然后判断电机故障或正常运行。

在程序运行过程中，不断检测是否有按键命令或者上位机命令，若有相应命令，则处理命令，然后继续对电特性的不断检测及判断；若无命令，则继续连续检测电机电特性参数。

4 监测终端测试

在实验室条件下，采用标准表郑州华特测控新技术有限公司的三相多功能标准表WT-3030和T360三相电源对本监测终端进行了对电压、电流及功率的对比测试。表2为200V电压、5A电流下功率对比测试结果。

5 結语

描述了基于MCA技术的电机故障监测终端设计，该监测终端能够现场监测电机运行特性，判断定子绕组或转子绕组故障。对保护电机正常运行和保护电力系统具有一应应用价值。不足之处是本系统未能实现倍频电流的测量。

参考文献

[1]刘磊，董自虎.电特性检测在舰艇交流电机故障诊断中的应用[J].船电技术，2015，35（7）：62-65.

[2]汪虎强，陈建政.三相电机电流检测系统的设计及实现[J].无线互联科技，2016，（3）：63-65.

[3]李小庆，朱景伟，王健，等.永磁容错电机故障识别与检测方法[J].电机与控制应用，2015，42（1）：61-66.

[4]才家刚，吴亚旗.电机试验技术及设备手册[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]Howard W Penros.Static motor circuit analysis：An introduction to theory and application [J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2000，4（16）：6-10.

[6]汪平刚，张晓谨.MCA技术原理及其在电机绕组故障诊断中的应用[J].设备维修与管理，2005，（8）：32-35.

[7]Xiao Haihong，Luo Jming.Design of Electrical Parameter Measurement System for Three Phase AC Motor Based on STM32.Sensors & Transducers[J].2014，（7）：205-210.

[8]王克甫，肖海红.基于PsOC的工频相位差计设计[J].电气应用，2013，32（20）：86-88.

（作者单位：1.河南工程学院 电气信息工程学院；2.郑州大学 信息工程学院）