大型电机转子温度红外监控系统的研制

      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 ～3 μm 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
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。