郝曉紅， 王慧敏

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 成都 611731)

基于Matlab的異步電動(dòng)機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)的仿真

郝曉紅， 王慧敏

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 成都 611731)

為了探討異步電動(dòng)機(jī)的故障運(yùn)行狀態(tài)，利用Matlab/Simulink仿真工具中豐富的電機(jī)及相關(guān)測控模塊，結(jié)合多回路理論，建立了簡易轉(zhuǎn)子斷條電機(jī)故障仿真模型及三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)仿真模型，并分析了電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下的定子電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。同時(shí)針對(duì)不同故障，采用不同的特征量進(jìn)行分析。主要包括當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，對(duì)電機(jī)定子電流進(jìn)行頻譜分析；當(dāng)電機(jī)的三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)，對(duì)不同三相電壓不平衡度下的定子電流負(fù)序分量進(jìn)行計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果表明，頻譜分析方法可有效應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷；定子電流負(fù)序分量可應(yīng)用于三相供電電壓不平衡的診斷。

異步電動(dòng)機(jī)； 轉(zhuǎn)子斷條； 三相電壓不對(duì)稱； 故障診斷

0 引 言

三相交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)中的用電量占整個(gè)系統(tǒng)總用電量的60%以上。在異步電動(dòng)機(jī)中，大中型異步電動(dòng)機(jī)多采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)斷裂是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)最易發(fā)生的故障之一；三相供電電壓不對(duì)稱對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響[1]。三相電壓不對(duì)稱使三相電流不平衡，影響電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減少，起動(dòng)性能和過載能力下降，還嚴(yán)重影響到電機(jī)的效率，故電動(dòng)機(jī)在三相電壓不對(duì)稱情況下運(yùn)行是不允許的。因此，通過仿真研究電機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)，了解電機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)的故障特征，通過正常運(yùn)行與故障運(yùn)行的對(duì)比，直觀反映了電機(jī)故障運(yùn)行時(shí)定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化情況，對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的故障檢測與診斷有重大意義。

1 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條仿真

異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子電流只含有基波分量，頻率為f1，轉(zhuǎn)子電流頻率為sf1，如果出現(xiàn)斷條等故障使轉(zhuǎn)子不對(duì)稱后，轉(zhuǎn)子電流的對(duì)稱系統(tǒng)就會(huì)被破壞，這樣的不對(duì)稱系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場可分為正向和反向旋轉(zhuǎn)的磁場。正向旋轉(zhuǎn)的磁場與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)相互作用產(chǎn)生同正常電機(jī)一樣的異步轉(zhuǎn)矩，而反向旋轉(zhuǎn)的磁場，其旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，對(duì)轉(zhuǎn)子而言，該磁場的轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：n2為同步轉(zhuǎn)速。則反向旋轉(zhuǎn)的磁場相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速為

n3=n-n1s

(2)

式中:n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由于n=n1(1-s)，n3=n1(1-2s)。故該磁場在定子繞組中感應(yīng)的電流頻率f3=f1(1-2s),該電流疊加在頻率為f1的定子電流上，使定子電流含有頻率為(1-2s)f1的附加分量，其大小主要由轉(zhuǎn)子不對(duì)稱程度而定(相同轉(zhuǎn)差率下)，所以可以在實(shí)際中通過檢測定子電流中的(1-2s)f2頻率分量來判斷轉(zhuǎn)子故障。另外，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，在定子電流中還將出現(xiàn)(1+2s)f1頻率的附加分量。因此，定子電流(1+2s)f1頻率可以作為轉(zhuǎn)子斷條故障特征。

仿真得到電機(jī)運(yùn)行特性曲線圖如圖1～3所示。由圖1～3的對(duì)比，可以直觀地反映轉(zhuǎn)子斷條故障與轉(zhuǎn)子完好情況下異步電動(dòng)機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性曲線的差異。由圖1(b)可見，轉(zhuǎn)子斷條故障的定子穩(wěn)態(tài)電流幅值呈現(xiàn)周期變化的特征，并且變化頻率為2sf1。這是轉(zhuǎn)子斷條故障區(qū)別與其他電機(jī)故障的特征。

(a)正常 (b)轉(zhuǎn)子斷條

圖3 正常和故障情況下異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形

由于電機(jī)還會(huì)出現(xiàn)附加頻率分量，下面對(duì)電機(jī)A相定子電流進(jìn)行頻譜分析[3-7]。對(duì)正常電機(jī)的定子A相電流進(jìn)行頻譜分析，如圖4所示；對(duì)轉(zhuǎn)子斷條故障電機(jī)的定子電流A相電流進(jìn)行頻譜分析，如圖5所示。

圖4 正常異步電動(dòng)機(jī)定子電流頻譜

圖5 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的定子電流頻譜

由圖5可知，轉(zhuǎn)子斷條使定子電流產(chǎn)生頻率為(1±2s)f1的邊頻分量，(1±2s)f1是轉(zhuǎn)子斷條故障特征頻率。驗(yàn)證了觀察特征頻譜可判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的理論[8-12]。

2 三相電壓不對(duì)稱時(shí)異步電動(dòng)機(jī)故障運(yùn)行仿真

本文的三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)異步電動(dòng)機(jī)故障運(yùn)行模型是基于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障模型進(jìn)行修改得到。輸入的三相不對(duì)稱電壓為：

Ua=286sin(314π+30°)

Ub=244sin(314π-90°)

Uc=232sin(314π+150°)

模型中的三相供電電壓的不平衡度為6.38%，圖6～8的仿真結(jié)果顯示了異步電動(dòng)機(jī)在供電電壓不平衡下的定子電流波形、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形的變化情況。三相電壓不對(duì)稱使三相電流不平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

圖6 異步電動(dòng)機(jī)三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)的定子三相電流波形

圖7 異步電動(dòng)機(jī)三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)的轉(zhuǎn)速

圖8 異步電動(dòng)機(jī)三相供電電壓不對(duì)稱時(shí)的轉(zhuǎn)矩

三相電壓不平衡度計(jì)算公式為

LVUR={max[|Uab-Ulavg|,|Ubc-Ulavg|, |Uca-Ulavg|])/Ulavg}×100%

(3)

式中，Uab、Ubc、Uca為線電壓有效值，Ulavg是三相線電壓平均值。

當(dāng)三相相位平衡而幅值不平衡時(shí)，定子電流正序分量的計(jì)算公式為

(4)

負(fù)序分量的計(jì)算公式為

(5)

不同三相電壓不平衡度下的定子電流負(fù)序分量計(jì)算結(jié)果如表1所示，分別通過計(jì)算三相電壓平衡供電、三相電壓不平衡度為2.57%和6.38%情況下的定子電流基波分量有效值及定子電流基波負(fù)序分量平均值。分析表1數(shù)據(jù)可知，定子電流負(fù)序分量的數(shù)值隨著三相電壓不平衡度的增加而增大。當(dāng)三相供電電壓不平衡度越大時(shí)，定子電流負(fù)序分量越大[13-16]。

表1 不同三相電壓不平衡度下的定子電流負(fù)序分量計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和電氣化程度的不斷提高，電機(jī)設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，三相異步電動(dòng)機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，提高電機(jī)故障的監(jiān)測診斷水平，仿真研究不同運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)故障運(yùn)行的理論與特征，對(duì)于判斷故障和預(yù)防故障的進(jìn)一步惡化，減少突發(fā)事故造成的停產(chǎn)損失，意義重大。

基于Matlab/Simulink環(huán)境設(shè)計(jì)了簡單的三相異步電動(dòng)機(jī)兩種故障狀態(tài)下的運(yùn)行模型，并仿真了兩種故障狀態(tài)下的特性曲線，通過正常運(yùn)行與故障運(yùn)行的對(duì)比，直觀反映了電機(jī)故障運(yùn)行時(shí)定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化情況。通過分析仿真結(jié)果，表明頻譜分析方法可有效應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷；定子電流負(fù)序分量的存在與否可應(yīng)用于三相供電電壓不平衡的診斷。當(dāng)轉(zhuǎn)子斷條使異步電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱程度增大時(shí)，定子電流故障特征量增大；當(dāng)三相供電電壓不平衡度越大時(shí)，定子電流負(fù)序分量越大。

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Simulation of Asynchronous Motor Running States Based on Matlab

HAOXiaohong，WANGHuimin

(School of Mechanical, Electronic and Industrial Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China)

For discussing the faulty running states of asynchronous motor，using abundant motor and measurement model in Matlab/Simulink，based on multi-loop motor model，a simulation modeling of simple broken rotor bars and an unbalanced voltage supply on asynchronous motor’s operating is introduced to analyze stator current, speed and torque of the motor under various running states．At the same time, different faults with different featured portions are analyzed．The faults and portions include that the motor rotor breaks bars，stator current spectrum is needed to analyze，voltage supply on an asynchronous motor is unbalanced， the stator current’s negative sequence component is needed to analyze．The results show that the spectral analysis method can be applied to the fault diagnosis of broken rotor bars，and stator current negative sequence component presence can be applied to diagnose unbalanced voltage supply．

asynchronous motor； broken rotor bars； unbalanced voltages； fault diagnosis

2016-05-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61106107)；電子科技大學(xué)教改項(xiàng)目(2015XJYYB045)

郝曉紅(1975-)，女，山西臨猗人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)故障診斷和電子設(shè)備熱管理。

Tel.:13688165503； E-mail:haoxiaohong@uestc.edu.cn

TM 343

A

1006-7167(2017)02-0098-04