孟大偉+高翔

摘 要：針對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生單相繞組短路故障的問題，依據(jù)電機(jī)學(xué)的基本理論，采用場(chǎng)路結(jié)合的研究方法，以一臺(tái)11kW的籠型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，建立了場(chǎng)路結(jié)合分析模型，并給出了電機(jī)定子繞組單相短路的約束條件，對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分析計(jì)算，計(jì)及了電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)飽和對(duì)繞組電抗數(shù)值的影響，得到更為準(zhǔn)確的電流和轉(zhuǎn)矩變化曲線。

關(guān)鍵詞：

感應(yīng)電機(jī)；短路故障；磁場(chǎng)飽和

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.006

中圖分類號(hào)： TM346

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）06-0028-05

Abstract：According to the short circuit fault occurs in singlephase winding of threephase induction motor， based on the basic theory of electrical machinery， adopting the research method of combining field and circuit， taking an 11kW cage type threephase induction motor as an example， a field circuit coupled analysis model and constraint conditions of motor stator winding singlephase short circuit is given， the internal magnetic field analysis and calculation of the motor， and the motor magnetic saturation effect on the reactance value， get a more accurate current and torque curve.

Keywords：induction motor； short circuit fault； magnetic saturation

0 引 言

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)最普遍的故障是定子繞組短路、轉(zhuǎn)子斷條和軸承故障[1]，其中電動(dòng)機(jī)定子繞組短路占所有故障約40%[2] 。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組單相短路時(shí)，故障繞組出現(xiàn)較大的短路電流會(huì)使其溫升劇烈增大，將會(huì)導(dǎo)致附近的絕緣層材料遭到破壞，燒毀電動(dòng)機(jī) [3]。同時(shí)過大的電流使磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，會(huì)在電動(dòng)機(jī)繞組端部和鐵心之間產(chǎn)生巨大的電磁力，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)兩側(cè)軸振動(dòng)過大[4]，可能會(huì)引起整個(gè)電動(dòng)機(jī)組或者整個(gè)生產(chǎn)線的關(guān)閉[5]。發(fā)生單相短路故障后，電動(dòng)機(jī)三相電流不對(duì)稱，三相不平衡會(huì)造成電磁轉(zhuǎn)矩的不平衡，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備造成損害[6]。

目前對(duì)電機(jī)定子繞組短路研究主要應(yīng)用對(duì)稱分量法，多回路分析法和Park變換法。文[7]采用對(duì)稱分量法，將不對(duì)稱三相系統(tǒng)的量分解為正序、負(fù)序和零序三組對(duì)稱分量進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)出負(fù)序電流的表達(dá)公式，得到電動(dòng)機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)的特征。文[8]運(yùn)用多回路分析法[9]，將短路環(huán)等效為一個(gè)獨(dú)立的分支，將電壓回路方程和磁鏈方程以規(guī)范形式給出，使電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)仿真模型與外部具有相對(duì)獨(dú)立性，對(duì)電動(dòng)機(jī)定子繞組短路進(jìn)行合理的分析。文[10]應(yīng)用Park變換法，將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電流轉(zhuǎn)換成兩個(gè)Park矢量，每個(gè)Park矢量都是電動(dòng)機(jī)三相電流的函數(shù)，通過分析Park矢量來分析三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組短路后的性能，文[11]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分析電動(dòng)機(jī)定子繞組短路。

以上研究沒有考慮到磁場(chǎng)飽和時(shí)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化。本文采用場(chǎng)路結(jié)合的方法，構(gòu)建電路和磁場(chǎng)結(jié)合的分析模型，將磁場(chǎng)的變化與電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化相聯(lián)系，考慮磁場(chǎng)飽和對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響，更為準(zhǔn)確地分析三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相短路的性能。并以一臺(tái)11 kW的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，進(jìn)行了具體的仿真計(jì)算分析。

1 場(chǎng)路結(jié)合法的計(jì)算模型

1.1 樣機(jī)參數(shù)和短路方式

以一臺(tái)11kW的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，來研究定子單相短路后的性能，電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)如表1所示。

設(shè)定電動(dòng)機(jī)定子A相繞組在0.2s時(shí)短路，如圖1所示，開關(guān)S1，在0.2s閉合。

1.2 電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分析模型

根據(jù)表1額定數(shù)據(jù)和基本參數(shù)，用有限元軟件建立鼠籠型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的二維仿真物理模型，如圖2所示。

計(jì)算分析假定：

1）該電磁場(chǎng)忽略不計(jì)位移電流的平行平面場(chǎng)，矢量磁位A只有沿z軸方向的分量AZ 。

2）施加邊界條件在求解模型的邊界上，來劃分求解域的求解范圍，對(duì)于求解域內(nèi)磁力線平行所給定的邊界線，施加狄里克萊邊界條件，設(shè)置其值為0。

3）主從邊界條件可以將類似于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之類的幾何模型簡化，僅計(jì)算其中一對(duì)極，使用時(shí)將模型一條邊定義為主邊界，設(shè)定另外一條邊為從邊界，如圖1所示。

2 磁場(chǎng)飽和對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響

2.1 磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

應(yīng)用所建立的磁場(chǎng)分析模型對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)分析計(jì)算。圖3是電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)在0.21s時(shí)刻的磁密分布圖；圖4是電動(dòng)機(jī)在0.2s時(shí)刻發(fā)生單相短路時(shí)，0.21s時(shí)刻的磁密分布圖。由圖3和圖4可知，短路處附近的磁通密度增大，影響磁場(chǎng)分布的均勻性，定子齒磁通密度可到1.7T以上，而電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)定子齒磁密只有1.2T。通過圖5所示硅鋼片的磁化曲線，電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)磁場(chǎng)中的磁通密度值在膝點(diǎn)以下，而在短路時(shí)磁通密度值已經(jīng)超過曲線膝點(diǎn)，磁路已達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.2 電抗參數(shù)變化endprint

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在單相短路后磁場(chǎng)達(dá)到飽和，電動(dòng)機(jī)的定子繞組電感和轉(zhuǎn)子繞組電感都會(huì)發(fā)生變化。以定子A相繞組為例，仿真得到短路后A相繞組的電流與式（5）A相繞組的自感L1的變化情況如表2。

由圖5和表2可以得到，當(dāng)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相短路時(shí)，電流增大，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁路飽和，隨著飽和程度的增加磁路磁導(dǎo)率不斷下降，電動(dòng)機(jī)繞組電感也會(huì)下降。

3 單相短路電動(dòng)機(jī)性能的計(jì)算

3.1 正常運(yùn)行與單相短路時(shí)電流對(duì)比

建立與剖分、邊界條件與激勵(lì)源加載在內(nèi)的前處理設(shè)置后，對(duì)該有限元仿真模型求解。設(shè)置控制電路中控制開關(guān)，在0.2s時(shí)A相繞組短路，得到電流變化如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6、圖7和圖8中可以看到，當(dāng)定子A相發(fā)生短路時(shí)，三相繞組的電流都瞬時(shí)增大，當(dāng)短路電流穩(wěn)定時(shí)，A相繞組的電流從幅值10A增加到31A，B相和C相繞組電流從10A增加到20A，電流增加很大，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。

3.2 單相短路電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

由圖9可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在0.2s之前，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸穩(wěn)定在16N·m。0.2s發(fā)生單相短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子三相電流增大，短路瞬間轉(zhuǎn)矩巨大幅度震蕩，可能在軸、聯(lián)軸器或齒輪箱中產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械應(yīng)力，破壞了驅(qū)動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定性。再經(jīng)過0.001s，由于定子A相電流的幅值大于B、C兩相，三相電流不平衡，轉(zhuǎn)矩震蕩振幅雖有減小，但是會(huì)持續(xù)做轉(zhuǎn)矩值在-30～20N·m的無規(guī)則震蕩，損壞電動(dòng)機(jī)自身及所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。

4 結(jié) 論

應(yīng)用場(chǎng)路結(jié)合分析方法，建立了電動(dòng)機(jī)電路、磁場(chǎng)的分析計(jì)算模型，考慮了單相短路運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)飽和對(duì)繞組電抗的影響，因而計(jì)算更準(zhǔn)確。計(jì)算分析表明，短路后電動(dòng)機(jī)三相定子電流幅值增大，其中定子A相繞組幅值增加2倍，B相和C相電流幅值增加1倍，電流的迅速增大會(huì)使電動(dòng)機(jī)定子線圈溫度升高，使電動(dòng)機(jī)電源線絕緣損壞甚至燒毀電動(dòng)機(jī)；由于定子三相電流不平衡，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈震蕩，會(huì)使損壞電動(dòng)機(jī)軸承和所驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] SANTOS P，LUBINY T.A Simplified Induction Machine Model to Tudy Rotor Broken Bar Effects and for Detection[J]. European Transactions On Electrical Power，2010，18（3）：156-161.

[2] MUSTAFA M O，NIKOLAKOPOULOS G，GUSTAFSSON T. Stator Winding Short Circuit Fault Detection Based on Set Membership identification for Three Phase Induction Motors[C]// 20th Mediterranean Conference on Control & Automation （MED），2012：290-296.

[3] 崔廣慧. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組匝間短路與缺相運(yùn)行時(shí)電磁場(chǎng)特性分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2016：1-3.

[4] 趙金東. 支路不對(duì)稱定子繞組大型水輪發(fā)電動(dòng)機(jī)短路故障分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015：1-4.

[5] PRANEETH A，SINDHU K S，BHASKAR N，et al. Abberant Analysis of Three Phase Induction Machine with Stator Interturn Faults on Windings[C]// 2016 Biennial International Conference on Power and Energy Systems，2016：1-6.

[6] 孫磊.11kW三相異步電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)裝置的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2015：2-3.

[7] 張志艷， 馬宏忠， 趙劍鍔， 等. 基于負(fù)序分量和模糊邏輯相融合的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子不對(duì)稱故障診斷[J]. 電動(dòng)機(jī)與控制應(yīng)用， 2014（6）：64-68.

[8] 李亞光. 異步電動(dòng)機(jī)的故障特征分析和診斷方法研究[D].長沙：中南大學(xué)， 2014：2-4.

[9] 劉萬順， 黃少鋒， 徐玉琴. 電力系統(tǒng)故障分析（第三版）[M]. 北京：中國電力出版社， 2010：150-156.

[10]劉卉圻. 異步電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路故障建模與檢測(cè)方法研究[D].重慶：西南交通大學(xué)， 2014：6-9.

[11]BRONIERA P J， GONGORA W S， GOEDTEL A. Godoy Diagnosis of Stator Winding Interturn Short Circuit in Threephase Induction Motors by Using Artificial Neural Networks[C]// 2013 9th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines，2013：281-287.

[12]戈寶軍， 梁艷萍， 溫嘉斌. 電機(jī)學(xué)[M].北京：中國電力出版社：35-60.

[13]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2013：264-280.

（編輯：關(guān) 毅）endprint