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        高效率三相異步電動機(jī)故障分析

        2018-08-01 00:40:50
        防爆電機(jī) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:故障

        (佳木斯電機(jī)股份有限公司,黑龍江佳木斯 154002)

        0 引言

        異步電動機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、使用安全、運行可靠、維護(hù)方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),已得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著GB 18613—2012《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》的發(fā)布與執(zhí)行,很多低能效電機(jī)逐漸被淘汰,逐漸被2級能效甚至1級能效電動機(jī)所替代。

        短路是電動機(jī)最常發(fā)生的故障之一,如果短路持續(xù)時間較長,可能使繞組溫度劇升,電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度下降、使用壽命更是呈指數(shù)倍下降,嚴(yán)重影響電機(jī)工作的安全可靠性。事故嚴(yán)重時,可以使電機(jī)繞組燒壞和變形。

        本文利用Simulink中內(nèi)含的功能元件,建立了異步電動機(jī)的仿真模型,并把它應(yīng)用到異步電動機(jī)直接起動,三相短路和單相短路中,對高效電動機(jī)繼電保護(hù)裝置的選擇提供理論依據(jù)。

        1 等效電路和仿真模型

        以YBX3 132M-4 7.5kW 380V異步電動機(jī)為例,電機(jī)基本參數(shù)見表1。

        表1 電動機(jī)參數(shù)

        1.1 等效電路及相關(guān)方程

        異步電動機(jī)的“T”型等效電路見圖1,其電路方程如下[2]

        圖1 異步電動機(jī)“T”型等效電路

        圖中,R1=1.196Ω,X1σ=2.836Ω,R2′=1.5336Ω,Rm=4.392Ω,Xm=90.597Ω,s=0.0319。

        感應(yīng)電動機(jī)是電力系統(tǒng)負(fù)荷的重要組成部分,三相感應(yīng)電動機(jī)正常運行時,若定子端點發(fā)生三相對稱或不對稱突然短路,定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生一定的沖擊。

        感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為

        式中,TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩;RΩΩ—旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù);J—轉(zhuǎn)動慣量;Te—電磁轉(zhuǎn)矩,P0—電機(jī)的極對數(shù)。

        與同步電動機(jī)相比較,感應(yīng)電動機(jī)突然短路的特點是

        (1)轉(zhuǎn)子沒有外加的直流勵磁電流,故定子短路電流的穩(wěn)態(tài)分量為0;

        (2)轉(zhuǎn)子為隱極,轉(zhuǎn)子繞組為三相或多相對稱繞組,故d、q軸的瞬態(tài)參數(shù)相等,穩(wěn)態(tài)參數(shù)亦相等,使定子短路電流中的高次諧波為0;

        (3)軸上帶有機(jī)械負(fù)載時,短路過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將不斷下降。

        轉(zhuǎn)矩方程是一個非線性方程,但是由于短路的電磁瞬態(tài)時間很短,通常在20~30周波內(nèi)即基本衰減完畢,因此一般來講,求解動態(tài)問題需要求解一組非線性和變系數(shù)的微分方程組,這只能用計算機(jī)來求出具體問題的數(shù)值解或圖示解。

        1.2 仿真模型的建立

        在Matlab的Simulink平臺建立仿真模型,系統(tǒng)模型,如圖2所示[3]。故障點設(shè)置在的定子側(cè)。通過調(diào)節(jié)Three-Phase Fault模塊來實現(xiàn)三相短路和單相短路,其中加入一個Step模塊來控制發(fā)生短路的時刻。

        圖2 仿真模型

        2 仿真結(jié)果分析

        2.1 空載直接起動

        電機(jī)空載直接起動,利用圖2所示模型,此時調(diào)節(jié)Three-Phase Fault模塊,此時不設(shè)置故障發(fā)生。點擊運行,通過示波器得到定子電流is、轉(zhuǎn)子電流ir、轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Te隨時間t變化的曲線,如圖3所示。電流、速度以及轉(zhuǎn)矩開始變化較大,原因是起動時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零,轉(zhuǎn)差率為1,電樞電壓為零,電源端電壓作用在定子繞組上起動電流較大,電磁轉(zhuǎn)矩增大,大于空載轉(zhuǎn)矩;電機(jī)開始加速運行、產(chǎn)生電動勢、電樞電壓增加、電流減小以及電磁轉(zhuǎn)矩降低,但是電磁轉(zhuǎn)矩仍然大于空載轉(zhuǎn)矩。電機(jī)繼續(xù)加速,但是加速減緩,轉(zhuǎn)子速度升高、電樞電壓繼續(xù)增加、電流減少以及電磁轉(zhuǎn)矩增加,直到電磁轉(zhuǎn)矩等于空載轉(zhuǎn)矩,定子電流接近空載電流,轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速,最終進(jìn)入穩(wěn)定運行。

        圖3 直接起動

        2.2 三相短路

        電動機(jī)三相短路,此時調(diào)節(jié)Three-Phase Fault模塊,將A、B、C三相故障均選上,Step模塊時間設(shè)置為0.8s,即電機(jī)在空載運行0.8s時發(fā)生三相短路,如圖4所示。

        圖4三相短路

        從圖中可以看出0.8s之前運行狀態(tài)與空載運行一直,0.8s時定、轉(zhuǎn)子電流急劇增加,但最終衰減為零。

        2.3 單相短路

        電動機(jī)單相短路,此時調(diào)節(jié)Three-Phase Fault模塊,以A相短路為例將A相故障選上,Step模塊時間設(shè)置為0.8s,即電機(jī)在空載運行0.8s時令A(yù)相短路,如圖5所示。

        圖5 單相短路

        從圖中可以看出0.8s之前運行狀態(tài)與空載運行一直,0.8s時定、轉(zhuǎn)子電流急劇增加,定、轉(zhuǎn)子電流約為額定電流10倍左右,與三相短路相比,并沒有衰減到零,持續(xù)工作時間較長,可以使繞組溫度劇升,電機(jī)繞組絕緣下降和使用壽命呈指數(shù)倍下降,嚴(yán)重影響電機(jī)工作可靠性和安全性。事故嚴(yán)重時,可以使電機(jī)繞組燒壞和變形。

        可見,短路故障對電動機(jī)的危害性非常大,因此不允許該類電機(jī)在短路故障狀態(tài)下運行,為避免該類事故發(fā)生,應(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)措施。

        3 結(jié)語

        利用Matlab軟件的Simulink功能建立的異步電動機(jī)仿真模型,具有直觀、方便、靈活的特點,充分發(fā)揮Matlab的強(qiáng)大矩陣運算功能及繪圖方便和直觀生成模型的優(yōu)勢,使得仿真運算更加方便、快捷,提高了效率和精度。異步電動機(jī)短路故障的準(zhǔn)確分析,為系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的選擇提供了理論依據(jù)。

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