馮文成, 王福忠

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000)

0 引 言

同步電動機可以避免傳統(tǒng)的交流異步電動機存在的功率因數(shù)低、調(diào)速性能差等缺點,在大型礦用提升機得到了廣泛應用。然而,如果同步電動機發(fā)生意外事故,將導致嚴重的經(jīng)濟損失。根據(jù)電力研究所(EPRI)和電機與電子工程師協(xié)會(IEEE)的電機故障報告,匝間短路故障(inter-turn short circuit fault,ISCF)是最常見的電機故障之一[1]。該故障不僅會產(chǎn)生很大的短路電流危害電機,還會引起其他類型的定子故障,如:相間短路、接地短路。因此,需要對ISCF進行診斷。

很多學者已經(jīng)采用定子電流頻譜分析法、基于模型分析法、基于數(shù)據(jù)分析法、基于信號分析法的方法對ISCF診斷進行了研究。其中,定子電流頻譜分析法[2]是最傳統(tǒng)的方法,這種方法雖然很簡單,但是不能檢測出ISCF的嚴重程度?；跀?shù)學模型分析的方法可以克服定子電流頻譜分析法的缺點。然而,由于使用了數(shù)學模型,模型參數(shù)具有不確定性,準確的數(shù)學模型很難建立?；跀?shù)據(jù)的方法[3,4]使用人工智能工具,該方法對電機進行了快速、準確的仿真,但在正常運行和故障運行的情況下很難收集足夠的數(shù)據(jù)?；谛盘柕姆椒ㄊ褂酶鞣N信號,如電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及旋轉(zhuǎn)角度,其中包括Park的矢量方法[5]、定子電壓空間矢量[6]和d-q軸信號分析[7]。根據(jù)診斷方法的種類,這種方法可以診斷出電機的嚴重程度。

為了診斷ISCF,近年來出現(xiàn)了很多基于信號的方法,這些方法僅使用電壓和電流信號,例如:負序分量[8]和旋轉(zhuǎn)角[9],不需要電機模型參數(shù)如定子電阻和電感,以及旋轉(zhuǎn)角度。因此,這些現(xiàn)有的方法可以應用于提升機電機采用無傳感器控制或電機參數(shù)不確定的情況。然而這些現(xiàn)有的方法用于診斷輕微的ISCF仍然存在困難,因為這種方法僅用到電壓和電流信號的幅值或相位。為了克服這一缺點,本文提出了一種基于正負序列信號的故障診斷方法。該方法是利用電壓和電流信號的幅值和相位來診斷ISCF。此外,在沒有提升機電機模型參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度的情況下,僅通過電壓和電流信號就可以檢測到輕微的ISCF。

本文分析了ISCF下正負序成分的特征,為更有效地診斷ISCF提供了依據(jù)。與正常情況相比,ISCF下的正序電壓和電流在相位上發(fā)生了顯著的變化,而ISCF下的負序電流和電壓則通過實驗顯示出顯著的振幅變化。因此,本文提出了一種新的故障指示器,利用正序電流與電壓的相位差,以及負序電壓的負序電流比的大小來檢測故障。實驗結(jié)果表明,所提出的故障指示器可以診斷出輕微的ISCF以及ISCF的嚴重程度。

1 理論基礎

1.1 帶有ISCF的提升機同步電動機的等效模型

圖1表示在A相發(fā)生匝間短路的提升機電動機定子的等效模型。設N為每相的總匝數(shù),n為短路匝數(shù),則短路匝數(shù)比μ=n/N,表示故障相中短路匝數(shù)與總匝數(shù)之比,ISCF的嚴重程度隨著μ的增加而增加。故障電阻Rf代表絕緣劣化,并與故障電流相關,ISCF的嚴重程度隨著Rf的降低而增加。當μ接近1并且Rf接近零時,故障成為完全的匝間短路故障。 總之,ISCF嚴重性隨著μ增加或Rf減小而增加。

圖1 A相中具有ISCF的提升機電機定子等效模型

1.2 正序和負序分量

對稱分量是三相系統(tǒng)失衡的重要指標之一[10]。在對稱分量中,相電流和相電壓的正序分量和負序分量由以下等式表示

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ips和ins分別為正序電流和負序電流。ia,ib和ic分別為a,b和c相的定子繞組電流。同樣,vps,vns分別為正序和負序電壓。va,vb和vc分別為相a,b和c的定子繞組電壓。

2 仿真驗證正負序列故障特征

2.1 仿真模型的建立

為了研究正序分量和負序分量的特性,搭建了提升機同步電機模型如圖2所示。電機參數(shù)如表1所示。電機型號為TBPS710—8,有8個極,84個槽,每相有4個并聯(lián)支路,每條之路由7個串聯(lián)的集中繞組組成。采樣頻率為2 kHz。在452 r/min的旋轉(zhuǎn)速度下,對其進行正常和故障的仿真實驗。ISCF的不同嚴重程度通過改變μ和Rf來實現(xiàn),具體見表2和表3。因此,結(jié)合表2和表3的值,進行了12例ISCF測試。當μ= 0.143和Rf= 2 Ω時,ISCF最輕,當μ=0.429和Rf= 0.1 Ω時ISCF最嚴重。

圖2 TBPS710—8型同步電機模型

表1 試驗中同步電機的參數(shù)

表2 不同μ下的故障程度

表3 不同Rf下的故障程度 Ω

2.2 ISCF下的正序和負序信號

為了保證ISCF正負序分量的清晰特征,試驗了比較嚴重的ISCF的情況,例如(μ,Rf)=(0.286,0.1 Ω)和(μ,Rf)=(0.429,0.1 Ω)的情況,如圖3。圖3(a)表示的是當μ變化時的正序電流和電壓的時域波形。與正常情況相比,正序電流和電壓的幅度變化很難觀察到,而正序電流和電壓的相移卻很容易觀察到。圖3(b)描述了負序電流和電壓的時域波形。如圖3(b)所示,負序電流的幅值隨著μ的增大而增大；負序電壓的幅值隨著μ的增大而減小。這意味著當μ變化時正序分量的相位發(fā)生偏移,負序分量的幅值發(fā)生變化。

圖3 不同μ下,正序/負序電流和電壓的時域波形

針對圖3情況的相同原因,可以進一步研究相對嚴重ISCF的情況,比如圖4(a)((μ,Rf)=(0.429,0.5 Ω))和圖4(b)((μ,Rf)=(0.429,0.1 Ω))。圖4(a)表示不同電阻Rf下正序分量的波形。從圖4(a)可以明顯看出,正序分量的相位隨著電阻Rf的減小而逐漸變化的,然而其故障狀態(tài)下的幅值與正常情況下沒有明顯差別。圖4(b)為不同電阻Rf下正序分量的時域波形。正常和故障狀態(tài)下的負序電流,從圖中可以看出,隨著電阻Rf逐漸減小,負序電流的幅值反而逐漸增大,然而在正常和故障狀態(tài)下負序電流的相序變化并不明顯;同樣地,正常和故障狀態(tài)下的負序電壓,其變化趨勢和正序基本一致。

圖4 不同Rf下,正序/負序電流和電壓的時域波形

總之,一旦出現(xiàn)了輕微的ISCF,正序分量的相位和負序分量的幅值都會發(fā)生改變。

3 針對ISCF分析提出的故障指標

3.1 新型故障指標選擇的分析

正如2.2節(jié)中提到的,當輕微的ISCF出現(xiàn)時,正序分量相位和負序分量幅值均發(fā)生變化。由此,可以定義以下參數(shù)

φ=∠ips-∠vps

(5)

(6)

式中 φ為正序電流和電壓的相位差,Z為負序電壓和電流比值的幅值。

通過研究功率因數(shù)和阻抗的定義,定義了式(5)和式(6)。φ代表正序分量相位變化,Z代表輕微的ISCF下負序分量的幅值,因此當輕微的ISCF出現(xiàn)時,φ和Z會發(fā)生變化。然而,在輕微的ISCF指標中,φ和Z需要是標幺值。φ和Z的標幺值如下所示

(7)

(8)

式中 φN和ZN為φ和Z的標幺值,且沒有單位。

3.2 故障指標的提出

為了確定一個能夠診斷出早期探測和ISCF嚴重程度的輕微ISCF的故障指標,提出一個新型故障指標

(9)

這種新型故障指標不僅包括相位和幅值的信息,而且僅利用電壓和電流。因此,這種新型故障指標簡單易行,適用于提升機電機參數(shù)不確定或無傳感器控制的情況。在正常情況下,故障指標幾乎為零；而當輕微ISCF嚴重時,故障指標變大。

4 實驗驗證

圖5(a)表明了故障指標為什么可以同時利用相位和幅值。圖5(a)是φN和ZN隨μ變化的示意圖。ZN是僅與幅值有關的指標,其值隨著μ的增大而減小。相比之下,φN是僅與相位有關的指標,但它不能檢測出ISCF的嚴重程度。圖5(b)描繪了φN和ZN隨Rf變化的示意圖。在Rf變化的情況下,ZN是很難區(qū)分Rf= 0.5 Ω和Rf= 0.7 Ω。同樣地,φN很難區(qū)分Rf=0.1 Ω,Rf=0.5 Ω和正常情況。因此,故障指標應該同時使用相位和振幅來診斷ISCF的嚴重程度以及輕微的ISCF的存在。

圖5 實驗結(jié)果

表4和表5代表452 r/min工況下的故障指標。表4為不同μ下的故障指標,在正常條件下,故障指標幾乎是零,并且隨著μ增加而增大。輕微ISCF的故障指示值指標甚至可以明顯區(qū)別電機的正常情況。表5為不同Rf下的故障指標,故障指標隨著Rf的減少而增大。在輕微的ISCF中,實驗結(jié)果顯示了類似表4的趨勢。這些結(jié)果表明,該診斷方法在ISCF嚴重程度和輕微的ISCF中都是有效的。

表4 Rf=2Ω時,故障指標隨μ變化情況

表5 μ=0.143時,故障指標隨Rf變化情況

5 結(jié) 論

通過對輕微ISCF下正負序列特征的分析,本文提出了一種新型的故障指標。實驗結(jié)果表明:

1)所提出的故障指標不僅能夠成功地診斷出ISCF的嚴重程度,而且還能診斷出輕微的ISCF。

2)該方法是一種基于信號的方法,僅通過電壓和電流信號就可以診斷輕微ISCF,不需要模型參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度。

3)該診斷方法可以有效地應用于由于老化或電機故障導致提升機電機模型不確定性或無傳感器控制等領域。