孟大偉+高翔

摘 要：針對三相感應(yīng)電動機(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，采用場路結(jié)合的研究方法，以一臺11kW的籠型三相感應(yīng)電動機(jī)為例，建立了場路結(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，對電動機(jī)內(nèi)部磁場分析計算，計及了電動機(jī)內(nèi)磁場飽和對繞組電抗數(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；磁場飽和

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.006

中圖分類號： TM346

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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

目前對電機(jī)定子繞組短路研究主要應(yīng)用對稱分量法，多回路分析法和Park變換法。文[7]采用對稱分量法，將不對稱三相系統(tǒng)的量分解為正序、負(fù)序和零序三組對稱分量進(jìn)行計算，推導(dǎo)出負(fù)序電流的表達(dá)公式，得到電動機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路故障時的特征。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，使電動機(jī)瞬態(tài)仿真模型與外部具有相對獨(dú)立性，對電動機(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)電動機(jī)的電流轉(zhuǎn)換成兩個Park矢量，每個Park矢量都是電動機(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)法分析電動機(jī)定子繞組短路。

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

1 場路結(jié)合法的計算模型

1.1 樣機(jī)參數(shù)和短路方式

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

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

1.2 電動機(jī)磁場分析模型

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)電動機(jī)的二維仿真物理模型，如圖2所示。

計算分析假定：

1）該電磁場忽略不計位移電流的平行平面場，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)電動機(jī)之類的幾何模型簡化，僅計算其中一對極，使用時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 磁場飽和對電機(jī)參數(shù)的影響

2.1 磁場計算結(jié)果對比

應(yīng)用所建立的磁場分析模型對電動機(jī)內(nèi)磁場分析計算。圖3是電動機(jī)正常運(yùn)行時在0.21s時刻的磁密分布圖；圖4是電動機(jī)在0.2s時刻發(fā)生單相短路時，0.21s時刻的磁密分布圖。由圖3和圖4可知，短路處附近的磁通密度增大，影響磁場分布的均勻性，定子齒磁通密度可到1.7T以上，而電動機(jī)正常運(yùn)行時定子齒磁密只有1.2T。通過圖5所示硅鋼片的磁化曲線，電動機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)時磁場中的磁通密度值在膝點(diǎn)以下，而在短路時磁通密度值已經(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)電動機(jī)在單相短路后磁場達(dá)到飽和，電動機(jī)的定子繞組電感和轉(zhuǎn)子繞組電感都會發(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)電動機(jī)單相短路時，電流增大，使電動機(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，電動機(jī)繞組電感也會下降。

3 單相短路電動機(jī)性能的計算

3.1 正常運(yùn)行與單相短路時電流對比

建立與剖分、邊界條件與激勵源加載在內(nèi)的前處理設(shè)置后，對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，三相繞組的電流都瞬時增大，當(dāng)短路電流穩(wěn)定時，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，長時間運(yùn)行會燒毀電動機(jī)。

3.2 單相短路電動機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

由圖9可知，當(dāng)電動機(jī)在0.2s之前，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸穩(wěn)定在16N·m。0.2s發(fā)生單相短路時，電動機(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，但是會持續(xù)做轉(zhuǎn)矩值在-30～20N·m的無規(guī)則震蕩，損壞電動機(jī)自身及所驅(qū)動的設(shè)備。

4 結(jié) 論

應(yīng)用場路結(jié)合分析方法，建立了電動機(jī)電路、磁場的分析計算模型，考慮了單相短路運(yùn)行時磁場飽和對繞組電抗的影響，因而計算更準(zhǔn)確。計算分析表明，短路后電動機(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，電流的迅速增大會使電動機(jī)定子線圈溫度升高，使電動機(jī)電源線絕緣損壞甚至燒毀電動機(jī)；由于定子三相電流不平衡，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈震蕩，會使損壞電動機(jī)軸承和所驅(qū)動設(shè)備。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）endprint