Matlab/Simulink環境下異步電機定子故障診斷的仿真與研究

摘要:針對定子電流諧波分量法對異步電動機進行定子故障診斷，難以得到明顯電流故障特征分量的問題。本文中根據具體故障情況下定子繞組的接線，通過數學分析推導出發生故障時定子端電壓，建立了在兩相靜止坐標系下故障電機的模型，并使用定子電流諧波分量法對濾去工頻諧波分量之后的故障定子電流進行分析來診斷電機是否發生定子故障。對仿真結果進行分析，使用定子電流諧波分量法可以檢測到明顯的故障特征諧波分量，準確的診斷出異步電機的定子故障。該方法對實際電機定子故障診斷的研究有一定參考價值和實際意義。

關鍵詞:三相異步電動機 定子故障 故障分量

0 引言

異步電機運行中，定子繞組在熱、電、機械等作用下，常發生故障，故障率可達電機故障總數的30%~40%，長期發展下去，匝間短路又可導致相間短路或接地短路。因此有必要對電機的早期故障進行檢測。

本文使用定子電流諧波分量法對故障模型的定子電流進行分析來診斷電機是否定子故障。通過診斷定子故障電流中明顯的（1/np）f1頻率的故障特征分量來確定定子故障。此方法不易受電源不平衡、負載波等影響，能對繞組的早期故障做出診斷。

1 α，β坐標系下數學模型

異步電機的電壓方程為：

其中:k=1/(LsLr-L2m)，Rs，Rr分別為定轉子電阻Ls，Lr分別為定轉子電感，Lm為定轉子之間互感。φsα，φsβ分別為定子在α，β軸上的磁鏈，ωr為轉子轉速，isα，isβ為定子在α，β軸上的電流分量，irα，irβ為轉子在α，β軸上的電流分量。

轉矩方程為：

（4）

運動方程：

（5）

2 故障模擬方法

本文中模擬了以下幾種類型的異步電機定子故障：①供電電源C相斷線；②定子繞組A相斷開；

2.1供電電源C相斷線

iA=0

3 電機定子故障建模

由于MATLAB7.0版本自帶了電氣系統仿真模塊庫(SimPowerSystems)其中的電機模型為電機轉矩控制的仿真提供了便利。但該模型是非故障情況下建立的理想模型，當要對電機故障情況進行仿真時該模型不適用。此時，可利用simulink中的基本模塊和S-function模塊相結合的方法自行建立故障電機模型。

3.1 電機定子故障模型

根據公式（1）（2）搭建供電電源C相斷線時的故障電機仿真模型。

本文中采用SIMULINK中的S函數模塊結合數學模型進行建模，只需在S函數m文件中輸入電阻R矩陣和電感L矩陣，并編輯狀態方程，就能求解出電流I矩陣。然后結和轉矩方程和運動方程求得轉矩與轉速。

3.2 濾波器模塊模型

FDATool(Filter Design Analysis Tool)是MATLAB信號處理工具箱專用的濾波器設計分析工具。本文中設計帶阻濾波器濾波器首先在Filter Type中選擇Bandstop類型，設定濾波器的階數，然后選擇Design Method選項中的FIR Window，通過Window來設計濾波器的信號阻止帶寬。設置完以后點擊窗口下方的Design Filter，在窗口上方就會看到所設計濾波器的幅頻響應。

4 仿真結果分析

4.1 仿真過程

電機參數為：額定電壓380V，頻率50Hz，定子轉子鐵損電阻：Rs=1.2Ω；Rr=1.03Ω；Rr=10Ω；定子轉子自感：Ls=0.801H；Lr=0.837H；定轉子之間互感：Lm=0.072H；電機極對數: Np=2；轉動慣量J=0.02kg·m2。仿真參數設置仿真時間：1s，最大、最小仿真步長為auto，相對誤差為：1e-5，絕對誤差為：1e-6.求解器為ode15.開始仿真，仿真結果如下：

4.2 仿真結果分析

4.2.1 三相電源C相斷線，此時相當于電機定子的A、B兩相繞組先串聯再與C相繞組并聯，形成單相的電機。在C相斷線故障發生后，定子繞組的B相和C相電流iB和iC相等是故障電流的5-6倍。定子繞組的A相電流ia的值變為原來故障前電流值的7-8倍。如果在故障發生后沒有及時關閉電動機，電機定子將有一相繞組會因過熱燒毀。將故障定子電流先通過50Hz工頻濾波器單元，然后進行頻譜分析，可以從頻譜圖上發現明顯的25Hz諧波分量，從而準確的檢測出了電機發生定子故障。

4.2.2 定子繞組A相斷開，未斷相的B，C相繞組構成V形接法，三相感應電機變為兩相電機。由仿真可以看出，定子繞組A相突然斷開瞬間，會對定子電流產生較強的沖擊，A相定子電流幾乎變為0，未斷相的B，C兩相繞組的電流值不相等。B，C兩相的故障電流穩定值可達額定值的4-5倍，濾去故障電流50Hz工頻分量，進行頻譜分析，可以從頻譜圖上可以發現明顯的25Hz故障諧波分量。

4.2.3 對三相感應電動機的兩種定子故障進行仿真，可以得到兩種故障對電機定子電流的影響大小依次為供電電源斷線影響最大，定子繞組一相斷相較小。但三種故障都會對電機造成很大的沖擊。如果不及時發現和排除故障將會造成嚴重的后果。故障模擬仿真所得的相關信息，對電機故障的檢測和診斷有相當參考價值。

5 結束語

針對使用定子電流諧波分量法對異步電動機進行定子故障診斷，難以得到明顯故障電流分量的問題。本文中通過數學分析推導出發生故障時定子端電壓，并使用MATLAB/SIMULINK中的基本模塊和S-function相結合的方法建立了發生定子故障的電機模型。并使用定子電流諧波分量法對故障定子電流進行頻譜分析來診斷電機是否發生定子故障。仿真結果顯示該方法可以檢測到明顯的25Hz故障特征諧波分量。并對仿真結果進行了分析和總結得到了電機在故障狀態下運行時很多信息。結果證實該方法對電機故障的預測和鑒別有一定的參考價值和實際意義。

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