基于Matlab的異步電動機故障運行狀態的仿真

郝曉紅， 王慧敏

(電子科技大學 機械電子工程學院， 成都 611731)

基于Matlab的異步電動機故障運行狀態的仿真

郝曉紅， 王慧敏

(電子科技大學 機械電子工程學院， 成都 611731)

為了探討異步電動機的故障運行狀態，利用Matlab/Simulink仿真工具中豐富的電機及相關測控模塊，結合多回路理論，建立了簡易轉子斷條電機故障仿真模型及三相供電電壓不對稱時異步電動機運行狀態仿真模型，并分析了電機各種運行狀態下的定子電流、轉速及轉矩。同時針對不同故障，采用不同的特征量進行分析。主要包括當電機轉子斷條時，對電機定子電流進行頻譜分析；當電機的三相供電電壓不對稱時，對不同三相電壓不平衡度下的定子電流負序分量進行計算。仿真計算結果表明，頻譜分析方法可有效應用于電機轉子斷條故障的診斷；定子電流負序分量可應用于三相供電電壓不平衡的診斷。

異步電動機； 轉子斷條； 三相電壓不對稱； 故障診斷

0 引 言

三相交流異步電動機是應用最為廣泛的一種電氣設備，在電力系統中的用電量占整個系統總用電量的60%以上。在異步電動機中，大中型異步電動機多采用鼠籠型轉子，轉子導條和端環斷裂是鼠籠型異步電動機最易發生的故障之一；三相供電電壓不對稱對異步電動機的性能會產生較大的影響[1]。三相電壓不對稱使三相電流不平衡，影響電機的旋轉，使電機的轉矩減少，起動性能和過載能力下降，還嚴重影響到電機的效率，故電動機在三相電壓不對稱情況下運行是不允許的。因此，通過仿真研究電機故障運行狀態，了解電機故障運行狀態的故障特征，通過正常運行與故障運行的對比，直觀反映了電機故障運行時定子電流、轉速和轉矩的變化情況，對電機運行過程中的故障檢測與診斷有重大意義。

1 異步電動機轉子斷條仿真

異步電動機正常運行時，定子電流只含有基波分量，頻率為f1，轉子電流頻率為sf1，如果出現斷條等故障使轉子不對稱后，轉子電流的對稱系統就會被破壞，這樣的不對稱系統產生的磁場可分為正向和反向旋轉的磁場。正向旋轉的磁場與定子磁場同步旋轉相互作用產生同正常電機一樣的異步轉矩，而反向旋轉的磁場，其旋轉方向與轉子旋轉方向相反，對轉子而言，該磁場的轉速為

(1)

式中：n2為同步轉速。則反向旋轉的磁場相對于定子的轉速為

n3=n-n1s

(2)

式中:n為轉子轉速。由于n=n1(1-s)，n3=n1(1-2s)。故該磁場在定子繞組中感應的電流頻率f3=f1(1-2s),該電流疊加在頻率為f1的定子電流上，使定子電流含有頻率為(1-2s)f1的附加分量，其大小主要由轉子不對稱程度而定(相同轉差率下)，所以可以在實際中通過檢測定子電流中的(1-2s)f2頻率分量來判斷轉子故障。另外，由于轉子轉速的波動，在定子電流中還將出現(1+2s)f1頻率的附加分量。因此，定子電流(1+2s)f1頻率可以作為轉子斷條故障特征。

仿真得到電機運行特性曲線圖如圖1～3所示。由圖1～3的對比，可以直觀地反映轉子斷條故障與轉子完好情況下異步電動機的定子電流、轉速和轉矩特性曲線的差異。由圖1(b)可見，轉子斷條故障的定子穩態電流幅值呈現周期變化的特征，并且變化頻率為2sf1。這是轉子斷條故障區別與其他電機故障的特征。

(a)正常 (b)轉子斷條

圖3 正常和故障情況下異步電動機的轉矩波形

由于電機還會出現附加頻率分量，下面對電機A相定子電流進行頻譜分析[3-7]。對正常電機的定子A相電流進行頻譜分析，如圖4所示；對轉子斷條故障電機的定子電流A相電流進行頻譜分析，如圖5所示。

圖4 正常異步電動機定子電流頻譜

圖5 異步電動機轉子斷條的定子電流頻譜

由圖5可知，轉子斷條使定子電流產生頻率為(1±2s)f1的邊頻分量，(1±2s)f1是轉子斷條故障特征頻率。驗證了觀察特征頻譜可判斷電機轉子斷條故障的理論[8-12]。

2 三相電壓不對稱時異步電動機故障運行仿真

本文的三相供電電壓不對稱時異步電動機故障運行模型是基于對電機轉子斷條故障模型進行修改得到。輸入的三相不對稱電壓為：

Ua=286sin(314π+30°)

Ub=244sin(314π-90°)

Uc=232sin(314π+150°)

模型中的三相供電電壓的不平衡度為6.38%，圖6～8的仿真結果顯示了異步電動機在供電電壓不平衡下的定子電流波形、轉速和轉矩波形的變化情況。三相電壓不對稱使三相電流不平衡，電機轉速和轉矩波動。

圖6 異步電動機三相供電電壓不對稱時的定子三相電流波形

圖7 異步電動機三相供電電壓不對稱時的轉速

圖8 異步電動機三相供電電壓不對稱時的轉矩

三相電壓不平衡度計算公式為

LVUR={max[|Uab-Ulavg|,|Ubc-Ulavg|, |Uca-Ulavg|])/Ulavg}×100%

(3)

式中，Uab、Ubc、Uca為線電壓有效值，Ulavg是三相線電壓平均值。

當三相相位平衡而幅值不平衡時，定子電流正序分量的計算公式為

(4)

負序分量的計算公式為

(5)

不同三相電壓不平衡度下的定子電流負序分量計算結果如表1所示，分別通過計算三相電壓平衡供電、三相電壓不平衡度為2.57%和6.38%情況下的定子電流基波分量有效值及定子電流基波負序分量平均值。分析表1數據可知，定子電流負序分量的數值隨著三相電壓不平衡度的增加而增大。當三相供電電壓不平衡度越大時，定子電流負序分量越大[13-16]。

表1 不同三相電壓不平衡度下的定子電流負序分量計算結果

3 結 語

隨著經濟建設的發展和電氣化程度的不斷提高，電機設備已被廣泛應用于工業生產的各個領域，三相異步電動機作為應用最廣泛的動力設備，提高電機故障的監測診斷水平，仿真研究不同運行狀態下電機故障運行的理論與特征，對于判斷故障和預防故障的進一步惡化，減少突發事故造成的停產損失，意義重大。

基于Matlab/Simulink環境設計了簡單的三相異步電動機兩種故障狀態下的運行模型，并仿真了兩種故障狀態下的特性曲線，通過正常運行與故障運行的對比，直觀反映了電機故障運行時定子電流、轉速和轉矩的變化情況。通過分析仿真結果，表明頻譜分析方法可有效應用于電機轉子斷條故障的診斷；定子電流負序分量的存在與否可應用于三相供電電壓不平衡的診斷。當轉子斷條使異步電動機不對稱程度增大時，定子電流故障特征量增大；當三相供電電壓不平衡度越大時，定子電流負序分量越大。

[1] 孫麗玲．異步電動機故障檢測與診斷方法研究[D]．河北：華北電力大學，2007．

[2] 時獻江，邵金玲，韓金枝，等．基于Simulink的異步電機斷條故障仿真與試驗研究[J]．振動與沖擊，2010，29(S):252-254．

[3] 寧玉泉．鼠籠感應電機轉子斷條和端環開裂的故障診斷和參數計算[J]．中國電機工程學報，2002，22(10):97-103．

[4] 孫麗玲，李和明，許伯強．基于多回路數學模型的異步電動機內部故障瞬變過程[J]．電力系統自動化，2004，28(23)：35-40．

[5] 蔣建東，魏臻珠，馮 濤．感應電機鼠籠轉子斷條故障的仿真分析[J]．鄭州大學學報(工學版)，2006，27(2)：81-82．

[6] 馬宏忠．感應電機轉子繞組故障仿真與實驗研究[J]．中國電機工程學報，2003,23(4)：108-112．

[7] 王榕生，吳漢光．籠型轉子斷條感應電動機的易解數學模型[J]．電機與控制學報，2007，11(4)：369-374．

[8] 張龍照，邱阿瑞．用頻譜分析方法檢測異步電機轉子故障[J]．電工技術學報，1987(4)：46-50．

[9] 邱阿瑞，張龍照．鼠籠式異步電動機轉子導條及端環故障時的穩態運行分析[J]．電工技術學報，1987(3)：7-12．

[10] 邱阿瑞．用起動電流的時變頻譜診斷鼠籠異步電機轉子故障．中國電機工程學報，1995，15(4)：267-273．

[11] 徐伯強，李和明，孫麗玲．籠型異步電動機轉子斷條故障檢測新方法[J]．中國電機工程學報，2004,24(5)：115-119．

[12] 馬宏忠．大型交流電機故障分析與故障診斷的研究[D]．南京：東南大學，2001．

[13] 高景德，王祥珩，李發海．交流電機及其系統的分析[M]．北京：清華大學出版社，1993．

[14] 牟樹貞，齊曉波，劉芹．三相電壓不平衡度的不同計算方法對比[J]. 陜西電力，2010(12)：55-58．

[15] Chen L A，Zhang P M.Simulation of motor faults and protections based on Matlab [C]∥IEEE Electrical Machines and Systems，2001.ICEMS 2001.Proceeding of the Fifth International Conference 2001，1：452-455．

[16] 王秀和，楊玉波，付大金．基于瞬態模型的不對稱供電三相感應電動機分析[J].中國電機工程學報，2003，23(2)：126-131．

Simulation of Asynchronous Motor Running States Based on Matlab

HAOXiaohong，WANGHuimin

(School of Mechanical, Electronic and Industrial Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China)

For discussing the faulty running states of asynchronous motor，using abundant motor and measurement model in Matlab/Simulink，based on multi-loop motor model，a simulation modeling of simple broken rotor bars and an unbalanced voltage supply on asynchronous motor’s operating is introduced to analyze stator current, speed and torque of the motor under various running states．At the same time, different faults with different featured portions are analyzed．The faults and portions include that the motor rotor breaks bars，stator current spectrum is needed to analyze，voltage supply on an asynchronous motor is unbalanced， the stator current’s negative sequence component is needed to analyze．The results show that the spectral analysis method can be applied to the fault diagnosis of broken rotor bars，and stator current negative sequence component presence can be applied to diagnose unbalanced voltage supply．

asynchronous motor； broken rotor bars； unbalanced voltages； fault diagnosis

2016-05-12

國家自然科學基金項目(61106107)；電子科技大學教改項目(2015XJYYB045)

郝曉紅(1975-)，女，山西臨猗人，博士，副教授，主要研究方向為電機故障診斷和電子設備熱管理。

Tel.:13688165503； E-mail:haoxiaohong@uestc.edu.cn

TM 343

A

1006-7167(2017)02-0098-04