高效率三相異步電動機故障分析

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

異步電動機因結構簡單、使用安全、運行可靠、維護方便、環境適應性強，已得到廣泛應用[1]。隨著GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》的發布與執行，很多低能效電機逐漸被淘汰，逐漸被2級能效甚至1級能效電動機所替代。

短路是電動機最常發生的故障之一，如果短路持續時間較長，可能使繞組溫度劇升，電機繞組絕緣強度下降、使用壽命更是呈指數倍下降，嚴重影響電機工作的安全可靠性。事故嚴重時，可以使電機繞組燒壞和變形。

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

1 等效電路和仿真模型

以YBX3 132M-4 7.5kW 380V異步電動機為例，電機基本參數見表1。

表1 電動機參數

1.1 等效電路及相關方程

異步電動機的“T”型等效電路見圖1，其電路方程如下[2]

圖1 異步電動機“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。

感應電動機是電力系統負荷的重要組成部分，三相感應電動機正常運行時，若定子端點發生三相對稱或不對稱突然短路，定子電流和電磁轉矩將產生一定的沖擊。

感應電動機的轉矩方程為

式中,TL—負載轉矩；RΩΩ—旋轉阻力系數；J—轉動慣量；Te—電磁轉矩，P0—電機的極對數。

與同步電動機相比較，感應電動機突然短路的特點是

(1)轉子沒有外加的直流勵磁電流，故定子短路電流的穩態分量為0；

(2)轉子為隱極，轉子繞組為三相或多相對稱繞組，故d、q軸的瞬態參數相等，穩態參數亦相等，使定子短路電流中的高次諧波為0；

(3)軸上帶有機械負載時，短路過程中轉子轉速將不斷下降。

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

1.2 仿真模型的建立

在Matlab的Simulink平臺建立仿真模型，系統模型，如圖2所示[3]。故障點設置在的定子側。通過調節Three-Phase Fault模塊來實現三相短路和單相短路，其中加入一個Step模塊來控制發生短路的時刻。

圖2 仿真模型

2 仿真結果分析

2.1 空載直接起動

電機空載直接起動，利用圖2所示模型，此時調節Three-Phase Fault模塊，此時不設置故障發生。點擊運行，通過示波器得到定子電流is、轉子電流ir、轉速n和電磁轉矩Te隨時間t變化的曲線，如圖3所示。電流、速度以及轉矩開始變化較大，原因是起動時轉子轉速為零，轉差率為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，電磁轉矩增大，大于空載轉矩；電機開始加速運行、產生電動勢、電樞電壓增加、電流減小以及電磁轉矩降低，但是電磁轉矩仍然大于空載轉矩。電機繼續加速，但是加速減緩，轉子速度升高、電樞電壓繼續增加、電流減少以及電磁轉矩增加，直到電磁轉矩等于空載轉矩，定子電流接近空載電流，轉速接近同步轉速，最終進入穩定運行。

圖3 直接起動

2.2 三相短路

電動機三相短路，此時調節Three-Phase Fault模塊，將A、B、C三相故障均選上，Step模塊時間設置為0.8s，即電機在空載運行0.8s時發生三相短路，如圖4所示。

圖4三相短路

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

2.3 單相短路

電動機單相短路，此時調節Three-Phase Fault模塊，以A相短路為例將A相故障選上，Step模塊時間設置為0.8s，即電機在空載運行0.8s時令A相短路，如圖5所示。

圖5 單相短路

從圖中可以看出0.8s之前運行狀態與空載運行一直，0.8s時定、轉子電流急劇增加，定、轉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，持續工作時間較長，可以使繞組溫度劇升，電機繞組絕緣下降和使用壽命呈指數倍下降，嚴重影響電機工作可靠性和安全性。事故嚴重時，可以使電機繞組燒壞和變形。

可見，短路故障對電動機的危害性非常大，因此不允許該類電機在短路故障狀態下運行，為避免該類事故發生，應采用適當的保護措施。

3 結語

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