基于Matlab的异步电动机故障运行状态的仿真

郝晓红， 王慧敏

(电子科技大学 机械电子工程学院， 成都 611731)

基于Matlab的异步电动机故障运行状态的仿真

郝晓红， 王慧敏

(电子科技大学 机械电子工程学院， 成都 611731)

为了探讨异步电动机的故障运行状态，利用Matlab/Simulink仿真工具中丰富的电机及相关测控模块，结合多回路理论，建立了简易转子断条电机故障仿真模型及三相供电电压不对称时异步电动机运行状态仿真模型，并分析了电机各种运行状态下的定子电流、转速及转矩。同时针对不同故障，采用不同的特征量进行分析。主要包括当电机转子断条时，对电机定子电流进行频谱分析；当电机的三相供电电压不对称时，对不同三相电压不平衡度下的定子电流负序分量进行计算。仿真计算结果表明，频谱分析方法可有效应用于电机转子断条故障的诊断；定子电流负序分量可应用于三相供电电压不平衡的诊断。

异步电动机； 转子断条； 三相电压不对称； 故障诊断

0 引 言

三相交流异步电动机是应用最为广泛的一种电气设备，在电力系统中的用电量占整个系统总用电量的60%以上。在异步电动机中，大中型异步电动机多采用鼠笼型转子，转子导条和端环断裂是鼠笼型异步电动机最易发生的故障之一；三相供电电压不对称对异步电动机的性能会产生较大的影响[1]。三相电压不对称使三相电流不平衡，影响电机的旋转，使电机的转矩减少，起动性能和过载能力下降，还严重影响到电机的效率，故电动机在三相电压不对称情况下运行是不允许的。因此，通过仿真研究电机故障运行状态，了解电机故障运行状态的故障特征，通过正常运行与故障运行的对比，直观反映了电机故障运行时定子电流、转速和转矩的变化情况，对电机运行过程中的故障检测与诊断有重大意义。

1 异步电动机转子断条仿真

异步电动机正常运行时，定子电流只含有基波分量，频率为f1，转子电流频率为sf1，如果出现断条等故障使转子不对称后，转子电流的对称系统就会被破坏，这样的不对称系统产生的磁场可分为正向和反向旋转的磁场。正向旋转的磁场与定子磁场同步旋转相互作用产生同正常电机一样的异步转矩，而反向旋转的磁场，其旋转方向与转子旋转方向相反，对转子而言，该磁场的转速为

(1)

式中：n2为同步转速。则反向旋转的磁场相对于定子的转速为

n3=n-n1s

(2)

式中:n为转子转速。由于n=n1(1-s)，n3=n1(1-2s)。故该磁场在定子绕组中感应的电流频率f3=f1(1-2s),该电流叠加在频率为f1的定子电流上，使定子电流含有频率为(1-2s)f1的附加分量，其大小主要由转子不对称程度而定(相同转差率下)，所以可以在实际中通过检测定子电流中的(1-2s)f2频率分量来判断转子故障。另外，由于转子转速的波动，在定子电流中还将出现(1+2s)f1频率的附加分量。因此，定子电流(1+2s)f1频率可以作为转子断条故障特征。

仿真得到电机运行特性曲线图如图1～3所示。由图1～3的对比，可以直观地反映转子断条故障与转子完好情况下异步电动机的定子电流、转速和转矩特性曲线的差异。由图1(b)可见，转子断条故障的定子稳态电流幅值呈现周期变化的特征，并且变化频率为2sf1。这是转子断条故障区别与其他电机故障的特征。

(a)正常 (b)转子断条

图3 正常和故障情况下异步电动机的转矩波形

由于电机还会出现附加频率分量，下面对电机A相定子电流进行频谱分析[3-7]。对正常电机的定子A相电流进行频谱分析，如图4所示；对转子断条故障电机的定子电流A相电流进行频谱分析，如图5所示。

图4 正常异步电动机定子电流频谱

图5 异步电动机转子断条的定子电流频谱

由图5可知，转子断条使定子电流产生频率为(1±2s)f1的边频分量，(1±2s)f1是转子断条故障特征频率。验证了观察特征频谱可判断电机转子断条故障的理论[8-12]。

2 三相电压不对称时异步电动机故障运行仿真

本文的三相供电电压不对称时异步电动机故障运行模型是基于对电机转子断条故障模型进行修改得到。输入的三相不对称电压为：

Ua=286sin(314π+30°)

Ub=244sin(314π-90°)

Uc=232sin(314π+150°)

模型中的三相供电电压的不平衡度为6.38%，图6～8的仿真结果显示了异步电动机在供电电压不平衡下的定子电流波形、转速和转矩波形的变化情况。三相电压不对称使三相电流不平衡，电机转速和转矩波动。

图6 异步电动机三相供电电压不对称时的定子三相电流波形

图7 异步电动机三相供电电压不对称时的转速

图8 异步电动机三相供电电压不对称时的转矩

三相电压不平衡度计算公式为

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

(3)

式中，Uab、Ubc、Uca为线电压有效值，Ulavg是三相线电压平均值。

当三相相位平衡而幅值不平衡时，定子电流正序分量的计算公式为

(4)

负序分量的计算公式为

(5)

不同三相电压不平衡度下的定子电流负序分量计算结果如表1所示，分别通过计算三相电压平衡供电、三相电压不平衡度为2.57%和6.38%情况下的定子电流基波分量有效值及定子电流基波负序分量平均值。分析表1数据可知，定子电流负序分量的数值随着三相电压不平衡度的增加而增大。当三相供电电压不平衡度越大时，定子电流负序分量越大[13-16]。

表1 不同三相电压不平衡度下的定子电流负序分量计算结果

3 结 语

随着经济建设的发展和电气化程度的不断提高，电机设备已被广泛应用于工业生产的各个领域，三相异步电动机作为应用最广泛的动力设备，提高电机故障的监测诊断水平，仿真研究不同运行状态下电机故障运行的理论与特征，对于判断故障和预防故障的进一步恶化，减少突发事故造成的停产损失，意义重大。

基于Matlab/Simulink环境设计了简单的三相异步电动机两种故障状态下的运行模型，并仿真了两种故障状态下的特性曲线，通过正常运行与故障运行的对比，直观反映了电机故障运行时定子电流、转速和转矩的变化情况。通过分析仿真结果，表明频谱分析方法可有效应用于电机转子断条故障的诊断；定子电流负序分量的存在与否可应用于三相供电电压不平衡的诊断。当转子断条使异步电动机不对称程度增大时，定子电流故障特征量增大；当三相供电电压不平衡度越大时，定子电流负序分量越大。

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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

国家自然科学基金项目(61106107)；电子科技大学教改项目(2015XJYYB045)

郝晓红(1975-)，女，山西临猗人，博士，副教授，主要研究方向为电机故障诊断和电子设备热管理。

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

TM 343

A

1006-7167(2017)02-0098-04