高效率三相异步电动机故障分析

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

异步电动机因结构简单、使用安全、运行可靠、维护方便、环境适应性强，已得到广泛应用[1]。随着GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》的发布与执行，很多低能效电机逐渐被淘汰，逐渐被2级能效甚至1级能效电动机所替代。

短路是电动机最常发生的故障之一，如果短路持续时间较长，可能使绕组温度剧升，电机绕组绝缘强度下降、使用寿命更是呈指数倍下降，严重影响电机工作的安全可靠性。事故严重时，可以使电机绕组烧坏和变形。

本文利用Simulink中内含的功能元件，建立了异步电动机的仿真模型，并把它应用到异步电动机直接起动，三相短路和单相短路中，对高效电动机继电保护装置的选择提供理论依据。

1 等效电路和仿真模型

以YBX3 132M-4 7.5kW 380V异步电动机为例，电机基本参数见表1。

表1 电动机参数

1.1 等效电路及相关方程

异步电动机的“T”型等效电路见图1，其电路方程如下[2]

图1 异步电动机“T”型等效电路

图中，R1=1.196Ω,X1σ=2.836Ω,R2′=1.5336Ω,Rm=4.392Ω,Xm=90.597Ω,s=0.0319。

感应电动机是电力系统负荷的重要组成部分，三相感应电动机正常运行时，若定子端点发生三相对称或不对称突然短路，定子电流和电磁转矩将产生一定的冲击。

感应电动机的转矩方程为

式中,TL—负载转矩；RΩΩ—旋转阻力系数；J—转动惯量；Te—电磁转矩，P0—电机的极对数。

与同步电动机相比较，感应电动机突然短路的特点是

(1)转子没有外加的直流励磁电流，故定子短路电流的稳态分量为0；

(2)转子为隐极，转子绕组为三相或多相对称绕组，故d、q轴的瞬态参数相等，稳态参数亦相等，使定子短路电流中的高次谐波为0；

(3)轴上带有机械负载时，短路过程中转子转速将不断下降。

转矩方程是一个非线性方程，但是由于短路的电磁瞬态时间很短，通常在20～30周波内即基本衰减完毕，因此一般来讲，求解动态问题需要求解一组非线性和变系数的微分方程组，这只能用计算机来求出具体问题的数值解或图示解。

1.2 仿真模型的建立

在Matlab的Simulink平台建立仿真模型，系统模型，如图2所示[3]。故障点设置在的定子侧。通过调节Three-Phase Fault模块来实现三相短路和单相短路，其中加入一个Step模块来控制发生短路的时刻。

图2 仿真模型

2 仿真结果分析

2.1 空载直接起动

电机空载直接起动，利用图2所示模型，此时调节Three-Phase Fault模块，此时不设置故障发生。点击运行，通过示波器得到定子电流is、转子电流ir、转速n和电磁转矩Te随时间t变化的曲线，如图3所示。电流、速度以及转矩开始变化较大，原因是起动时转子转速为零，转差率为1，电枢电压为零，电源端电压作用在定子绕组上起动电流较大，电磁转矩增大，大于空载转矩；电机开始加速运行、产生电动势、电枢电压增加、电流减小以及电磁转矩降低，但是电磁转矩仍然大于空载转矩。电机继续加速，但是加速减缓，转子速度升高、电枢电压继续增加、电流减少以及电磁转矩增加，直到电磁转矩等于空载转矩，定子电流接近空载电流，转速接近同步转速，最终进入稳定运行。

图3 直接起动

2.2 三相短路

电动机三相短路，此时调节Three-Phase Fault模块，将A、B、C三相故障均选上，Step模块时间设置为0.8s，即电机在空载运行0.8s时发生三相短路，如图4所示。

图4三相短路

从图中可以看出0.8s之前运行状态与空载运行一直，0.8s时定、转子电流急剧增加，但最终衰减为零。

2.3 单相短路

电动机单相短路，此时调节Three-Phase Fault模块，以A相短路为例将A相故障选上，Step模块时间设置为0.8s，即电机在空载运行0.8s时令A相短路，如图5所示。

图5 单相短路

从图中可以看出0.8s之前运行状态与空载运行一直，0.8s时定、转子电流急剧增加，定、转子电流约为额定电流10倍左右，与三相短路相比，并没有衰减到零，持续工作时间较长，可以使绕组温度剧升，电机绕组绝缘下降和使用寿命呈指数倍下降，严重影响电机工作可靠性和安全性。事故严重时，可以使电机绕组烧坏和变形。

可见，短路故障对电动机的危害性非常大，因此不允许该类电机在短路故障状态下运行，为避免该类事故发生，应采用适当的保护措施。

3 结语

利用Matlab软件的Simulink功能建立的异步电动机仿真模型，具有直观、方便、灵活的特点，充分发挥Matlab的强大矩阵运算功能及绘图方便和直观生成模型的优势，使得仿真运算更加方便、快捷，提高了效率和精度。异步电动机短路故障的准确分析，为系统继电保护装置的选择提供了理论依据。