脉冲电压法测直流电机匝间短路的分析

张 鑫，赵镜红，刘力源，吴奕琦，孙 琦



脉冲电压法测直流电机匝间短路的分析

张 鑫，赵镜红，刘力源，吴奕琦，孙 琦

（海军工程大学 电气工程学院，武汉 430033）

本文针对直流电机绕组匝间短路的问题，研究了脉冲电压法测试电机匝间短路的情况，进行了电路设计，理论分析，仿真模拟，数据分析。脉冲电压法是交流电经整流后对电容充电，然后电容对电气元件放电，RLC电路发生振荡，通过研究振荡波形的峰值、周期、消散时间来判断元件短路情况。研究发现振荡波形频率越高、周期越小、系统消散越快，元件短路匝数越多。该方法方便、快捷、高效。

匝间短路 脉冲电压 RLC振荡电路

0 引言

据统计，直流电机在运行中的故障属绕组烧坏的电气故障约85 %，机构及其他故障约15 %，匝间短路故障发生率高达30%～40 %，绕组匝间短路的原因多为在电、热和机械等综合应力作用下，绕组产生变形、位移，造成匝间绝缘破裂、磨损、脱落。电机发生匝间短路后，转子电流将会显著增加，绕组温升过高，机组振动明显增大，并且还会引起其它的机械故障，严重时还会将电机烧坏；当转子绕组发生匝间短路故障时，必须通过试验找出匝间短路点，予以消除，使电机恢复正常运行。因此，如何准确判断电枢绕组短路成为了研究的方向。

本文研究了脉冲电压法测直流电机匝间短路的情况，解决了直流电机匝间短路的问题。脉冲电压法是交流电通过单相桥式整流电路变为直流电，直流电向电容充电，然后电容放电，在欠阻尼状态下，RLC电路发生振荡，通过振荡波形变化，观察、计算元件短路情况。采用脉冲电压法不仅可以准确判断元件短路的短路情况，而且设备应用范围广，成本低。

1 脉冲电压法工作原理

1.1 基本原理

脉冲电压法是利用交流电通过整流桥变为直流电，然后向无极电容充电，电容放电，RLC电路发生振荡，生成幅值减小的、周期性的脉冲波。为了形成脉冲波，要利用接有电阻和电容的线路。电网电源（交流220 V）经过接触式调压器调压后，送倍压整流电路进行整流，得到一个直流电压，线路利用这个电压对储能电容C充电，充电完毕时关掉开关，使电容器与充电回路断开，打开继电器电源开关，继电器开始动作，电容向电枢线圈放电,于是电枢线圈、电容形成了RLC振荡电路。电路中的电压、电流通过取样示波器取样，在示波器上显示。试件不同，试验中显示的振荡波形是各异的，我们可根据波形的峰值大小、周期大小和消散时间来分析绕组的绝缘情况。

1.2 RLC振荡电路的理论计算

这是一个二阶线性常系数齐次微分方程，用特征方程法解。

分析这三种情况的电流正负情况，可以发现，当Δ<0时的取值可正可负，而Δ≥0时，不会取负值。关注Δ=0时的情况，与其它情况相比，这种情况趋向于0并稳定的速率最大。所以称Δ<0时的情况为欠阻尼，会以振幅渐小的周期运动形式靠近0；称Δ>0时的情况为过阻尼，会以非周期运动形式缓缓地靠近0；称Δ=0时的情况为临界阻尼，以非周期运动形式最快地趋向并稳定于0。

当电路处于欠阻尼振荡状态时，为对波形有进一步了解，特分析以下物理参数。

1）时间常数

2.1.3.2 缓冲溶液浓度的优化 随着缓冲液Na2B4O7-KH2PO4浓度的增加，样品的出峰时间逐渐推后，并且基线噪音逐渐增大，提示这与缓冲溶液离子强度变大，运行体系电流增加有关系。优化后的缓冲溶液浓度为20 mmol/L Na2B4O7+10 mmol/L KH2PO4。

2 脉冲电压法测匝间短路在MATLAB/Si-mulink的建模与仿真

2.1 仿真模型

脉冲电压法测匝间短路MATLAB/Simulink的建模主要由电容、电阻、电感、电压表、电流表组成。脉冲电压法的电路设计首先是交流电整流成为直流电对电容充电，然后电容向电感、电阻放电，形成RLC振荡电路，观察电流波形的变化。我们利用Simulink中元件的便利，首先对电路进行简化，因为电容可以设置初始电压，所以将交流电经整流成直流电对电容充电的部分电路简化掉，直接搭建RLC电路，然后通过示波器观察电路电流、电压的变化。

2.2 模型结果及分析

图1 电路仿真波形图

1）依次改变电感值，电路电流波形参数数值变化如下：

表1 改变电感值仿真结果

2）依次改变电阻值，电路电流波形参数数值变化如下：

当元件发生短路后，电路中的电感、电阻都发生了明显变化，元件匝数短路越多，最大峰值电流越大，振荡周期越小，电压降为20%时系统消散时间越短，可以通过观察最大峰值电流、振荡周期、系统消散时间来判断短路情况。

对于普通电机，它的每一个元件电感、电阻比较小，尤其是匝间短路时，电感值下降的速度更快，由于实验的复杂性和电机电感变化的非线性，所以应该尽量选择较大电容、高初始电压进行试验，方便实验的进行及波形的观察。

表2 改变电阻值仿真结果

3 结论

本文设计了脉冲电压法电路，进行了理论分析及仿真。仿真结果证明可以通过脉冲电压法对直流电机匝间短路进行检测，可以根据实验得到的最大峰值电流、振荡周期、系统消散时间来判断匝间短路情况。

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Analysis of the Short-Circuit of DC Motor by Impulse Voltage Method

Zhang Xin, Zhao Jinghong, Liu Liyuan, Wu Yiqi, Sun Qi

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 4300033, China)

TM933

A

1003-4862（2018）10-0038-03

2018-4-26

张鑫（1995-），男。研究方向：电力系统及其自动化。E-mail: 1508969066@qq.com。