多相感应电机开路故障情况下的分析与研究

骆海燕

摘 要：多相感应电机因其优越的容错性能，非常适用对运行系统的可靠性要求很高的大功率工业应用场合。本文以七相感应电机为研究对象，通过MATLAB/Simulink仿真软件，对七相感应电机不同缺相故障进行仿真数据研究，并在此基础上分析了多相感应电机开路故障下的性能特点及研究。

关键词：多相感应电机;开路故障;缺相;MATLAB仿真

0 引言

由于目前大功率电力电子技术的快速发展，在某些对运行系统的可靠性要求很高的工业应用场合，当电机在运行中出现电机本体故障和逆变器故障等，即发生缺相情况后，将造成整个电机推进系统可靠性的下降，本文主要研究的是电气方面的故障，即定子绕组发生故障时，感应电机则变成了缺相运行，传统的三相异步电动机其可靠性就大大下降，且基本无法运行。而多相电机调速系统在故障下能维持系统继续运行的特点，为保证系统在电机发生缺相情况下仍可以继续较为稳定地运行，研究其故障下的特性，并借鉴成熟的三相变频技术，提高功率输出的同时并保证系统的可靠性。

本文研究的七相感应电机的物理结构模型如图1所示。电机定子侧绕组在空间上均匀分布，各绕组在空间位置上互差角度[1]。转子绕组采用标准鼠笼型结构，构建物理模型时，其在空间位置上也互差角度，其中定子绕组与转子绕组之间的空间位置角定义为。

1 七相感缺相数学模型

多相感应电机绕组由于缺相变成完全不对称，不能再用正常时的电机数学模型进行分析。下面建立其缺相情况下的电机数学模型。

七相感应电机定子绕组最后一相g相开路时，此时电机进入不对称运行状态，为了降低电机缺相后定子绕组的不平衡度，借鉴正常情况下七相感应电机数学模型的等效思想，可以将其看成一个六维的系统，对其建立数学模型[2]。

经过数学整理后，构成了七相感应电机缺一相后的数学模型。

从缺g相后的数学模型可以看出，正常情况下电机定转子互感的α轴分量Lmα和β轴分量Lmβ是相等的，但缺相后由于电机结构和空间位置进行了变化，此时α軸分量Lmα和β轴分量Lmβ已经不再相等，这是由于电机某一相缺失后，电机绕组在空间结构已经发生了改变，剩余相绕组的合成定子漏感对比正常情况时也已经完全不同，这将导致定子磁链轨迹不再为圆形，将变为椭圆形，并且随着所缺相数的增多，Lmα与Lmβ差别程度通常呈变大趋势[3]。

2 七相感应电机缺相运行仿真

在MATLAB/Simulink下对七相感应电机正常运行时建模，设置感应电机仿真参数为：转动惯量J=0.144 kg⋅m2，极对数Np=2，额定频率fN=50 Hz，定子电阻Rs =0.567 3 Ω，转子电阻Rr =1.123 Ω，定子电感Ls =0.226 8 H，转子电感Lr=0.226 8 H，定转子互感Lm= 0.216 H，定子自漏感Lls=0.009 7 H。系统仿真总时间设置为2 s，空载起动，在0.7 s时加载40 N·m，在1.3 s时利用一个阶跃信号，模拟电机突然缺一相的情况，切除电机g相绕组。图2是七相感应电机缺g相运行时不控情况下的仿真波形图。

从图2仿真结果可知，当七相感应电机缺g相运行时，电机稳定运行后，转矩存在脉动，约为±4 N·m;转速在缺相时刻下降到1 190 r/min，但在0.25 s后能达到稳定运行速度约为1 475 r /min;剩余六相电流幅值均有所增大;缺相后电机不对称改变，则有，，，，此时轴磁链减少，轴磁链不变，磁链轨迹不再为圆形轨迹，变为椭圆形轨迹。

下面对电机缺fg两相运行时进行仿真分析，仿真总时间设置为1.5 s，在0.5 s时加入负载40 N·m，1 s时断开fg两相绕组。图3是七相感应电机缺fg两相运行时不控情况下的仿真波形图。

从图3仿真结果可知，当七相感应电机缺fg两相运行时，转矩脉动增大，约为±5 N·m;转速在缺相时刻下降到1 390  r /min，但在0.3 s后能达到稳定运行速度约为1 475 r /min;剩余五相电流幅值均有不同程度的增大;并且有，，，。

下面对电机缺efg三相运行时进行仿真分析。电机正常启动时的仿真参数不变，系统仿真总时间设置为1.5 s，在0.5 s时加入负载40 N·m，在1 s时断开efg三相绕组。图4是七相感应电机缺efg三相运行时不控情况下的仿真波形图。

从图4仿真结果可知，当七相感应电机缺efg三相时，由于电机缺相数目较多，并且有，，，，磁链幅值相差大。此时剩余相电流的正弦波形发生轻微畸变，电机稳定运行时转矩脉动大，约为±9 N·m;剩余四相电流幅值增大;磁链轨迹不再为圆形。

由上述仿真结果，进行电流增大比例数据分析，如表1所示。

从表中可以得出，缺相绕组对最远处的绕组电流影响最大，缺相后剩余相的电流幅值随着开路相数的增多，电流增大百分比随之升高，在缺相数目较多时，这将不利于电机的运行。

3 结束语

本文在已有多相电机系统的研究基础上，通过软件仿真研究分析七相感应电机在缺任意一相时，电机参数变化相似，转速和转矩脉动不大;当七相感应电机缺任意两相时，相互之间不构成正交两相，此时所缺两相夹角越接近0°或180°，α轴和β轴磁链幅值相差越大，产生的转矩和转速脉动就越大;当七相感应电机缺任意三相时，电机的不平稳度增加，转速和转矩脉动加大。仿真结果表明多相感应电机在发生故障后，拥有能够继续稳定运行的特点，为多相感应电机后续的分析研究提供一定的理论依据。

参考文献：

[1]郭冀岭.七相感应电机控制技术研究[D].西南交通大学，2015.

[2]魏永清.十二相永磁电机驱动系统的容错控制策略[J].电工技术学报，2019，34（21）：4467-4473.

[3]宋百洋.九相感应电机对称缺相稳态运行研究[D].青岛大学，2019.