脈沖電壓法測直流電機(jī)匝間短路的分析

張 鑫，趙鏡紅，劉力源，吳奕琦，孫 琦

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脈沖電壓法測直流電機(jī)匝間短路的分析

張 鑫，趙鏡紅，劉力源，吳奕琦，孫 琦

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

本文針對直流電機(jī)繞組匝間短路的問題，研究了脈沖電壓法測試電機(jī)匝間短路的情況，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，理論分析，仿真模擬，數(shù)據(jù)分析。脈沖電壓法是交流電經(jīng)整流后對電容充電，然后電容對電氣元件放電，RLC電路發(fā)生振蕩，通過研究振蕩波形的峰值、周期、消散時間來判斷元件短路情況。研究發(fā)現(xiàn)振蕩波形頻率越高、周期越小、系統(tǒng)消散越快，元件短路匝數(shù)越多。該方法方便、快捷、高效。

匝間短路 脈沖電壓 RLC振蕩電路

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，直流電機(jī)在運(yùn)行中的故障屬繞組燒壞的電氣故障約85 %，機(jī)構(gòu)及其他故障約15 %，匝間短路故障發(fā)生率高達(dá)30%～40 %，繞組匝間短路的原因多為在電、熱和機(jī)械等綜合應(yīng)力作用下，繞組產(chǎn)生變形、位移，造成匝間絕緣破裂、磨損、脫落。電機(jī)發(fā)生匝間短路后，轉(zhuǎn)子電流將會顯著增加，繞組溫升過高，機(jī)組振動明顯增大，并且還會引起其它的機(jī)械故障，嚴(yán)重時還會將電機(jī)燒壞；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障時，必須通過試驗(yàn)找出匝間短路點(diǎn)，予以消除，使電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。因此，如何準(zhǔn)確判斷電樞繞組短路成為了研究的方向。

本文研究了脈沖電壓法測直流電機(jī)匝間短路的情況，解決了直流電機(jī)匝間短路的問題。脈沖電壓法是交流電通過單相橋式整流電路變?yōu)橹绷麟?，直流電向電容充電，然后電容放電，在欠阻尼狀態(tài)下，RLC電路發(fā)生振蕩，通過振蕩波形變化，觀察、計(jì)算元件短路情況。采用脈沖電壓法不僅可以準(zhǔn)確判斷元件短路的短路情況，而且設(shè)備應(yīng)用范圍廣，成本低。

1 脈沖電壓法工作原理

1.1 基本原理

脈沖電壓法是利用交流電通過整流橋變?yōu)橹绷麟?，然后向無極電容充電，電容放電，RLC電路發(fā)生振蕩，生成幅值減小的、周期性的脈沖波。為了形成脈沖波，要利用接有電阻和電容的線路。電網(wǎng)電源（交流220 V）經(jīng)過接觸式調(diào)壓器調(diào)壓后，送倍壓整流電路進(jìn)行整流，得到一個直流電壓，線路利用這個電壓對儲能電容C充電，充電完畢時關(guān)掉開關(guān)，使電容器與充電回路斷開，打開繼電器電源開關(guān)，繼電器開始動作，電容向電樞線圈放電,于是電樞線圈、電容形成了RLC振蕩電路。電路中的電壓、電流通過取樣示波器取樣，在示波器上顯示。試件不同，試驗(yàn)中顯示的振蕩波形是各異的，我們可根據(jù)波形的峰值大小、周期大小和消散時間來分析繞組的絕緣情況。

1.2 RLC振蕩電路的理論計(jì)算

這是一個二階線性常系數(shù)齊次微分方程，用特征方程法解。

分析這三種情況的電流正負(fù)情況，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Δ<0時的取值可正可負(fù)，而Δ≥0時，不會取負(fù)值。關(guān)注Δ=0時的情況，與其它情況相比，這種情況趨向于0并穩(wěn)定的速率最大。所以稱Δ<0時的情況為欠阻尼，會以振幅漸小的周期運(yùn)動形式靠近0；稱Δ>0時的情況為過阻尼，會以非周期運(yùn)動形式緩緩地靠近0；稱Δ=0時的情況為臨界阻尼，以非周期運(yùn)動形式最快地趨向并穩(wěn)定于0。

當(dāng)電路處于欠阻尼振蕩狀態(tài)時，為對波形有進(jìn)一步了解，特分析以下物理參數(shù)。

1）時間常數(shù)

2.1.3.2 緩沖溶液濃度的優(yōu)化 隨著緩沖液Na2B4O7-KH2PO4濃度的增加，樣品的出峰時間逐漸推后，并且基線噪音逐漸增大，提示這與緩沖溶液離子強(qiáng)度變大，運(yùn)行體系電流增加有關(guān)系。優(yōu)化后的緩沖溶液濃度為20 mmol/L Na2B4O7+10 mmol/L KH2PO4。

2 脈沖電壓法測匝間短路在MATLAB/Si-mulink的建模與仿真

2.1 仿真模型

脈沖電壓法測匝間短路MATLAB/Simulink的建模主要由電容、電阻、電感、電壓表、電流表組成。脈沖電壓法的電路設(shè)計(jì)首先是交流電整流成為直流電對電容充電，然后電容向電感、電阻放電，形成RLC振蕩電路，觀察電流波形的變化。我們利用Simulink中元件的便利，首先對電路進(jìn)行簡化，因?yàn)殡娙菘梢栽O(shè)置初始電壓，所以將交流電經(jīng)整流成直流電對電容充電的部分電路簡化掉，直接搭建RLC電路，然后通過示波器觀察電路電流、電壓的變化。

2.2 模型結(jié)果及分析

圖1 電路仿真波形圖

1）依次改變電感值，電路電流波形參數(shù)數(shù)值變化如下：

表1 改變電感值仿真結(jié)果

2）依次改變電阻值，電路電流波形參數(shù)數(shù)值變化如下：

當(dāng)元件發(fā)生短路后，電路中的電感、電阻都發(fā)生了明顯變化，元件匝數(shù)短路越多，最大峰值電流越大，振蕩周期越小，電壓降為20%時系統(tǒng)消散時間越短，可以通過觀察最大峰值電流、振蕩周期、系統(tǒng)消散時間來判斷短路情況。

對于普通電機(jī)，它的每一個元件電感、電阻比較小，尤其是匝間短路時，電感值下降的速度更快，由于實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和電機(jī)電感變化的非線性，所以應(yīng)該盡量選擇較大電容、高初始電壓進(jìn)行試驗(yàn)，方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行及波形的觀察。

表2 改變電阻值仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了脈沖電壓法電路，進(jìn)行了理論分析及仿真。仿真結(jié)果證明可以通過脈沖電壓法對直流電機(jī)匝間短路進(jìn)行檢測，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的最大峰值電流、振蕩周期、系統(tǒng)消散時間來判斷匝間短路情況。

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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

張鑫（1995-），男。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 1508969066@qq.com。