多相感應電機開路故障情況下的分析與研究

駱海燕

摘 要：多相感應電機因其優(yōu)越的容錯性能，非常適用對運行系統(tǒng)的可靠性要求很高的大功率工業(yè)應用場合。本文以七相感應電機為研究對象，通過MATLAB/Simulink仿真軟件，對七相感應電機不同缺相故障進行仿真數(shù)據(jù)研究，并在此基礎上分析了多相感應電機開路故障下的性能特點及研究。

關鍵詞：多相感應電機;開路故障;缺相;MATLAB仿真

0 引言

由于目前大功率電力電子技術的快速發(fā)展，在某些對運行系統(tǒng)的可靠性要求很高的工業(yè)應用場合，當電機在運行中出現(xiàn)電機本體故障和逆變器故障等，即發(fā)生缺相情況后，將造成整個電機推進系統(tǒng)可靠性的下降，本文主要研究的是電氣方面的故障，即定子繞組發(fā)生故障時，感應電機則變成了缺相運行，傳統(tǒng)的三相異步電動機其可靠性就大大下降，且基本無法運行。而多相電機調速系統(tǒng)在故障下能維持系統(tǒng)繼續(xù)運行的特點，為保證系統(tǒng)在電機發(fā)生缺相情況下仍可以繼續(xù)較為穩(wěn)定地運行，研究其故障下的特性，并借鑒成熟的三相變頻技術，提高功率輸出的同時并保證系統(tǒng)的可靠性。

本文研究的七相感應電機的物理結構模型如圖1所示。電機定子側繞組在空間上均勻分布，各繞組在空間位置上互差角度[1]。轉子繞組采用標準鼠籠型結構，構建物理模型時，其在空間位置上也互差角度，其中定子繞組與轉子繞組之間的空間位置角定義為。

1 七相感缺相數(shù)學模型

多相感應電機繞組由于缺相變成完全不對稱，不能再用正常時的電機數(shù)學模型進行分析。下面建立其缺相情況下的電機數(shù)學模型。

七相感應電機定子繞組最后一相g相開路時，此時電機進入不對稱運行狀態(tài)，為了降低電機缺相后定子繞組的不平衡度，借鑒正常情況下七相感應電機數(shù)學模型的等效思想，可以將其看成一個六維的系統(tǒng)，對其建立數(shù)學模型[2]。

經過數(shù)學整理后，構成了七相感應電機缺一相后的數(shù)學模型。

從缺g相后的數(shù)學模型可以看出，正常情況下電機定轉子互感的α軸分量Lmα和β軸分量Lmβ是相等的，但缺相后由于電機結構和空間位置進行了變化，此時α軸分量Lmα和β軸分量Lmβ已經不再相等，這是由于電機某一相缺失后，電機繞組在空間結構已經發(fā)生了改變，剩余相繞組的合成定子漏感對比正常情況時也已經完全不同，這將導致定子磁鏈軌跡不再為圓形，將變?yōu)闄E圓形，并且隨著所缺相數(shù)的增多，Lmα與Lmβ差別程度通常呈變大趨勢[3]。

2 七相感應電機缺相運行仿真

在MATLAB/Simulink下對七相感應電機正常運行時建模，設置感應電機仿真參數(shù)為：轉動慣量J=0.144 kg?m2，極對數(shù)Np=2，額定頻率fN=50 Hz，定子電阻Rs =0.567 3 Ω，轉子電阻Rr =1.123 Ω，定子電感Ls =0.226 8 H，轉子電感Lr=0.226 8 H，定轉子互感Lm= 0.216 H，定子自漏感Lls=0.009 7 H。系統(tǒng)仿真總時間設置為2 s，空載起動，在0.7 s時加載40 N·m，在1.3 s時利用一個階躍信號，模擬電機突然缺一相的情況，切除電機g相繞組。圖2是七相感應電機缺g相運行時不控情況下的仿真波形圖。

從圖2仿真結果可知，當七相感應電機缺g相運行時，電機穩(wěn)定運行后，轉矩存在脈動，約為±4 N·m;轉速在缺相時刻下降到1 190 r/min，但在0.25 s后能達到穩(wěn)定運行速度約為1 475 r /min;剩余六相電流幅值均有所增大;缺相后電機不對稱改變，則有，，，，此時軸磁鏈減少，軸磁鏈不變，磁鏈軌跡不再為圓形軌跡，變?yōu)闄E圓形軌跡。

下面對電機缺fg兩相運行時進行仿真分析，仿真總時間設置為1.5 s，在0.5 s時加入負載40 N·m，1 s時斷開fg兩相繞組。圖3是七相感應電機缺fg兩相運行時不控情況下的仿真波形圖。

從圖3仿真結果可知，當七相感應電機缺fg兩相運行時，轉矩脈動增大，約為±5 N·m;轉速在缺相時刻下降到1 390? r /min，但在0.3 s后能達到穩(wěn)定運行速度約為1 475 r /min;剩余五相電流幅值均有不同程度的增大;并且有，，，。

下面對電機缺efg三相運行時進行仿真分析。電機正常啟動時的仿真參數(shù)不變，系統(tǒng)仿真總時間設置為1.5 s，在0.5 s時加入負載40 N·m，在1 s時斷開efg三相繞組。圖4是七相感應電機缺efg三相運行時不控情況下的仿真波形圖。

從圖4仿真結果可知，當七相感應電機缺efg三相時，由于電機缺相數(shù)目較多，并且有，，，，磁鏈幅值相差大。此時剩余相電流的正弦波形發(fā)生輕微畸變，電機穩(wěn)定運行時轉矩脈動大，約為±9 N·m;剩余四相電流幅值增大;磁鏈軌跡不再為圓形。

由上述仿真結果，進行電流增大比例數(shù)據(jù)分析，如表1所示。

從表中可以得出，缺相繞組對最遠處的繞組電流影響最大，缺相后剩余相的電流幅值隨著開路相數(shù)的增多，電流增大百分比隨之升高，在缺相數(shù)目較多時，這將不利于電機的運行。

3 結束語

本文在已有多相電機系統(tǒng)的研究基礎上，通過軟件仿真研究分析七相感應電機在缺任意一相時，電機參數(shù)變化相似，轉速和轉矩脈動不大;當七相感應電機缺任意兩相時，相互之間不構成正交兩相，此時所缺兩相夾角越接近0°或180°，α軸和β軸磁鏈幅值相差越大，產生的轉矩和轉速脈動就越大;當七相感應電機缺任意三相時，電機的不平穩(wěn)度增加，轉速和轉矩脈動加大。仿真結果表明多相感應電機在發(fā)生故障后，擁有能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行的特點，為多相感應電機后續(xù)的分析研究提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]郭冀嶺.七相感應電機控制技術研究[D].西南交通大學，2015.

[2]魏永清.十二相永磁電機驅動系統(tǒng)的容錯控制策略[J].電工技術學報，2019，34（21）：4467-4473.

[3]宋百洋.九相感應電機對稱缺相穩(wěn)態(tài)運行研究[D].青島大學，2019.