籠型異步電機轉子導條斷裂故障仿真分析

籠型異步電機轉子導條斷裂故障仿真分析

1信號的信號仿真與分析三相通信異步電動機是應用最廣泛的設備。在電氣系統中，電壓消耗占整個系統總能耗的60%以上。因此通過仿真技術研究電機故障診斷方法,準確診斷出電機故障具有重大的實際意義。在異步電機中,大中型異步電機多采用鼠籠型轉子,轉子導條和端環斷裂是鼠籠型異步電動機最易發生的故障之一。文獻提出的電機控制系統仿真模型僅針對籠型異步電機的正常運行狀況控制,控制算法一般將abc坐標系統轉換到dq0或αβ0坐標系統,這樣無法體現出轉子導條斷裂等故障時電機的運行狀況。Matlab/Simulink仿真工具中含有豐富的電機及相關測控模塊,可是沒有反映故障電機內部電磁關系的模塊。工頻電源供電時理想異步電機定子電流的頻率單一,其特征頻率易于提取。然而變頻電源供電與工頻電源供電時有很大不同。變頻電源采用了整流和高頻開關等電力電子元件,使其輸出電壓中的諧波成分劇增,分辨單相定子電流頻譜故障頻率分量將會更加困難。三相電流攜帶的信息量比三個單相電流攜帶的信息量簡單相加要豐富,結合ExtendedPark’sVector矢量控制原理的融合電流診斷方法比之單相定子電流特征譜分析法在很多場合更為有效。文獻在信號處理算法方面做出了很大的突破,但也未曾涉及到變頻電源諧波對故障特征頻率提取可能造成的影響。本文先根據多回路模型分別列寫正常運行和轉子斷條時籠型異步電機模型方程,再以SPWM原理建立無死區逆變電路模型方程,并在MATLAB仿真環境分析電機定子電流及融合電流信息頻譜,從而用特征頻率判斷出電機斷條故障。2轉子擴大回路式中,Te=np2IT?L?γIΤe=np2ΙΤ?L?γΙ為電機電磁轉矩,其中TL為負載轉矩,J為轉動慣量,γ為轉子d軸離開定子A相軸線的機械角度。聯立基本方程(1)～(3),就可解出定子相電流、轉子導條和端環電流以及轉子轉速ω=dγ/dt。假設轉子導條j斷裂,把基本方程(1)～(3)作如下修改:1)把矩陣R和L的第j+4行元素加到第j+3行對應的元素上;2)把矩陣R和L的第j+4列元素加到第j+3列對應的元素上;3)刪去矩陣R和L的第j+4行和j+4列元素;4)刪去列向量U,I和Ψ中的第j+4行元素。這樣處理就是取消了原來的第j+3和第j+4個方程(即轉子j回路和j+1回路的方程),代之以新的轉子擴大回路(由原來的j回路和j+1回路組成)方程。若轉子斷條數大于1,可仿照上述方法逐級修改基本方程,這樣就建立了正常狀態和斷條情況下籠型異步電機的仿真模型。3瞬時功率頻譜分析正弦脈寬調制(SPWM)三相逆變器電路圖如圖1所示。調制波為三相對稱正弦波,即式中,US為電壓幅值,ωS為正弦基波角頻率,φ為初相位角。三相調制波公用的載波為可實現雙邊調制的等腰三角形波:uc=??????????????(ωct?2πk?2π)2Ucπ?Uc,2πk+π≤ωct≤2πk+2π;(ωct?2πk)2Ucπ?Uc,2πk≤ωct≤2πk+π。(5)uc={-(ωct-2πk-2π)2Ucπ-Uc,2πk+π≤ωct≤2πk+2π;(ωct-2πk)2Ucπ-Uc,2πk≤ωct≤2πk+π。(5)其中ωc=Nωs為載波三角波uc的角頻率,其中N為載波比;Uc=Us/M為載波三角波的幅值,M為調制度。根據SPWM原理,在雙極性PWM控制方式中,設死區Δt=0。當逆變器輸入直流電壓Ed時,輸出的A相電壓脈寬調制波為而線電壓用傅里葉級數表示:uAB=3√2MEdsin(ωSt?π3)?4Edπ×∑m=1,2,?∞∑n=±1,±3,?±∞Jn(mMπ2)m×sin(m+n2π)×sin(mN+n)π3×sin[(mN+n)(ωSt?π3)?nπ2]。(7)uAB=32ΜEdsin(ωSt-π3)-4Edπ×∑m=1,2,?∞∑n=±1,±3,?±∞Jn(mΜπ2)m×sin(m+n2π)×sin(mΝ+n)π3×sin[(mΝ+n)(ωSt-π3)-nπ2]。(7)式中:Jn(mMπ2)=12π∫π?πe?j(mMπ2sinY)ejnYdY,Y=ωst?φJn(mΜπ2)=12π∫-ππe-j(mΜπ2sinY)ejnYdY,Y=ωst-φ;m為相對于載波的諧波次數;n為相對于調制波的諧波次數。uBC、uCA也可以同樣的方式表達。由式(7)可見,sin(m+n2π)sin(m+n2π)消除了m和n同時為偶數或同時為奇數的項。一般載波比N取3的整倍奇數,則線電壓中基波的整奇數倍諧波含量大大增加,甚至基波頻率也會有一定程度的增長。由于轉差率一般很小,采用電流頻譜分析方法時,斷條特征頻率(1±2ks)f1與基頻f1非常相近,且幅值相差很大,因此容易被基頻或其他諧波頻率的“旁瓣”湮沒。當線電壓中基波的整奇數倍諧波大大增加后,從斷條故障電機定子相電流的頻譜中凸現故障頻率的分辨能力將會進一步下降。基于平均瞬時功率頻譜分析的方法是對平均瞬時功率p3(t)=3√(uABiA+uBCiB+uCAiC)/3p3(t)=3(uABiA+uBCiB+uCAiC)/3(8)的頻譜進行分析,能夠把定子電流頻譜中基波成分轉換成直流分量,斷條特征頻率成分轉換為變頻分量2ksf1,兩者的分離可以更加突出故障頻率。這樣克服了常規的單相定子電流頻譜分析方法難以準確診斷轉子斷條的缺點,只保留直流分量周圍的主要故障特征成分,消除了二倍頻及其周圍分量的影響,從而達到突出故障特征,準確分離復合故障的效果。4tm電壓諧波故障分析針對以上建立的模型,選用一臺4極、2.2kW的籠型異步電動機進行仿真。原型電機的主要參數見表1。電機從靜止零轉速到滿載穩定運行時額定轉速的起動過程,2s內采樣頻率10000Hz,分別對正常運行、轉子導條斷裂一根、斷裂相鄰的兩根這三種情況進行仿真。PWM逆變器輸入電源工頻基波f1=50Hz,載波比N=15,調制度M=0.8。經計算該電機起動穩定后轉差率為n=4%,則斷條特征頻率2ksf1=50×0.08kHz。當k=1時,故障特征頻率是4Hz。由圖2可見PWM電壓諧波的影響下電機定子相電流中的諧波成分很豐富,基波50Hz附近的故障特征頻率如46Hz、54Hz區分度低,難以判斷故障是否發生。采用融合電流信息頻譜的方法可以從很大程度上克服這種問題。由圖3(a)電機平均瞬時功率p3(t)頻譜中4Hz位置沒有突出頻率,而圖3(b)和3(c)顯示電機p3(t)頻譜中4Hz頻率非常突出,從而可以明顯判斷出斷條故障的發生,而且隨著斷條數量的增加,特征頻率4Hz處幅值增大,適于用來作為故障特征判據。至于k>1時PWM諧波的干擾很強,頻譜中2ksf1頻率成分不明顯,不適合作斷條故障發生的依據。5仿真系統模型驗證本文先根據多回路模型分別列寫正常運行和轉子斷條故障時籠型異步電機模型方程,再以SPWM原理建立無死區逆變電路模型方程,并在Matlab仿真環境分析電機定子單相電流頻譜及三相平均瞬時功率頻譜。通過比較分析檢驗了仿真系統模型的可行性和實用性,證實了平均瞬時功率的頻譜比電機定子電流頻譜具有更佳的斷條故障特征分辨力和故障判斷準確性,尤其是在變頻供電情況下其優勢極為突出。根據文獻提出的分析方法,正常時理想電機定子繞組為三相對稱結構,呈Y連接,三個獨立回路,對應的相電流分別是iA,iB和iC;當轉子導條數