matalab模拟电机断条故障论文44594.pdf

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1、分 数:_ 任课教师签字：_ 华北电力大学研究生结课作业 学 年 学 期：2012-2013 课 程 名 称：交流电机与系统分析 学 生 姓 名：王续 学 号：2122213209 提 交 时 间：2013-1-10 基于 SIMULINK 的异步电机断条故障仿真实验 摘 要：本文基于 MATLAB 软件的 simulink 模块对电机的断条故障进行了模拟仿真。利用改变绕线式异步电机仿真模块外接电阻的方式，来模拟电机的断条故障。该模型简单易行，虽然不能具体模拟一根或几根断条故障，但是却可以通过组合变化不同的外接电阻参数，来模拟各种工况下不同程度的断条故障。关键词：异步电机；转子断条；仿真；1.

2、引言 当不考虑转子实际结构时，绕线式异步电机和鼠笼式异步电机的模型完全相同。众所周知笼型转子感应电动机在频繁起动及制动使用条件下，容易发生断条故障，本文基于综合矢量方法的公式推导与数值分析得出的结论，使用 SIMULIK 模块模拟了电机转子断条的情况，通过对定子电流频谱的分析，验证了这种方法的可行性。在研究方程时,对断条的处理有两种方法:一种方法是将断条视为开路,列方程时不考虑该断条的方程;另一种方法则是将断条用特定电阻符号替代,列方程时考虑断条回路方程,当对系统数学模型求解时再将该电阻设为一高阻值。综合矢量方法采用前一种研究方法，而 SIMULINK 对转子断条的仿真则采用改变转子某相电阻值

3、来进行。理论和数据表明两种方式的结论是一致的。2.转子断条感应电机的数学模型 2.1.综合矢量的定义：对任意多相且非对称的带电绕组系统,定义其综合矢量为。1)式中:M为绕组相数;ri为第r相绕组的相电流;rk为第r相绕组归算到第一相绕组的归算系数,111wrwrkNkNk;ra为第 r相绕组轴线相对于第一相绕组轴线的滞后电角度;rjae为复量算子。由于所研究电机的定子三相绕组仍是对称的,根据上式定义,其定子电流综合矢量应为。2)引入系数3/2是为了使方程变换前后输入功率不变。2.2 定转子磁链综合方程 图 1 所示为转子某一个导条断裂后的定转子绕组相对空间位置图，规定各相电流正方向和转子转向如

4、图 1 所示。研究中假定电机为理想电机。由于铁芯电阻率远大于转子导条电阻率,故忽略转子导条间的横向电流,认为各导条电流只通过端环形成回路。2.2.1 定子磁链综合方程 首先我们定义综合矢量为：假定序号为 H 的某根导条断裂,则有Hi=0,因此该断条对其他各相绕组不产生互感磁链,即:图 1.感应电机定转子绕组 式中ssL为包含漏感1L的定子绕组的每相自感,sM为定子相绕组轴线重合时的互感。srM为转子导条轴线与定子等效集中相绕组线圈边的位置沿径向一致时的互感。ji为序号 J 的导条电流。将 A、B、C 各式代入,化简后得：于是有 对方程两边乘以je,其意义是将复平面从定子移到转子,并令 于是上式

5、化为 （2）其中：2.2.2 转子磁链综合矢量 转子磁链综合矢量定义为 代入化简后有 其中 经过化简最后有 2.2.3 定子电压方程 1）定子电压方程 如果定子绕组为 Y 接则有下列电压回路方程 2）定子电压综合矢量 带入后化简得：3）转子电压方程 4）转子电压综合矢量 2.2.4 数学模型 将式（2）代入式（4），将式（3）和（5）代入式（6），将方程分解成实部和虚部两部分得到四个方程的矩阵形式：其中 电磁转矩方程为：动力方程为：角位移方程为：转子导条电流方程为：定子三相电流为：2.2.5 结论：通过对上式代入数值和理论分析，我们可以得出结论:在 50Hz 的电源频率下，由于频率 的成分非常

6、大，因此正常时定子电流分布图谱在 50Hz 时分布百分比较大。断条使定子电流产生频率为002fsf的边频分量。因此反应在定子电流分布图谱上，在002fsf的频率位置会有一定的数量的定子电流分布，下面我们用 simulink 来验证如上的分析。3.仿真模型及仿真参数 电机定子电阻和自感：0.435sR，32.0sLeH；转子电 阻 和 自 感0.8 1 6sR，32.0rLeH；互 感：36 9.3 1LeH；转动惯量：20.089.Jkg m；绕线外接电阻（R1，R2，R3）；正常时为（0.1，0.1，0.1）；故障为（0.1，2.0）；额定负载：11.9Nm。图 2.异步电机断条故障仿真模型

7、 没有发生断条故障时，定子电流和转速波形如图：00.511.522.533.5x 105-150-100-50050100150 图 3.正常时定子电流 （R1,R2,R3）=(0.1，0.1，0.1)00.511.522.533.5x 105-20002004006008001000120014001600 图 4.正常时转速 00.511.522.53-1000100Selected signal:150 cycles.FFT window(in red):100 cyclesTime(s)02040608010001234567x 10-8Frequency(Hz)Fundamental

8、(50Hz)=11.68,THD=0.00%Mag(%of Fundamental)图 5.正常时定子电流谱分析 00.511.522.53x 105-100-50050100150可见 50Hz 的定子电流谱分布最大。但是当我们将 R2 阻值改为 2 即发生了转子断条的情况，我们得到定子电流，转速和定子电流频谱图如下所示 图 6.断条时定子电流分布 （R1，R2，R3）=（0.1，2，0.1）22.12.22.32.42.52.62.72.82.93x 105-15-10-505101500.511.522.533.5x 105-2000200400600800100012001400160

9、00.60.811.21.41.61.822.22.42.6x 105138014001420144014601480 图 8.断条时电机的转速 从图中得到转速为 1440，这样根据上述推导结论得出的002fsf可以得到产生边频分量的频率为 46Hz 和 54Hz。显然，图 9 的定子电流谱分析表明，定子电流在 46Hz，50Hz 和 54Hz 所占的比重是最大的。00.511.522.53-50050100Selected signal:150 cycles.FFT window(in red):100 cyclesTime(s)42444648505254560123456Frequency(Hz)Fundamental(50Hz)=11.71,THD=0.09%Mag(%of Fundamental)图 9.故障时定子电流谱分析 4结论 本文鉴于断条破坏了电机内部原有的对称关系,难以采用派克变换、O 变换等方法化简方程，因此引入综合矢量算法。算法的结论和SIMULINK仿真模拟的结果十分吻合。虽然SIMULINK的简化模型不能够具体模拟几根断条故障，但是却可以根据参数的变化模拟不同工况下的断条情况。