基于场路结合法的三相感应电动机单相短路分析

孟大伟+高翔

摘 要：针对三相感应电动机发生单相绕组短路故障的问题，依据电机学的基本理论，采用场路结合的研究方法，以一台11kW的笼型三相感应电动机为例，建立了场路结合分析模型，并给出了电机定子绕组单相短路的约束条件，对电动机内部磁场分析计算，计及了电动机内磁场饱和对绕组电抗数值的影响，得到更为准确的电流和转矩变化曲线。

关键词：

感应电机；短路故障；磁场饱和

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.006

中图分类号： TM346

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）06-0028-05

Abstract：According to the short circuit fault occurs in singlephase winding of threephase induction motor， based on the basic theory of electrical machinery， adopting the research method of combining field and circuit， taking an 11kW cage type threephase induction motor as an example， a field circuit coupled analysis model and constraint conditions of motor stator winding singlephase short circuit is given， the internal magnetic field analysis and calculation of the motor， and the motor magnetic saturation effect on the reactance value， get a more accurate current and torque curve.

Keywords：induction motor； short circuit fault； magnetic saturation

0 引 言

三相感应电动机运行时最普遍的故障是定子绕组短路、转子断条和轴承故障[1]，其中电动机定子绕组短路占所有故障约40%[2] 。三相感应电动机定子绕组单相短路时，故障绕组出现较大的短路电流会使其温升剧烈增大，将会导致附近的绝缘层材料遭到破坏，烧毁电动机 [3]。同时过大的电流使磁感应强度增大，会在电动机绕组端部和铁心之间产生巨大的电磁力，导致电动机两侧轴振动过大[4]，可能会引起整个电动机组或者整个生产线的关闭[5]。发生单相短路故障后，电动机三相电流不对称，三相不平衡会造成电磁转矩的不平衡，使电动机产生振动，也会对电动机所驱动的设备造成损害[6]。

目前对电机定子绕组短路研究主要应用对称分量法，多回路分析法和Park变换法。文[7]采用对称分量法，将不对称三相系统的量分解为正序、负序和零序三组对称分量进行计算，推导出负序电流的表达公式，得到电动机定子绕组发生匝间短路故障时的特征。文[8]运用多回路分析法[9]，将短路环等效为一个独立的分支，将电压回路方程和磁链方程以规范形式给出，使电动机瞬态仿真模型与外部具有相对独立性，对电动机定子绕组短路进行合理的分析。文[10]应用Park变换法，将感应电动机的电流转换成两个Park矢量，每个Park矢量都是电动机三相电流的函数，通过分析Park矢量来分析三相感应电动机定子绕组短路后的性能，文[11]用神经网络法分析电动机定子绕组短路。

以上研究没有考虑到磁场饱和时电动机参数的变化。本文采用场路结合的方法，构建电路和磁场结合的分析模型，将磁场的变化与电动机参数的变化相联系，考虑磁场饱和对电动机参数的影响，更为准确地分析三相感应电动机单相短路的性能。并以一台11 kW的三相感应电动机为例，进行了具体的仿真计算分析。

1 场路结合法的计算模型

1.1 样机参数和短路方式

以一台11kW的三相感应电动机为例，来研究定子单相短路后的性能，电动机数据如表1所示。

设定电动机定子A相绕组在0.2s时短路，如图1所示，开关S1，在0.2s闭合。

1.2 电动机磁场分析模型

根据表1额定数据和基本参数，用有限元软件建立鼠笼型三相感应电动机的二维仿真物理模型，如图2所示。

计算分析假定：

1）该电磁场忽略不计位移电流的平行平面场，矢量磁位A只有沿z轴方向的分量AZ 。

2）施加边界条件在求解模型的边界上，来划分求解域的求解范围，对于求解域内磁力线平行所给定的边界线，施加狄里克莱边界条件，设置其值为0。

3）主从边界条件可以将类似于旋转电动机之类的几何模型简化，仅计算其中一对极，使用时将模型一条边定义为主边界，设定另外一条边为从边界，如图1所示。

2 磁场饱和对电机参数的影响

2.1 磁场计算结果对比

应用所建立的磁场分析模型对电动机内磁场分析计算。图3是电动机正常运行时在0.21s时刻的磁密分布图；图4是电动机在0.2s时刻发生单相短路时，0.21s时刻的磁密分布图。由图3和图4可知，短路处附近的磁通密度增大，影响磁场分布的均匀性，定子齿磁通密度可到1.7T以上，而电动机正常运行时定子齿磁密只有1.2T。通过图5所示硅钢片的磁化曲线，电动机在正常运行状态时磁场中的磁通密度值在膝点以下，而在短路时磁通密度值已经超过曲线膝点，磁路已达到饱和状态。

2.2 電抗参数变化endprint

三相感应电动机在单相短路后磁场达到饱和，电动机的定子绕组电感和转子绕组电感都会发生变化。以定子A相绕组为例，仿真得到短路后A相绕组的电流与式（5）A相绕组的自感L1的变化情况如表2。

由图5和表2可以得到，当三相感应电动机单相短路时，电流增大，使电动机内部磁路饱和，随着饱和程度的增加磁路磁导率不断下降，电动机绕组电感也会下降。

3 单相短路电动机性能的计算

3.1 正常运行与单相短路时电流对比

建立与剖分、边界条件与激励源加载在内的前处理设置后，对该有限元仿真模型求解。设置控制电路中控制开关，在0.2s时A相绕组短路，得到电流变化如图6、图7、图8所示。

从图6、图7和图8中可以看到，当定子A相发生短路时，三相绕组的电流都瞬时增大，当短路电流稳定时，A相绕组的电流从幅值10A增加到31A，B相和C相绕组电流从10A增加到20A，电流增加很大，长时间运行会烧毁电动机。

3.2 单相短路电动机转矩分析

由圖9可知，当电动机在0.2s之前，电动机转矩逐渐稳定在16N·m。0.2s发生单相短路时，电动机定子三相电流增大，短路瞬间转矩巨大幅度震荡，可能在轴、联轴器或齿轮箱中产生强大的机械应力，破坏了驱动设备的稳定性。再经过0.001s，由于定子A相电流的幅值大于B、C两相，三相电流不平衡，转矩震荡振幅虽有减小，但是会持续做转矩值在-30～20N·m的无规则震荡，损坏电动机自身及所驱动的设备。

4 结 论

应用场路结合分析方法，建立了电动机电路、磁场的分析计算模型，考虑了单相短路运行时磁场饱和对绕组电抗的影响，因而计算更准确。计算分析表明，短路后电动机三相定子电流幅值增大，其中定子A相绕组幅值增加2倍，B相和C相电流幅值增加1倍，电流的迅速增大会使电动机定子线圈温度升高，使电动机电源线绝缘损坏甚至烧毁电动机；由于定子三相电流不平衡，电动机转矩发生剧烈震荡，会使损坏电动机轴承和所驱动设备。

参 考 文 献：

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（编辑：关 毅）endprint