基于MATLAB的异步电动机故障仿真分析资料下载.pdf

1、1007-2853（2010）01-0073-04基于 MATLAB 的异步电动机故障仿真分析吕辉1，刘诤2（1.北华大学 基建处，吉林 吉林 132013;2.中油吉林化建 电气工程有限公司，吉林 吉林 132011）摘要:以 30 kW 异步电动机为研究对象，应用 Matlab 软件对异步电动机的过载、堵转、断相等典型故障进行仿真分析，分析了电动机发生几种典型故障时的电流、转速和转矩的变化特征，总结出了电动机定子电流的故障特征，为以电流为原则的电动机综合保护器设计提供理论依据.关键词:异步电动机;故障特征;仿真分析;定子电流中图分类号:TM 303文献标识码:A调查研究表明:损坏的电动机中

2、有 90%以上，是由于电动机在异常情况下运转造成的，其中过载、堵转、断相、三相电压不平衡、接地、短路是最主要的原因.这些异常的运行状态，会引起电动机定子电流超过其额定工作电流.长期在这种状态运行，轻者造成电动机绝缘老化、寿命降低，重者造成电动机严重烧毁 1.因此，分析电动机的运行状态，找出各种异常情况下的电流特征，是进行电动机故障判断和有效保护的基础.众所周知，电动机是一种非线性、强耦合、多变量的机电能量转换系统，传统的分析方法是:首先建立微分方程，然后采用数值分析方法对其求解 2.为了简化分析计算，本文采用了 Matlab 软件中的 PowerSystem Blockset 工具箱，实现对电

3、动机运行状态的分析，使分析过程大为简化 3.1异步电动机典型故障运行状态分析应用 Matlab 软件对异步电动机的过载、堵转、断相等典型故障进行仿真分析，仿真模型框图见图1.其中，电动机模型参数为:功率30 kW，线电压380 V，频率50 Hz，定子电阻 0.143，定子漏感0.83 mH，转子电阻0.134，转子漏感1.04 mH，互感 25.03 mH，转动惯量 1.39 kgm2;极对数 4.图 1电动机运行状态仿真模型1.1过载运行状态分析过载是指电动机定子绕组中的电流，高于额定工作电流的一种非正常的工作状态.由于各种各样的原因，在某种情况下，电动机不得不在过载情况下运行.虽然不能积

4、极提倡过载运行，可从费用上看，轻载运行也不利.过载电流通常为 1.2 至5 倍的额定电流.过载电流不至于马上对电动机造成损害，但如果长期存在过载，绝缘材料的电气强度与机械强度，因导体发热将不断降低，如超过限定温度，绝缘材料会加速老化，大大缩短使用寿命.图2 为电动机过载运行（负载转矩为1215 Nm）时的仿真结果.（a）三相电流波形（b）转速和转矩波形图 2电动机过载运行时的仿真结果仿真结果表明:电动机过载运行属于对称运行，过载运行时电动机各相电流增大，而且三相电流对称，电动机转速减小.1.2堵转状态分析堵转时，由于电动机的转速很低，甚至为零，因此电动机的反电势很低，造成定子绕组电流增大，通常

5、堵转时的电流为5 至8 倍的额定电流.此时定子电流远大于过载情况下的电流，如果电流长时间维持在这一电流值上，电动机绕组的温度上升很快，对电动机的损坏也更为严重.启动电压过低或机械故障常会引起此类故障.电动机堵转运行（负载转矩为 2 430 Nm）时的仿真结果见图 3.（a）三相电流波形（b）转速和转矩波形图 3电动机堵转运行时的仿真结果图3 结果表明:电动机负载由额定值 405 nm增至 1 215 nm 时，电流由 109.5 A 增加到250.5 A，增加了3.3 倍;转速由 405 r/min 降至15 r/min.堵转时线电压和三相电流是对称的.1.3断相运行分析断相运行时，一般不出现

6、显著的电流幅值变化.因此，过流保护常常不能及时鉴别.而由于断相产生的不对称电流对电动机的损害，不仅仅是电流增加引起定子发热，更重要的是，不对称电流会在各相电流中，出现很大的负序分量，这些分量会导致电动机端部发热、转子振动，以及起动力矩降低等一系列问题，而且电动机的不对称故障，容易形成事故的扩大，造成电动机的严重损坏.断相情况可能出现在电动机运行期间，也可能发生在电动机启动时.图 4 给出了电动机 A 相断相运行时的仿真结果.（a）三相电流波形47吉林化工学院学报2010 年（b）转速和转矩波形图 4断相运行时的仿真结果从图4 可以看出，断相为不对称故障.（a）图显示 A 相的电流为零，且定子绕

7、组电流大于额定电流.（b）图为断相后电动机转速和转矩的变化情况.结果表明:断相运行能引起电动机转子震动.1.4三相电压不平衡运行状态分析电动机异常运行时，常会遇到三相电压不平衡的异常情况，而引起三相电压不平衡的原因有多种，如:单相接地、断线、谐振等.图 5 为电动机在 A 相电压减小时的仿真结果.由（a）图可以看出，相电流 IA、IB、IC三者关系为 IB IAIC.（b）图为电动机转速和转矩的变化情况.结果表明:三相电压不平衡运行，能引起电动机转子震动.（a）三相电流波形（b）转速和转矩波形图 5三相电压不平衡运行时的仿真结果1.5接地故障分析由于电动机绕组的绝缘下降，电动机受潮等原因，使电

8、动机极易发生接地短路.若接地是非金属性的，将不会出现大的电流，因此不会反映成各相电流的过流.现有各类保护器很难检测到这类故障，然而，这类局部故障若不及时处理，将会使故障扩大，等到出现大的相电流时，电动机实际已损坏，保护失去意义 3.异步电动机一般不接中线，即采用三相三线制供电方式.根据对称分量法，在正常运行时，IA+IB+IC=0，无零序分量.一旦出现接地故障，不论该故障是金属性的，还是非金属性的，均在相电流中出现零序电流，即 IA+IB+IC0.对于采用三相四线制供电方式的系统，根据对称分量法，在正常运行时，IA+IB+IC IN=0.一旦出现接地故障，不论该故障是金属性的，还是非金属性的，

9、均有 IA+IB+IC IN0.因此，IA+IB+IC IN是否等于零，可作为接地故障的判据.图 6 为出现单相接地（A 相）故障时的仿真结果.（a）三相电流波形（b）转速和转矩波形图 6单相接地故障时的仿真结果图 6 给出了三相三线制供电系统的仿真结果.结果表明:定子电流基本对称，不会产生零序电流，即 IA+IB+IC=0，转速和转矩基本不变.1.6短路故障分析短路故障，是指不同相的导线间或相对地，发生金属性的连接或经较小阻抗的连接.电动机短路，通常发生在接线端子或绕组内部.接线端子短路，是由于接线端松脱造成的单相偶然与壳体连接或两相间偶然短路.而绕组内部短路，又分为相间短路和匝间短路两种.

10、相间短路包括绕组端部层间短路、槽内上下层线圈之间短路及绕组连接线或引出线绝缘损坏造成的相间短路.匝间短路包括一个线圈之间短路，一个极相组中的线圈之57第 1 期吕辉，等:基于 MATLAB 的异步电动机故障仿真分析间短路及各极相组线圈间的短路，造成绕组短路的内部原因，是电动机绝缘有缺陷及导线本身绝缘不良或嵌线时绝缘受损.电动机出现短路后，短路电流通常大于 8 倍的额定电流以上.短路电流使绕组迅速产生高热，以致绝缘变色、焦脆、直至烧毁.短路后果是严重的，因此短路故障出现时必须迅速切除 4.图 7 和图 8 分别为出现 A 相对地短路和 A、B 两相之间短路时的仿真结果.（a）三相电流波形（b）转

11、速和转矩波形图 7相对地短路时的仿真结果（a）三相电流波形（b）转速和转矩波形图 8两相之间短路时的仿真结果图 7 为相对地短路时的仿真结果.结果表明:短路相电流明显增大;相对地短路为不对称故障，能引起电动机转子震动.图 8 为两相之间短路时的仿真结果.其中相电流增大;两相之间短路为不对称故障，能引起电动机转子震动.2结论通过上述仿真分析，电动机在几种典型故障状态下运行时，电流的变化情况，即定子电流的故障特征，掌握这些变化情况是进行电动机故障分析与故障类型判断的基础，为以电流为原则的电动机综合保护器设计提供理论依据.参考文献:1 张生果.电动机保护的现状和展望 J.机床电器，2001（1）:7

12、-8.2 张连斌，蔡泽祥.微机型异步电动机综合保护装置的研制 J.继电器，1996（4）:42-46.3 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 Matlab 仿真 M.北京:机械工业出版社，2006.4 李占平，王明星，李建书.智能电动机综合保护器 J.煤炭技术，2006（4）:23-26.Simulating on typical fault of asynchronous motor based on matlabLV Hui1，LIU Zheng2（1.BeiHua University，Jilin City 132013，China;2.Jilin Chemical Construct

13、ion Electrical Engineering LTD，Jilin City 132011，China）Abstract:This paper takes 30 kw asynchronous machine as a model，simulates the voltage，current，rotatingspeed and torque changes under the typical failure conditions based on Matlab.The features of motor statorunder failure conditions are summarized.It can provide the theoretical basis for the design of integrative motorprotector based on current principle.Key words:asynchronous motor;fault features;simulation analysis;stator current67吉林化工学院学报2010 年