CN113378352A - 一种异步电机的多故障建模方法 - Google Patents

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CN113378352A CN202110503423.5A CN202110503423A CN113378352A CN 113378352 A CN113378352 A CN 113378352A CN 202110503423 A CN202110503423 A CN 202110503423A CN 113378352 A CN113378352 A CN 113378352A
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郝晓红
曹宇
胡水林
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Abstract

本发明涉及一种异步电机多故障建模方法。当异步电机出现故障时，相当于改变了正常的电机数学模型。本专利根据绕组匝间短路和转子断条故障的特点，建立了两种故障同时发生时电机的数学模型，该模型还可以模拟故障的严重程度。该模型可以对异步电机分别以及同时发生的定子和转子故障进行仿真，为电机故障诊断提供依据。

Description

一种异步电机的多故障建模方法
技术领域
本发明专利涉及机电设备领域，具体是一种异步电机的多故障建模方法。
背景技术
电机可靠运行，已经成为许多工业应用中对电机的基本要求。因为意想不到的停机可能导致至关重要的服务的中断，比如医学上，交通运输上或者军事行动中。电机中，定子故障占电机所有故障的30％～40％。定子故障大致可以分为叠片或框架故障(铁心缺陷，环流或接地等)和定子绕组故障(绕组绝缘损坏，导线偏移等)。定子故障主要是绕组故障，是同相绕组相邻两匝线圈之间短路造成的，通常是由其开关过程中产生的暂态过电压造成的。此外，电机工作过程中的电磁力振动、绝缘老化、长期过载、高温高压或是恶劣的工作环境所造成的绝缘表皮破坏也是引起短路故障的原因。
转子故障主要有转子断条及端环开裂故障。其中，转子断条故障占所有工业电机故障的5％。异步电机启动时，转子导条瞬间要承受巨大的电流冲击，出现急速升温的现象，同时转子导条还要承受极大的热交变应力作用。这些是造成转子故障的主要原因。
这两种故障都是异步电机的常见故障，当异步电机选用不当或使用不当时，这两种故障可能同时存在，对异步电机的安全使用构成了严重威胁。因此，开展两种故障同时存在时的异步电机故障研究是有必要的。
发明内容
该模型明所建立的模型适用于matlab软件中进行异步电机故障仿真分析，能够通过示波器观察当异步电机发生故障时，三相电流，转速和转矩的波形变化。能够比较便捷地更改故障参数。本发明所采用的技术方案如下：一种异步电机在matlab软件中的多故障建模方法，其特征在于：1.将异步电机的数学模型由三相坐标系变换到两相坐标系，降低了求解难度，并可以对两种故障同时发生的罕见情况进行仿真模拟。通过收集异步电机参数即可建立异步电机多故障模型。具体步骤如下：
(1)确定异步电机的参数；
(2)根据参数得到多故障异步电机在三相静止坐标系下的数学模型；
(3)通过Clark变换，建立多故障异步电机在两相静止坐标系下的数学模型；
(4)根据得到的数学模型，可以在matlab中建立仿真模型；
(5)对异步电机的故障参数进行设置；
(6)对异步电机多故障模型进行仿真；
(7)得到异步电机多故障模型的波形。
2.进一步地，所述步骤(1)中确定异步电机的参数包括定子每相电阻，转子每相电阻，磁极对数，转动惯量，定子漏感，转子漏感，定转子最大互感以及故障导致的变化。
3.进一步地，所述步骤(5)中根据实际所需，可以自由设置异步电机的故障参数，即异步电机是否发生故障，发生故障的类型及严重程度等。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.所建立的模型可以自由设置为正常工作的异步电机，发生定子绕组匝间短路故障的异步电机，发生转子断条故障的异步电机，以及同时发生两种故障的异步电机。
2.该模型可以较为方便地设置故障参数，改变故障的严重程度。
3.定子匝间短路故障中可以设置短路电阻的实际值，而不必选择短路电阻为0的理想情况，更加贴合实际。
4.该模型可以对异步电机同时发生定子匝间短路故障和转子断条故障时的情况进行仿真。
附图说明
图1多故障异步电机模型
图2无故障时三相电流波形
图3无故障时角速度波形
图4故障系数为0.01，短路电阻为0时的三相电流波形
图5故障系数为0.01，短路电阻为0时的角速度波形
图6转子断条故障时的三相电流波形
图7转子断条故障时的角速度波形
图8定子匝间短路和转子断条故障同时发生时的三相电流波形
图9定子匝间短路和转子断条故障同时发生时的角速度波形
具体实施方式
下面结合一个实例对本发明进行更为详细的描述，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。实例为可以设置定子绕组匝间短路和A相发生转子断条故障的异步电机，所述建模方法包括以下步骤：
(1)确定异步电机的参数；
(2)根据参数确定异步电机多故障建模的数学模型；
(3)在matlab/Simulink软件中根据数学模型建立仿真模型；
(4)对异步电机的故障参数进行设置；
(5)对异步电机多故障模型进行仿真；
(6)得到异步电机多故障模型的波形。
1.首先确定异步电机的参数，异步电机参数如表1所示：
表1多故障异步电机模型参数表
参数名称 数值 参数名称 数值
定子电阻 0.144 定子漏感 0.001417
转子漏感 0.001294 转子电阻 0.146
磁极对数 2 负载转矩 0
转动惯量 10 定转子最大互感 0.3279
2.根据上述参数可以得到多故障异步电机的数学模型如下：异步电机在三相坐标系下的数学模型为
Figure RE-GDA0003161551690000031
当发生定子匝间短路故障时，异步电机数学模型为
Figure RE-GDA0003161551690000032
当发生转子断条故障时，异步电机数学模型为
Figure RE-GDA0003161551690000033
所以，多故障异步电机在三相坐标系下的数学模型为
Figure RE-GDA0003161551690000041
变换到两相坐标系下的数学模型为
Figure RE-GDA0003161551690000042
对于定子绕组匝间短路故障的短路绕组来说，其电压和磁链方程可以表示为：
Figure RE-GDA0003161551690000043
Figure RE-GDA0003161551690000044
电磁转矩方程为：
Figure RE-GDA0003161551690000045
根据上式可以得到电机的角速度。
3.根据上述数学模型，可以在matlab软件中建立异步电机多故障模型，并根据需要设置故障参数，并进行仿真。

Claims (3)

1.一种基于matlab的异步电机多故障时的建模方法，其特征在于：将异步电机的数学模型由三相坐标系变换到两相坐标系，降低了求解难度，并可以对两种故障同时发生的罕见情况进行仿真模拟，通过收集异步电机参数即可建立异步电机多故障模型，具体步骤如下：
(1)确定异步电机的参数；
(2)根据参数得到多故障异步电机在三相静止坐标系下的数学模型；
(3)通过Clark变换，建立多故障异步电机在两相静止坐标系下的数学模型；
(4)根据得到的数学模型，可以在matlab中建立仿真模型；
(5)对异步电机的故障参数进行设置；
(6)对异步电机多故障模型进行仿真；
(7)得到异步电机多故障模型的波形。
2.如权利要求1中所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中确定异步电机的参数包括定子每相电阻，转子每相电阻，磁极对数，转动惯量，定子漏感，转子漏感，定转子最大互感以及故障导致的变化。
3.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(5)中根据实际所需，可以自由设置异步电机的故障参数，即异步电机是否发生故障，发生故障的类型及严重程度等。
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