感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障分析
發(fā)布日期：2020/7/5點(diǎn)擊次數(shù)：1475
湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)變頻器）感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障分析秦祖澤1，楊向宇2，黃紹平（ 11湖南工程學(xué)院，湖南湘潭 21華南理工大學(xué)，廣東廣州510641）仿真結(jié)果可以看出，在一相開路故障情況下，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)很高的二倍頻分量。低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)帶來不利影響，造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定，對(duì)此應(yīng)通過一些控制策略如諧波注入法等進(jìn)行改進(jìn)。
0引言在通常的工業(yè)應(yīng)用中，電力電子裝置的可靠性是非常重要的。電力電子裝置的穩(wěn)定性決定了它的應(yīng)用范圍。然而變頻器的可靠性并不十分高，在電壓型逆變器中，除了直流環(huán)節(jié)的電容器外，電力電子元件和它們的控制元件也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。一個(gè)實(shí)用的方法是用保守設(shè)計(jì)來提高可靠性，另外一個(gè)方法是用另一套線路作為備用。顯然，這兩種方法都增加了成本，適于高可靠性情況下。相對(duì)于這兩種技術(shù)，近年來發(fā)展一種故障檢測(cè)技術(shù)，其思想是在故障情況下改變控制策略，以便使系統(tǒng)在不利的情況下可以繼續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行中預(yù)測(cè)各種故障引起的后果也是很重要的，以便在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。系統(tǒng)的非正常運(yùn)行方式不但會(huì)使變頻器造成很大的損害，而且會(huì)影響電機(jī)的特性，減少電機(jī)的使用壽命。因此正確估計(jì)非正常運(yùn)行條件下系統(tǒng)承受的電流電壓數(shù)值，驗(yàn)證系統(tǒng)是否仍然在額定值范圍之內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。
1變頻器故障工況分析對(duì)感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的故障分析是近幾年才發(fā)展起來的，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)此也很少述及，文獻(xiàn)對(duì)此只進(jìn)行了定性分析。在感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)行故障主要是由電機(jī)繞組和電力電子半導(dǎo)體元件引起的。對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)故障的早期預(yù)測(cè)和快速診斷可以減少系統(tǒng)的損失。實(shí)際上，根據(jù)具體的故障條件，可以確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)嚴(yán)重故障需要立即停機(jī)，而對(duì)一般故障可以采用補(bǔ)償策略，避免停機(jī)帶來的損失。同時(shí)為了改進(jìn)故障診斷技術(shù)，對(duì)變頻器感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的故障工況進(jìn)行研究也是非常必要的。特別是比較故障工況和正常工況下系統(tǒng)的運(yùn)行性能，可以分析系統(tǒng)在不同故障情況下的承受力，并得到故障情況下有用的信息。
分析電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行常見的方法是對(duì)稱分量法，這種方法是先將不對(duì)稱的量分解成正序、負(fù)序及零序三組結(jié)稱分量來分別求解，然后再用線性疊加的方法合成不對(duì)稱問題的解答。對(duì)稱分量法只限于線性電路的穩(wěn)態(tài)求解，難以對(duì)不對(duì)稱運(yùn)行的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一處理。本文采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，對(duì)變頻器供電下的感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的故障工況進(jìn)行了分析。
電壓型變頻器的故障主要存在以下幾種情況1）電機(jī)）相開路故障（ F 2）電力晶體管開路故障（ F 3）一相橋臂僵持故障4）晶體管短路故障（ F 5）整流二極管短路故障（ F 6）輸入電源單線接地故障（ F 7）直流環(huán)節(jié)電容短路故障（ F 8）電機(jī)端部一線接地故障（ F短路故障和接地故障對(duì)系統(tǒng)會(huì)造成很大的危害，并會(huì)導(dǎo)致元件和電機(jī)的損害，應(yīng)立即停止運(yùn)行，相對(duì)來說，開路故障造成的損害要小一些，有的甚至還可以繼續(xù)運(yùn)行。因此本文僅對(duì)故障情形1）電機(jī)端部一相開路故障F（ a相斷開而b、c相正常供電）進(jìn)行仿真研究。在分析中假設(shè)： 1開關(guān)元件為理想元件 o直流環(huán)節(jié)電容有足夠的容量來維持直流電壓不變。
2機(jī)電一相開路故障在這種情況下，假設(shè)a相繞組與變頻器脫離，電機(jī)處于單相運(yùn)行狀態(tài)， b相和c相串聯(lián)于直流環(huán)節(jié)電壓之間。斷相故障可在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生，如電機(jī)端部的引出線一相與逆變器脫離。斷相故障也可以作為一種補(bǔ)償策略，如在短路情況下，為了防止該相損害，同時(shí)要求避免停機(jī)，使系統(tǒng)在單相下運(yùn)行。圖2（ a） （ h）給出了SPWM供電下a相突然斷開時(shí)的瞬態(tài)波形。
湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)可以看出，一相斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的一個(gè)負(fù)向轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電流出現(xiàn)振蕩。a相斷開后，由于b、c兩相的感應(yīng)作用，在a相產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓， b、c兩相的電壓為感應(yīng)電壓與外施電壓的疊加。
相對(duì)來說，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)斷相故障對(duì)系統(tǒng)的影響較小。圖3給出了SPWM供電時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的波形。
秦祖澤等：變頻器） ））感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障分析另外，斷相響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊與發(fā)生斷相的時(shí)刻有關(guān)。當(dāng)在電流過零時(shí)發(fā)生斷相，對(duì)系統(tǒng)的沖擊最小，當(dāng)a相電流****時(shí)發(fā)生斷相對(duì)系統(tǒng)的損害****。圖5給出了不同時(shí)刻發(fā)生斷相故障的比較。圖中虛線為t = 2s時(shí)發(fā)生斷相時(shí)的瞬態(tài)波形，此時(shí)i湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)相時(shí)的瞬態(tài)波形，此時(shí)i為了比較單相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)性能的影響，圖6、圖7給出了單相運(yùn)行和正常運(yùn)行時(shí)電流和轉(zhuǎn)矩諧波分量的比較。圖中實(shí)線為正常運(yùn)行工況，虛線為單相運(yùn)行工況。
可以看出，無論是SPWM還是方波供電，單相運(yùn)行都出現(xiàn)以下情況：1）電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)很強(qiáng)的二倍頻脈動(dòng)分量，其值圍繞轉(zhuǎn)矩的平均值（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）上下波動(dòng)。
2）電流基波值比正常工況時(shí)增大。實(shí)際系統(tǒng)中單相運(yùn)行是否繼續(xù)取決于實(shí)際電流，對(duì)一個(gè)給定轉(zhuǎn)矩，如果電流大于允許值，則單相運(yùn)行將被禁止。
3結(jié)論1）變頻器） ））感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在發(fā)生突然故障時(shí)，一般都會(huì)出現(xiàn)大的沖擊電流和大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在秦祖澤等：變頻器） ））感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障分析突然短路或突然接地的情況下，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大沖擊，造成系統(tǒng)停機(jī)。而在一些故障情況下（如一相開路故障）系統(tǒng)仍可在一定程度上繼續(xù)運(yùn)行。因此，預(yù)測(cè)調(diào)速系統(tǒng)在各種故障情況下的運(yùn)行工況具有重要意義。
2）分析了變頻器）））感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障工況，并對(duì)其中的一相開路故障進(jìn)行了仿真。
3）由仿真結(jié)果可以看出，在一相開路故障情況下，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)很高的二倍頻分量。低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)帶來不利影響，造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。為此應(yīng)通過一些控制策略如諧波注入法等進(jìn)行改進(jìn)。
4）在故障情況下電流會(huì)增大，系統(tǒng)能否運(yùn)行取決于系統(tǒng)實(shí)際允許量大電流，本文仿真中假定電流沒有限制。
