永磁同步电动机的定子绕组接地故障分析_刘豪.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.202305054永磁同步电动机的定子绕组接地故障分析*刘豪（河南城建学院 电气与控制工程学院，河南 平顶山467036）摘要：主要研究永磁同步电动机（PMSM）的定子绕组接地故障。结合该电动机的理论，建立了其物理模型和数学模型。基于电机的结构和基本方程，搭建其仿真模型。在此基础上，分析和讨论了PMSM负载下正常运行和单相、两相及三相定子绕组接地，并与解析法计算结果比较。结果验证了该电机仿真模型的正确性和合理性，同时也验证了求解方法的有效性和可行性。关键词：接地故障；故障分析；定子绕组；PMSM中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0174 03Analysis of Ground Fault of Stator Winding in Permanent MagnetSynchronous MotorLiu Hao(School of Electrical and Control Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036,China)Abstract:Mainly studied on the stator windings ground faults of permanent magnet synchronous motor(PMSM).Combined with the theories of this motor,the physical model and math model were built.Based on the structure and basic equation of the motor,the simulation model was established.On thisbasis,under the loading of PMSM,analyzed and discussed the normal operation,single-phase,two-phase and three-phase stator winding ground fault,and was compared with the computed results of theanalytical method.The results verified the correctness and rationality of the motor simulation model,and proved the effectiveness and feasibility of the solution method.Key words:ground fault；fault analysis；stator winding；PMSM*河南省高等学校重点科研项目(22A470004)；教育部高等教育司产学合作协同育人项目(202101125001)；河南城建学院青年骨干资助项目(G2015008)0引言永磁同步电动机（PMSM）由于转子取消了电刷和滑环，与传统同步电机相比，转子体积减少了；同时还省去了励磁直流电源，提高了电机效率，降低了电机发热，因此被广泛应用。随着该类电动机应用领域的增多，电机发生故障的机率就不断增加。所以研究该类电机故障和危害是非常重要的，可为完善电机故障诊断和保护提供重要理论依据，使电机使用寿命延长，减少事故造成的损失，提高设备运行的可靠性和稳定性。1PMSM建模1.1物理模型PMSM用永磁体替代传统同步电动机的励磁系统，省去了励磁装置，从而减少了维护和检修；定子与传统电机类同。随着该类电机应用领域的增多，对电机的要求也在增加，相应的电机结构也在增多，按其转子结构可分表贴式、插入式和内装式。本文主要研究表贴式永磁同步电动机，其结构如图1所示。图1PMSM的结构1.定子2.定子绕组3.永磁体4.转子轭1.2数学模型（1）假设建立三相PMSM数学模型时，做如下假设：忽略铁芯饱和，不计铁芯损耗；永磁材料的电导率为0；永磁材料的各方向磁导率均为0；定子绕组感应电动势均为正弦波。（2）数学模型电压方程us=Rsis+ddt（Lsis）+ddt（fejr）（1）式中us定子输入端电压；Rs定子绕组电阻；1234174is定子绕组电流；Ls定子绕组自感；f励磁绕组磁通；r转子转角。磁链方程A=LAAiA+MABiB+MACiC+fcos B=MBAiA+LBBiB+MBCiC+fcos（-2/3）C=MCAiA+MCBiB+LCCiC+fcos（+2/3|）（2）式中A、B、CA相、B相、C相定子绕组磁链；LAA、LBB、LCC三相定子绕组自感；MAB、MBC、MAC、MCA、MCB、MBA定子绕组之间互感；iA、iB、iCA相、B相、C相定子绕组电流；转子轴线与定子A相绕组轴线之间的夹角。转矩方程电机电磁转矩Te=-pfiAsin+iBsin（-23）+iCsin（+23）（3）式中Te电机电磁转矩；p电机极对数。运动方程Te=TL+RJnsddt（4）式中TL负载转矩；J机组的转动惯量；R阻尼系数；角速度；ns同步转速。2接地故障分析某型号PMSM的参数：额定功率/kW15额定电压/V380频率/Hz50极对数2相数3连接方式Y2.1建立仿真模型基于某型号PMSM的参数，结合该电动机的物理模型和数学模型，采用MATLAB/Simulink搭建该电动机的仿真模型如图2所示。2.2正常运行基于PMSM的仿真模型，分析该电动机带载情况下其定子电流、转子转速和电磁转矩波形，结果如图3所示，并与解析法计算结果比较，结果如表1所示。由结果分析可知，该电动机的定子电流、转子转速和电磁转矩相对误差分别为2.8%、0.67%和3.89%，以解析法计算为基准，这些误差均满足工程技术要求。同时，从图3还可以看出，电机在启动阶段定子电流、转子转速和电磁转矩波动都不大，原因是该电机采用永磁体，磁通变化不大。图2PMSM的仿真模型时间/s（a）定子电流时间/s（b）转子转速时间/s（c）电磁转矩图3正常运行表12种方法结果比较2.3故障分析（1）单相接地PMSM单相接地，以A相为例，分析该电动机在单相接地情况下的定子电流、转子转速和电磁转矩，结果如图4所示。从图4可以看出，该相起动电流比额定电流大很多倍，易造成定子绕组发热，严重时可能造成绕组损坏，应尽量避免该故障发生；同时转子转速也很高，容易造成飞车现象；电磁转矩在约0.07 s内超出额定转矩很多倍，易造成定子齿变形和转轴弯曲，因此电机的转轴和齿需要很高的机械强度。（2）两相接地PMSM两相接地，以A、B相为例，分析该电动机在两相接地情况下的定子电流、转子转速和电磁转矩，结果如图5所示。由图5可知，该电动机在启动00.41 s过程中，定子电流最大为额定电流的近2倍，转子转速变化不大，最大电磁转矩约为额定转电流/A转速/rmin-1转矩/Nm方法仿真解析法定子电流/A28.2827.51转子转速/rmin11 4901 500电磁转矩/Nm40.038.5第44卷第5期Vol.44 No.5永磁同步电动机的定子绕组接地故障分析刘豪TmABCA1B1C1A2B2C2A1B1C1ABCABCsourcemeasureSwitchThree-Phase FaultMachinesMeasurementNSABCScopePMSMms_abc-K-speedGaipTestatort cumentm mTeLoad0.10.20.30.40.502000-2000.10.20.30.40.502 0000-2 0000.10.20.30.40.502000-200175矩的1.5倍；在启动结束之后，电机定子电流、转子转速和电磁转矩都按周期变化，转速约为1 500 r/min，这种现象容易造成转轴振动和定子绕组发热，严重时可能造成电机绕组烧损和转子轴承损坏。时间/s（a）定子电流时间/s（b）转子转速时间/s（c）电磁转矩图4单相接地1.A相2.B相3.C相时间/s（a）定子电流时间/s（b）转子转速时间/s（c）电磁转矩图5两相接地1.A相2.B相3.C相（3）三相接地PMSM三相接地，分析该电动机在三相接地情况下的定子电流、转子转速和电磁转矩，结果如图6所示。从图6可以看出，电机定子电流和电磁转矩在启动00.44 s内都较大，约为稳定运行的2倍。时间/s（a）定子电流时间/s（b）转子转速时间/s（c）电磁转矩图6三相接地1.A相2.B相3.C相3结语本文在合理假设的基础上，建立了PMSM的物理模型和数学模型。在此基础上采用MATLAB/Simulink搭建了该电机的仿真模型，结合该电动机的结构参数，分析和讨论了该电动机带载情况下的正常运行和定子绕组单相、两相及三相接地故障，并与解析法计算结果比较。结果表明，搭建的模型合理，分析方法正确，为该类电机的故障分析和故障诊断提供了有益参考和帮助。参考文献：1唐任远.现代永磁电机：理论与设计M.北京：机械工业出版社，2005.2谢颖,胡圣明,陈鹏,等.永磁同步电机匝间短路故障温度场分析J.电工技术学报,2022,37(2):322-331.3吴国沛,余银犬,涂文兵.永磁同步电机故障诊断研究综述J.工程设计学报,2021,28(5):548-558.作者简介：刘豪(1981-)，安徽砀山人，讲师，博士，现主要从事特种电机设计及其控制系统、新型风力发电机及其控制系统的研究工作,电子信箱：.责任编辑：刘宝胜收稿日期：20220821第44卷第5期Vol.44 No.5永磁同步电动机的定子绕组接地故障分析刘豪转速/105rmin-150-50.10.20.30.40.50转矩/104Nm20-20.10.20.30.40.50转矩/Nm0.10.20.30.40.501000-100转速/rmin-10.10.20.30.40.502 0000-2 000转矩/Nm0.10.20.30.40.501000-100转速/rmin-10.10.20.30.40.502 0000-2 000电流/A0.10.20.30.40.502 0000-2 000123电流/A0.10.20.30.40.501000-100123电流/A0.10.20.30.40.501000-100123176