同步电动机定子绕组短路故障分析_刘豪.pdf

年第期第 卷（总第期）（）同步电动机定子绕组短路故障分析￥刘豪，牛姿懿，宋亚凯，梁田 田，高睿（河南城建学院电气与控制工程学院，河南平顶山）摘要主要研究同步电动机定子绕组短路故障。基于同步电动机的理论，建立该电动机的数学模型。在此基础上，建立 了同步电动机的仿真模型。基于该电动机的仿真模型，分析和讨论了同步电动机额定负载下正常运行、单相接地、两相短路和三相短路故障，并与解析法计算结果作比较。通过结果比较和分析，验证该电机仿真模型的正确性和合理性，同时 也验证了分析方法的有效性和可行性。关键词短路故障；故障分析；同步电动机：中图分类 号：文献标识码：文章编号：（），（，）？（），；引言同步电机主要用来作为发电机运行，现代社会中使用 的交流电能，几乎全部由同步发电机产生。同步电机除作为发电机之外还可作为电动机、补偿机使用；对于作为电动机一般用于驱动不要求调速的大功率生产机械，可通过调节励磁来改善电网的功率因数。同步电动机由于具有功率因数高、运行效率高、稳定性好以及转速恒定等优点而被广泛应用于工业生产中，然而该电动机的故障对工业的影响也是非常客观的。因此，吸引了许多专家、科研结构和企业对同步电动机的故障进行研究。同步电动机的稳态运行研究基本完善，而对于短路、断相以及接地等故障研究各有不同，有待完善。同步电动机的故障大体可分为自身故障、定子电路故障、负载故障和转子回路故障。由于使用时间过长，绝缘老化，定子转子间隙不均匀造成扫膛，特别是电机重装和地脚螺栓松动，紧固后必须检查间隙，电机油瓦严重磨损也会引起电机自身故障。对于负载故障，主要是同步电动机拖动的磨机齿轮被卡住，引起电机负荷过重从而使电机不能正常运转；而碳刷与滑环火花过大和晶闸管励磁系统故障引起的故障称为是转子回路故障。同步电动机的定子电路有短路、断相、接地、开焊和连接不良等故障，这些故障都使电机无法建立起额定的磁场强度，因此 造成三相电压、电流不平衡。为了能及时、准确地诊断和排除故障，必须对同步电动机的故障深入研究。河 南省高等学校重点科研项目（）；教育部高等教育司产学 合 作协同育人项目（）；河 南城建学院青年 骨干资 助项目（）（）年第期第卷（总第期）结合实际情况，本文仅研究同步电动机的定子绕组短路故障。同步电动机工作原理和结构分类同步电动机（，）的定子（电枢）绕组中通入三相对称的电流，在电机内部产生一个旋转磁场。此时在转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同 的转速旋转。该电动机按其旋转可分为旋转电枢式和旋转磁极式。旋转电枢式同步电机的 电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上，这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。而旋转磁极式同步电机的主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上，这通常应用于髙压、大容量的同步电机，这类电机励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。因此，该类电机被得到广泛应用。旋转磁极式电机按磁极形状可分为隐极式和凸极式，因为隐极式是凸极式同步电机的特例，所以本文主要研究凸极式同步电动机，其结构如图所示。基本方程电压方程凸极式同步电动机的 电压方程（）式中，）输入电压；戌空 载电动势；电枢电流；电枢绕组电阻；毛同步电抗；直轴电枢电流；父轴电枢电流；直轴同步电抗；交轴同步电抗。图凸极式同步电动机结构示意图转矩方程凸极式同步电动机的转矩方程（）式中，电磁转矩；。空载转矩；电动机输出转矩；电磁功率；机械 摩擦损耗；仏机械摩擦损耗；心电动机输出功率；机械角速度。（）运动方程二（）式中，负载阻转矩；机组的转动 惯量；一阻尼系数；角速度。短路故障分析同步电动机的仿真参数如表所示。表同步电动机的参数参数数量额定功率（）额定电压（）频率（）极对数相数连接方式建立仿真模型基于凸极同步电动机的参数，结合该电动机的基本方程和等效电路，建立凸极同步电动机的仿真模型如图所示，其图中为电源；为开关；为测量装置；为故障点设置；为同步电机；为负载；为驱动负载；为励磁电源；、为示波器。正常运行基于凸极同步电动机的仿真模型，结合该电动机的基本方程，分析该发电机在正常运行情况下其定子电流、转子速度和电磁转矩，其结果如图所示，并与解析法计算结果作比较，其结果如表所不，以解析法计算结果为基准由结果分析可知，该电动机起动时间为，起动过程中定子电流、电磁转矩比额定高很多倍，转速基本变化不大；稳定之后，该发电机的定子电流、转速和转矩相对误差均小于，在工程允许范围之内，满足工程技术和设计要求。年第期第卷（总第期）（）定子电流时间（）转速时间（）电磁转 矩时间，；图单相接地两相短路同步电动机两相短路，以相为例，分析该电动机在两相接地短路情况下其定子电流、转速、电磁转矩和励磁电流，其结果如图所示。由结果分析可知，电机的定子电流和电磁转矩均比额定电流、额定转矩高百倍，同时励磁电流也 比额定励磁电流高几倍，容易使电枢绕组、励磁绕组容易烧坏，这是不允许的；而电机转速的变化在工程允许的范围之内。三相短路同步电动机三相定子绕组短路，分析该电动机在三相定子绕组短路情况下其定子电流、转速、电磁转矩和励磁电流，其结果如图所示。由结果分析可知，该电动机的定子电流和电磁转矩均比额定电压和电磁转矩高百倍，容易使电枢绕组、励磁绕组容易烧坏，这是不允许的；而转速的变化在工程允许的范围之内。丄）定子电流转 速：电磁转矩励磁电流图正常运行定子电流时间（）、表两种方法结果比较定子电流转子速度电磁转矩力太（）（）（）仿真 解析法图凸极同步电动机的仿真模型故障分析单相接地同步电动机单相接地短路，以相为例，分析该电动机在单相接地短路情况下其定子电流、转速、电磁转矩和励磁电流，其结果如图所示。由结果分析可知，定子电流、励磁电流以及电磁转矩比额定高上百倍，容易使电枢绕组、励磁绕组容易烧坏，这是不允许的；转速的变化在工程允许的范围之内。燧（）铟：（）垵壏（）（）靈￥镔（塚（下转页）年第期第卷（总第期）（）参 考文献，（）：，王秀和，等，永磁电机（第版）？北京，中国电力出版社陈霞，部继斌，胡建辉采用齿冠开槽法有效抑制永磁电机齿槽力矩微特电机，：夏加宽，肖婵娟近似极槽无刷直流电动机降低齿槽转矩转矩方法分析微电机，（）：，（）王秀和，杨玉波，丁婷婷，等基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究中国电机工程学报，（）：作者简 介：王冬梅女年 生；毕业 于哈尔滨理工大 学电机与电器 专业，硕士，现主要从 事永磁牵引电机设计方面的研究收 稿日期：（上接页），：？时间（）图两相短路行、单相、两相和三相短路故障，从中可以看出短路故障使电机定子绕组长时间工作在大电流下，电机绕组温度升高、不能及时散热，使绕组绝缘下降，严重时电机绕组损坏、变形以及轴承弯曲和其它损坏。因此不允许该类电机在故障状态下运行，为避免该事故发生，应采用适当的保护措施。定子电流励磁电流结语基于同步电动机的理论，分析该电机正常运参 考文献蒋晓玲同步电机故 障运 行的计算机算法实现上海：上海交通大学，谢颖，胡圣明，陈鹏，马泽新永磁同步电机匡间短路故障温度场分析电工技术学报，（）：划豪永磁同步电动机断相故障分析煤矿机械，（）：吴国沛，余银犬，涂文兵永磁同步电机故障诊断研究综述工程设计学报，（）：，（？），（）：作者简 介：刘豪男年生；毕业于沈阳工业大 学电机与电器专业，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收稿日期：