感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)的故障分析

　　湖南工程學(xué)院學(xué)報變頻器）感應(yīng)電機調(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)矩會出現(xiàn)很高的二倍頻分量。低頻脈動轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)對系統(tǒng)的運行會帶來不利影響，造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定，對此應(yīng)通過一些控制策略如諧波注入法等進行改進。
　　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薄弱環(huán)節(jié)。一個實用的方法是用保守設(shè)計來提高可靠性，另外一個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。相對于這兩種技術(shù)，近年來發(fā)展一種故障檢測技術(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)運行。同時，在系統(tǒng)運行中預(yù)測各種故障引起的后果也是很重要的，以便在系統(tǒng)設(shè)計時加以考慮。系統(tǒng)的非正常運行方式不但會使變頻器造成很大的損害，而且會影響電機的特性，減少電機的使用壽命。因此正確估計非正常運行條件下系統(tǒng)承受的電流電壓數(shù)值，驗證系統(tǒng)是否仍然在額定值范圍之內(nèi)，對系統(tǒng)的運行具有重要意義。
　　1變頻器故障工況分析對感應(yīng)電機拖動系統(tǒng)的故障分析是近幾年才發(fā)展起來的，國內(nèi)外文獻對此也很少述及，文獻對此只進行了定性分析。在感應(yīng)電機拖動系統(tǒng)中，運行故障主要是由電機繞組和電力電子半導(dǎo)體元件引起的。對拖動系統(tǒng)故障的早期預(yù)測和快速診斷可以減少系統(tǒng)的損失。實際上，根據(jù)具體的故障條件，可以確定系統(tǒng)的運行狀況，對嚴(yán)重故障需要立即停機，而對一般故障可以采用補償策略，避免停機帶來的損失。同時為了改進故障診斷技術(shù)，對變頻器感應(yīng)電機系統(tǒng)的故障工況進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。
　　分析電機的不對稱運行常見的方法是對稱分量法，這種方法是先將不對稱的量分解成正序、負序及零序三組結(jié)稱分量來分別求解，然后再用線性疊加的方法合成不對稱問題的解答。對稱分量法只限于線性電路的穩(wěn)態(tài)求解，難以對不對稱運行的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)進行統(tǒng)一處理。本文采用計算機仿真的方法，對變頻器供電下的感應(yīng)電機系統(tǒng)的故障工況進行了分析。
　　電壓型變頻器的故障主要存在以下幾種情況1）電機）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）電機端部一線接地故障（ F短路故障和接地故障對系統(tǒng)會造成很大的危害，并會導(dǎo)致元件和電機的損害，應(yīng)立即停止運行，相對來說，開路故障造成的損害要小一些，有的甚至還可以繼續(xù)運行。因此本文僅對故障情形1）電機端部一相開路故障F（ a相斷開而b、c相正常供電）進行仿真研究。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，電機處于單相運行狀態(tài)， b相和c相串聯(lián)于直流環(huán)節(jié)電壓之間。斷相故障可在實際運行中發(fā)生，如電機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償策略，如在短路情況下，為了防止該相損害，同時要求避免停機，使系統(tǒng)在單相下運行。圖2（ a） （ h）給出了SPWM供電下a相突然斷開時的瞬態(tài)波形。
　　湖南工程學(xué)院學(xué)報可以看出，一相斷開時，會產(chǎn)生一個很大的一個負向轉(zhuǎn)矩，同時電流出現(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。
　　相對來說，達到穩(wěn)態(tài)時斷相故障對系統(tǒng)的影響較小。圖3給出了SPWM供電時達到穩(wěn)態(tài)時的波形。
　　秦祖澤等：變頻器） ））感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)的故障分析另外，斷相響應(yīng)對系統(tǒng)的沖擊與發(fā)生斷相的時刻有關(guān)。當(dāng)在電流過零時發(fā)生斷相，對系統(tǒng)的沖擊最小，當(dāng)a相電流****時發(fā)生斷相對系統(tǒng)的損害****。圖5給出了不同時刻發(fā)生斷相故障的比較。圖中虛線為t = 2s時發(fā)生斷相時的瞬態(tài)波形，此時i湖南工程學(xué)院學(xué)報相時的瞬態(tài)波形，此時i為了比較單相運行對系統(tǒng)性能的影響，圖6、圖7給出了單相運行和正常運行時電流和轉(zhuǎn)矩諧波分量的比較。圖中實線為正常運行工況，虛線為單相運行工況。
　　可以看出，無論是SPWM還是方波供電，單相運行都出現(xiàn)以下情況：1）電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)很強的二倍頻脈動分量，其值圍繞轉(zhuǎn)矩的平均值（負載轉(zhuǎn)矩）上下波動。
　　2）電流基波值比正常工況時增大。實際系統(tǒng)中單相運行是否繼續(xù)取決于實際電流，對一個給定轉(zhuǎn)矩，如果電流大于允許值，則單相運行將被禁止。
　　3結(jié)論1）變頻器） ））感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)在發(fā)生突然故障時，一般都會出現(xiàn)大的沖擊電流和大的脈動轉(zhuǎn)矩。在秦祖澤等：變頻器） ））感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)的故障分析突然短路或突然接地的情況下，會對系統(tǒng)造成很大沖擊，造成系統(tǒng)停機。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)運行。因此，預(yù)測調(diào)速系統(tǒng)在各種故障情況下的運行工況具有重要意義。
　　2）分析了變頻器）））感應(yīng)電機系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障工況，并對其中的一相開路故障進行了仿真。
　　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)矩會出現(xiàn)很高的二倍頻分量。低頻脈動轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)對系統(tǒng)的運行會帶來不利影響，造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。為此應(yīng)通過一些控制策略如諧波注入法等進行改進。
　　4）在故障情況下電流會增大，系統(tǒng)能否運行取決于系統(tǒng)實際允許量大電流，本文仿真中假定電流沒有限制。