張 鑫,趙鏡紅,劉力源,吳奕琦,孫 琦
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脈沖電壓法測直流電機(jī)匝間短路的分析
張 鑫,趙鏡紅,劉力源,吳奕琦,孫 琦
(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,武漢 430033)
本文針對直流電機(jī)繞組匝間短路的問題,研究了脈沖電壓法測試電機(jī)匝間短路的情況,進(jìn)行了電路設(shè)計(jì),理論分析,仿真模擬,數(shù)據(jù)分析。脈沖電壓法是交流電經(jīng)整流后對電容充電,然后電容對電氣元件放電,RLC電路發(fā)生振蕩,通過研究振蕩波形的峰值、周期、消散時間來判斷元件短路情況。研究發(fā)現(xiàn)振蕩波形頻率越高、周期越小、系統(tǒng)消散越快,元件短路匝數(shù)越多。該方法方便、快捷、高效。
匝間短路 脈沖電壓 RLC振蕩電路
據(jù)統(tǒng)計(jì),直流電機(jī)在運(yùn)行中的故障屬繞組燒壞的電氣故障約85 %,機(jī)構(gòu)及其他故障約15 %,匝間短路故障發(fā)生率高達(dá)30%~40 %,繞組匝間短路的原因多為在電、熱和機(jī)械等綜合應(yīng)力作用下,繞組產(chǎn)生變形、位移,造成匝間絕緣破裂、磨損、脫落。電機(jī)發(fā)生匝間短路后,轉(zhuǎn)子電流將會顯著增加,繞組溫升過高,機(jī)組振動明顯增大,并且還會引起其它的機(jī)械故障,嚴(yán)重時還會將電機(jī)燒壞;當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障時,必須通過試驗(yàn)找出匝間短路點(diǎn),予以消除,使電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。因此,如何準(zhǔn)確判斷電樞繞組短路成為了研究的方向。
本文研究了脈沖電壓法測直流電機(jī)匝間短路的情況,解決了直流電機(jī)匝間短路的問題。脈沖電壓法是交流電通過單相橋式整流電路變?yōu)橹绷麟?,直流電向電容充電,然后電容放電,在欠阻尼狀態(tài)下,RLC電路發(fā)生振蕩,通過振蕩波形變化,觀察、計(jì)算元件短路情況。采用脈沖電壓法不僅可以準(zhǔn)確判斷元件短路的短路情況,而且設(shè)備應(yīng)用范圍廣,成本低。
脈沖電壓法是利用交流電通過整流橋變?yōu)橹绷麟?,然后向無極電容充電,電容放電,RLC電路發(fā)生振蕩,生成幅值減小的、周期性的脈沖波。為了形成脈沖波,要利用接有電阻和電容的線路。電網(wǎng)電源(交流220 V)經(jīng)過接觸式調(diào)壓器調(diào)壓后,送倍壓整流電路進(jìn)行整流,得到一個直流電壓,線路利用這個電壓對儲能電容C充電,充電完畢時關(guān)掉開關(guān),使電容器與充電回路斷開,打開繼電器電源開關(guān),繼電器開始動作,電容向電樞線圈放電,于是電樞線圈、電容形成了RLC振蕩電路。電路中的電壓、電流通過取樣示波器取樣,在示波器上顯示。試件不同,試驗(yàn)中顯示的振蕩波形是各異的,我們可根據(jù)波形的峰值大小、周期大小和消散時間來分析繞組的絕緣情況。
這是一個二階線性常系數(shù)齊次微分方程,用特征方程法解。
分析這三種情況的電流正負(fù)情況,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)Δ<0時的取值可正可負(fù),而Δ≥0時,不會取負(fù)值。關(guān)注Δ=0時的情況,與其它情況相比,這種情況趨向于0并穩(wěn)定的速率最大。所以稱Δ<0時的情況為欠阻尼,會以振幅漸小的周期運(yùn)動形式靠近0;稱Δ>0時的情況為過阻尼,會以非周期運(yùn)動形式緩緩地靠近0;稱Δ=0時的情況為臨界阻尼,以非周期運(yùn)動形式最快地趨向并穩(wěn)定于0。
當(dāng)電路處于欠阻尼振蕩狀態(tài)時,為對波形有進(jìn)一步了解,特分析以下物理參數(shù)。
1)時間常數(shù)
2.1.3.2 緩沖溶液濃度的優(yōu)化 隨著緩沖液Na2B4O7-KH2PO4濃度的增加,樣品的出峰時間逐漸推后,并且基線噪音逐漸增大,提示這與緩沖溶液離子強(qiáng)度變大,運(yùn)行體系電流增加有關(guān)系。優(yōu)化后的緩沖溶液濃度為20 mmol/L Na2B4O7+10 mmol/L KH2PO4。
脈沖電壓法測匝間短路MATLAB/Simulink的建模主要由電容、電阻、電感、電壓表、電流表組成。脈沖電壓法的電路設(shè)計(jì)首先是交流電整流成為直流電對電容充電,然后電容向電感、電阻放電,形成RLC振蕩電路,觀察電流波形的變化。我們利用Simulink中元件的便利,首先對電路進(jìn)行簡化,因?yàn)殡娙菘梢栽O(shè)置初始電壓,所以將交流電經(jīng)整流成直流電對電容充電的部分電路簡化掉,直接搭建RLC電路,然后通過示波器觀察電路電流、電壓的變化。
圖1 電路仿真波形圖
1)依次改變電感值,電路電流波形參數(shù)數(shù)值變化如下:
表1 改變電感值仿真結(jié)果
2)依次改變電阻值,電路電流波形參數(shù)數(shù)值變化如下:
當(dāng)元件發(fā)生短路后,電路中的電感、電阻都發(fā)生了明顯變化,元件匝數(shù)短路越多,最大峰值電流越大,振蕩周期越小,電壓降為20%時系統(tǒng)消散時間越短,可以通過觀察最大峰值電流、振蕩周期、系統(tǒng)消散時間來判斷短路情況。
對于普通電機(jī),它的每一個元件電感、電阻比較小,尤其是匝間短路時,電感值下降的速度更快,由于實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和電機(jī)電感變化的非線性,所以應(yīng)該盡量選擇較大電容、高初始電壓進(jìn)行試驗(yàn),方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行及波形的觀察。
表2 改變電阻值仿真結(jié)果
本文設(shè)計(jì)了脈沖電壓法電路,進(jìn)行了理論分析及仿真。仿真結(jié)果證明可以通過脈沖電壓法對直流電機(jī)匝間短路進(jìn)行檢測,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的最大峰值電流、振蕩周期、系統(tǒng)消散時間來判斷匝間短路情況。
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Analysis of the Short-Circuit of DC Motor by Impulse Voltage Method
Zhang Xin, Zhao Jinghong, Liu Liyuan, Wu Yiqi, Sun Qi
(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 4300033, China)
TM933
A
1003-4862(2018)10-0038-03
2018-4-26
張鑫(1995-),男。研究方向:電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 1508969066@qq.com。