齊 歌, 白左霞, 劉憲林, 師 黎

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)一相繞組短路故障性能分析

齊 歌, 白左霞, 劉憲林, 師 黎

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

對(duì)雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生一相短路故障時(shí)的磁場分布、磁鏈、電流以及輸出轉(zhuǎn)矩等電磁性能進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)三相電機(jī)進(jìn)行比較.結(jié)果表明，雙三相電機(jī)相與相之間的耦合較弱，故障相幾乎不影響非故障相的正常運(yùn)行，電機(jī)依然能夠在可接受的范圍內(nèi)繼續(xù)工作，具有一定的容錯(cuò)能力，適用于對(duì)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行有特殊要求的場合.

雙三相; 永磁電機(jī);容錯(cuò)性能; 一相短路;

0 引言

在航空航天、軍事應(yīng)用、礦井軋鋼等對(duì)電機(jī)可靠性要求較為苛刻的領(lǐng)域中，人們對(duì)電機(jī)本體容錯(cuò)性能的要求也越來越高[1-2]，即要求電機(jī)在系統(tǒng)某部分故障時(shí)仍具有一定的工作能力.目前研究較多的容錯(cuò)電機(jī)是多相永磁電機(jī).所謂多相電機(jī)[3-4]是指隨著電力電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和定子槽中的相數(shù)也不拘于傳統(tǒng)三相.與傳統(tǒng)三相永磁電機(jī)相比，多相電機(jī)憑借定子中多增的繞組使其更有優(yōu)勢，比如適用于低壓大功率場合、電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、效率高、轉(zhuǎn)矩密度高、擁有更多的設(shè)計(jì)自由度、容錯(cuò)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5].雙三相永磁同步電機(jī)是多相電機(jī)中的一種，它是把兩套傳統(tǒng)三相繞組分別作為兩個(gè)獨(dú)立模塊，并按一定相移嵌放在同一臺(tái)電機(jī)本體中.兩套三相繞組之間的相移可以根據(jù)實(shí)際工作中的需要來調(diào)節(jié)，現(xiàn)研究較多的是雙三相電機(jī)中兩套三相繞組之間相移30°的情況.與傳統(tǒng)三相電機(jī)相比較，由于雙三相電機(jī)中兩套三相繞組存在30°電角度的相移，使得電機(jī)具有更高繞組系數(shù)，進(jìn)一步提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；并且雙三相電機(jī)兩套三相繞組各產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加后正好消除了6次和18次諧波，有效地減小了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[6].

筆者采用有限元分析方法，對(duì)雙三相相移30°永磁同步電動(dòng)機(jī)在故障工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行分析，與其在正常工況下的性能進(jìn)行比較，并與傳統(tǒng)三相電機(jī)進(jìn)行了比較分析.

1 雙三相電機(jī)模型的建立

根據(jù)電機(jī)的具體參數(shù)，利用Ansoft Maxwell 2D軟件建立雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真模型[7-8].與此同時(shí)，建立一個(gè)傳統(tǒng)三相電機(jī)模型，其反電動(dòng)勢和定子銅耗均與雙三相電機(jī)相同，以便在同等條件下進(jìn)行性能比較.兩種電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示.

表1 表貼式12槽10極永磁電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of 12-slot 10-pole surface-mounted of PM motor

2 雙三相電機(jī)相隔離分析

在電機(jī)內(nèi)部，相與相之間的相互影響主要表現(xiàn)在相繞組中電流產(chǎn)生的磁場與其他相的匝鏈.在雙三相相移30°電機(jī)中，定子槽中的兩套三相繞組分別為A1、B1、C1和A2、B2、C2，這兩套繞組在空間上相差 30°電角度，而每套繞組中各相之間間隔120°電角度.雙三相電機(jī)的相磁動(dòng)勢星形圖和相繞組在電機(jī)中的實(shí)際分布如圖1所示.

圖1 雙三相電機(jī)各相電樞線圈分布Fig.1 The armature coil distribution of each phase of dual three-phase motor

為了探討電機(jī)中各相繞組之間的相互影響，筆者對(duì)兩種電機(jī)僅一相繞組加激勵(lì)時(shí)的磁場分布情況進(jìn)行分析，如圖2所示.

圖2 兩種電機(jī)的磁力線分布Fig.2 Distribution of the magnetic field lines of two kinds of motor

從圖2(a)中可以看出，傳統(tǒng)三相電機(jī)A相激勵(lì)產(chǎn)生的磁力線除了與自身相匝鏈外，在很大程度上也影響與其相鄰的B、C兩相.而在圖2(b)中，雙三相電機(jī)A1相激勵(lì)產(chǎn)生的磁力線除了與自身相匝鏈之外，還主要影響與其相鄰的A2和C2相，但這種影響的程度顯然弱于前述的傳統(tǒng)三相電機(jī)，A2和C2相附近的磁力線分布較為稀疏.同時(shí)，從圖中可以看出，A1相激勵(lì)對(duì)其余三相的影響更加微弱.分析結(jié)果說明，與傳統(tǒng)三相電機(jī)相比，雙三相電機(jī)相與相之間的耦合程度較弱，一相運(yùn)行與否以及故障與否對(duì)其他相的影響也就較小，因此故障相可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊退出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)中途癱瘓，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰.

3 一相繞組短路故障性能分析

在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)定子繞組在熱、電、機(jī)械摩擦等共同交互作用下，不可避免地會(huì)發(fā)生一相繞組短路故障.筆者研究的一相繞組短路故障可以看成是一種特殊的繞組匝間短路故障，即發(fā)生百分之百匝間短路故障[8-11].

3.1 各相繞組磁鏈波形

筆者對(duì)雙三相電機(jī)故障前后各相繞組磁鏈波形進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)三相電機(jī)進(jìn)行比較，如圖3和圖4所示.

圖3 雙三相電機(jī)A1相短路故障時(shí)各相繞組的磁鏈波形Fig.3 Flux linkage waveforms of dual three-phase motor when A1 phase short circuit

圖4 三相電機(jī)A相短路故障時(shí)各相繞組的磁鏈波形Fig.4 Flux linkage waveforms of the traditional three- phase motor when A phase short circuit

從圖3、4中可以看出，在0.043 s時(shí)刻以前兩種電機(jī)都處于正常工作狀態(tài)，各相磁鏈曲線對(duì)稱，并都具有較好的正弦度；在0.043 s時(shí)刻電機(jī)發(fā)生一相短路故障，故障相A1相和A相磁鏈幅值瞬間增大，其他非故障相的磁鏈幅值也都有不同程度的增加，其增加幅度列于表2.從表2中可以看出，在傳統(tǒng)三相電機(jī)中，其余的B、C兩相均受到嚴(yán)重的影響，磁鏈幅值增長幅度較大；而在雙三相電機(jī)中，僅與故障相相鄰的A2相和C2相受到嚴(yán)重的影響，而其余各相幾乎不受到影響，磁鏈幅值增加不明顯.

表2 兩種電機(jī)短路故障后各相繞組磁鏈幅值的增長情況Tab.2 Amplitude increment of the flux linkage when short circuit occurred in two motors

3.2 各相繞組電流波形分析

電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生突然短路故障所經(jīng)歷的時(shí)間雖然極短，但對(duì)故障時(shí)各相繞組短路電流的分析有著非常重要的意義.圖5和圖6分別為雙三相電機(jī)和傳統(tǒng)三相電機(jī)故障前后各相繞組電流的變化情況，其電流幅值的增長幅度列于表3.

表3 兩種電機(jī)短路故障后非故障相繞組電流幅值增長情況Tab.3 Amplitude increment of current of Non-fault phase winding when short circuit occurred in two motors

從表3中可以得出，與傳統(tǒng)三相電機(jī)相比，雙三相電機(jī)的非故障相電流在短路故障前后變化幅度較小，并且受故障相影響最為嚴(yán)重的C2相電流幅值增大了35.6%，僅為傳統(tǒng)三相電機(jī)B、C兩相電流幅值增長幅度的1/2.分析結(jié)果表明，電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，雙三相電機(jī)與傳統(tǒng)三相電機(jī)相比較，其非故障相受故障相影響程度較小，幾乎能保持原有的運(yùn)行狀態(tài).在圖5(a)和圖6(a)中可以看出,在0.043 s時(shí)刻兩種電機(jī)出現(xiàn)一相短路故障，此時(shí)故障相繞組中的短路電流幅值瞬間急劇增大，從圖5(b)和圖6(b)看出:非故障相繞組中的電流幅值都有所增加，但程度不同.

圖5 雙三相電機(jī)A1相短路故障時(shí)各相繞組電流波形Fig.5 Current waveforms of each phases in dual three-phase motor when A1 phase short circuit

圖6 傳統(tǒng)三相電機(jī)A相短路故障時(shí)的各相繞組的電流變化情況Fig.6 Current waveforms of each phases in the traditional three-phase motor when A phase short circuit

傳統(tǒng)三相電機(jī)在一相繞組突然短路時(shí)，不僅故障相繞組電流會(huì)驟然增大，其余相繞組中的電流也會(huì)大幅增加，如果繼續(xù)運(yùn)行會(huì)使電機(jī)繞組過熱而導(dǎo)致燒毀.但從雙三相電機(jī)故障前后電流變化的情況來看，非故障相電流增加幅度較小，只略大于額定電流，變化最大的C2相也不過是正常運(yùn)行時(shí)的1.356倍.因此如果切斷故障相，在不超過溫升的情況下，雙三相電機(jī)依然能夠短時(shí)運(yùn)行，而不必中途停機(jī)，這就比傳統(tǒng)三相電機(jī)有更為顯著的帶故障運(yùn)行能力和優(yōu)勢.

3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能分析

電機(jī)在故障狀態(tài)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩的能力是衡量容錯(cuò)電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一.為此，筆者著重對(duì)雙三相電機(jī)發(fā)生一相短路故障前后的輸出轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行分析，考察其帶故障運(yùn)行能力，并與傳統(tǒng)三相電機(jī)進(jìn)行比較，如圖7所示.

圖7 兩種電機(jī)短路故障時(shí)轉(zhuǎn)矩性能比較Fig.7 Comparison of torque performance when short circuit occurred in two motors

(1)0～0.043 s：兩種電機(jī)都處于正常運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩均為額定轉(zhuǎn)矩5.5 N·m.

(2)0.043～0.08 s：在0.043 s時(shí)刻，兩種電機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生一相突然短路故障，此時(shí)兩種電機(jī)轉(zhuǎn)矩均驟然增大，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行.但雙三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯小于傳統(tǒng)三相電機(jī)，這體現(xiàn)出了雙三相相移 30°這種繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.

(3)0.08～0.12 s：為防止電機(jī)短路相繞組因電流驟然增大迅速升溫而燒壞，并阻止熱量影響到其余非故障相工作，在0.08 s時(shí)刻迅速切斷雙三相電機(jī)的A1相繞組以及傳統(tǒng)三相電機(jī)的A相繞組.此后在0.08～0.12 s期間，兩種電機(jī)依靠非故障相繼續(xù)運(yùn)行.與上一階段相比，兩種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，但是傳統(tǒng)三相電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)依然大于雙三相電機(jī).與額定運(yùn)行相比，雙三相電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所降低,但輸出轉(zhuǎn)矩最低值仍可達(dá)到3 N·m以上且無轉(zhuǎn)矩死區(qū)，但傳統(tǒng)三相電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最低值僅為1.5 N·m.比較結(jié)果表明，雙三相電機(jī)的帶故障運(yùn)行能力優(yōu)于傳統(tǒng)三相電機(jī).

(4)0.12～0.16 s：在上一階段，雙三相電機(jī)切除故障相后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大.為進(jìn)一步改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩性能，鑒于雙三相繞組的特殊性，在0.12 s時(shí)刻，切斷故障A1相所在的整

個(gè)第一套三相繞組，僅用剩余的第二套三相繞組工作.但同時(shí)應(yīng)及時(shí)降低負(fù)荷，使之與剩余的激勵(lì)相匹配，這樣電機(jī)才能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.從圖中可以看到，雙三相電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯趨于平穩(wěn)，并且保持在3 N·m左右.分析結(jié)果表明，雙三相電機(jī)因其自身獨(dú)特的電機(jī)本體設(shè)計(jì)使其容錯(cuò)性能更加優(yōu)越，使得電機(jī)在運(yùn)行過程中有一套繞組出現(xiàn)問題時(shí)，可以使其退出系統(tǒng)運(yùn)行，只利用剩下的另一套三相繞組繼續(xù)運(yùn)行，從而大大提高了電機(jī)本體乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性.

4 結(jié)論

在一些對(duì)電機(jī)本體及其控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求較高的場合，特別是礦井軋鋼、航空航天等對(duì)連續(xù)運(yùn)行有較高要求的領(lǐng)域，要求電機(jī)具有一定的容錯(cuò)性能.筆者主要分析了雙三相電機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及一相繞組短路故障前后的各相繞組的磁鏈曲線和電流的變化情況，以及故障后轉(zhuǎn)矩性能的變化，并在同等條件下與傳統(tǒng)三相電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析.分析結(jié)果表明，雙三相電機(jī)在同等故障下運(yùn)行性能優(yōu)于傳統(tǒng)三相電機(jī).此外，雙三相電機(jī)又因其定子槽中兩套繞組的獨(dú)立性使其容錯(cuò)性能得到進(jìn)一步提高，作為新型永磁容錯(cuò)電機(jī)有著良好的研究和應(yīng)用前景.

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Analysis Of One-Phase Short-Circuit Performances of Dual Three-Phase Permanent Magnet Brushless Ac Motor

QI Ge, BAI Zuo-xia, LIU Xian-lin, SHI Li

( School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China)

The electromagnetic performance of the electromagnetic field distribution, flux linkage, current, and output torque and so on are analyzed, when dual three-phase motor is in fault condition of short-circuit of one phase winding. At the same time, it is compared with traditional three-phase motor. Results indicate that coupling between phases of dual three-phase motor is very weak. In fault condition, the fault phase of dual three-phase motor dose not affect normal operation of non-fault phase which makes it can still continue to work within the acceptable range. So dual three-phase motor does not have to stop on the way, and has a certain tolerance, and is applicable to the occasion which has special requirements for motor.

dual three-phase; permanent magnet machine; fault-tolerant performance; one-phase short-circuit

2014-08-03；

2014-11-06

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(122102210098)；中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2011M501188)；河南省博士后項(xiàng)目啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010024)

齊歌(1982-)，女，河南鄭州人，鄭州大學(xué)講師，博士，主要研究方向新型永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與性能分析，E-mail:qige@zzu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0024-04

TM351

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.006