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感应电机转子断条故障的电磁场与温度场研究

谢颖  
【摘要】: 感应电动机广泛应用于工业部门,特别是在电力、钢铁冶金、石油化工等部门起着重要的作用。在生产过程中,受制造工艺限制及作用在转子导条上的综合应力,如电磁力、热应力及机械应力的影响,有可能发生转子导条开焊和断裂等故障。驱动电机的突发故障,势必造成一定的经济损失,并且影响到生产线的安全以及产品的质量,所以,对感应电机进行故障诊断和时时在线监测能够避免灾难性事故和减少维修费用。近年来,感应电机转子断条故障的研究和在线诊断工作已成为热点问题,本文从电磁场和传热学的基本理论入手对笼型感应电机转子断条故障问题进行研究,基于故障前后电机运行性能和转子参数的变化,提取了故障特征量,为转子断条故障的在线监测提供了理论依据和新方法。 基于多回路理论,定义了笼型感应电机转子断条故障的有限元计算模型,在额定负载情况下,给出了磁场分布在故障前后的变化规律,定量分析了断条故障对定、转子铁心上不同位置的磁密波形及其各次谐波成份的影响;研究了在转子断条故障影响下,定、转子铁心损耗随时间的分布趋势,并对与断裂导条临近的转子齿的铁心损耗做了具体分析;提取故障后气隙磁密三次谐波成份的故障特征量,为笼型感应电机转子断条故障诊断及电机性能评估奠定理论基础,并提出故障诊断的新方法。 基于时步有限元方法,研究了断条故障对电机运行性能的影响,给出了电机定子的起动电流、转矩和转速随着不同断条根数而变化的规律,进而得到电机转子不对称运行时转子电流、端环电流及转子导条上所受的电磁力;确定了笼型感应电机在正常及转子断条故障运行时的转子参数,并对故障前后转子参数的变化与断裂导条相邻的导条电流增加的因果关系进行解释说明;对感应电动机转子断条的位置及其影响进行了研究,分析电机转子断条位置与定子电流中转子绕组故障特征量之间的关系,并总结出其规律性;通过对故障前后定子相电流和相电压的研究,基于电压和电流的谐波成份在断条前后变化的故障特征量,可为转子断条故障诊断提供又一有价值的理论依据。依据堵转工况时电机在正常及内部故障情况下的电磁场计算结果,指出了堵转及电机频繁起动是断条故障多发的诱因,并解释其原因;该工况下的磁场分布、定转子电流分布与转矩在故障前后的变化与负载运行时不同,本文针对这一问题做了具体分析,并指出了其对故障演化趋势的影响;定量给出了气隙磁密的径向和切向分量及其各次谐波含量的变化规律,并研究了断条故障对各分量的影响程度。 建立了正常电机、转子断裂一根导条及连续两根断条的定转子全域温度场求解数学模型。引入气隙有效导热系数的概念,提出了笼型感应电动机定、转子全域温度场计算的新方法,从而简化了定、转子之间极为复杂的热交换过程;通过温度场的分析,探究不同断条根数及相对位置对电机定、转子温度场分布的影响,实验结果验证了该电机温度场计算模型的合理性和计算结果的正确性;该温度场计算模型可以应用到其它无轴向通风冷却的感应电机温度场计算分析,并且可以从电机温度场变化的角度为电机断条故障提供有价值的理论依据。


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