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计及趋肤效应的鼠笼电动机转子断条及无载测试研究

郭林  
【摘要】:鼠笼感应电动机因其结构简单、价格低廉、可靠性高、使用方便以及能适用于各种复杂的工况等特点,被广泛应用于工农业生产中。中大型鼠笼电动机一般采用深槽、双鼠笼等转子槽型,利用趋肤效应增大启动转矩,降低启动电流。尽管利用趋肤效应可以很大程度上改善电动机启动性能,但也带来了一定的负面作用,例如,增大了建立双鼠笼电动机转子断条模型的难度;使得双鼠笼电动机外笼断条较难识别,判断断条数量难上加难;影响了鼠笼电动机无载测试的准确程度等。本文以分层法为解决趋肤效应的基本方法,贯穿全文,研究了计及趋肤效应的双鼠笼电动机建模,转子断条稳态暂态分析及故障诊断,研究了趋肤效应对无载测试影响及在不增加成本情况下提高无载测试准确程度的方法。本文首先使用分层法对双鼠笼电动机转子稳态电流分布特性进行了研究,提出了共端环型与独立端环型双鼠笼电动机转子电流分布的统一计算方法,量化分析了算例电动机不同转差率下的转子电流分布规律,同时通过对比发现采用独立端环型还是共端环型模型对双鼠笼电动机转子稳态电流分布特性影响不大,为后文简化双鼠笼电动机转子模型提供理论基础。对双鼠笼电动机转子模型进行了合理简化,提出了基于等效深槽的计及趋肤效应的双鼠笼电动机转子多回路模型。忽略端环结构对转子电流分布的影响,独立端环与共端环型双鼠笼电动机统一用共端环转子模型,使用等效深槽阻抗代替原有上、下笼各自阻抗,使用分层法对不同断条状态等效深槽参数进行计算,建立基于等效深槽的双鼠笼电动机多回路方程,模型方程维数与单鼠笼电动机相当。讨论了不同断条情况下多回路方程结构及参数的修正。研究了基于等效深槽双鼠笼电动机多回路模型的转子稳态电流计算方法。对四种不同断条情况下双鼠笼电动机转子电流分布规律进行了仿真分析。结果表明,当双鼠笼电动机上笼断条时,与断条位置相邻槽中上笼电流高于其他槽中上笼电流,断条处下笼电流明显高于非断条处下笼电流,断条中心位置下笼电流最大;下笼断条时,断条处上笼电流高于非断条处上笼电流,且随着转差率增大这种表现更加明显。首次发现,断条所在极以外的槽总电流及上、下笼电流,均以1极为周期呈正弦规律分布,波峰位于距断条处0.5极、1.5极、2.5极、3.5极处,波谷位于距断条处1极、2极、3极处,且堵转运行时比额定运行时振幅大,该正弦分布振幅与故障特征比值呈正相关性,其振幅大小反映了转子电流不平衡程度大小;当上笼一根导条断裂后最易发生断条的位置为与断条位置相邻两槽中上笼导条,其次是正弦分布波峰处的上笼导条;当下笼一根断条后,最易发生断条的位置为断条槽上笼;上笼断条故障特征比值与转差率s基本呈递增关系,而下笼断条故障特征比值与转差率s基本呈递减关系。为了研究转子断条情况下双鼠笼电动机的启动过程,本文提出使用分层法将需考虑转子导条趋肤效应的双鼠笼电动机转子模型转变为无趋肤效应的多鼠笼结构转子模型,首次建立了计及趋肤效应的双鼠笼电动机多回路暂态模型。将该模型用于双鼠笼电动机拖动系统空载试车启动过程暂态分析,提出使用同步提取短时傅里叶变对双鼠笼电动机定子启动电流进行时频分析的方法,在此基础上,定义了用于判别早期上、下笼断条及上笼半极内连续断条根数的幅频面夹角,当幅频面夹角为负值时,双鼠笼电动机发生下笼断条故障;当幅频面夹角为正值时,双鼠笼电动机发生上笼断条故障,上笼连续断条数越多,幅频面夹角越大。定义了可以判断上笼导条大致断裂数目的时频面夹角,断条数越多,时频面夹角越大。研究了趋肤效应对无载测试的影响,发现趋肤效应使得无载测试所得转差率、过载系数增高,效率降低,采用圆图法测试所得功率因数增高,采用等值电路法所得功率因数降低。针对该问题,提出了一种虚拟变频软件算法,对原有无载测试设备进行了改造,使用所得基于虚拟变频技术的无载测试系统对三种不同规格防爆电动机进行了无载测试。测试结果表明,虚拟变频技术能够在不增加硬件成本的情况下,提高无载测试准确程度。


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