脈沖電壓法測直流電機匝間短路的分析

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 電氣工程學院，武漢 430033）

本文針對直流電機繞組匝間短路的問題，研究了脈沖電壓法測試電機匝間短路的情況，進行了電路設計，理論分析，仿真模擬，數據分析。脈沖電壓法是交流電經整流后對電容充電，然后電容對電氣元件放電，RLC電路發生振蕩，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。研究發現振蕩波形頻率越高、周期越小、系統消散越快，元件短路匝數越多。該方法方便、快捷、高效。

匝間短路 脈沖電壓 RLC振蕩電路

0 引言

據統計，直流電機在運行中的故障屬繞組燒壞的電氣故障約85 %，機構及其他故障約15 %，匝間短路故障發生率高達30%～40 %，繞組匝間短路的原因多為在電、熱和機械等綜合應力作用下，繞組產生變形、位移，造成匝間絕緣破裂、磨損、脫落。電機發生匝間短路后，轉子電流將會顯著增加，繞組溫升過高，機組振動明顯增大，并且還會引起其它的機械故障，嚴重時還會將電機燒壞；當轉子繞組發生匝間短路故障時，必須通過試驗找出匝間短路點，予以消除，使電機恢復正常運行。因此，如何準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匝間短路的情況，解決了直流電機匝間短路的問題。脈沖電壓法是交流電通過單相橋式整流電路變為直流電，直流電向電容充電，然后電容放電，在欠阻尼狀態下，RLC電路發生振蕩，通過振蕩波形變化，觀察、計算元件短路情況。采用脈沖電壓法不僅可以準確判斷元件短路的短路情況，而且設備應用范圍廣，成本低。

1 脈沖電壓法工作原理

1.1 基本原理

脈沖電壓法是利用交流電通過整流橋變為直流電，然后向無極電容充電，電容放電，RLC電路發生振蕩，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。電網電源（交流220 V）經過接觸式調壓器調壓后，送倍壓整流電路進行整流，得到一個直流電壓，線路利用這個電壓對儲能電容C充電，充電完畢時關掉開關，使電容器與充電回路斷開，打開繼電器電源開關，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，試驗中顯示的振蕩波形是各異的，我們可根據波形的峰值大小、周期大小和消散時間來分析繞組的絕緣情況。

1.2 RLC振蕩電路的理論計算

這是一個二階線性常系數齊次微分方程，用特征方程法解。

分析這三種情況的電流正負情況，可以發現，當Δ<0時的取值可正可負，而Δ≥0時，不會取負值。關注Δ=0時的情況，與其它情況相比，這種情況趨向于0并穩定的速率最大。所以稱Δ<0時的情況為欠阻尼，會以振幅漸小的周期運動形式靠近0；稱Δ>0時的情況為過阻尼，會以非周期運動形式緩緩地靠近0；稱Δ=0時的情況為臨界阻尼，以非周期運動形式最快地趨向并穩定于0。

當電路處于欠阻尼振蕩狀態時，為對波形有進一步了解，特分析以下物理參數。

1）時間常數

2.1.3.2 緩沖溶液濃度的優化 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度變大，運行體系電流增加有關系。優化后的緩沖溶液濃度為20 mmol/L Na2B4O7+10 mmol/L KH2PO4。

2 脈沖電壓法測匝間短路在MATLAB/Si-mulink的建模與仿真

2.1 仿真模型

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計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，首先對電路進行簡化，因為電容可以設置初始電壓，所以將交流電經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。

2.2 模型結果及分析

圖1 電路仿真波形圖

1）依次改變電感值，電路電流波形參數數值變化如下：

表1 改變電感值仿真結果

2）依次改變電阻值，電路電流波形參數數值變化如下：

當元件發生短路后，電路中的電感、電阻都發生了明顯變化，元件匝數短路越多，最大峰值電流越大，振蕩周期越小，電壓降為20%時系統消散時間越短，可以通過觀察最大峰值電流、振蕩周期、系統消散時間來判斷短路情況。

對于普通電機，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，由于實驗的復雜性和電機電感變化的非線性，所以應該盡量選擇較大電容、高初始電壓進行試驗，方便實驗的進行及波形的觀察。

表2 改變電阻值仿真結果

3 結論

本文設計了脈沖電壓法電路，進行了理論分析及仿真。仿真結果證明可以通過脈沖電壓法對直流電機匝間短路進行檢測，可以根據實驗得到的最大峰值電流、振蕩周期、系統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：電力系統及其自動化。E-mail: 1508969066@qq.com。