Simulink三相电机仿真（4）

Simulink电机故障仿真----过载与电源故障
小树不修不直溜，人不学习哏揪揪！今天本小学生将要和大家分享一下有关Simulink电机故障仿真的其他常见故障，即电机过载情况与电机输入电源故障，特总结此文，以留纪念，望大神指点！
三相电机的过载总结
三相异步电动机的过载情况指的是电机在某个允许的时间内流过的电流超过额定电流。三相异步电动机的过载能力指的是即最大转矩标称值与额定转矩标称值之比，可以理解为三相异步电动机实际能够负载的最大负荷与额定负载负荷的比值，比值越高，过载能力就越好，电动机性能也就比较优秀。
过载情况的产生过载的原因有如下三点:
(1)拖动的机械发生故障，当被拖动的机械存在故障时，转动不灵活或者被卡住，都将会使电动机过载，造成电动机绕组过热。因此，在检修电动机过热情况时，负载过载方面的因素不能忽视。
(2)拖动的机械负载工作不正常，虽然选取的设备配套，但由于所拖动的机械负载工作不正常，运行时负载时大时小，如脱粒机喂入量过大时电动机过载而发热。
(3)当选取的设备不配套，电动机的负载功率大于电动机的额定功率时，则电动机长期过载运行，即“小马拉大车”，会导致电动机过热。因此在维修过热电动机时，应先查清负载功率与电动机功率是否相符，以避免盲无目的的拆卸。
电源故障总结
（1）三相电压不平衡(缺相)：电压不平衡即负序分量过大，一般来说 1%的电压不平衡会引起3%~11%的相电流不平衡，负序分量不能做功，全部转换为热量，因此严重的电源电压不平衡会导致电机过热而烧毁。
（2）三相过电压、欠电压：三相电动机以额定电压工作时效率最高。当电源电压过高时会增加空载励磁电流，造成电机效率下降并发热;电压过低时电机的输出功率下降会造成过载，严重时会使电机堵转，过欠电压保护的范围不宜偏低，不然由于电网电压的波动引起频繁保护动作。
总结起来三相电源的故障与其参数有关，即幅值、频率、相位，相比较来说，电压的突然变化会造成较为严重的后果，而电源的故障在工作过程中十分常见，由于传输问题，电气元件如熔断器、继电器、接触器等电气故障，都会造成输入三相电机的电源故障，引发流入电机的电流剧增，严重时烧毁电机。
电机故障仿真程序
创建故障仿真程序如图1所示，设置的电机模型参数等与之前的程序相同。从左至右电机参数相同，最左侧的电机为正常运转情况下的电机仿真，之后依次是负载突变、过载、电源频率突变、电压突增、缺相仿真，下文将详细说明，各部分模块配置与仿真效果展示和分析。

图1 仿真程序
正常运行仿真与模块参数设置
（1）正常运行仿真模型如图2所示，电路参数中外加负载转矩为10 N*m，此数值是根据电机的额定参数计算而得的。计算过程如下：仿真设定的三相电机参数中，电机额定功率为2200 W，从之前的电机仿真结果可以发现额定转速为1500r/min（rpm）。

图2 正常运行仿真设计

根据三相电机额定转矩计算公式: 额定转矩=额定功率/额定转速，需要注意的是该公式中功率的单位是瓦（W），转速的单位是弧度/秒（rad/s），使用公式计算时需要单位转换1500 r/min=15002Pi/60rad/s。转矩 T=2200w60S/15002Pi，转矩计算的结果约为14.005634。当然也可利用简便公式T=9549P/n，P功率单位Kw，n转速单位r/min，计算结果T=95492.2/1500=14.0052。因此，仿真正常运行的转矩负载设置为10Nm。
（2）三相电源的参数设置：如图3所示为此次仿真中电源设置，下方红色方框为正常的三相电源设置，参数如图4所示，上方红色方框为异常情况下电源设置，参数如图5所示。

图3 三相电源模块

图4 正常的三相电源参数

图5 故障的电源参数设置
（3）三相断路器参数设置：如图6所示，断路器模块设置比较简单，初始状态为常开状态而动作时间为0时刻，即运行及接通上电。

图6 三相断路器参数设置
（4）三相异步电机参数设置如图7所示，基本参数与之前试验中的设置相同。

图7 三相电机参数设置
（5）检测变量选取如图8所示，仍旧选取转子a相电流、定子a相电流、转速、电磁转矩四组变量，继续检测并对比仿真效果。

图8 检测变量选取
（6）示波器参数设置如图9所示，示波参数的设置是为了展示的效果。这一点很有必要，即方便自己观察仿真效果是否正确，也方便其他小伙伴学习与参考。

图9 示波器参数设置
（7）仿真参数设置如图10所示，设置仿真时间为5秒，仿真solver为ode23t。

图10 仿真参数设置
（8）仿真电机正常运行的结果如图11所示，转子与定子电流的变化在初始启动阶段变化较大，随后平稳运行时呈现较小的周期性平稳变化。转速与电磁转矩维持稳定值

图11 平稳运行的仿真效果
负载突变的仿真程序与效果
（1）负载突变的仿真程序设计，如图12所示，可以看到在电机的外接转矩负载处多出了选项开关Switch模块，这个模块的作用本小学生认为与阈值比较开关相类似，当设定参数中的控制量u2大于设定值Threshold时，则输出上方的信号源，否则输出下方信号源。此处Switch模块参数与控制量Step模块参数设置如图13所示，设定Switch模块的Threshold值为1，控制量Step模块设置转换时刻为3秒时，初始状态值为0，即选取下方负载转矩10Nm。3秒后控制量值变为2>1时，则选取上方负载55Nm输出。

图12 负载突变仿真设计

图13 Switch模块与Step模块参数设置
（2）负载突变的仿真运行结果如图14所示，从图中可以看出3秒时刻之前，电机在正常负载状态下工作，波形效果与图11所示3秒时刻前的效果相同。而3秒时刻之后，由于负载的突然增大，电机处于过载运行状态，此时转子与定子的电流都有显著的变换，以满足过载状态下的转矩输出。同时，电机转速略有下降，电磁转矩值增大。

图14 负载突变的仿真结果
过载运行仿真程序与效果
（1）过载运行的仿真程序设计，如图15所示，即直接修改电机的转矩输入值，将之前正常运行时的10Nm值，改变为80Nm值，即上电运行电机就为过载状态。

图15 过载运行仿真设计
（2）过载运行状态仿真结果如图16所示，从图中可以分析到可以发现，过载状态在启动振荡后，定子与转子电流维持较高的周期性变化，转速也无法达到额定最高值，电磁转矩维持到较高的值。

图16 过载运行的仿真结果
电源故障仿真设计与仿真效果
（1）电源缺相的仿真设计与效果展示：如图17所示为电机缺相仿真设计，设计思路较为简单的，相当于利用类似于单刀多置开关的设计，利用断路器Breaker模块配合实现，Breaker模块的参数设置如图18所示动作时刻设置为3秒，复原时刻设置在4秒，即模拟1秒时长的电源缺相条件运转，缺相电源设定相位为0。

图17 电源缺相的仿真设计

图18 Breaker模块的参数设置
电源缺相仿真的效果如图19所示，从图中可以看出缺相运行的状态下，电机转子与定子电流增幅巨大变化明显，同时转速迅速降低，电磁转矩也出现明显变化。

图19 电源缺相的仿真效果
（2）电源过压的仿真设计与仿真效果，如图20所示为电源过压运行情况的仿真设计，同样利用断路器Breaker模块配合实现设置参数与图18相同。而从如图21所示的仿真效果中可以明显看出，转子与定子电流都有明显的周期性增大，同时转速也出现超出额定值的现象，电磁转矩也出现周期性剧烈增大。

图20 电源过压的仿真设计

图21 电源过压的仿真效果
（2）电源变频的仿真设计与仿真效果，如图22所示为电源过压运行情况的仿真设计，依然利用断路器Breaker模块配合实现设置参数与图18相同。而从如图23所示的仿真效果中可以明显看出，转子与定子电流都有明显的增大，由于频率的不同体现电流波形较为杂乱，同时转速也出现下降的趋势，电磁转矩也出现振荡增大的情况。

图22 电源变频的仿真设计

图23 电源变频的仿真效果
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