鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法及故障注入器技术

本发明专利技术涉及电机技术领域，公开一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法及故障注入器，以模拟导条在温度影响下整个裂纹演变阶段的性能退化规律，为异步电机导条故障提供真实可靠的仿真环境。本发明专利技术的方法包括：建立异步电机转子导条从裂纹出现至完全断裂全过程的损伤断裂程度与电阻值之间的关系，同时考虑温度因素对裂纹演变的影响，得到转子导条电阻在温度影响下的故障演变规律；确定发生导条故障后，异步电机多回路数学模型中发生变化的矩阵元素，以与导条故障向对应的导条电阻替换正常情况下的导条电阻，建立温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型，以供求解并实施故障注入。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机
，尤其涉及一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法及故障注入器。
技术介绍
异步电机作为牵引传动系统中的重要组成部分，其异常工作会影响系统的稳定运行。由于在启动、制动时转子导条承受的机械应力和热应力过大，以及转子自身在制造过程中存在的缺陷，使其容易出现断裂等故障。统计表明，转子导条故障占电机故障的10％左右。当一台异步电机出现转子导条故障后，继续运行会使得邻近的导条流过更大的电流，承受更大的热应力和机械应力，从而造成更多的导条断裂，加剧振动、噪声及电流波动等现象。因此，若电机出现导条故障应立刻停机检修，避免故障进一步加剧。因此，对于异步电机的导条故障研究已经成为热点。一根转子导条寿命是指其从投入运行至完全断裂所经历的时间。从疲劳破坏的机理分析，转子导条的总寿命是由两部分组成，其一是从投入运行至裂纹出现所经历的时间ta，其二是初始裂纹在热应力作用下逐渐扩展直至完全断裂所需要的时间tb。从断裂力学的裂纹扩展理论分析，ta远远小于tb，即一根转子导条在绝大部分寿命期间内都处于裂纹演变阶段。对于大多数金属材料，当所处环境温度超过其自身熔点的25％时，会出现明显的蠕变变形，加速裂纹扩展。高速铁路异步电机在高速运转时，电机转子内部环境温度已超过了蠕变门槛温度。目前研究中针对异步电机导条故障的模拟一般为模拟整根完全断裂，无法模拟单根导条在温度影响下整个裂纹演变阶段的性能退化规律。多回路数学模型被用来进行电机的暂态分析，由于可以对转子笼进行深入的建模，反映单根转子导条的性能。然而目前尚未见到运用多回路数学模型理论的思想进行异步电机的导条故障注入，模拟单根导条从裂纹出现到完全断裂的演变规律。因此，需设计一种基于多回路数学模型的异步电机导条故障注入方法，提高导条故障注入的真实性和有效性，为异步电机导条故障注入提供真实可靠的仿真环境。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法及故障注入器，以模拟导条在温度影响下整个裂纹演变阶段的性能退化规律，为异步电机导条故障提供真实可靠的仿真环境。为实现上述目的，本专利技术公开了一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，包括：步骤一：对异步电机转子笼中形成的电流支路进行独立分析，建立正常情况下异步电机多回路数学模型；步骤二：建立异步电机转子导条从裂纹出现至完全断裂全过程的损伤断裂程度与电阻值之间的关系，同时考虑温度因素对裂纹演变的影响，得到转子导条电阻在温度影响下的故障演变规律；步骤三：确定发生导条故障后，异步电机多回路数学模型中发生变化的矩阵元素，以与导条故障向对应的导条电阻替换正常情况下的导条电阻，建立温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型；步骤四：构建牵引电机转子导条故障注入器，根据温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型求解并实施故障注入。优选地，所述步骤一包括以下子步骤：步骤11：将鼠笼型异步电机视为由多个小回路组成的大回路，每一个小回路由相邻的两根转子导条及连接两根转子导条的端环构成。根据基尔霍夫电压定律，得出各小回路电压方程如下：其中Re为端环电阻，且各小回路端环电阻大小相等；Rj为第j根转子导条电阻，j＝1,2,…,N，N为转子导条根数；ij为第j个小回路的电流(第j个小回路由Rj、Rj+1两根转子导条及连接两根转子导条的端环构成，当j＝N时，Rj+1＝R1)；ie为端环电流。此外，在转子端环中还存在一条电流回路，其回路电压满足：Rei1+Rei2+…+Reij+…+ReiN-1+ReiN-NReie＝0公式2步骤12：假定鼠笼式异步电机定子采用YN接法，异步电机的多回路数学模型表示为：式中U为定、转子回路电压矩阵，I为定、转子回路电流矩阵，IT为电流矩阵I的转置；R为定转子回路电阻矩阵，M为定转子回路电感矩阵，Te为异步电机电磁转矩；TL为异步电机负载转矩；ωr为异步电机转子角速度；J为转动惯量；np为电机极对数。U可表示为：U＝[uaubuc000…00]公式4其中ua、ub及uc为定子三相电压。I可表示为：I＝[iaibici1…ij…iNie]公式5其中ia、ib及ic为定子三相电流。R可表示为：其中Ra、Rb及Rc为三相定子回路电阻；M表示为：其中Laa、Lbb及Lcc分别为定子a,b,c三相绕组自感系数；Mab、Mac、Mbc、Mba、Mca、Mcb为定子a,b,c三相绕组间互感系数；Maj、Mbj、Mcj分别为定子a,b,c三相绕组与转子第j回路间的互感系数，Mja、Mjb、Mjc分别为转子第j回路与定子a,b,c三相绕组间的互感系数，j＝1,2…N；Mae、Mbe、Mce分别为定子a,b,c三相绕组与转子端环间的互感系数，Mea、Meb、Mec分别为转子端环与定子a,b,c三相绕组间的互感系数；Mje为转子第j回路与转子端环间的互感系数，Mej为转子端环与转子第j回路间的互感系数；Ljj为转子第j回路自感系数；Lee为端环自感系数；Mqj(式中M12,…,M1j，…,M1N；M21，…,Mj1,…,MN1)为转子第q回路与转子第j回路间的互感系数，q,j＝1,2…N且q≠k。优选地，所述的步骤二中包括以下步骤：步骤21：若导条j出现导条故障，根据Kachanov-Rabotnov(K-R)方程，建立转子导条j从裂纹出现到完全断裂的全过程(裂纹演变阶段)损伤程度的描述：dDj/dt＝[σ/A(1-Dj)]K公式8式中，Dj为裂纹损伤程度；σ为应力值；A、K为与材料和温度有关的常数。当损伤程度Dj＝0时，视为转子导条内部无任何损伤；当Dj＝1时，视为整根导条完全断裂。步骤22：对公式8方程两边进行积分，取Dj的积分区间为0～Dj，取t的积分区间为ta～t，其中ta为导条j裂纹出现时刻，从此时刻起开始裂纹演变，有：当Dj＝1时，导条完全断裂，设此时t＝ta+tb，即转子导条j从裂纹出现至完全断裂整个过程的持续时间为tb，则：步骤23：由公式9及公式10，得到转子导条j在整个裂纹演变阶段的损伤程度，表示为：步骤24：导条j断裂损伤后的承载面积表示为：S'j＝Sj(1-Dj)公式12式中Sj为转子导条j的无损承载面积，S'j为导条j断裂损伤后的承载面积。步骤25：损伤后的转子导条j电阻值计算公式为：式中R'j为损伤后的转子导条j电阻值；ρ及L分别为转子导条的电阻率和长度。步骤26：联立公式11及公式13，得到转子导条j在整个裂纹演变阶段的阻值变化规律：步骤27：公式14中的参数K与温度相关，温度越高，K值越小。因此温度变化影响导条故障注入后导体材料的损伤规律。为在牵引电机转子导条故障注入中考虑温度因素的影响，引入两种类型的温度源。第一类温度源是将异步电机视为一个均匀物质，符合均匀物质的温升变化规律。其温度变化由公式表示为：式中H为时间常数H＝C/Λ，Λ＝αA；C为启动绕组的热容；α为转子导条与铁芯之间的表面散热系数；A为转子导条与铁芯之间的接触面积；T0为初始温度；tδt为异步电机从开始启动至到达额定转速所需的时间；然后将各温度下K值进行拟合，得到参数K随温度的变化关系并代入至公式14中，得到转子导条j在温度影响下整个裂纹演变阶段的阻值变化。第二类温度源是根据有限元理论，利用电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，包括：步骤一：对异步电机转子笼中形成的电流支路进行独立分析，建立正常情况下异步电机多回路数学模型；步骤二：建立异步电机转子导条从裂纹出现至完全断裂全过程的损伤断裂程度与电阻值之间的关系，同时考虑温度因素对裂纹演变的影响，得到转子导条电阻在温度影响下的故障演变规律；步骤三：确定发生导条故障后，异步电机多回路数学模型中发生变化的矩阵元素，以与导条故障向对应的导条电阻替换正常情况下的导条电阻，建立温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型；步骤四：构建牵引电机转子导条故障注入器，根据温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型求解并实施故障注入。

【技术特征摘要】
1.一种鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，包括：步骤一：对异步电机转子笼中形成的电流支路进行独立分析，建立正常情况下异步电机多回路数学模型；步骤二：建立异步电机转子导条从裂纹出现至完全断裂全过程的损伤断裂程度与电阻值之间的关系，同时考虑温度因素对裂纹演变的影响，得到转子导条电阻在温度影响下的故障演变规律；步骤三：确定发生导条故障后，异步电机多回路数学模型中发生变化的矩阵元素，以与导条故障向对应的导条电阻替换正常情况下的导条电阻，建立温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型；步骤四：构建牵引电机转子导条故障注入器，根据温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型求解并实施故障注入。2.据权利要求1所述的鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，所述的步骤一中包括以下子步骤：步骤11：将鼠笼型异步电机视为由多个小回路组成的大回路，每一个小回路由相邻的两根转子导条及连接两根转子导条的端环构成；根据基尔霍夫电压定律，得出各小回路电压方程如下：其中Re为端环电阻，且各小回路端环电阻大小相等；Rj为第j根转子导条电阻，j＝1,2,…,N，N为转子导条根数；ij为第j个小回路的电流，第j个小回路由Rj、Rj+1两根转子导条及连接两根转子导条的端环构成，当j＝N时，Rj+1＝R1；ie为端环电流；此外，在转子端环中还存在一条电流回路，其回路电压满足：Rei1+Rei2+…+Reij+…+ReiN-1+ReiN-NReie＝0公式2步骤12：假定鼠笼式异步电机定子采用YN接法，异步电机的多回路数学模型表示为：其中U为定、转子回路电压矩阵，I为定、转子回路电流矩阵，IT为电流矩阵I的转置；R为定转子回路电阻矩阵，M为定转子回路电感矩阵，Te为异步电机电磁转矩；TL为异步电机负载转矩；ωr为异步电机转子角速度；J为转动惯量；np为电机极对数；U＝[uaubuc000…00]公式4其中ua、ub及uc为定子三相电压；I＝[iaibici1…ij…iNie]公式5其中ia、ib及ic为定子三相电流；R可表示为：其中Ra、Rb及Rc为三相定子回路电阻；其中Laa、Lbb及Lcc分别为定子a,b,c三相绕组自感系数；Mab、Mac、Mbc、Mba、Mca、Mcb为定子a,b,c三相绕组间互感系数；Maj、Mbj、Mcj分别为定子a,b,c三相绕组与转子第j回路间的互感系数，Mja、Mjb、Mjc分别为转子第j回路与定子a,b,c三相绕组间的互感系数，j＝1,2…N；Mae、Mbe、Mce分别为定子a,b,c三相绕组与转子端环间的互感系数，Mea、Meb、Mec分别为转子端环与定子a,b,c三相绕组间的互感系数；Mje为转子第j回路与转子端环间的互感系数，Mej为转子端环与转子第j回路间的互感系数；Ljj为转子第j回路自感系数；Lee为端环自感系数；Mqj(式中M12,…,M1j，…,M1N；M21，…,Mj1,…,MN1)为转子第q回路与转子第j回路间的互感系数，q,j＝1,2…N且q≠k。3.根据权利要求2所述的鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，所述步骤三具体为：若导条j出现导条故障，公式6电阻矩阵中与阻值Rj相关的参数将发生改变，具体为：若j＝1，则矩阵元素R4×4,R4×(N+3),R(N+3)×4及R(N+3)×(N+3)相关参数发生变化；若1＜j≤N，则矩阵元素R(j+2)×(j+2),R(j+2)×(j+3),R(j+3)×(j+2)及R(j+3)×(j+3)相关参数发生变化；当导条j发生故障，修改公式6中发生改变的矩阵元素相关参数，即将公式14或公式17中的R'j替换公式6中的Rj，建立转子导条故障情况下的异步电机多回路数学模型，表示为：完成温度影响下异步电机转子导条故障的多回路数学模型的搭建。4.据权利要求1至3任一所述的鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，所述步骤二包括以下子步骤：步骤21：若导条j出现导条故障，根据Kachanov-Rabotnov程，建立转子导条j从裂纹出现到完全断裂的全过程损伤程度的描述：dDj/dt＝[σ/A(1-Dj)]K公式8其中，Dj为裂纹损伤程度；σ为应力值；A、K为与材料和温度有关的常数；当损伤程度Dj＝0时，视为转子导条内部无任何损伤；当Dj＝1时，视为整根导条完全断裂；步骤22：对公式8方程两边进行积分，取Dj的积分区间为0～Dj，取t的积分区间为ta～t，其中ta为导条j裂纹出现时刻，从此时刻起开始裂纹演变，有：当Dj＝1时，导条完全断裂，设此时刻t＝ta+tb，即转子导条j从裂纹出现至完全断裂整个过程的持续时间为tb，则：步骤23：由公式9及公式10，得到转子导条j在整个裂纹演变阶段的损伤程度，表示为：步骤24：导条j断裂损伤后的承载面积表示为：S'j＝Sj(1-Dj)公式12式中Sj为转子导条j的无损承载面积，S'j为导条j断裂损伤后的承载面积；步骤25：损伤后的转子导条j电阻值计算公式为：式中R'j为损伤后的转子导条j电阻值；ρ及L分别为转子导条的电阻率和长度；步骤26：联立公式11及公式13，得到转子导条j在整个裂纹演变阶段的阻值变化规律：5.根据权利要求4所述的鼠笼型异步电机转子导条故障注入方法，其特征在于，公式14中的参数K与温度相关，温度越高，K值越小；因此温度变化影响导条故障注入后导体材料的损伤规律；为在牵引电机转子导条故障注入中考虑温度因素的影响，引入如下两种类型的温度源：第一类温度源是将异步电机视为一个均匀物质，符合均匀物质的温升变化规律...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭涛，赵帅，阳春华，史露，杨超，尹进田，杨笑悦，贺泽洲，刘博，陶宏伟，李晟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43