ASSM-1算例电动机状态下的匝间短路有限元分析

sduee

ASSM-1算例电动机状态下的匝间短路有限元分析

补充内容 (2015-1-19 17:38):
对以上两个附件作了一下修改，最终结果看 [匝间短路new.pdf] 和 [ASSX_new.rar]

sduee

修改了一下，以这个附件为准。

sduee

ASSM-1算例电动机状态下的匝间短路有限元分析

beta@mail.sdu.edu.cn   Mon.,15 2015

一、问题描述
       算例位于 Ansoft程序文件夹下的\Examples\RMxprt\assm\assm-1.mxwl，自动生成Maxwell 2D工程。
       a) 故障状态
       设电机平稳运行，在某时刻(t=0.1s)，A相绕组出现匝间短路，即某槽某层的导体束内（Number of Conductors=26），有约1/3的导体（26/3≈9束导体）被短路出了A相绕组。（同时也意味着：距离此槽一个节距上的另一个槽内的9束导体也被out了，这18束导体，构成了一个单相9匝短路线圈）
       b) 参数描述
       A相绕组每根线棒内的导体数：26  (即Number of Conductors)
       A相绕组的总导体线棒数：16 （如图1）
       A相绕组匝间短路的导体数：  9
       A相绕组的总电阻：2ohm
       A相绕组形成匝间短路线圈的电阻：0.043ohm  (2ohm/16/26*9=0.043ohm)
       A相绕组的总端部漏感：0.00051H
       A相绕组形成匝间短路线圈的端部电感：0.000011H  (0.00051H/16/26*9=0.000011H)

      

图1  A相绕组的所有线棒

       c) 模型描述
       如图1所示，红色虚线中为A相的一个导体棒。它如果出现匝间短路，那么其有效导体数必然发生改变（由26变为17）。同时会造成黄色虚线中的导体棒有效导体数发生改变。同时，会在两个槽内，形成一个新的短路线圈绕组。
       基于以上考虑，建立如图2所示的新模型。将匝间短路的导体解列成两个子导体。如图2所示，绿色的为不短路的导体（其Number of Conductors=17），红色的为发生短路的导体（其Number of Conductors=9）。同理，与短路槽串联的另一个槽内的部分导体，也是这样分割成红绿两个子导体。各子导体的定义方向与原来母导体的方向一致。
       在绕组构成上，绿色子导体可以像原母导体一样，照常连入A相绕组PhaseA，如图3所示。而两个红色子导体，则构成一个独立的绕组winding_sc ,如图4所示。
       绕组连接上，短路前，PhaseA与winding_sc是串联的；短路后，winding_sc的两端并不是被直接短接，短路点接触并不紧密，难免有一点接触电阻，即winding_sc被一个“接触电阻”短路。姑且设这个接触电阻为winding_sc电阻的1/10，即0.004ohm（当然也可以更小），如图5所示。

图2  将短路导体拆出的新模型

图3  新的A相绕组PhaseA                      图4 短路绕组winding_sc

图5  PhaseA与winding_sc的连接方式

二、具体操作
       a) 有限元模型的更改
       具体的2D绘图更改，以及绕组的重新分组，这里不作详细介绍，可参考上面的分析，自己完成。
需要注意的一点是，既然是短路，就一定有机电暂态的缓冲过程，要在Maxwell 2D 工程树MotionSetup中的[Mechnical]选项栅里，选中Consider Mechanical Trans一项，则机电暂态的输入数据可以自动得到，它们决定了暂态分析里的“转矩方程”。为模拟电机从零速开始的动态过程，将初始角速度置零，如图6。

图6  设置机械暂态参数

       b) 外电路的更改
       由RMxprt模型自动导成的Maxwell模型时，电机的外电路也自动生成。原模型的外电路如图7所示。图8给出了原三相绕组的局部放大图。可以看出，原三相绕组的三相是对称的，各相都有三个串联部件，即：1. 绕组本身（即有限元中的几何模型）；2. 绕组的电阻（有限元几何模型中无法考虑，所以只能在外电路中考虑）；3. 绕组的端部漏感。

图7  原电机的外电路

图8  局部放大的原电机的三相绕组接法

       显然，为考虑电机的A相绕组的改变以及短路绕组winding_sc，这个电路拓扑需要改变。根据以上分析，改变后的绕组接法如图9所示。

图9  加入“短路绕组”和“接触电阻”后的绕组接法图

       同时，为了控制开关S_sc的通断，需要再加上控制S_sc的电路，如图10所示。这个电路使开关S_sc在电机启动100ms后，发生匝间短路。

图10  短路开关S_sc的控制电路

       对图10中的模块进行以下说明。首先是开关的属性模块，为了与逆变桥中的开关器件相区别，这里新定义了一个专门的开关模型sc_switcher_model，其属性如图11所示。其通态电阻Ron=0.000001ohm；关断态电阻为1e6ohm，是个很大的值。控制信号sc_signal大于0V时，开关导通；小于0时，开关关闭。

图11  图10中开关模型sc_switcher_model的属性

       然后是图9中的S_sc开关模块的设置，其属性如图12所示。它的开关模型MOD（或称开关逻辑）来自图10中的sc_switcher_model，控制信号ID_V来自图10中的电压表Isc_signal。

图12  图9中S_sc开关的属性

       剩下的就是图10中的触发源V_sc，它的属性如图13所示。Td给出了短路时刻为0.1s。Period和Pw取得尽量大，超过仿真时长，即意味着在0.1s时，触发信号从-1V变到1V后，一直保持到仿真结束。

      

图13  图10中触发源V_sc的属性

       c) 外电路的更新
       经过以上步骤的到的外电路如图14所示，可以对比一下它相对于图7，有什么新的改变。为了在Maxwell 2D中更新外电路的拓扑和配置，需要进行以下操作：①在Circuit Editor里保存一下新的电路。② 如图15所示，选择Export Netlist，将新的电路保存为c:\sc_circuit.sph文件。③退出Circuit Editor。 ④如图16所示，在Maxwell 2D中导入c:\sc_circuit.sph文件。

图14  新的电路拓扑

图15  导出新的电路拓扑到外部*.sph文件

   

图16  从Maxwell 2D的Excitations中更新外电路

       d) 修改求解设置
       仅修改一项，其它保持默认。即把Solve Setup中的求解时间，由原来的0.04s，延长到0.2s。即可求解了，如图17所示。

图17  求解设置修改

三、分析结果
       a) 理想的分析结果
       电机由0速起动，在60ms左右进入稳态，100ms时发生匝间短路，保持到200ms。结果如下所示。

图18  全过程转矩曲线（100ms时发生短路）

图19  全过程转速曲线（100ms时发生短路）

图20  全过程定子电流曲线（100ms时发生短路）

图21  匝间短路所构成的短路线圈的电流波形（100ms时发生短路）

       图18给出了转矩曲线，可以看出，100ms以后，转矩开始了周期性的大幅振动。
       图19是转速曲线，因为是恒转速的负载，所以转速在短路后变化不明显，但仍有介于+13rmp和-15rmp之间的波动。
       图20是定子电流曲线，短路后，三相电流都增大了，短路相的电流与另外两相的电流波形相比，略有改变。
       图21是匝间短路所构成的短路线圈的波形，短路后其电流是非常大的，可想而知，短路线圈是承受不了这么大的电流的，必将烧毁并开路。
       因此，需要对结果进行修正，在外电路中加上winding_sc短路后烧毁并断路的逻辑。

       b) 修正的分析结果
       设winding_sc在短路半个周期后烧毁，即在110ms之后烧毁并开路。
       为实现上述假设。可以对图5进行修改，即在winding_sc的近端串入一个控制开关，使其在110ms时断开，修改后的接法如图22所示，实际的电路接线如图23所示。

      

图22  串入开路电阻后的接法

图23  短路绕组串入开路开关后的电路

       分析结果如下：

图24  转矩曲线

图25  电流曲线

图26  转速曲线

图27  短路绕组内的电流

补充内容 (2015-1-19 13:41):
分析的是同槽内的匝间短路，毕竟没有端部处发生的跨槽匝间短路现象明显。这是一个遗憾。还有，另一个槽选错方向了。更新再补充。

namewangxiang

楼主说的还是很详细啊，不知道楼主有没有比较过单相短路和两相三相短路定子电流大小啊。

sduee

namewangxiang 发表于 2015-1-19 09:59
楼主说的还是很详细啊，不知道楼主有没有比较过单相短路和两相三相短路定子电流大小啊。

没有分析过，我不研究这些方面。帮朋友写的过程文档，只是写写过程并拿来分享一下而已。

joyevery

给师兄顶帖子~~~~{:soso_e160:}

xiaodu

楼主有水平，谢谢分享{:soso_e179:}

smmutou

感谢前辈将自己的工作步骤详细地分享给我们。在这里也想请问前辈：您所用的模型是利用Rxmprt自动生成的吗？您谈到的“Consider Mechanical Trans”一项中自动生成的参数是不是只有自动生成的模型才会有？是否可以让发电机从一开始运行就进入短路状态呢？

sduee

smmutou 发表于 2015-4-12 10:25
感谢前辈将自己的工作步骤详细地分享给我们。在这里也想请问前辈：您所用的模型是利用Rxmprt自动生成的吗？ ...

Mechanical Trans其实就是"开启转矩方程",每一个参数都对应转矩方程中的参数, 里面无非是一些转动惯量,阻尼系数等等. 我的模型是RMxprt生成的, 短路时刻在外电路里设置,可以一开始就短路.

smmutou

sduee 发表于 2015-4-12 21:18
Mechanical Trans其实就是"开启转矩方程",每一个参数都对应转矩方程中的参数, 里面无非是一些转动惯量,阻 ...

谢谢前辈的解答！

liutianzhi

你讲的这个例子是一条并联支路吗？要是有多条并联支路，短路的哪几匝的电感电阻该怎么考虑啊？是不是为了保证短路前这相的电阻电感不变，先求出短路后的电阻电感，然后再求出被短路部分的电阻电感呢？

sduee

liutianzhi 发表于 2016-1-12 21:35
你讲的这个例子是一条并联支路吗？要是有多条并联支路，短路的哪几匝的电感电阻该怎么考虑啊？是不是为了保 ...

其实每一个“相绕组”，都是由一个个的独立线圈串并联而成：
1）对于一个并联支路，只要你把短路的那个线圈独立建成一个绕组As，然后剩下不短路的线圈再单独建成绕组An，然后两个线圈串联，外电路中As+An就构成了原来的A相绕组。
2）对于多个并联支路，也可以这样解列。A相分成A1,A2,A3,A4四个并联之路，每个支路单独建立绕组，在外电路中并联后就是A相。A1支路再分成发生短路的A1s绕组和不短路的A1n两个绕组串联。  

发生短路时，外电路中用开关短掉As或A1s就可以了。  

电抗是按照As,An的匝数自然分配，当然要计及互感。对于电阻，算好比例，分别串到As,An中去。

sduee

liutianzhi 发表于 2016-1-12 21:35
你讲的这个例子是一条并联支路吗？要是有多条并联支路，短路的哪几匝的电感电阻该怎么考虑啊？是不是为了保 ...

有限元建模的时候，短路槽内，就不再是简单的单层或双层绕组了。而是要把短路线圈解离出来。就是把某一层绕组，分成短路层、非短路层。这样，一个双层绕组的短路槽内，实际上是3层绕组。即把原来故障层里的一个线块，分成了两个小线块模型了，即实现解离。

liutianzhi

sduee 发表于 2016-1-13 14:33
有限元建模的时候，短路槽内，就不再是简单的单层或双层绕组了。而是要把短路线圈解离出来。就是把某一层 ...

谢谢你的讲解，再请教你问题，就是永磁同步电动机用外电路进行仿真，motion setup里面转速、转矩、转动惯量和阻尼系数怎么设置，转速可以设为0吗？然后负载转矩每次改后单位就不能改变，而且负载转矩自动生成的表达式里面的都是什么意思。
其实永磁同步电动机用电压源仿真我就有些不理解，直接加电压源是不能启动的啊？然后要是我用RM导为二维生成的外电路，电机模型的话我要把转子换为我自己画的，转子结果不一样，极槽配合都一样，其它的不变，请问外电路需要改参数吗？

liutianzhi

sduee 发表于 2016-1-13 14:25
其实每一个“相绕组”，都是由一个个的独立线圈串并联而成：
1）对于一个并联支路，只要你把短路的那个 ...

解答得很详细，谢谢啊

sduee

liutianzhi 发表于 2016-1-21 10:17
谢谢你的讲解，再请教你问题，就是永磁同步电动机用外电路进行仿真，motion setup里面转速、转矩、转动惯 ...

我只能回答        T1+Te=阻尼*Omega+转动惯量*d(Omega)/dt

13683616736

sduee 发表于 2016-1-13 14:33
有限元建模的时候，短路槽内，就不再是简单的单层或双层绕组了。而是要把短路线圈解离出来。就是把某一层 ...

你好 ，我现在不太明白的是在有限元模型中绕组的分离，是在建立模型的时候就把短路槽建成3个部分吗？还有关于外电路的设置中，短路绕组被短路后，接地电阻与被短路的绕组都会有电流通过吧？还是因为接地电阻太小，使得被短路绕组中几乎没有电流通过，可以不计及考虑？

sduee

13683616736 发表于 2016-4-14 10:52
你好 ，我现在不太明白的是在有限元模型中绕组的分离，是在建立模型的时候就把短路槽建成3个部分吗？还有 ...

你好，是建模时就把短路槽建成3个部分，还有被短路出来的绕组，虽然和原系统没了电的联系，仍有暂态过程和磁的耦合。所以根据实际情况设置。

raozhimeng

高手 高手 高手 高手 高手 ，造福大家

zzzlu

您好，首先非常感谢您的分享，我是一名研一学生，研究电机故障诊断方向，现在使用magnet有限元软件建匝间短路电机模型，我在把定子槽的导体拆分上不太清楚具体怎么操作，希望可以得到您的指导，再次感谢您的分享，过程很详细，对我有很大的帮助，谢谢您！