程 琳， 姚方方， 謝 馳， 張雅雯， 鄔舒群， 錢 文

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051; 2. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022;3. 四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731; 4. 合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230601;5. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主勵(lì)磁機(jī)是轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)，與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)出的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的二極管整流后，直接送到主同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，減少了大量的維護(hù)工作，消除了因?yàn)殡娝⑴c集電環(huán)的機(jī)械性接觸摩擦造成的噪聲、火花和發(fā)熱等不安全因素,因此無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)在大容量的核電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)都有一套旋轉(zhuǎn)整流器,它是無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中的主要部件,能否準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)它的故障,是提高無(wú)刷發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性的重要措施之一。因此,旋轉(zhuǎn)整流器故障預(yù)警是無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)[3]。文獻(xiàn)[4]基于三相橋式整流電路的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器,對(duì)目前發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)各種方法的適用性進(jìn)行了分析。國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方面做了很多的研究，但多數(shù)研究的重點(diǎn)放在三相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)和11相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，而研究六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)卻很少[5-9]。

六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)由于不僅具有可以降低大功率勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)單個(gè)二極管的容量要求，還能提高整流電壓的質(zhì)量、改善勵(lì)磁系統(tǒng)的容錯(cuò)性特點(diǎn)，因此已得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行和一臂開(kāi)路故障情況下的電樞電流進(jìn)行諧波分析,并在Matlab中Simulink的環(huán)境下進(jìn)行了仿真。

1 旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)的理論分析

大容量的核電機(jī)組的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流由無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)的電樞電流經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器整流后提供。該旋轉(zhuǎn)整流器所接的負(fù)載可以認(rèn)為是一個(gè)大電感負(fù)載，其六相無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖,如圖1所示。

圖1 六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

由于交流勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組存在電抗，導(dǎo)致電樞電流不能突變，所以電樞電流是非正弦的，存在一個(gè)換相重疊角。電樞電流在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式可以用分段函數(shù)表示，則交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)A相的電樞電流為

其中Id為負(fù)載電流。

從電樞電流的波形和公式可以看出，電樞電流是周期函數(shù)且滿足狄利克雷定理，故可以對(duì)電樞電流進(jìn)行傅里葉分解，得到的分解后的電樞電流為

從電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)電樞電流不含有直流分量和偶次諧波，僅含有奇次諧波，3次、5次和7次奇次諧波的含量最多，且諧波含量隨著諧波次數(shù)的增加而降低。

2 旋轉(zhuǎn)整流器故障時(shí)的理論分析

同旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)的分析方法一樣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同樣忽略電樞繞組的電抗，認(rèn)為電樞電流是正弦波形，則A相一臂開(kāi)路故障時(shí)的電樞電流波形如圖2所示。

圖2 A相一臂開(kāi)路時(shí)電樞電流波形

圖2所示的電樞電流同樣用分段函數(shù)表示，則交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開(kāi)路故障時(shí)A相的電樞電流為

由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞電流具有周期性，并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式可以用傅里葉分解，為電樞電流角頻率，得到：

從一臂開(kāi)路故障時(shí)的電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開(kāi)路故障時(shí)電樞電流不僅含有奇次諧波，還出現(xiàn)了直流分量和偶次諧波，其中2次和4次諧波含量很多并且諧波含量隨著諧波次數(shù)增加而降低。

3 旋轉(zhuǎn)整流器正常和故障時(shí)的仿真

在Matlab中的Simulink環(huán)境下建立三相、六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真分析旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行和故障時(shí)電樞電流的波形及諧波成分。圖3和圖4分別是三相、六相交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)的電樞電流波形和諧波成分。圖5和圖6分別是三相、六相交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生一臂開(kāi)路故障時(shí)的電樞電流波形和諧波成分。

圖3 三相旋轉(zhuǎn)整流器正常時(shí)電樞電流波形和諧波

由圖3～圖6可以看出，在正常運(yùn)行、一臂開(kāi)路故障情況下，六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器電樞電流的諧波次數(shù)和含量與三相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的基本相同。出現(xiàn)不同的地方是在旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)，三相勵(lì)磁系統(tǒng)中的電樞繞組是星型連接，故3次及3的倍數(shù)的諧波不存在，而對(duì)于六相勵(lì)磁系統(tǒng)則是6次及6倍數(shù)的諧波不存在。但是總體的故障特征并沒(méi)有改變，例如正常運(yùn)行時(shí)奇次諧波含量較多、一臂開(kāi)路故障時(shí)直流分量、基波和二次、四次諧波含量較多。

圖4 六相旋轉(zhuǎn)整流器正常時(shí)電樞電流波形和諧波

圖5 三相旋轉(zhuǎn)整流器一臂開(kāi)路時(shí)電樞電流波形和諧波

圖6 六相旋轉(zhuǎn)整流器一臂開(kāi)路時(shí)電樞電流波形和諧波

因此，在六相交流勵(lì)磁機(jī)電樞側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱電流時(shí)會(huì)在定子側(cè)感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電流，可在六相交流勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)進(jìn)行諧波電流的成分分析，從而進(jìn)行故障診斷與預(yù)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

在六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)正常運(yùn)行和一臂開(kāi)路故障情況下，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)電樞電流進(jìn)行了諧波理論分析和仿真計(jì)算，得出仿真結(jié)果與理論分析一致。與三相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了比較，得出六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的故障特征與三相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)相似，因此三相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)故障診斷模式可以用于六相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)故障診斷與預(yù)警。