王嬌艷 陳志輝 嚴(yán)仰光

（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016）

1 引言

雙凸極電機(jī)類似于開關(guān)磁阻電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、可高速運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于它本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得這類型電機(jī)同開關(guān)磁阻電機(jī)一樣具有一定的潛在的容錯(cuò)性能。目前國(guó)外學(xué)者主要集中在對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)性能的分析和研究上[1,2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者則主要分析永磁雙凸極電動(dòng)機(jī)的基本性能和容錯(cuò)性能[3-7]。

由于永磁電動(dòng)機(jī)的永磁磁場(chǎng)不易調(diào)節(jié)，必須外加變換器引入直軸電流才能使發(fā)電機(jī)的輸出電壓維持不變[8]，而該變換器的容量接近電機(jī)的容量，故永磁雙凸極電機(jī)很少用在發(fā)電機(jī)場(chǎng)合。另外，永磁雙凸極電機(jī)的內(nèi)阻抗較小，短路電流很大。而電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)輸出電壓，只需要外接不可控整流橋即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電，不需要復(fù)雜的變換器，因此可作發(fā)電機(jī)使用[9]。

由于電勵(lì)磁五相雙凸極電機(jī)的相電動(dòng)勢(shì)波形可達(dá)到 144°電角度，其相鄰兩相電動(dòng)勢(shì)有一半是重疊的，因此可作為容錯(cuò)發(fā)電機(jī)使用[10]。為了使徑向相對(duì)的兩相串聯(lián)構(gòu)成一相，五相雙凸極發(fā)電機(jī)的基本單元為10/8、10/4等結(jié)構(gòu)。本文對(duì)其多單元電機(jī)且僅有一套勵(lì)磁繞組的電勵(lì)磁五相雙凸極電機(jī)20/16結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論（簡(jiǎn)稱20/16-ft），截面圖如圖1所示。勵(lì)磁繞組跨過(guò)10個(gè)定子極，分布在相對(duì)的兩個(gè)槽內(nèi)。相繞組僅置于定子的偶數(shù)極，奇數(shù)極上無(wú)繞組，稱為模塊式繞組。這樣就使得相繞組之間實(shí)現(xiàn)了機(jī)械上的絕緣，一個(gè)槽內(nèi)僅有一相繞組，避免發(fā)生相與相之間的匝間短路故障，減小了發(fā)生故障的概率。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)具有有效的熱隔離，當(dāng)某相相繞組短路時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致其他相過(guò)熱而損壞。另外由于容錯(cuò)齒的存在，相與相之間有弱的磁耦合，一相發(fā)生故障并不會(huì)較大地影響其他相的相磁鏈。因此發(fā)電機(jī)在發(fā)生單相繞組開路或短路時(shí)，輸出電壓下降且脈動(dòng)變化較小，一般電壓下降維持在10%以內(nèi)。且當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組相序如圖1所示。

圖1 20/16五相雙凸極容錯(cuò)發(fā)電機(jī)截面圖Fig. 1 Cross-section of 20/16 five-phase doubly salient fault-tolerant generator

2 單相橋整流發(fā)電電路

五相雙凸極電機(jī)作發(fā)電機(jī)使用時(shí)需外接二極管整流電路構(gòu)成直流發(fā)電機(jī)。一般常用的有三種發(fā)電方式，分別為開關(guān)磁阻發(fā)電方式（SRG）、第一雙凸極電機(jī)發(fā)電方式（DSG1）、第二雙凸極電機(jī)發(fā)電方式（DSG2）。本文采用了一種新型的整流器，它由五個(gè)單相全橋整流電路并聯(lián)構(gòu)成，稱為單相橋整流發(fā)電方式又稱為第三雙凸極電機(jī)發(fā)電方式（DSG3），如圖2所示。

由于各相繞組分別外接一個(gè)全橋整流電路，使得各相繞組電流能夠自由流通，相繞組之間不存在電流的約束。正常工作負(fù)載運(yùn)行時(shí)，輸出功率比其他發(fā)電方式大，外特性較硬。若某一相發(fā)生故障，理想情況下并不會(huì)對(duì)其他相造成影響，實(shí)現(xiàn)了相與相之間電的隔離。特別是對(duì)于二極管發(fā)生短路這種故障，若外接的是DSG2或SRG發(fā)電電路，由于短路相與其他相之間存在回路，使輸出電壓為零，電機(jī)將不能正常向外發(fā)電；若外接單相橋整流發(fā)電，電機(jī)仍然具有較好的容錯(cuò)性能。本文針對(duì)某相單個(gè)二極管短路這種故障進(jìn)行了深入的討論，為了具體地分析電機(jī)的容錯(cuò)性能，下表給出了 20/16發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 20/16五相雙凸極電機(jī)單相橋外電路Fig.2 Circuit of the single phase bridge of 20/16 five-phase doubly salient machine

表20 /16發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab. Structure parameters of 20 /16 generator

3 空載時(shí)正常和故障情況比較

3.1 磁鏈與空載特性

發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，各相繞組的磁鏈隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行周期性地變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子滑入E相定子極時(shí)，磁鏈增大，定轉(zhuǎn)子極相對(duì)時(shí)，磁鏈達(dá)到最大值，約為0.35Wb；當(dāng)轉(zhuǎn)子滑出定子極時(shí)，磁鏈減小，定子極與轉(zhuǎn)子槽相對(duì)時(shí)，磁鏈達(dá)到最小值，約為0.097Wb。圖3a是發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)E相定子極與轉(zhuǎn)子槽相對(duì)時(shí)刻的磁力線分布圖。本文假定在定轉(zhuǎn)子極相對(duì)時(shí)發(fā)生E相二極管短路故障，無(wú)論在轉(zhuǎn)子滑入還是滑出時(shí)E相磁鏈均維持最大值0.35Wb左右。如圖 3b所示，當(dāng) E相定子極與轉(zhuǎn)子槽相對(duì)時(shí)仍為磁鏈最大值。由于發(fā)電機(jī)處于深飽和時(shí)互感增大，E相磁鏈會(huì)較多得經(jīng)過(guò)其他相形成回路。短路使E相磁鏈不變且造成其他相磁鏈發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓與正常時(shí)略有不同。圖 4給出了20/16-ft電勵(lì)磁五相雙凸極發(fā)電機(jī)正常工作和 E相二極管下管短路時(shí)的空載特性曲線。

圖3 正常和E相二極管短路時(shí)的磁力線圖Fig.3 The magnetic line of force of normal and one diode short ciruit

圖4 正常和某相二極管短路時(shí)的空載特性Fig.4 No-load characteristic of normal and one diode short ciruit

3.2 相繞組自感

圖5為正常工作和二極管短路情況下E相繞組在勵(lì)磁電流為10A時(shí)的自感波形。正常工作時(shí)波形與相磁鏈波形一致，滑入時(shí)電感增大，滑出時(shí)電感減小。由于短路發(fā)生在定轉(zhuǎn)子極相對(duì)時(shí)，磁鏈在短路后任一時(shí)刻均為最大值，故正常和故障時(shí)的電感最大值基本相同。其他時(shí)刻，二極管短路時(shí)的磁鏈要大于正常工作時(shí)的磁鏈，磁導(dǎo)值較小，故電感低于正常時(shí)的電感。

圖5 正常和故障時(shí)的相繞組自感波形Fig.5 The curves of the self-inductance of the E phase at the normal and shorted diode fault

3.3 相繞組電流

發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，由于空載運(yùn)行相繞組中無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)發(fā)生二極管短路故障時(shí)，同一橋臂上管短路和下管短路情況略有不同。

若E相二極管下管短路，E相繞組流過(guò)較大的脈動(dòng)電流。此電流流經(jīng)由圖6所示的回路，不經(jīng)過(guò)其他相繞組，此時(shí)與E相負(fù)電動(dòng)勢(shì)完全相反的C相正電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)C相所在的單相橋后為負(fù)載供電?？蛰d電壓損失為零。

圖6 E相短路時(shí)的導(dǎo)通路徑Fig.6 The breakover path at E phase short circuit

當(dāng)二極管上管短路時(shí)，與E相正電動(dòng)勢(shì)完全相反的B相負(fù)電動(dòng)勢(shì)整流后為負(fù)載供電。但短路相相電流與二極管下管短路有較大差別。下管短路時(shí)，相繞組感應(yīng)正電動(dòng)勢(shì)時(shí)電流開始上升，轉(zhuǎn)子開始滑出該相定子，此時(shí)電感從較大值開始減小，電流開始緩慢上升。隨著電感的減小，電流逐漸增大，考慮到電感下降到較小時(shí)極易發(fā)生飽和，電流會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰，沖到很大的值，故下管短路時(shí)刻的相電流峰值較大。而當(dāng)上管短路時(shí)，相繞組在感應(yīng)負(fù)電動(dòng)勢(shì)時(shí)電流開始上升，即轉(zhuǎn)子開始滑入定子極。電感從較小值開始增大，電流在電感較小時(shí)增加較大，但此時(shí)電流較小，電感不易飽和；當(dāng)轉(zhuǎn)子極與定子極對(duì)齊時(shí)，電感值達(dá)到最大，此時(shí)電流增加緩慢。兩種情況時(shí)的短路相電流波形如圖7所示。因此二極管下管短路會(huì)使短路相繞組中流過(guò)較大的脈沖電流，造成較大的電機(jī)損耗且發(fā)熱嚴(yán)重，甚至有可能使該相繞組燒毀。

圖7 二極管上管短路和下管短路時(shí)的相電流波形Fig.7 Waveforms of E phase current at shorted diode fault

圖8給出了二極管下管短路時(shí)短路相相電流有效值隨勵(lì)磁電流變化的曲線，從圖中可以看出，隨著勵(lì)磁電流的增大，短路相電流有效值增加。

圖8 短路相相電流有效值隨勵(lì)磁電流變化的曲線Fig.8 The carves of the rms value of short phase current with the field current changed

4 加負(fù)載時(shí)正常和故障情況比較

發(fā)電機(jī)接上負(fù)載后其外特性和功率曲線如圖 9所示，從圖中看出，當(dāng)發(fā)生二極管上、下管短路時(shí)，空載點(diǎn)不改變，加負(fù)載后的輸出電壓和輸出功率隨著負(fù)載的加重下降增大。這是因?yàn)榧迂?fù)載時(shí)各相繞組流過(guò)電流，通過(guò)互感對(duì)其他各相增磁或者去磁。而當(dāng)E相繞組短路后，對(duì)其他各相的增磁或去磁效果與正常時(shí)不再相同。隨著負(fù)載的增大，增磁或者去磁的影響越大，使得其他各相的磁鏈波形改變，相電動(dòng)勢(shì)發(fā)生改變，輸出電壓脈動(dòng)增加，平均值有所下降，各相正常相電流有效值也不再相等。

加載時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生二極管短路，一般可通過(guò)提高勵(lì)磁電流維持輸出功率。

圖9 正常和二極管短路時(shí)的外特性和功率曲線Fig.9 External characterstic at the normal and diode short fault

5 結(jié)論

本文討論了電勵(lì)磁五相雙凸極容錯(cuò)發(fā)電機(jī)在外接單相橋發(fā)電時(shí)的正常和故障情況，分析了發(fā)電機(jī)在故障時(shí)的容錯(cuò)性能，得到了以下結(jié)論：

（1）五相發(fā)電機(jī)若外接SRG、DSG1、DSG2電路，一旦發(fā)生二極管短路，由于短路相與其他相形成回路，使得輸出電壓基本為零，整個(gè)系統(tǒng)崩潰。若外接單相橋整流發(fā)電，仍然有一定的輸出，具有良好的容錯(cuò)性能。

（2）同一橋臂二極管短路時(shí)的相電流波形不相同，下管短路時(shí)的短路相電流有較大脈動(dòng)。

（3）假定相繞組為零，不同短路時(shí)刻的情況也不相同，并取決定于短路時(shí)刻相繞組匝鏈的磁鏈值。

（4）短路相電流隨勵(lì)磁電流的增大而增大。

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