陳亮

(云南電網(wǎng)公司大理供電局,云南 大理 671000)

無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)二極管故障的在線監(jiān)測(cè)

陳亮

(云南電網(wǎng)公司大理供電局,云南 大理 671000)

對(duì)勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流的諧波特征進(jìn)行理論分析,分析發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二極管故障時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流將出現(xiàn)不同于正常運(yùn)行時(shí)的諧波分量；進(jìn)一步在MATLAB/SIMULINK下建立了包括旋轉(zhuǎn)二極管在內(nèi)的無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)二極管各種故障下的勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流進(jìn)行了仿真計(jì)算,驗(yàn)證了理論分析的正確性。研究表明：依據(jù)勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流監(jiān)測(cè)分析可對(duì)旋轉(zhuǎn)二極管故障進(jìn)行有效在線監(jiān)測(cè)。

無刷勵(lì)磁；旋轉(zhuǎn)整流器；故障；在線監(jiān)測(cè)

1 前言

無刷勵(lì)磁由于具有諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于有易燃、易爆氣體等惡劣條件下的大中型同步電機(jī)中。大部分無刷勵(lì)磁系統(tǒng)沒有配置故障診斷系統(tǒng),這使運(yùn)行人員無法隨時(shí)掌握電機(jī)運(yùn)行狀況,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。由于刷勵(lì)磁系統(tǒng)取消了滑環(huán)和電刷,旋轉(zhuǎn)整流器二極管的監(jiān)視與保護(hù)十分困難,該問題一直阻礙著無刷勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展[2]。因此,開展旋轉(zhuǎn)整流器故障在線故障診斷技術(shù)研究具有重要意義。

2 定子勵(lì)磁電流諧波特征

2.1 旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行的諧波

忽略換相,把二極管看作整流器件,交流勵(lì)磁機(jī)輸出電流在理想狀況下為矩形波,寬度為,高度為 2/3π。整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 無刷勵(lì)磁系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

按理想狀況,如式1所示,其中,Ea,Eb和Ec是三相各相相電勢(shì),為三相電勢(shì)有效值。

但是,由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電樞繞組內(nèi)有電抗存在,阻止了電樞電流的突變,因此電樞電流是非正弦的。而且旋轉(zhuǎn)整流器在進(jìn)行三相全波整流時(shí),交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電樞電流不能瞬時(shí)的由一相換為另一相,存在換向重疊角γ,電樞電流波形如圖2所示。

圖2 交流勵(lì)磁機(jī)電樞電流波形

由圖可知：電樞電流是非正弦函數(shù)。對(duì)圖示的電流,可以分段表示,則a相電樞電流的表達(dá)式為：

任何周期性的非正弦函數(shù)均可以用傅氏級(jí)數(shù)來分解,因電流波形與橫軸對(duì)稱,周期為2π,因此展開后無直流分量及偶次諧波。并且奇次諧波不含3的倍數(shù)次諧波。所以,最終奇次諧波次數(shù)為：n=1,5,7,11,13,17等。而a相電樞電流的傅立葉級(jí)數(shù)展開式,可為：

將a相分段函數(shù)式 (2)代入以上各式對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)電樞電流開展諧波分析。

同理：

各次諧波的幅值

2.2 旋轉(zhuǎn)整流器故障運(yùn)行的諧波

旋轉(zhuǎn)二極管常有故障為元件短路或開路。而故障后,電樞電流諧波分析均可用同樣的方法。以單臂斷路為例,如果旋轉(zhuǎn)三相整流橋b相二極管出現(xiàn)開路,電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：

當(dāng)發(fā)生一管斷路時(shí),不僅輸出電壓會(huì)比正常運(yùn)行時(shí)的要小,而且由圖可知,在忽略換向過程情況下,各相電樞電流是不對(duì)稱的。各項(xiàng)電流波形如圖4所示,以a相電樞電流為例,可由下式表示：

圖3 一臂開路時(shí)電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 一臂開路時(shí)各相電樞電流

和前面的分析過程類似,仍然采用傅里葉分析方法,對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電樞的a相波形進(jìn)行分析。

a相的電樞電流為：

因?yàn)殡姌欣@組一般都是Y形連接的,繞組與負(fù)載之間沒有中線連接,因此奇次諧波中同樣不含3次及3的倍數(shù)次的諧波,所以上式中n=1, 2,4,5,7……

取其前四項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算可得：(12)

同理可以得到b、c兩相的電樞電流：

2.3 旋轉(zhuǎn)整流器定子勵(lì)磁電流諧波

旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障診斷時(shí)不能直接測(cè)定轉(zhuǎn)子電樞電流,但是交流勵(lì)磁機(jī)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在正常及故障情況下,都要在交流勵(lì)磁機(jī)的定子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)出諧波電勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生諧波電流。這些諧波電流的產(chǎn)生,源自交流勵(lì)磁機(jī)的電樞反應(yīng)諧波磁場(chǎng),該磁場(chǎng)諧波成分及大小與旋轉(zhuǎn)整流器工作狀態(tài)有關(guān),即這些諧波電流具有反映旋轉(zhuǎn)整流器正常或故障狀態(tài)的特點(diǎn)。為了確定定子勵(lì)磁電流的諧波成分,應(yīng)弄清楚旋轉(zhuǎn)整流器正常與故障情況下,交流勵(lì)磁機(jī)電樞磁勢(shì)的特點(diǎn)。

前面已分析,正常運(yùn)行時(shí)三相全波整流電路中含有基波以及次諧波電流,高次諧波電流與基波電流一樣,在電樞氣隙中產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。由于三相電樞繞組軸線在空間互差120度電角度,因此3以及3的倍數(shù)次諧波合成磁動(dòng)勢(shì)為0,因此在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)氣隙中僅僅存在基波磁勢(shì)和5,7, 11等高次磁勢(shì)。

由式 (11)～ (13)可知在旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生一臂開路故障時(shí),交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電樞繞組兩相電流均出現(xiàn)了直流分量和偶次、奇次諧波分量。為此采用對(duì)稱分量法分析,從上式容易看出一相開路時(shí)電樞電流中,有直流分量、基波正序、基波負(fù)序、二次諧波負(fù)序、四次諧波正序電流分量等。對(duì)它們的影響分別來分析：

1)電樞磁勢(shì)在勵(lì)磁繞組中感應(yīng)出的基波頻率的電動(dòng)勢(shì)；

2)基波正序電流產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)在勵(lì)磁繞組中的作用與正常狀態(tài)下分析相同,勵(lì)磁繞組感應(yīng)電勢(shì)主要成分為6次諧波電勢(shì)；

3)由于基波負(fù)序電流與基波正序電流的相序相反,因此它產(chǎn)生的合成磁勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向與基波正序電流產(chǎn)生的相反,在勵(lì)磁繞組中主要感應(yīng)出2次諧波電勢(shì)；

4)二次諧波負(fù)序電流在三相繞組中的相序與基波正序電流的相序相反,它在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生3次諧波磁勢(shì)；

5)四次諧波正序電流主要產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)主要在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生3次諧波磁勢(shì)；

從上面的分析可以得出結(jié)論：一臂開路時(shí)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波主要為1,2,3,6次。

3 仿真分析

為了對(duì)理論分析做出驗(yàn)證,在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行建模仿真,仿真所用電路原理圖如下,觀測(cè)對(duì)象為勵(lì)磁機(jī)定子電流。

在此僅列寫幾種典型情況下的仿真結(jié)果。

圖5 仿真的系統(tǒng)原理圖

3.1 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí),三相的電樞電流是對(duì)稱的,電樞電流中除了基波分量外主要含有五次和七次諧波。在仿真中,取發(fā)電機(jī)頻率為50 Hz,從圖6中很容易看出,正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī),勵(lì)磁電流主要為6次諧波分量。下圖是正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子電流的頻譜分布。

圖6 正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁機(jī)定子電流

3.2 一管斷路

以前分析一臂開路時(shí)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波成分主要為1,2,3,6次。仿真結(jié)果很好的驗(yàn)證了理論分析。

圖7 一管斷路時(shí)的勵(lì)磁機(jī)定子電流

3.3 兩管斷路

圖8 兩管斷路時(shí)的勵(lì)磁機(jī)定子電流

此時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子電流波形和上圖波形很相近,但是基波的含量明顯比一管斷路時(shí)的要大。

3.4 一管短路

圖9 一管短路時(shí)的勵(lì)磁機(jī)定子電流

發(fā)生一管短路時(shí),勵(lì)磁機(jī)定子電流主要是基波分量,其他諧波分量很小。這是因?yàn)樵诎l(fā)生一相短路時(shí),定子三相中含有很大的不等直流分量,另外,還有不對(duì)稱的基波和二次諧波分量,并且這些二次諧波是正相序旋轉(zhuǎn)的諧波,他們和直流分量一樣在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中產(chǎn)生基波分量。

下表為各種常見故障狀態(tài)下勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流所含的主要次諧波。可將其作為故障特征,作為故障發(fā)生以及故障的類別判斷的依據(jù)。另外,可以考慮利用模式識(shí)別技術(shù)和新型的人工智能技術(shù)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和診斷。

表1 不同故障狀態(tài)時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子電流的主要諧波

4 結(jié)束語(yǔ)

以上從理論分析和仿真計(jì)算兩方面對(duì)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)二極管故障時(shí)的勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流諧波特征進(jìn)行了深入的研究。結(jié)論如下：

1)旋轉(zhuǎn)二極管正常運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流主要為直流分量和6次諧波分量。

2)旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生各種開路或短路故障時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流將出現(xiàn)不同于正常運(yùn)行時(shí)的基波及其他諧波分量,可利用其進(jìn)行二極管的故障在線監(jiān)測(cè)。

[1]Zouaghi T,Poloujadoff M.Modeling of polyphase brushless exciter behavior for failing diode operation[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1998,13(3)：214-220.

[2]張超,夏立.發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器故障的分形和動(dòng)態(tài)測(cè)度診斷[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(1)：6-10.

Research on the On-line Monitoring for Rotating Diode Failure of Brushless Excitation System

CHEN Liang
(Yunnan Dali Power Supply Bureau,Dali Yunnan 671000)

This article first to the exciter excitation current of the stator harmonic characteristics of the theoretical analysis.The results reveal that rotating diode failure will appear different from normal exciter rotor excitation current harmonic component at runtime；further under the MATLAB/SIMULINK is established,including rotating diode simulation model of brushless excitation system,exciter of diode under various fault of the stator exciting current has carried on the simulation computation,verify the correctness of theoretical analysis.Studies have shown that：exciter based on stator field current can be realized for the various faults of rotating diode effective on-line monitoring.

brushless exciter、rotating rectifier、fault、online monitoring

TM76

B

1006-7345(2014)02-0092-06

2013-12-26

陳亮 (1983),男,學(xué)士,助理工程師,云南電網(wǎng)公司大理供電局,主要從事生產(chǎn)設(shè)備兼技術(shù)監(jiān)督管理工作 (e-mail) 251151785@qq.com。