外接单相桥的电励磁五相双凸极容错发电机

王娇艳 陈志辉 严仰光

（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016）

1 引言

双凸极电机类似于开关磁阻电机，它具有结构简单、易于控制、可高速运行等诸多优点。由于它本身结构的特点，使得这类型电机同开关磁阻电机一样具有一定的潜在的容错性能。目前国外学者主要集中在对开关磁阻电动机的容错性能的分析和研究上[1,2]。国内学者则主要分析永磁双凸极电动机的基本性能和容错性能[3-7]。

由于永磁电动机的永磁磁场不易调节，必须外加变换器引入直轴电流才能使发电机的输出电压维持不变[8]，而该变换器的容量接近电机的容量，故永磁双凸极电机很少用在发电机场合。另外，永磁双凸极电机的内阻抗较小，短路电流很大。而电励磁双凸极电机可通过调节励磁电流调节输出电压，只需要外接不可控整流桥即可实现发电，不需要复杂的变换器，因此可作发电机使用[9]。

由于电励磁五相双凸极电机的相电动势波形可达到 144°电角度，其相邻两相电动势有一半是重叠的，因此可作为容错发电机使用[10]。为了使径向相对的两相串联构成一相，五相双凸极发电机的基本单元为10/8、10/4等结构。本文对其多单元电机且仅有一套励磁绕组的电励磁五相双凸极电机20/16结构进行讨论（简称20/16-ft），截面图如图1所示。励磁绕组跨过10个定子极，分布在相对的两个槽内。相绕组仅置于定子的偶数极，奇数极上无绕组，称为模块式绕组。这样就使得相绕组之间实现了机械上的绝缘，一个槽内仅有一相绕组，避免发生相与相之间的匝间短路故障，减小了发生故障的概率。同时这种结构具有有效的热隔离，当某相相绕组短路时，并不会导致其他相过热而损坏。另外由于容错齿的存在，相与相之间有弱的磁耦合，一相发生故障并不会较大地影响其他相的相磁链。因此发电机在发生单相绕组开路或短路时，输出电压下降且脉动变化较小，一般电压下降维持在10%以内。且当电机逆时针旋转时，电枢绕组相序如图1所示。

图1 20/16五相双凸极容错发电机截面图Fig. 1 Cross-section of 20/16 five-phase doubly salient fault-tolerant generator

2 单相桥整流发电电路

五相双凸极电机作发电机使用时需外接二极管整流电路构成直流发电机。一般常用的有三种发电方式，分别为开关磁阻发电方式（SRG）、第一双凸极电机发电方式（DSG1）、第二双凸极电机发电方式（DSG2）。本文采用了一种新型的整流器，它由五个单相全桥整流电路并联构成，称为单相桥整流发电方式又称为第三双凸极电机发电方式（DSG3），如图2所示。

由于各相绕组分别外接一个全桥整流电路，使得各相绕组电流能够自由流通，相绕组之间不存在电流的约束。正常工作负载运行时，输出功率比其他发电方式大，外特性较硬。若某一相发生故障，理想情况下并不会对其他相造成影响，实现了相与相之间电的隔离。特别是对于二极管发生短路这种故障，若外接的是DSG2或SRG发电电路，由于短路相与其他相之间存在回路，使输出电压为零，电机将不能正常向外发电；若外接单相桥整流发电，电机仍然具有较好的容错性能。本文针对某相单个二极管短路这种故障进行了深入的讨论，为了具体地分析电机的容错性能，下表给出了 20/16发电机的结构参数。

图2 20/16五相双凸极电机单相桥外电路Fig.2 Circuit of the single phase bridge of 20/16 five-phase doubly salient machine

表20 /16发电机参数Tab. Structure parameters of 20 /16 generator

3 空载时正常和故障情况比较

3.1 磁链与空载特性

发电机正常工作时，各相绕组的磁链随着转子的旋转进行周期性地变化。当转子滑入E相定子极时，磁链增大，定转子极相对时，磁链达到最大值，约为0.35Wb；当转子滑出定子极时，磁链减小，定子极与转子槽相对时，磁链达到最小值，约为0.097Wb。图3a是发电机正常工作时E相定子极与转子槽相对时刻的磁力线分布图。本文假定在定转子极相对时发生E相二极管短路故障，无论在转子滑入还是滑出时E相磁链均维持最大值0.35Wb左右。如图 3b所示，当 E相定子极与转子槽相对时仍为磁链最大值。由于发电机处于深饱和时互感增大，E相磁链会较多得经过其他相形成回路。短路使E相磁链不变且造成其他相磁链发生变化，进而导致输出电压与正常时略有不同。图 4给出了20/16-ft电励磁五相双凸极发电机正常工作和 E相二极管下管短路时的空载特性曲线。

图3 正常和E相二极管短路时的磁力线图Fig.3 The magnetic line of force of normal and one diode short ciruit

图4 正常和某相二极管短路时的空载特性Fig.4 No-load characteristic of normal and one diode short ciruit

3.2 相绕组自感

图5为正常工作和二极管短路情况下E相绕组在励磁电流为10A时的自感波形。正常工作时波形与相磁链波形一致，滑入时电感增大，滑出时电感减小。由于短路发生在定转子极相对时，磁链在短路后任一时刻均为最大值，故正常和故障时的电感最大值基本相同。其他时刻，二极管短路时的磁链要大于正常工作时的磁链，磁导值较小，故电感低于正常时的电感。

图5 正常和故障时的相绕组自感波形Fig.5 The curves of the self-inductance of the E phase at the normal and shorted diode fault

3.3 相绕组电流

发电机正常工作时，由于空载运行相绕组中无电流流过。当发生二极管短路故障时，同一桥臂上管短路和下管短路情况略有不同。

若E相二极管下管短路，E相绕组流过较大的脉动电流。此电流流经由图6所示的回路，不经过其他相绕组，此时与E相负电动势完全相反的C相正电动势经过C相所在的单相桥后为负载供电。空载电压损失为零。

图6 E相短路时的导通路径Fig.6 The breakover path at E phase short circuit

当二极管上管短路时，与E相正电动势完全相反的B相负电动势整流后为负载供电。但短路相相电流与二极管下管短路有较大差别。下管短路时，相绕组感应正电动势时电流开始上升，转子开始滑出该相定子，此时电感从较大值开始减小，电流开始缓慢上升。随着电感的减小，电流逐渐增大，考虑到电感下降到较小时极易发生饱和，电流会产生较大的尖峰，冲到很大的值，故下管短路时刻的相电流峰值较大。而当上管短路时，相绕组在感应负电动势时电流开始上升，即转子开始滑入定子极。电感从较小值开始增大，电流在电感较小时增加较大，但此时电流较小，电感不易饱和；当转子极与定子极对齐时，电感值达到最大，此时电流增加缓慢。两种情况时的短路相电流波形如图7所示。因此二极管下管短路会使短路相绕组中流过较大的脉冲电流，造成较大的电机损耗且发热严重，甚至有可能使该相绕组烧毁。

图7 二极管上管短路和下管短路时的相电流波形Fig.7 Waveforms of E phase current at shorted diode fault

图8给出了二极管下管短路时短路相相电流有效值随励磁电流变化的曲线，从图中可以看出，随着励磁电流的增大，短路相电流有效值增加。

图8 短路相相电流有效值随励磁电流变化的曲线Fig.8 The carves of the rms value of short phase current with the field current changed

4 加负载时正常和故障情况比较

发电机接上负载后其外特性和功率曲线如图 9所示，从图中看出，当发生二极管上、下管短路时，空载点不改变，加负载后的输出电压和输出功率随着负载的加重下降增大。这是因为加负载时各相绕组流过电流，通过互感对其他各相增磁或者去磁。而当E相绕组短路后，对其他各相的增磁或去磁效果与正常时不再相同。随着负载的增大，增磁或者去磁的影响越大，使得其他各相的磁链波形改变，相电动势发生改变，输出电压脉动增加，平均值有所下降，各相正常相电流有效值也不再相等。

加载时，当发电机发生二极管短路，一般可通过提高励磁电流维持输出功率。

图9 正常和二极管短路时的外特性和功率曲线Fig.9 External characterstic at the normal and diode short fault

5 结论

本文讨论了电励磁五相双凸极容错发电机在外接单相桥发电时的正常和故障情况，分析了发电机在故障时的容错性能，得到了以下结论：

（1）五相发电机若外接SRG、DSG1、DSG2电路，一旦发生二极管短路，由于短路相与其他相形成回路，使得输出电压基本为零，整个系统崩溃。若外接单相桥整流发电，仍然有一定的输出，具有良好的容错性能。

（2）同一桥臂二极管短路时的相电流波形不相同，下管短路时的短路相电流有较大脉动。

（3）假定相绕组为零，不同短路时刻的情况也不相同，并取决定于短路时刻相绕组匝链的磁链值。

（4）短路相电流随励磁电流的增大而增大。

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