无刷励磁系统旋转二极管故障的在线监测

陈亮

(云南电网公司大理供电局,云南 大理 671000)

无刷励磁系统旋转二极管故障的在线监测

陈亮

(云南电网公司大理供电局,云南 大理 671000)

对励磁机定子励磁电流的谐波特征进行理论分析,分析发现旋转二极管故障时励磁机定子励磁电流将出现不同于正常运行时的谐波分量；进一步在MATLAB/SIMULINK下建立了包括旋转二极管在内的无刷励磁系统的仿真模型,对二极管各种故障下的励磁机定子励磁电流进行了仿真计算,验证了理论分析的正确性。研究表明：依据励磁机定子励磁电流监测分析可对旋转二极管故障进行有效在线监测。

无刷励磁；旋转整流器；故障；在线监测

1 前言

无刷励磁由于具有诸多优点,广泛应用于有易燃、易爆气体等恶劣条件下的大中型同步电机中。大部分无刷励磁系统没有配置故障诊断系统,这使运行人员无法随时掌握电机运行状况,不能及时发现并处理故障。由于刷励磁系统取消了滑环和电刷,旋转整流器二极管的监视与保护十分困难,该问题一直阻碍着无刷励磁技术的发展[2]。因此,开展旋转整流器故障在线故障诊断技术研究具有重要意义。

2 定子励磁电流谐波特征

2.1 旋转整流器正常运行的谐波

忽略换相,把二极管看作整流器件,交流励磁机输出电流在理想状况下为矩形波,宽度为,高度为 2/3π。整个励磁系统电路结构如图 1所示。

图1 无刷励磁系统电路结构图

按理想状况,如式1所示,其中,Ea,Eb和Ec是三相各相相电势,为三相电势有效值。

但是,由于交流励磁发电机电枢绕组内有电抗存在,阻止了电枢电流的突变,因此电枢电流是非正弦的。而且旋转整流器在进行三相全波整流时,交流励磁发电机电枢电流不能瞬时的由一相换为另一相,存在换向重叠角γ,电枢电流波形如图2所示。

图2 交流励磁机电枢电流波形

由图可知：电枢电流是非正弦函数。对图示的电流,可以分段表示,则a相电枢电流的表达式为：

任何周期性的非正弦函数均可以用傅氏级数来分解,因电流波形与横轴对称,周期为2π,因此展开后无直流分量及偶次谐波。并且奇次谐波不含3的倍数次谐波。所以,最终奇次谐波次数为：n=1,5,7,11,13,17等。而a相电枢电流的傅立叶级数展开式,可为：

将a相分段函数式 (2)代入以上各式对交流励磁机电枢电流开展谐波分析。

同理：

各次谐波的幅值

2.2 旋转整流器故障运行的谐波

旋转二极管常有故障为元件短路或开路。而故障后,电枢电流谐波分析均可用同样的方法。以单臂断路为例,如果旋转三相整流桥b相二极管出现开路,电路结构如图3所示：

当发生一管断路时,不仅输出电压会比正常运行时的要小,而且由图可知,在忽略换向过程情况下,各相电枢电流是不对称的。各项电流波形如图4所示,以a相电枢电流为例,可由下式表示：

图3 一臂开路时电路结构图

图4 一臂开路时各相电枢电流

和前面的分析过程类似,仍然采用傅里叶分析方法,对交流励磁发电机电枢的a相波形进行分析。

a相的电枢电流为：

因为电枢绕组一般都是Y形连接的,绕组与负载之间没有中线连接,因此奇次谐波中同样不含3次及3的倍数次的谐波,所以上式中n=1, 2,4,5,7……

取其前四项进行计算可得：(12)

同理可以得到b、c两相的电枢电流：

2.3 旋转整流器定子励磁电流谐波

旋转整流器进行故障诊断时不能直接测定转子电枢电流,但是交流励磁机电枢反应磁场在正常及故障情况下,都要在交流励磁机的定子励磁绕组中感应出谐波电势,进而产生谐波电流。这些谐波电流的产生,源自交流励磁机的电枢反应谐波磁场,该磁场谐波成分及大小与旋转整流器工作状态有关,即这些谐波电流具有反映旋转整流器正常或故障状态的特点。为了确定定子励磁电流的谐波成分,应弄清楚旋转整流器正常与故障情况下,交流励磁机电枢磁势的特点。

前面已分析,正常运行时三相全波整流电路中含有基波以及次谐波电流,高次谐波电流与基波电流一样,在电枢气隙中产生磁动势。由于三相电枢绕组轴线在空间互差120度电角度,因此3以及3的倍数次谐波合成磁动势为0,因此在交流励磁发电机气隙中仅仅存在基波磁势和5,7, 11等高次磁势。

由式 (11)～ (13)可知在旋转整流器发生一臂开路故障时,交流励磁发电机电枢绕组两相电流均出现了直流分量和偶次、奇次谐波分量。为此采用对称分量法分析,从上式容易看出一相开路时电枢电流中,有直流分量、基波正序、基波负序、二次谐波负序、四次谐波正序电流分量等。对它们的影响分别来分析：

1)电枢磁势在励磁绕组中感应出的基波频率的电动势；

2)基波正序电流产生的电枢磁势在励磁绕组中的作用与正常状态下分析相同,励磁绕组感应电势主要成分为6次谐波电势；

3)由于基波负序电流与基波正序电流的相序相反,因此它产生的合成磁势的旋转方向与基波正序电流产生的相反,在励磁绕组中主要感应出2次谐波电势；

4)二次谐波负序电流在三相绕组中的相序与基波正序电流的相序相反,它在励磁绕组中产生3次谐波磁势；

5)四次谐波正序电流主要产生的电枢磁势主要在励磁绕组中产生3次谐波磁势；

从上面的分析可以得出结论：一臂开路时定子绕组感应电动势谐波主要为1,2,3,6次。

3 仿真分析

为了对理论分析做出验证,在MATLAB/SIMULINK中进行建模仿真,仿真所用电路原理图如下,观测对象为励磁机定子电流。

在此仅列写几种典型情况下的仿真结果。

图5 仿真的系统原理图

3.1 正常运行

正常运行时,三相的电枢电流是对称的,电枢电流中除了基波分量外主要含有五次和七次谐波。在仿真中,取发电机频率为50 Hz,从图6中很容易看出,正常运行的发电机,励磁电流主要为6次谐波分量。下图是正常运行时励磁机定子电流的频谱分布。

图6 正常运行时的励磁机定子电流

3.2 一管断路

以前分析一臂开路时定子绕组感应电动势谐波成分主要为1,2,3,6次。仿真结果很好的验证了理论分析。

图7 一管断路时的励磁机定子电流

3.3 两管断路

图8 两管断路时的励磁机定子电流

此时励磁机定子电流波形和上图波形很相近,但是基波的含量明显比一管断路时的要大。

3.4 一管短路

图9 一管短路时的励磁机定子电流

发生一管短路时,励磁机定子电流主要是基波分量,其他谐波分量很小。这是因为在发生一相短路时,定子三相中含有很大的不等直流分量,另外,还有不对称的基波和二次谐波分量,并且这些二次谐波是正相序旋转的谐波,他们和直流分量一样在励磁机定子绕组中产生基波分量。

下表为各种常见故障状态下励磁机定子励磁电流所含的主要次谐波。可将其作为故障特征,作为故障发生以及故障的类别判断的依据。另外,可以考虑利用模式识别技术和新型的人工智能技术对故障信号进行识别和诊断。

表1 不同故障状态时励磁机定子电流的主要谐波

4 结束语

以上从理论分析和仿真计算两方面对无刷励磁系统旋转二极管故障时的励磁机定子励磁电流谐波特征进行了深入的研究。结论如下：

1)旋转二极管正常运行时,励磁机定子励磁电流主要为直流分量和6次谐波分量。

2)旋转整流器发生各种开路或短路故障时励磁机定子励磁电流将出现不同于正常运行时的基波及其他谐波分量,可利用其进行二极管的故障在线监测。

[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]张超,夏立.发电机旋转整流器故障的分形和动态测度诊断[J].电机与控制学报,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

陈亮 (1983),男,学士,助理工程师,云南电网公司大理供电局,主要从事生产设备兼技术监督管理工作 (e-mail) 251151785@qq.com。