电励磁双凸极电机并联桥短路故障的研究

陈志辉， 杨志浩， 谢淑玲

(南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏南京210016)

0 引言

随着航空航天、军用和风力发电等领域的发展，对电机系统的可靠性提出越来越高的要求［1－2］。为提高电机系统的可靠性，容错电机成为国内外学者研究的热点。目前对容错电机的研究主要集中在电机本体结构和电动机驱动系统等几个方面［3］。国内外针对容错电机本体结构研究主要有开关磁阻电机和转子永磁式容错电机［4－6］。永磁双凸极电机(doubly salient permanent magnet motors，DSPM)结合二者优点，定转子结构与SRM类似，采用集中式绕组，保证相与相之间的磁路独立性。文献［7］结合仿真和实验分析了 DSPM的容错特点，验证了DSPM电机作为一种新型容错电机的容错性能。

电励磁双凸极电机(doubly salient electromagnetic magnetic motor，DSEM)用励磁绕组取代永磁体，可以借助调节励磁电流来调节磁场特性。目前对双凸极电机容错性能的研究主要集中在电动场合［8］。但是电励磁双凸极电机通过二极管整流电路能输出直流电，不需要复杂的变换器，可通过调节励磁电流调节输出电压，可以作发电机使用。电励磁双凸极发电机的拓扑主要有开关磁阻发电方式(SRG)、双凸极发电方式1(DSG1)、双凸极发电方式2(DSG2)和并联桥方式。SRG、DSG1、DSG2发电方式，工作时相与相之间相互联系、相互影响，一旦某一相发生故障，会影响其他相正常工作。并联桥方式，电枢绕组分别与单相整流桥相接，各相绕组电气联系较小，相绕组间没有直接的机械和热耦合，当某一相发生故障，对其他相影响很小。文献［9－10］通过仿真分析了五相电励磁双凸极发电机的容错特性，但没有结合实验验证仿真结论。

并联桥发电方式下，相绕组发生开路故障，相当于一相绕组切除，电机实际只有三相绕组发电，类似三相电机，对电机输出特性有一定影响，但不会导致系统崩溃。当发生短路故障，短路电流很大，导致发热，磁链、电感等电气参数变化严重，对系统影响较大，亦能反应出电机的容错能力。本文以一台1kW四相8/6极电励磁双凸极电机为样机，针对并联桥发电方式的几种短路故障进行仿真和实验，分析短路故障对电机系统的影响。

1 四相DSEM结构

四相DSEM样机为8/6极结构，电机截面图如图1所示，电机逆时针旋转，电枢绕组相序如图所示。表1为电机主要结构参数。

图1 8/6电励磁双凸极电机截面Fig.1 Cross-section of 8/6 DSEM

表1 电机主要结构参数Table 1 Main structure parameters of DSEM

2 并联桥短路故障分析

以发电机的A相为例，相磁链ψa为A相电感、励磁电流和A相电枢电流的函数，相电感包括相自感和相间互感，其中相绕组间的互感相对于其自感而言非常小，因此可将B、C两相交链到A相的磁链忽略不计。当磁路未深度饱和时，A相磁链可表示为两部分，即励磁电流产生的磁链ψf和电枢电流产生的磁链ψr，其表达式为

式中:磁链ψf为空载磁链;La为A相自感;ia为A相电流。A相反电势ea及整流后电压ua的表达式为

式中:ra为A相等效电阻;Δu为回路二极管压降。

并联桥发电方式，电枢绕组分别与单相整流桥相接，整流桥输出端并联，适合于大电流输出场合。相绕组的感应相电势正负半周均经整流桥向负载发电，输出电压uO可以表示为

研究的并联桥发电方式短路故障有相绕组端部短路、前桥上管短路和前桥下管短路，如图2所示。

图2 并联桥正常和故障电路Fig.2 Normal and fault circuits of parallel bridge

2.1 相绕组端部短路

电机绕组短路故障，主要指绕组的匝间短路，即当电机某一相的部分绕组由于绝缘失效等原因，使得电机内绕组匝数产生变化，从而引起电机特性的变化。本文研究一相绕组端部短路，即该相全部匝数绕组被短路。

2.1.1 空载特性

图3是n=240 r/min时正常工作和相绕组端部短路时的仿真和实验空载特性曲线。

图3 正常工作和端部短路的空载特性Fig.3 Characteristics of no-load

随着励磁电流增大，磁场逐渐饱和，相绕组端部短路时空载输出电压相比正常情况有明显的减小，大约为正常输出电压的88%，如图3所示，实验和仿真空载特性曲线变化趋势一致，但由于实验条件的非理想，励磁电流存在波动，二极管存在压降，相绕组内阻存在压降及线路压降，实验曲线低于仿真曲线。

图4(a)、图4(b)分别是励磁电流10 A、转速240 r/min时正常情况和A相短路时相电压和输出电压仿真波形。

图4 正常工作和端部短路的相电压和输出电压Fig.4 Waveforms of phase-voltage and output voltage

图5 故障相电流Fig.5 Simulation waveform of fault-phase current

绕组端部短路时，故障相相电压没有接入整流电路，根据式(4)，输出电压在一个电周期内会产生两个较大的电压落差，脉动增大，导致平均输出电压略微下降。电机正常工作在空载时各相电流为零，输出电流也为零。电机发生相绕组端部短路故障时，故障相相电压作用在自身绕组上，相电流在自身绕组回路内流动，由于相绕组内阻很小，因此电流很大，如图5所示，短路电流的电枢反应对磁链的影响进而导致相电压变化，由图4(b)发现，故障相相电压由于短路电流电枢反应的影响，明显比其他正常相低。

图6是励磁电流10 A、转速240 r/min时A相绕组短路时的实验波形。

图6 A相端部短路的实验波形Fig.6 Experimental waveforms of fault-phase

A相绕组端部短路，独自构成回路，不经过整流桥，因此A相电压的缺失导致输出电压在一个电周期存在两个跌落，与仿真分析一致。

2.1.2 负载特性

电励磁双凸极电机作为发电机，正常运行时带载发电，故障多发生于带载运行，研究电机的带载故障状态更能说明故障对电机的影响。

带载同空载一样，故障相不接入整流电路，不给负载供电，实际上其他三相绕组在整流发电。图7是转速240 r/min、厉磁电流5 A下正常和相绕组短路时的外特性曲线，相绕组短路时输出特性略低于四相正常，在负载电流小于12 A时仍有较好的发电能力。

图7 正常和端部短路的外特性曲线比较Fig.7 Curves of external characteristics

图8(a)、图8(b)分别是励磁电流5 A、转速240 r/min，负载10 Ω时正常情况和相绕组端部短路时的实验波形。A相绕组短路时，A相回路电流很大;短路故障的输出电压因为A相电压的缺失在一个电周期存在两个跌落，与分析一致。

图8 正常和端部短路的实验波形Fig.8 Experimental waveforms

2.2 二极管短路

并联单相桥发电方式二极管短路故障有多种，根据二极管短路数量有单管短路、双管短路和多管短路。一相桥有四个二极管，每一个二极管短路情况都不一样，单管短路又有4种情况，鉴于故障情况的多样性，选取前桥上管短路和下管短路故障进行分析。

2.2.1 空载特性

图9为上管短路和下管短路在不同励磁下地空载特性，空载情况相电流为零，无电枢反应，上管短路、下管短路与四相正常空载特性一样。

图9 上管、下管短路的空载特性Fig.9 No-load characteristics of diode short

2.2.2 负载特性

双凸极电机负载状态下的电枢反应影响电机的发电特性，为了精确分析并联单相桥方式单管短路故障的工作过程，对电机带载特性进行仿真和实验分析。

上管短路的工作模态如图10所示。

图10 上管短路工作模态Fig.10 Operating mode of upper diode short circuit

a)阶段，转子极滑出故障相对应的定子极，磁链下降，相电势为正，经D4整流发电。

b)阶段，转子极滑入故障相对应的定子极，磁链上升，相电势为负，但是经D3短路，不发电。相比单相桥正常工作，该相电流更大，电枢反应去磁效果更严重，降低磁链最大值。

下管短路的工作模态如图11所示。

图11 下管短路工作模态Fig.11 Operating mode of lower diode short circuit

a)阶段，转子极滑出故障相对应的定子极，磁链下降，相电势为正，但是经D4短路，不发电。相比单相桥正常工作，该相电流更大，电枢反应增磁效果更好，提高磁链最小值。

b)阶段，转子极滑入故障相对应的定子极，磁链上升，相电势为负，经D3整流发电。

图12(a)、12(b)分别为励磁电流3A、负载16Ω时并联单相桥A相上管短路和下管短路的参数仿真波形。

由图可知，两种短路故障的故障相A相与正常相B相相比，故障相电枢反应严重，导致磁链发生明显变化，进而使相电压变化。相同条件下，上管短路与下管短路相比，两者带载发电的输出特性一致，但是故障相特性差别很大，下管短路故障相短路电流值更大，更危险。正常发电，传动轴转矩为负。和正常工作相比，两种故障的传动轴转矩发生变化:上管短路，故障相经二极管短路区间不发电，传动轴的转矩为正，造成转矩脉动变大，但由于短路电流最大值和其他正常相电流最大值接近，最大转矩绝对值略微增大;下管短路，短路区间不发电，对应区间转矩为正，由于短路电流很大，造成转矩绝对值很大，对传动抽损害较大。总之，下管短路故障比上管短路故障对电机影响更严重，在工作过程中更应注意。

图12 上管、下管短路的参数波形Fig.12 Simulation waveforms of diode short

图13(a)、13(b)分别是负载为16.7 Ω，励磁电流为3 A的上管短路和下管短路的实验波形，与仿真波形比较吻合。

图13 二极管短路实验波形Fig.13 Experimental waveforms of diode short

四相正常、上管短路和下管短路在励磁电流3 A、转速240 r/min下的实验数据如表2所示，根据实验数据绘出上管短路和下管短路的外特性曲线，如图14，两种短路情况下的外特性曲线基本重合，略低于四相正常情况，仍有较好的发电能力。

图14 外特性曲线Fig.14 Curves of external characteristics

表2 二极管短路实验数据Table 2 Experimental data of diode short circuit

3 结论

本文讨论了四相电励磁双凸极发电机在并联桥发电时的几种较严重的短路故障情况，分析了发电机在故障时的特性，得到以下结论:

1)相绕组端部短路，空载时故障相自身构成回路，不接入整流桥，输出电压略低于四相正常;上管短路或下管短路，空载时没有电枢反应的影响，输出电压和正常时一致。

2)相绕组端部短路，带载同空载一样，故障相不接入整流电路，不给负载供电，实际上其他三相绕组在整流发电，输出特性略低于四相正常，仍有较好的发电能力;上管短路或下管短路，带载时由于二极管短路存在短路区间，短路电流的电枢反应对发电特性有一定影响，输出特性有所下降，但仍有较好的发电能力。

3)上管短路和下管短路的短路区间不同，电枢反应对磁链的影响不同，导致对发电特性的影响也不同。相比上管短路，相同条件时下管短路电流更大，转矩脉动更大，转矩值更大，对电机影响更严重，在工作过程中更应引起注意，以免对电机造成损坏。

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