外接單相橋的電勵磁五相雙凸極容錯發電機

王嬌艷 陳志輝 嚴仰光

（南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

1 引言

雙凸極電機類似于開關磁阻電機，它具有結構簡單、易于控制、可高速運行等諸多優點。由于它本身結構的特點，使得這類型電機同開關磁阻電機一樣具有一定的潛在的容錯性能。目前國外學者主要集中在對開關磁阻電動機的容錯性能的分析和研究上[1,2]。國內學者則主要分析永磁雙凸極電動機的基本性能和容錯性能[3-7]。

由于永磁電動機的永磁磁場不易調節，必須外加變換器引入直軸電流才能使發電機的輸出電壓維持不變[8]，而該變換器的容量接近電機的容量，故永磁雙凸極電機很少用在發電機場合。另外，永磁雙凸極電機的內阻抗較小，短路電流很大。而電勵磁雙凸極電機可通過調節勵磁電流調節輸出電壓，只需要外接不可控整流橋即可實現發電，不需要復雜的變換器，因此可作發電機使用[9]。

由于電勵磁五相雙凸極電機的相電動勢波形可達到 144°電角度，其相鄰兩相電動勢有一半是重疊的，因此可作為容錯發電機使用[10]。為了使徑向相對的兩相串聯構成一相，五相雙凸極發電機的基本單元為10/8、10/4等結構。本文對其多單元電機且僅有一套勵磁繞組的電勵磁五相雙凸極電機20/16結構進行討論（簡稱20/16-ft），截面圖如圖1所示。勵磁繞組跨過10個定子極，分布在相對的兩個槽內。相繞組僅置于定子的偶數極，奇數極上無繞組，稱為模塊式繞組。這樣就使得相繞組之間實現了機械上的絕緣，一個槽內僅有一相繞組，避免發生相與相之間的匝間短路故障，減小了發生故障的概率。同時這種結構具有有效的熱隔離，當某相相繞組短路時，并不會導致其他相過熱而損壞。另外由于容錯齒的存在，相與相之間有弱的磁耦合，一相發生故障并不會較大地影響其他相的相磁鏈。因此發電機在發生單相繞組開路或短路時，輸出電壓下降且脈動變化較小，一般電壓下降維持在10%以內。且當電機逆時針旋轉時，電樞繞組相序如圖1所示。

圖1 20/16五相雙凸極容錯發電機截面圖Fig. 1 Cross-section of 20/16 five-phase doubly salient fault-tolerant generator

2 單相橋整流發電電路

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

由于各相繞組分別外接一個全橋整流電路，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。正常工作負載運行時，輸出功率比其他發電方式大，外特性較硬。若某一相發生故障，理想情況下并不會對其他相造成影響，實現了相與相之間電的隔離。特別是對于二極管發生短路這種故障，若外接的是DSG2或SRG發電電路，由于短路相與其他相之間存在回路，使輸出電壓為零，電機將不能正常向外發電；若外接單相橋整流發電，電機仍然具有較好的容錯性能。本文針對某相單個二極管短路這種故障進行了深入的討論，為了具體地分析電機的容錯性能，下表給出了 20/16發電機的結構參數。

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

表20 /16發電機參數Tab. Structure parameters of 20 /16 generator

3 空載時正常和故障情況比較

3.1 磁鏈與空載特性

發電機正常工作時，各相繞組的磁鏈隨著轉子的旋轉進行周期性地變化。當轉子滑入E相定子極時，磁鏈增大，定轉子極相對時，磁鏈達到最大值，約為0.35Wb；當轉子滑出定子極時，磁鏈減小，定子極與轉子槽相對時，磁鏈達到最小值，約為0.097Wb。圖3a是發電機正常工作時E相定子極與轉子槽相對時刻的磁力線分布圖。本文假定在定轉子極相對時發生E相二極管短路故障，無論在轉子滑入還是滑出時E相磁鏈均維持最大值0.35Wb左右。如圖 3b所示，當 E相定子極與轉子槽相對時仍為磁鏈最大值。由于發電機處于深飽和時互感增大，E相磁鏈會較多得經過其他相形成回路。短路使E相磁鏈不變且造成其他相磁鏈發生變化，進而導致輸出電壓與正常時略有不同。圖 4給出了20/16-ft電勵磁五相雙凸極發電機正常工作和 E相二極管下管短路時的空載特性曲線。

圖3 正常和E相二極管短路時的磁力線圖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相繞組在勵磁電流為10A時的自感波形。正常工作時波形與相磁鏈波形一致，滑入時電感增大，滑出時電感減小。由于短路發生在定轉子極相對時，磁鏈在短路后任一時刻均為最大值，故正常和故障時的電感最大值基本相同。其他時刻，二極管短路時的磁鏈要大于正常工作時的磁鏈，磁導值較小，故電感低于正常時的電感。

圖5 正常和故障時的相繞組自感波形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

發電機正常工作時，由于空載運行相繞組中無電流流過。當發生二極管短路故障時，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相繞組流過較大的脈動電流。此電流流經由圖6所示的回路，不經過其他相繞組，此時與E相負電動勢完全相反的C相正電動勢經過C相所在的單相橋后為負載供電。空載電壓損失為零。

圖6 E相短路時的導通路徑Fig.6 The breakover path at E phase short circuit

當二極管上管短路時，與E相正電動勢完全相反的B相負電動勢整流后為負載供電。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，相繞組感應正電動勢時電流開始上升，轉子開始滑出該相定子，此時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極易發生飽和，電流會產生較大的尖峰，沖到很大的值，故下管短路時刻的相電流峰值較大。而當上管短路時，相繞組在感應負電動勢時電流開始上升，即轉子開始滑入定子極。電感從較小值開始增大，電流在電感較小時增加較大，但此時電流較小，電感不易飽和；當轉子極與定子極對齊時，電感值達到最大，此時電流增加緩慢。兩種情況時的短路相電流波形如圖7所示。因此二極管下管短路會使短路相繞組中流過較大的脈沖電流，造成較大的電機損耗且發熱嚴重，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短路相相電流有效值隨勵磁電流變化的曲線，從圖中可以看出，隨著勵磁電流的增大，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 加負載時正常和故障情況比較

發電機接上負載后其外特性和功率曲線如圖 9所示，從圖中看出，當發生二極管上、下管短路時，空載點不改變，加負載后的輸出電壓和輸出功率隨著負載的加重下降增大。這是因為加負載時各相繞組流過電流，通過互感對其他各相增磁或者去磁。而當E相繞組短路后，對其他各相的增磁或去磁效果與正常時不再相同。隨著負載的增大，增磁或者去磁的影響越大，使得其他各相的磁鏈波形改變，相電動勢發生改變，輸出電壓脈動增加，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，當發電機發生二極管短路，一般可通過提高勵磁電流維持輸出功率。

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

5 結論

本文討論了電勵磁五相雙凸極容錯發電機在外接單相橋發電時的正常和故障情況，分析了發電機在故障時的容錯性能，得到了以下結論：

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

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

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

（4）短路相電流隨勵磁電流的增大而增大。

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