無刷勵磁系統旋轉二極管故障的在線監測

陳亮

(云南電網公司大理供電局,云南 大理 671000)

無刷勵磁系統旋轉二極管故障的在線監測

陳亮

(云南電網公司大理供電局,云南 大理 671000)

對勵磁機定子勵磁電流的諧波特征進行理論分析,分析發現旋轉二極管故障時勵磁機定子勵磁電流將出現不同于正常運行時的諧波分量；進一步在MATLAB/SIMULINK下建立了包括旋轉二極管在內的無刷勵磁系統的仿真模型,對二極管各種故障下的勵磁機定子勵磁電流進行了仿真計算,驗證了理論分析的正確性。研究表明：依據勵磁機定子勵磁電流監測分析可對旋轉二極管故障進行有效在線監測。

無刷勵磁；旋轉整流器；故障；在線監測

1 前言

無刷勵磁由于具有諸多優點,廣泛應用于有易燃、易爆氣體等惡劣條件下的大中型同步電機中。大部分無刷勵磁系統沒有配置故障診斷系統,這使運行人員無法隨時掌握電機運行狀況,不能及時發現并處理故障。由于刷勵磁系統取消了滑環和電刷,旋轉整流器二極管的監視與保護十分困難,該問題一直阻礙著無刷勵磁技術的發展[2]。因此,開展旋轉整流器故障在線故障診斷技術研究具有重要意義。

2 定子勵磁電流諧波特征

2.1 旋轉整流器正常運行的諧波

忽略換相,把二極管看作整流器件,交流勵磁機輸出電流在理想狀況下為矩形波,寬度為,高度為 2/3π。整個勵磁系統電路結構如圖 1所示。

圖1 無刷勵磁系統電路結構圖

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

但是,由于交流勵磁發電機電樞繞組內有電抗存在,阻止了電樞電流的突變,因此電樞電流是非正弦的。而且旋轉整流器在進行三相全波整流時,交流勵磁發電機電樞電流不能瞬時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 交流勵磁機電樞電流波形

由圖可知：電樞電流是非正弦函數。對圖示的電流,可以分段表示,則a相電樞電流的表達式為：

任何周期性的非正弦函數均可以用傅氏級數來分解,因電流波形與橫軸對稱,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的倍數次諧波。所以,最終奇次諧波次數為：n=1,5,7,11,13,17等。而a相電樞電流的傅立葉級數展開式,可為：

將a相分段函數式 (2)代入以上各式對交流勵磁機電樞電流開展諧波分析。

同理：

各次諧波的幅值

2.2 旋轉整流器故障運行的諧波

旋轉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,如果旋轉三相整流橋b相二極管出現開路,電路結構如圖3所示：

當發生一管斷路時,不僅輸出電壓會比正常運行時的要小,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稱的。各項電流波形如圖4所示,以a相電樞電流為例,可由下式表示：

圖3 一臂開路時電路結構圖

圖4 一臂開路時各相電樞電流

和前面的分析過程類似,仍然采用傅里葉分析方法,對交流勵磁發電機電樞的a相波形進行分析。

a相的電樞電流為：

因為電樞繞組一般都是Y形連接的,繞組與負載之間沒有中線連接,因此奇次諧波中同樣不含3次及3的倍數次的諧波,所以上式中n=1, 2,4,5,7……

取其前四項進行計算可得：(12)

同理可以得到b、c兩相的電樞電流：

2.3 旋轉整流器定子勵磁電流諧波

旋轉整流器進行故障診斷時不能直接測定轉子電樞電流,但是交流勵磁機電樞反應磁場在正常及故障情況下,都要在交流勵磁機的定子勵磁繞組中感應出諧波電勢,進而產生諧波電流。這些諧波電流的產生,源自交流勵磁機的電樞反應諧波磁場,該磁場諧波成分及大小與旋轉整流器工作狀態有關,即這些諧波電流具有反映旋轉整流器正常或故障狀態的特點。為了確定定子勵磁電流的諧波成分,應弄清楚旋轉整流器正常與故障情況下,交流勵磁機電樞磁勢的特點。

前面已分析,正常運行時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,在電樞氣隙中產生磁動勢。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的倍數次諧波合成磁動勢為0,因此在交流勵磁發電機氣隙中僅僅存在基波磁勢和5,7, 11等高次磁勢。

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

1)電樞磁勢在勵磁繞組中感應出的基波頻率的電動勢；

2)基波正序電流產生的電樞磁勢在勵磁繞組中的作用與正常狀態下分析相同,勵磁繞組感應電勢主要成分為6次諧波電勢；

3)由于基波負序電流與基波正序電流的相序相反,因此它產生的合成磁勢的旋轉方向與基波正序電流產生的相反,在勵磁繞組中主要感應出2次諧波電勢；

4)二次諧波負序電流在三相繞組中的相序與基波正序電流的相序相反,它在勵磁繞組中產生3次諧波磁勢；

5)四次諧波正序電流主要產生的電樞磁勢主要在勵磁繞組中產生3次諧波磁勢；

從上面的分析可以得出結論：一臂開路時定子繞組感應電動勢諧波主要為1,2,3,6次。

3 仿真分析

為了對理論分析做出驗證,在MATLAB/SIMULINK中進行建模仿真,仿真所用電路原理圖如下,觀測對象為勵磁機定子電流。

在此僅列寫幾種典型情況下的仿真結果。

圖5 仿真的系統原理圖

3.1 正常運行

正常運行時,三相的電樞電流是對稱的,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,取發電機頻率為50 Hz,從圖6中很容易看出,正常運行的發電機,勵磁電流主要為6次諧波分量。下圖是正常運行時勵磁機定子電流的頻譜分布。

圖6 正常運行時的勵磁機定子電流

3.2 一管斷路

以前分析一臂開路時定子繞組感應電動勢諧波成分主要為1,2,3,6次。仿真結果很好的驗證了理論分析。

圖7 一管斷路時的勵磁機定子電流

3.3 兩管斷路

圖8 兩管斷路時的勵磁機定子電流

此時勵磁機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的要大。

3.4 一管短路

圖9 一管短路時的勵磁機定子電流

發生一管短路時,勵磁機定子電流主要是基波分量,其他諧波分量很小。這是因為在發生一相短路時,定子三相中含有很大的不等直流分量,另外,還有不對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的諧波,他們和直流分量一樣在勵磁機定子繞組中產生基波分量。

下表為各種常見故障狀態下勵磁機定子勵磁電流所含的主要次諧波?？蓪⑵渥鳛楣收咸卣?作為故障發生以及故障的類別判斷的依據。另外,可以考慮利用模式識別技術和新型的人工智能技術對故障信號進行識別和診斷。

表1 不同故障狀態時勵磁機定子電流的主要諧波

4 結束語

以上從理論分析和仿真計算兩方面對無刷勵磁系統旋轉二極管故障時的勵磁機定子勵磁電流諧波特征進行了深入的研究。結論如下：

1)旋轉二極管正常運行時,勵磁機定子勵磁電流主要為直流分量和6次諧波分量。

2)旋轉整流器發生各種開路或短路故障時勵磁機定子勵磁電流將出現不同于正常運行時的基波及其他諧波分量,可利用其進行二極管的故障在線監測。

[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.發電機旋轉整流器故障的分形和動態測度診斷[J].電機與控制學報,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,學士,助理工程師,云南電網公司大理供電局,主要從事生產設備兼技術監督管理工作 (e-mail) 251151785@qq.com。