旋轉整流器的換相過程分析

孫 碩, 葉志浩，歐陽斌, 胡安琪

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旋轉整流器的換相過程分析

孫 碩, 葉志浩，歐陽斌, 胡安琪

（海軍工程大學電氣工程學院電力電子研究所，武漢 430033）

闡述了無刷勵磁發電機的旋轉整流器在正常工況下的工作原理和換相過程，根據換相電抗和負載電阻的關系將換相過程分類，并通過理論解析了旋轉整流器在正常工況下的換相電流波形。通過仿真驗證了理論分析的正確性，為無刷勵磁發電機系統的相關研究提供一定的理論依據。

旋轉整流器 換相過程 換相電抗 理論解析

0 引言

無刷勵磁發電機采用與主發電機同軸的旋轉電樞式勵磁機勵磁，勵磁機電樞繞組產生的交流電流通過安裝在同一轉軸上的旋轉整流器整流，輸出直流電流供給主發電機的勵磁繞組實現主發電機的勵磁，構成了無刷勵磁系統。旋轉整流器是無刷勵磁發電機的重要組成部分，取代了傳統勵磁機的集電環和電刷裝置，提高了發電機的可靠性和運行效率。旋轉整流器多為三相不控整流器，它的工作特性主要體現在換相過程分析上[1-3]。因為勵磁機電樞繞組電阻和換相電抗存在，使旋轉整流器的換相過程的理論解析較為復雜，現有的文獻在涉及相關內容的研究中，如對旋轉整流器的故障診斷、對勵磁控制的算法等，[1]對換相過程少有詳細的分析和計算，使相關研究缺少一定的理論依據，也難以保證研究的精確性[4]。本文在無刷勵磁發電機穩態工作下，對旋轉整流器在正常工況下的換相過程作詳細的分類和分析，并通過仿真驗證了理論分析的正確性，為旋轉整流器的相關內容研究提供了重要的理論依據。

1 旋轉整流器的工作模式

無刷勵磁發電機勵磁系統主要由勵磁機和旋轉整流器組成，主發電機的勵磁繞組可等效為高感性負載，旋轉整流器的等效電路模型可簡化如圖1 所示[5-7]。

旋轉整流器根據導通二極管個數，可以分為三種不同的工作模式[6]，如圖2：

1）導通運行模式：旋轉整流器中有兩只二極管同時導通，交流側處于通路狀態。

2）換相運行模式：旋轉整流器中有三只二級管同時導通，交流側處于通路狀態。

3）短路運行模式：旋轉整流器中有三只以上的二級管子導通，交流側處于三相短路狀態。

2 旋轉整流器換相過程分類

無刷勵磁發電機運行時，勵磁機的勵磁繞組和電樞繞組通過氣隙磁場耦合產生換相電抗。換相電抗導致旋轉整流器在換相過程中存在換相重疊角，根據換相重疊角范圍和旋轉整流器的運行模式，可以將換相過程分為三類[7]：

2.1第一種類型：導通模式+換相模式

2.2第二種類型：換相模式

增大第一類換相過程的換相電抗，則換相重疊角也隨之增大。當換相重疊角增大至時，若仍無法完成換相，則換相過程會存在換相延遲角，使初始換相過程延遲一定角度，當換相延遲角時，換相重疊角仍為。與第一種類型的換相過程相比較，整流器只存在換相模式，不存在導通模式。換相過程中的導通二極管與第一種換相過程導通模式下的二極管完全一樣。

2.3第三種類型：換相模式+短路模式

根據第二類的換相過程可知，若繼續增大換相電抗，直至在換相延遲角仍沒有完成一次換相過程，旋轉整流器進入短路運行模式工作，直至換相結束后又立刻進入換相模式工作，并如此反復。換相周期為。換相過程的工作階段和導通二極管如表2所示。

3 換相波形的理論解析

2）旋轉整流器輸出電流為直流電流。

3）旋轉整流器在正常工況下工作，且發電機處于在穩態狀態。

為便于求出不同類型的換相過程對應的換相電抗邊界值，以第二種換過過程為例，解析求出換相電流表達式過程如下[7]：

負載直流電壓的平均值可求得為：

又：

故可求出：

在旋轉整流器正常運行工況下，根據三相電流的對稱關系，可得出B、C相電流與A相電流波形相同，相位上分別超前和滯后。

4 仿真驗證

同步發電機等效仿真模型可以用Simulink仿真庫中的三相同步電機基本模型搭建，以三相同步電機基本模型為基礎搭建旋轉整流器等效電路仿真模型如圖4：

可以看出仿真得到的波形與上文理論求出的波形表達式基本一致。對理論分析得到的波形解析方程和仿真得到的波形傅里葉變換，因主要包含低次諧波，所以取低次諧波做比較，諧波幅值大小如表4。通過比較可得旋轉整流器正常運行工況下仿真得到的換相波形與理論求取的換相波形諧波含量相等，也驗證了二極管斷路狀況下換相過程理論分析的正確性。

5 結論

本文闡述了旋轉整理器的工作原理和工作特性，根據旋轉整流器換相電抗與整流器直流負載的比值范圍，將旋轉整流器的換相過程分為三種不同類型。并以第二類換相過程為例，解析分析了旋轉整流器在正常工況下的三相電流輸入波形和輸出電壓和電流的表達式。建立了無刷勵磁電機的仿真模型并驗證了理論解析的正確性。通過對換相過程的理論解析，深化了對旋轉整流器換相過程的認識，也為旋轉整流器的二極管選型、旋轉整流器的故障診斷和勵磁機設計等相關研究工作提供了一定的理論依據。

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Analysis on the Commutation of the Rotating Rectifier

Sun Shuo，Ye Zhihao，Ouyang Bin, Hu Anqi

(Research Institute of Power Electronic Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

TM76

A

1003-4862（2015）01-0053-05

2014-08-16

國家973項目（2013CB035601）。

孫碩（1990-），男，碩士生。研究方向：電力集成。