無刷勵磁系統滅磁發電機電壓泵升分析

饒 金，崔小鵬，徐興華

（武漢軍事代表局駐四六一廠代表室，武漢 430033）

無刷勵磁系統滅磁發電機電壓泵升分析

饒 金，崔小鵬，徐興華

（武漢軍事代表局駐四六一廠代表室，武漢 430033）

為了研究發電機過電壓保護設定值在滅磁過程中對發電機本體及其關聯設備的影響，本文通過發電機端口電壓得到發電機所需勵磁電流，考慮發電機電感負載，分析了電機中旋轉整流器的換相過程，得到勵磁機勵磁電流、勵磁磁勢及旋轉整流直流側電壓表達式。在對無刷勵磁機以及發電機的分析基礎上，研究了發電機關聯整流器晶閘管封脈沖，勵磁機緊急滅磁的暫態過程，為發電機及關聯整流器設計或相關保護器件的選擇提供了理論指導。

同步發電機 過電壓保護 滅磁

0 引言

在電機設計和器部件選型時，僅考慮正常運行工況下的正常狀態是不夠的，須考慮發電機出現極端故障時的情形。例如旋轉整流器是發電機無刷勵磁系統中的重要元件。由于經常處于高速旋轉狀態，并受到過電壓、過流等非正常因素的影響，在選擇旋轉整流器部件時，短路故障的電流峰值是一個重要的參考依據，同時也是設計或選擇相關保護器件的重要依據之一。

隨著同步發電機單機容量的增長，快速切除故障電流是電力系統穩定和安全運行的必要條件。當發電機關聯整流器裝置出現故障時，封鎖驅動脈沖，并快速切斷勵磁電流，會造成發電機輸出過電壓。本節將對發電機穩態運行下發生該故障時的過電壓進行計算，作為發電機定子繞組絕緣設計和整流器裝置設計的一個依據。

1 基于穩態運行的參數計算

1.1 發電機數學模型

如圖1所示，發電機電樞繞組交流側端口線電壓有效值Ur。端口相電壓有效值為，輸出電流有效值Irm。假設基波電壓與基波電流（電樞繞組）同相位，等效負載電阻。等效電路如圖2。其中

圖1 勵磁同步發電機組成

Ld_gen為發電機電樞繞組電感，Lfd_gen為發電機勵磁繞組對電樞繞組互感，Rs_gen為發電機定子電阻，其中Ifd_gen為所需要的發電機勵磁電流。

1.2 勵磁機數學模型

如圖3為勵磁機電樞繞組與發電機勵磁繞組的連接電氣圖，發電機勵磁繞組為感性負載。

圖3 勵磁機電樞繞組與發電機勵磁繞組連接

換相重疊角計算公式[2]：

根據公式（3）計算得到換相重疊角r=94°，根據判斷r大于60°。當換相重疊角r＞60°，同時存在一個換相延遲角 α，這時三相整流橋的工況類比于：換相重疊角r=60°，控制角(換相延遲角)α的三相不控整流。根據式(4)得到換相延遲角α=34°。

根據發電機勵磁繞組電流Ifd_gen求直流側電壓的直流分量（平均值）

同時

聯立上述表達式，可得交流側源電壓幅值：

對于勵磁機

其中Ifd_excit為求得勵磁機勵磁電流。

1.3 勵磁機電樞電流參數計算

根據上述分析，計算勵磁機電樞電流，在計算過程中需要考慮發電機負載，分析旋轉整流器的換相過程。

a）當 0°≤wt＜60°+(α-30°)，a相處于退出換相過程，b相處于進入換相過程。可得勵磁機輸出三相電流為：

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其中id0為直流側電流即發電機勵磁電流Ifd_gen。經過旋轉整流器后電壓為：

b）當 60°+(α-30°)≤wt＜120°+(α-30°)，c相處于退出換相過程，a相處于進入換相過程。可得勵磁機輸出三相電流為：

c）當 120°+(α-30°)≤wt＜180°+(α-30°)，b相處于退出換相過程，c相處于進入換相過程。可得

可得勵磁機輸出三相電流為：

同理可得 180°+(α-30°)≤wt＜240°+(α-30°)，240°+(α-30°)≤wt＜300°+(α-30°) 換 相 過 程 和300°+(α-30°)≤wt＜360°+(α-30°)時的勵磁機輸出三相電流。

2 整流器封脈沖勵磁機滅磁過程分析

在任意時刻，發電機繞組回路斷電，動調整流器裝置封脈沖，勵磁機緊急滅磁。計算該時刻前后的動態過程。

a）t=0-時刻，勵磁機電樞繞組與發電機勵磁繞組的連接電氣圖。

圖4 換向過程分區

0-時刻回路1磁鏈：

0-時刻回路2磁鏈：

t≥t0+時刻，磁鏈方程為

t=t0+與t=t0-時刻，回路1和回路2的磁鏈不變。

圖5 t=0-時刻電氣連接圖

由式(24)中上式得：

由式(24)下式得：

由式(25)和式(26)可知

圖6 t=0+時刻電氣連接圖

由式(29)中上下兩式相加可得：

b）t=0-時刻，勵磁機電樞繞組與主發勵磁繞組的連接電氣圖。

圖7 t=0-時刻電氣連接圖

t=0-時刻：ia＞0，ib＜0，ic＜0（以輸出功率作為正方向基準）。同理可得：

c）t=0-時刻，勵磁機電樞繞組與主發勵磁繞組的連接電氣圖。

t=0-時刻：ia＜0，ib＞0，ic＜0（以輸出功率作為正方向基準）。

綜上所述，在任意時刻主發突然卸載，勵磁機突然滅磁。

t=t0-與t=t0+時刻，根據勵磁守恒推出得：

t＞t0+：ifd所滿足的微分方程：

圖9 t=0-時刻電氣連接圖

3 試驗及其驗證

通過計算，得到穩態運行時的勵磁機電樞繞組電壓、電流如圖 11(a)、(b)所示，旋轉整流器直流側電壓如圖11(c)所示，在一個周期中任一時刻發生滅磁后的發電機最大輸出電壓如圖11(d)所示。當額定電壓為1260 V時，在不同時刻封脈沖過電壓值在1480～1495 V之間，比額定值高出17.5%～18.6%。

圖11 過電壓仿真波形

4 結論

通過滅磁仿真分析可知，當整流器在任何時候故障封脈沖，切斷勵磁電流，過電壓值不超過額定電壓的 1.2倍。發電機穩態運行下發生故障時的過電壓進行計算，作為發電機定子繞組絕緣設計和的一個依據。這時將會造成發電機定子過電壓過電壓保護整定值過高易導致定子過電壓和滅磁電流過大。

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Insulation Fault Diagnosis Research of Synchronous Generator Based on Feature Similarity

Rao Jin，Cui Xiaopeng, Xu Xinghua
（Naval Representatives Office in No. 461 Factory, Wuhan 430060, China）

In order to study the influence of generator and its associated equipment by set value of generator overvoltage protection during de-excitation process, through the excitation current obtained by generator port voltage and considering the generator inductance load, rotary rectifier commutation process is analyzed and excitation current, excitation magnetic potential and rotating rectifier DC side voltage expression are gotten. Based on the analysis of the brushless exciter and the generator, the transient process of the thyristor seal and the excitation of the exciter are given, which provides the theory for the selection of generator and associated rectifier design or related protection device.

synchronous generator; over-voltage protection; de-excitation

TM359

A

1003-4862（2017）10-0017-05

2017-07-14

國家自然科學基金（51077129），國家高技術研究發展計劃項目( 2010AA8091902)

饒金(1983-)，男，工程師，博士。研究方向：電氣工程。E-mail: 693648543@qq.com。