六相無刷勵磁系統(tǒng)的電樞電流諧波分析研究

程 琳， 姚方方， 謝 馳， 張雅雯， 鄔舒群， 錢 文

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051; 2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022;3. 四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731; 4. 合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230601;5. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的主勵磁機是轉(zhuǎn)樞式同步電機，與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的勵磁機電樞繞組感應(yīng)出的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的二極管整流后，直接送到主同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，減少了大量的維護工作，消除了因為電刷與集電環(huán)的機械性接觸摩擦造成的噪聲、火花和發(fā)熱等不安全因素,因此無刷勵磁系統(tǒng)在大容量的核電機組中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

無刷同步發(fā)電機都有一套旋轉(zhuǎn)整流器,它是無刷勵磁系統(tǒng)中的主要部件,能否準(zhǔn)確、及時地檢測它的故障,是提高無刷發(fā)電機運行可靠性的重要措施之一。因此,旋轉(zhuǎn)整流器故障預(yù)警是無刷勵磁系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)[3]。文獻[4]基于三相橋式整流電路的無刷勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器,對目前發(fā)電機勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器的監(jiān)測方法進行了總結(jié),并對各種方法的適用性進行了分析。國內(nèi)外針對無刷勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方面做了很多的研究，但多數(shù)研究的重點放在三相無刷勵磁系統(tǒng)和11相無刷勵磁系統(tǒng)，而研究六相無刷勵磁系統(tǒng)卻很少[5-9]。

六相無刷勵磁系統(tǒng)由于不僅具有可以降低大功率勵磁系統(tǒng)對單個二極管的容量要求，還能提高整流電壓的質(zhì)量、改善勵磁系統(tǒng)的容錯性特點，因此已得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對六相無刷勵磁系統(tǒng)勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器在正常運行和一臂開路故障情況下的電樞電流進行諧波分析,并在Matlab中Simulink的環(huán)境下進行了仿真。

1 旋轉(zhuǎn)整流器正常運行時的理論分析

大容量的核電機組的轉(zhuǎn)子勵磁電流由無刷交流勵磁機的電樞電流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流后提供。該旋轉(zhuǎn)整流器所接的負(fù)載可以認(rèn)為是一個大電感負(fù)載，其六相無刷勵磁同步電機勵磁系統(tǒng)接線圖,如圖1所示。

圖1 六相無刷勵磁系統(tǒng)接線圖

由于交流勵磁機的電樞繞組存在電抗，導(dǎo)致電樞電流不能突變，所以電樞電流是非正弦的，存在一個換相重疊角。電樞電流在一個周期內(nèi)的表達(dá)式可以用分段函數(shù)表示，則交流勵磁機的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運行時A相的電樞電流為

其中Id為負(fù)載電流。

從電樞電流的波形和公式可以看出，電樞電流是周期函數(shù)且滿足狄利克雷定理，故可以對電樞電流進行傅里葉分解，得到的分解后的電樞電流為

從電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵磁機的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運行時電樞電流不含有直流分量和偶次諧波，僅含有奇次諧波，3次、5次和7次奇次諧波的含量最多，且諧波含量隨著諧波次數(shù)的增加而降低。

2 旋轉(zhuǎn)整流器故障時的理論分析

同旋轉(zhuǎn)整流器正常運行時的分析方法一樣，為了簡化計算，同樣忽略電樞繞組的電抗，認(rèn)為電樞電流是正弦波形，則A相一臂開路故障時的電樞電流波形如圖2所示。

圖2 A相一臂開路時電樞電流波形

圖2所示的電樞電流同樣用分段函數(shù)表示，則交流勵磁機的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開路故障時A相的電樞電流為

由于電機轉(zhuǎn)動，電樞電流具有周期性，并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個周期內(nèi)的表達(dá)式可以用傅里葉分解，為電樞電流角頻率，得到：

從一臂開路故障時的電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵磁機的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開路故障時電樞電流不僅含有奇次諧波，還出現(xiàn)了直流分量和偶次諧波，其中2次和4次諧波含量很多并且諧波含量隨著諧波次數(shù)增加而降低。

3 旋轉(zhuǎn)整流器正常和故障時的仿真

在Matlab中的Simulink環(huán)境下建立三相、六相無刷勵磁系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真分析旋轉(zhuǎn)整流器在正常運行和故障時電樞電流的波形及諧波成分。圖3和圖4分別是三相、六相交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器在正常運行時的電樞電流波形和諧波成分。圖5和圖6分別是三相、六相交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生一臂開路故障時的電樞電流波形和諧波成分。

圖3 三相旋轉(zhuǎn)整流器正常時電樞電流波形和諧波

由圖3～圖6可以看出，在正常運行、一臂開路故障情況下，六相無刷勵磁系統(tǒng)勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器電樞電流的諧波次數(shù)和含量與三相無刷勵磁系統(tǒng)勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器的基本相同。出現(xiàn)不同的地方是在旋轉(zhuǎn)整流器正常運行時，三相勵磁系統(tǒng)中的電樞繞組是星型連接，故3次及3的倍數(shù)的諧波不存在，而對于六相勵磁系統(tǒng)則是6次及6倍數(shù)的諧波不存在。但是總體的故障特征并沒有改變，例如正常運行時奇次諧波含量較多、一臂開路故障時直流分量、基波和二次、四次諧波含量較多。

圖4 六相旋轉(zhuǎn)整流器正常時電樞電流波形和諧波

圖5 三相旋轉(zhuǎn)整流器一臂開路時電樞電流波形和諧波

圖6 六相旋轉(zhuǎn)整流器一臂開路時電樞電流波形和諧波

因此，在六相交流勵磁機電樞側(cè)出現(xiàn)不對稱電流時會在定子側(cè)感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電流，可在六相交流勵磁機定子側(cè)進行諧波電流的成分分析，從而進行故障診斷與預(yù)警。

4 結(jié)束語

在六相無刷勵磁系統(tǒng)勵磁機正常運行和一臂開路故障情況下，對勵磁系統(tǒng)電樞電流進行了諧波理論分析和仿真計算，得出仿真結(jié)果與理論分析一致。與三相無刷勵磁系統(tǒng)進行了比較，得出六相無刷勵磁系統(tǒng)的故障特征與三相無刷勵磁系統(tǒng)相似，因此三相無刷勵磁系統(tǒng)故障診斷模式可以用于六相無刷勵磁系統(tǒng)故障診斷與預(yù)警。