中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流橋二極管開路故障的在線檢測方法

武玉才， 龐永林， 侯旭辰

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003; 2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

近年來，無刷勵磁技術(shù)發(fā)展迅速，中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組體積小、便攜帶、失磁故障少、抗無線電干擾能力強，在工業(yè)，船舶，國防中有大量應(yīng)用。無刷勵磁機的旋轉(zhuǎn)整流盤隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子長時間高速旋轉(zhuǎn)，整流二極管承受著巨大的離心力和電磁作用，二極管的損壞時有發(fā)生。整流二極管與電樞繞組直接相連，二極管的運行狀況直接影響電樞繞組的導(dǎo)通狀況及電樞磁場的分布，進(jìn)一步影響勵磁機能否正常穩(wěn)定運行。因此，對中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流橋二極管開路故障的在線檢測研究需求迫切，為其開發(fā)一種精確度高，穩(wěn)定性好的在線檢測方法具有重要現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在大型無刷勵磁機領(lǐng)域?qū)πD(zhuǎn)整流器的二極管故障研究較多，而對產(chǎn)量和保有量更為龐大的中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)二極管故障關(guān)注較少。針對大型無刷勵磁機旋轉(zhuǎn)二極管故障的研究，文獻(xiàn)[1-3]分析了二極管故障后電樞繞組電流及磁場變化，提出利用磁極繞組感應(yīng)的特定頻率諧波勵磁電流診斷勵磁機旋轉(zhuǎn)整流橋二極管故障；文獻(xiàn)[4-5]基于電樞繞組與整流橋的引線流過電流與二極管故障的關(guān)聯(lián)特征，分析了基于引線漏磁場特征的二極管故障檢測方法(DNC法)的原理、適用性及弊端；文獻(xiàn)[6]以勵磁機勵磁繞組感應(yīng)電壓為特征量，利用改進(jìn)反向選擇算法對勵磁機定子繞組感應(yīng)電勢特征諧波進(jìn)行分析計算，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)整流器二極管故障的在線診斷；文獻(xiàn)[7]介紹了氖指示燈頻率檢測法、DNC法和諧波電樞原理法的檢測原理，并對每種方法的適用性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[8]提出在勵磁機定子鐵軛磁極中分線處安裝U型線圈，利用U型線圈感應(yīng)電壓的轉(zhuǎn)頻分量診斷二極管開路故障；文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出在勵磁機定子鐵軛空間位置相差180°的位置處安裝2個U型線圈，根據(jù)2個U型線圈感應(yīng)電勢的差值情況診斷二極管開路故障；文獻(xiàn)[10]研究了旋轉(zhuǎn)二極管開路故障和短路故障情況下的發(fā)電機端電壓諧波特征，根據(jù)發(fā)電機端電壓頻譜中(4k-3)fr和6次諧波分量幅值區(qū)分二極管故障類型。與大型無刷勵磁發(fā)電機組相比，中小型無刷勵磁發(fā)電機組規(guī)模小，機組結(jié)構(gòu)也有很大差異，因此針對大型無刷勵磁機旋轉(zhuǎn)二極管故障的檢測方法在檢測中小型無刷勵磁發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)二極管故障時可能并不適用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)二極管發(fā)生故障后，故障信息通常在勵磁機定子電流、電樞磁場中表現(xiàn)出來，如果能將勵磁機定子鐵心中的磁場信息提取并加以利用，則可為檢測中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)二極管故障提供新的解決方案。因此，本研究依據(jù)中小型無刷勵磁發(fā)電機組體積小，質(zhì)量輕，便于組裝維護(hù)等特點，在勵磁機磁極中分線包繞柔性線圈，將二極管故障前后電樞磁場的變化特征作為二極管開路故障的判斷依據(jù)，利用柔性線圈感應(yīng)電勢中的轉(zhuǎn)頻分量在線檢測旋轉(zhuǎn)二極管開路故障。

本文結(jié)合中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組的電氣結(jié)構(gòu)特點，在勵磁機定子一對磁極中分線的鐵軛處包繞柔性線圈，分析論證了利用柔性線圈檢測中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流器二極管單管開路故障，研究過程具體包括以下幾步：首先，根據(jù)旋轉(zhuǎn)二極管在正常及故障情況下勵磁機電樞繞組的導(dǎo)通規(guī)律和電樞磁場的變化規(guī)律，確定旋轉(zhuǎn)二極管發(fā)生單管開路后的故障特征和故障判據(jù)。然后，通過有限元仿真軟件建立勵磁機的有限元仿真模型和場路耦合模型，提取垂直穿過柔性線圈的切向磁密，計算線圈的感應(yīng)電壓及其頻譜。最后搭建實驗平臺，通過故障模擬實驗完成實驗驗證。通過理論分析、仿真計算以及故障模擬實驗結(jié)果的一致性證明了柔性線圈可以用于對中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)二極管開路故障的在線檢測。

1 機組結(jié)構(gòu)及電樞繞組導(dǎo)通規(guī)律

本文以某電機廠的改造184B型6.8 kW無刷勵磁同步發(fā)電機組為研究對象，該機組的發(fā)電機和勵磁機為一體式結(jié)構(gòu)，見圖1，銘牌數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 樣機實物圖Fig.1 Physical map of the prototype

表1 樣機銘牌數(shù)據(jù)

機組原結(jié)構(gòu)為“勵磁機-旋轉(zhuǎn)整流盤-發(fā)電機”的左中右結(jié)構(gòu)，為了方便故障設(shè)置，對機組進(jìn)行改造，將整流盤移至端部，形成“旋轉(zhuǎn)整流盤-勵磁機-發(fā)電機”的結(jié)構(gòu)布局，機組改造前后的結(jié)構(gòu)布局對比圖如圖2所示。整流盤整流后的電流經(jīng)轉(zhuǎn)軸中心孔內(nèi)的導(dǎo)線傳回發(fā)電機側(cè)，供給勵磁繞組，機組電路原理圖如圖3所示。

圖2 機組改裝前后結(jié)構(gòu)對比圖Fig.2 Structure comparison chart before andafter unit modification

圖3 機組電路原理圖Fig.3 Unit circuit schematic

針對中小型無刷勵磁機，在安裝柔性線圈時，可以直接用單匝線圈包繞在定子一對磁極中分線位置的鐵軛上，即可截獲穿過定子鐵軛的磁通的變化，參見圖4。

圖4 柔性線圈安裝原理圖Fig.4 Schematic diagram of flexible coil installation

機組的勵磁機為旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機，其電樞繞組的連接方式為單層波形繞組，每相繞組有5個并聯(lián)支路，每個并聯(lián)支路占2個槽(每極每相槽數(shù)等于1)，轉(zhuǎn)子共有30個槽。每個支路的引出線與旋轉(zhuǎn)二極管直接相連，每個整流橋臂上具有正、負(fù)二極管各一個，旋轉(zhuǎn)整流盤上共有30個二極管，電樞繞組連接圖如圖5所示。

圖5 電樞繞組接線圖Fig.5 Armature winding wiring diagram

根據(jù)整流電路特征，任意時刻，當(dāng)某兩相電樞繞組感應(yīng)電勢差值達(dá)到最大，位于這兩相電樞繞組支路上的對應(yīng)半個橋臂的二極管就處于導(dǎo)通狀態(tài)，這兩相電樞繞組就處于導(dǎo)通狀態(tài)，另外一相電樞繞組處于關(guān)斷狀態(tài)。勵磁機電樞繞組的導(dǎo)通時序為：AB→AC→BC→BA→CA→CB，每一個導(dǎo)通時段導(dǎo)通60°電角度。

2 電樞磁場特征及柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜特征量提取

由于電樞繞組與旋轉(zhuǎn)二極管直接相連，在電樞繞組旋轉(zhuǎn)過程中，受旋轉(zhuǎn)二極管換相影響，電樞磁場發(fā)生變化。當(dāng)二極管全部正常時，電樞繞組每轉(zhuǎn)過一對磁極，二極管發(fā)生6次換相，在每一次換相結(jié)束后到下一次換相開始前，電樞磁場分布在導(dǎo)通相繞組的軸線上，見圖6，圖中上面2個子圖均為AB相導(dǎo)通的狀態(tài)，圖中箭頭表示主磁場的方向。待下一次換相開始后，電樞磁場隨電樞繞組發(fā)生60°空間電角度的瞬間移位。

由圖6可知，電樞每轉(zhuǎn)過一對磁極，電樞磁場有6次瞬間移位。進(jìn)行樣機實驗時利用A相第2條支路(A2)正半橋臂的二極管模擬故障(由于勵磁機電樞繞組在空間對稱，在進(jìn)行二極管故障模擬時可以選擇A、B、C三相任意相的任意支路中的二極管，故障二極管選取只影響電樞磁場空間的畸變位置，即磁勢增量的空間位置，選其他支路的二極管不會影響研究結(jié)論。本研究為方便實驗操作選擇A相第2條支路正半橋臂的二極管模擬故障)，為與實驗保持一致，理論分析以此二極管為研究對象，分別研究其在正常和故障情況下電樞磁場變化特征。當(dāng)二極管正常時，電樞繞組正常導(dǎo)通，電樞繞組的導(dǎo)通規(guī)律及對應(yīng)的電樞磁勢見圖7(圖7為A相正向?qū)〞r電樞電流及電樞磁勢分布情況，A相反向?qū)〞r的磁勢波形與正向?qū)〞r類似，只不過波形正反方向相反，不再列出)。

圖6 電樞磁場移位示意圖Fig.6 Schematic diagram of armature magnetic field shift

圖7 二極管正常時轉(zhuǎn)子各槽電流及電樞磁勢分布圖Fig.7 Distribution diagram of current in each slot of the rotor and armature magnetic potential under normal conditions of the diode

A2支路正半橋臂二極管開路后，在B、C相導(dǎo)通和A相反向?qū)〞r段，電樞繞組產(chǎn)生的磁場與二極管正常時無異。但當(dāng)涉及到A相正向?qū)〞r段，包括AB、AC導(dǎo)通時段，二極管開路導(dǎo)致A2支路以及本應(yīng)同時導(dǎo)通的B相或C相第二條支路無法導(dǎo)通，致使該時段內(nèi)整個第2條支路的電流全部為0，局部無電樞磁勢產(chǎn)生，A2支路正半橋臂二極管開路后電樞電流及電樞磁勢分布見圖8。從圖8可以看出，在AB導(dǎo)通時段，二極管開路導(dǎo)致整個A2支路無電樞磁勢產(chǎn)生，在AC導(dǎo)通時段，A2支路產(chǎn)生的電樞磁勢僅為反向磁勢。2個導(dǎo)通時段的增量磁勢見圖9。

圖8 A相正向?qū)〞r段電樞各槽電流及磁勢分布圖Fig.8 Distribution diagram of current in each slot of the rotor and armature magnetic potential during forward conduction period of phase A

圖9 電樞增量磁勢圖Fig.9 Armature incremental magnetic potential diagram

當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流盤中的二極管全部正常時，勵磁機內(nèi)部氣隙主磁場的變化主要由二極管換相時電樞磁場發(fā)生瞬間移位引起。電樞每轉(zhuǎn)過一對極，二極管發(fā)生6次換相，電樞磁場發(fā)生6次瞬間移位，柔性線圈中感應(yīng)6個等間隔的電壓脈沖。本文使用的樣機為5對極，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時間為0.04 s，則脈沖出現(xiàn)頻率為750 Hz。當(dāng)A2支路正半橋臂二極管發(fā)生開路故障后，勵磁機內(nèi)部氣隙磁場的變化主要由故障二極管產(chǎn)生的電樞增量磁勢引起。根據(jù)圖8和圖9，二極管開路故障導(dǎo)致在AB和AC導(dǎo)通時段電樞磁勢出現(xiàn)2個不同的磁勢增量，由于二極管換相過程連續(xù)，持續(xù)時間短，2個電樞磁勢增量將連續(xù)作用于主磁場，導(dǎo)致故障二極管所在支路附近的氣隙磁勢局部增強，當(dāng)A2支路掃過柔性線圈，柔性線圈中將感應(yīng)一個幅值較大的電壓脈沖，該脈沖的頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率相同，為25 Hz，由于該電壓脈沖是二極管正常時柔性線圈感應(yīng)電壓中沒有的，因此，可以將25 Hz諧波電壓作為判斷旋轉(zhuǎn)整流橋二極管發(fā)生單管開路故障的判據(jù)。

3 有限元仿真

實驗機組中無刷勵磁機的定子部分和轉(zhuǎn)子部分實物如圖10所示，根據(jù)勵磁機的實測結(jié)構(gòu)尺寸和電路參數(shù)，建立勵磁機的有限元仿真模型和場路耦合模型，如圖11所示。在勵磁機有限元模型中建立柔性線圈模型時，可以用勵磁機定子一對磁極的中分線這一路徑模擬柔性線圈，與該路徑垂直的磁通密度即為垂直穿過柔性線圈的磁通密度，通過對其提取并進(jìn)行微分就可得到柔性線圈的感應(yīng)電壓。

圖10 勵磁機實物圖Fig.10 Physical drawing of exciter

圖11 有限元仿真模型Fig.11 Finite element simulation model

根據(jù)二極管正常和故障情況下的氣隙主磁場，計算得到垂直穿過柔性線圈的切向磁通密度，對該磁通密度進(jìn)行微分計算得到兩種情況下柔性線圈的感應(yīng)電壓，對感應(yīng)電壓進(jìn)行傅里葉分解得到感應(yīng)電壓的頻譜。結(jié)果如圖12、13、14所示。

圖12 柔性線圈感應(yīng)電勢波形圖Fig.12 Induction potential waveform of magnetic field induction coil

從圖12可以看出，當(dāng)A2支路上半橋臂二極管開路后，柔性線圈感應(yīng)電壓波形發(fā)生明顯變化，在某一時刻出現(xiàn)幅值較大的脈沖。從頻譜圖13和圖14中可以看到，在二極管正常和發(fā)生開路故障兩種情況下750 Hz諧波分量最大，二極管正常時頻譜中25 Hz諧波分量幾乎為0，二極管開路后25 Hz諧波分量顯著增大，這與理論分析完全吻合，說明可以把25 Hz特征頻率作為旋轉(zhuǎn)二極管發(fā)生單管開路故障的故障判據(jù)。

圖13 二極管正常時柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜圖Fig.13 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil under normal diode conditions

圖14 二極管開路時柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜圖Fig.14 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

4 實驗驗證

實驗選擇一臺2對極異步電動機作為原動機拖動無刷勵磁發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機組發(fā)出的電能供給三相可調(diào)負(fù)載箱，這樣做的好處是僅同步速有極小的降低，但不影響實驗結(jié)果，并且降低了驅(qū)動設(shè)備造價、避免了并網(wǎng)的復(fù)雜操作過程。實驗操作平臺如圖15所示。

圖15 實驗操作平臺Fig.15 Experimental operation platform

機組運行穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)負(fù)載箱負(fù)載開關(guān)，讓機組分別運行在空載、帶1 kW負(fù)載和帶3 kW負(fù)載狀態(tài)下，觀察故障判據(jù)是否會受負(fù)載變化影響。實驗過程如下：

1)合上刀閘開關(guān)，待機組運行穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)負(fù)載箱輸出負(fù)載，使機組分別運行在空載、帶1 kW負(fù)載和帶3 kW狀態(tài)下，用數(shù)據(jù)采集儀采集對應(yīng)于3種負(fù)載情況下的柔性線圈感應(yīng)電勢數(shù)據(jù)。

2)模擬旋轉(zhuǎn)二極管單管開路故障，將無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流盤中A相第二條支路正半橋臂的二極管斷開，具體操作見圖16所示。故障模擬完成后，重新起動機組，當(dāng)機組穩(wěn)定運行后使機組再次運行在空載、帶1 kW負(fù)載和帶3 kW三種狀態(tài)下，采集二極管開路后對應(yīng)于3種負(fù)載情況下的柔性線圈感應(yīng)電勢數(shù)據(jù)。

圖16 二極管開路故障模擬圖Fig.16 Open-circuit fault simulation

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到A2支路正半橋臂二極管正常及開路時，機組在空載、帶1 kW負(fù)載和帶3 kW負(fù)載穩(wěn)態(tài)實驗中柔性線圈感應(yīng)電勢波形及頻譜圖，如圖17～圖20所示。

對比圖17和圖18可以看出，A2支路正半橋臂二極管開路后柔性線圈感應(yīng)電勢波形在轉(zhuǎn)子一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的某個時刻出現(xiàn)一個電壓脈沖，這與理論分析結(jié)果基本吻合。從圖19和圖20可以看到，旋轉(zhuǎn)二極管正常及開路時線圈感應(yīng)電勢頻譜中750 Hz諧波分量幅值最大，二極管正常時25 Hz諧波分量幅值較低，接近為0，當(dāng)A2支路正半橋臂二極管開路后25 Hz諧波分量幅值明顯增大，為明顯區(qū)分兩種狀態(tài)下頻譜中25 Hz特征頻率的變化情況，將各頻譜圖中低頻部分局部放大進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖21所示(圖中左側(cè)圖形為二極管正常時頻譜圖，右側(cè)圖形為二極管開路時頻譜圖)。

圖17 二極管正常時柔性線圈感應(yīng)電勢波形圖Fig.17 Induction potential waveform of magnetic field induction coil under normal diode conditions

圖18 二極管開路時柔性線圈感應(yīng)電勢波形Fig.18 Induction potential waveform of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

圖19 二極管正常時柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜圖Fig.19 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil under normal diode conditions

從圖21可以看出，當(dāng)A2支路正半橋臂二極管發(fā)生開路故障后，柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜中25 Hz諧波幅值顯著增高，變化較為明顯，這與理論分析和仿真結(jié)果相一致。此外，根據(jù)機組運行在空載、帶1 kW負(fù)載和帶3 kW負(fù)載狀態(tài)時柔性線圈感應(yīng)電勢波形及頻譜的實測結(jié)果說明二極管開路故障的判據(jù)不受負(fù)載變化影響，因此，可以使用柔性線圈判斷中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流橋二極管的單管開路故障。

圖20 二極管開路時柔性線圈感應(yīng)電勢頻譜圖Fig.20 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

圖21 二極管正常及開路時不同負(fù)載下特征頻率對比圖Fig.21 Characteristic frequency harmonic contrast diagram of diode under normal and fault conditions under different loads

5 結(jié) 論

本文研究了中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流橋二極管單管開路故障的磁場特征，通過在勵磁機定子鐵軛的磁極中分線包繞柔性線圈檢測旋轉(zhuǎn)整流橋二極管單管開路故障，得出以下結(jié)論：

1)無刷勵磁機的電樞磁場受旋轉(zhuǎn)整流橋二極管換相和故障狀態(tài)的影響。二極管正常時，受二極管換相影響，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極電樞磁場發(fā)生6次瞬間移位；二極管發(fā)生開路故障后，故障二極管所在支路附近電樞磁場局部降低，整個電樞磁勢可以等效為對稱電樞磁勢與磁勢增量之和。

2)無刷勵磁機旋轉(zhuǎn)整流橋二極管正常時，受磁場瞬間移位影響，柔性線圈的感應(yīng)電勢頻譜中含有750 Hz的諧波。電勢諧波頻率與無刷勵磁機的極對數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，對于不同極對數(shù)的無刷勵磁機，其諧波頻率f=6pn/60，p表示勵磁機極對數(shù)，n表示勵磁機轉(zhuǎn)速。

3)當(dāng)無刷勵磁機旋轉(zhuǎn)整流橋二極管發(fā)生開路故障后，電樞磁勢出現(xiàn)局部增量，氣隙磁場發(fā)生畸變，柔性線圈的感應(yīng)電勢頻譜中出現(xiàn)25 Hz轉(zhuǎn)頻分量，該分量取決于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，是旋轉(zhuǎn)二極管正常時不存在的分量，可以用來檢測旋轉(zhuǎn)二極管的單管開路故障。

4)柔性線圈安裝方便，對機組的正常運行沒有干擾，靈敏度和可靠性較高，可以實現(xiàn)對中小型無刷勵磁同步發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)整流橋二極管開路故障的在線檢測。