電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)并聯(lián)橋短路故障的研究

陳志輝， 楊志浩， 謝淑玲

(南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016)

0 引言

隨著航空航天、軍用和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展，對電機(jī)系統(tǒng)的可靠性提出越來越高的要求［1－2］。為提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，容錯(cuò)電機(jī)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前對容錯(cuò)電機(jī)的研究主要集中在電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等幾個(gè)方面［3］。國內(nèi)外針對容錯(cuò)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)研究主要有開關(guān)磁阻電機(jī)和轉(zhuǎn)子永磁式容錯(cuò)電機(jī)［4－6］。永磁雙凸極電機(jī)(doubly salient permanent magnet motors，DSPM)結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與SRM類似，采用集中式繞組，保證相與相之間的磁路獨(dú)立性。文獻(xiàn)［7］結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)分析了 DSPM的容錯(cuò)特點(diǎn)，驗(yàn)證了DSPM電機(jī)作為一種新型容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)性能。

電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(doubly salient electromagnetic magnetic motor，DSEM)用勵(lì)磁繞組取代永磁體，可以借助調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)磁場特性。目前對雙凸極電機(jī)容錯(cuò)性能的研究主要集中在電動場合［8］。但是電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)通過二極管整流電路能輸出直流電，不需要復(fù)雜的變換器，可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)輸出電壓，可以作發(fā)電機(jī)使用。電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的拓?fù)渲饕虚_關(guān)磁阻發(fā)電方式(SRG)、雙凸極發(fā)電方式1(DSG1)、雙凸極發(fā)電方式2(DSG2)和并聯(lián)橋方式。SRG、DSG1、DSG2發(fā)電方式，工作時(shí)相與相之間相互聯(lián)系、相互影響，一旦某一相發(fā)生故障，會影響其他相正常工作。并聯(lián)橋方式，電樞繞組分別與單相整流橋相接，各相繞組電氣聯(lián)系較小，相繞組間沒有直接的機(jī)械和熱耦合，當(dāng)某一相發(fā)生故障，對其他相影響很小。文獻(xiàn)［9－10］通過仿真分析了五相電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的容錯(cuò)特性，但沒有結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)論。

并聯(lián)橋發(fā)電方式下，相繞組發(fā)生開路故障，相當(dāng)于一相繞組切除，電機(jī)實(shí)際只有三相繞組發(fā)電，類似三相電機(jī)，對電機(jī)輸出特性有一定影響，但不會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。當(dāng)發(fā)生短路故障，短路電流很大，導(dǎo)致發(fā)熱，磁鏈、電感等電氣參數(shù)變化嚴(yán)重，對系統(tǒng)影響較大，亦能反應(yīng)出電機(jī)的容錯(cuò)能力。本文以一臺1kW四相8/6極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)為樣機(jī)，針對并聯(lián)橋發(fā)電方式的幾種短路故障進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，分析短路故障對電機(jī)系統(tǒng)的影響。

1 四相DSEM結(jié)構(gòu)

四相DSEM樣機(jī)為8/6極結(jié)構(gòu)，電機(jī)截面圖如圖1所示，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電樞繞組相序如圖所示。表1為電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 8/6電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)截面Fig.1 Cross-section of 8/6 DSEM

表1 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structure parameters of DSEM

2 并聯(lián)橋短路故障分析

以發(fā)電機(jī)的A相為例，相磁鏈ψa為A相電感、勵(lì)磁電流和A相電樞電流的函數(shù)，相電感包括相自感和相間互感，其中相繞組間的互感相對于其自感而言非常小，因此可將B、C兩相交鏈到A相的磁鏈忽略不計(jì)。當(dāng)磁路未深度飽和時(shí)，A相磁鏈可表示為兩部分，即勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁鏈ψf和電樞電流產(chǎn)生的磁鏈ψr，其表達(dá)式為

式中:磁鏈ψf為空載磁鏈;La為A相自感;ia為A相電流。A相反電勢ea及整流后電壓ua的表達(dá)式為

式中:ra為A相等效電阻;Δu為回路二極管壓降。

并聯(lián)橋發(fā)電方式，電樞繞組分別與單相整流橋相接，整流橋輸出端并聯(lián)，適合于大電流輸出場合。相繞組的感應(yīng)相電勢正負(fù)半周均經(jīng)整流橋向負(fù)載發(fā)電，輸出電壓uO可以表示為

研究的并聯(lián)橋發(fā)電方式短路故障有相繞組端部短路、前橋上管短路和前橋下管短路，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)橋正常和故障電路Fig.2 Normal and fault circuits of parallel bridge

2.1 相繞組端部短路

電機(jī)繞組短路故障，主要指繞組的匝間短路，即當(dāng)電機(jī)某一相的部分繞組由于絕緣失效等原因，使得電機(jī)內(nèi)繞組匝數(shù)產(chǎn)生變化，從而引起電機(jī)特性的變化。本文研究一相繞組端部短路，即該相全部匝數(shù)繞組被短路。

2.1.1 空載特性

圖3是n=240 r/min時(shí)正常工作和相繞組端部短路時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)空載特性曲線。

圖3 正常工作和端部短路的空載特性Fig.3 Characteristics of no-load

隨著勵(lì)磁電流增大，磁場逐漸飽和，相繞組端部短路時(shí)空載輸出電壓相比正常情況有明顯的減小，大約為正常輸出電壓的88%，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)和仿真空載特性曲線變化趨勢一致，但由于實(shí)驗(yàn)條件的非理想，勵(lì)磁電流存在波動，二極管存在壓降，相繞組內(nèi)阻存在壓降及線路壓降，實(shí)驗(yàn)曲線低于仿真曲線。

圖4(a)、圖4(b)分別是勵(lì)磁電流10 A、轉(zhuǎn)速240 r/min時(shí)正常情況和A相短路時(shí)相電壓和輸出電壓仿真波形。

圖4 正常工作和端部短路的相電壓和輸出電壓Fig.4 Waveforms of phase-voltage and output voltage

圖5 故障相電流Fig.5 Simulation waveform of fault-phase current

繞組端部短路時(shí)，故障相相電壓沒有接入整流電路，根據(jù)式(4)，輸出電壓在一個(gè)電周期內(nèi)會產(chǎn)生兩個(gè)較大的電壓落差，脈動增大，導(dǎo)致平均輸出電壓略微下降。電機(jī)正常工作在空載時(shí)各相電流為零，輸出電流也為零。電機(jī)發(fā)生相繞組端部短路故障時(shí)，故障相相電壓作用在自身繞組上，相電流在自身繞組回路內(nèi)流動，由于相繞組內(nèi)阻很小，因此電流很大，如圖5所示，短路電流的電樞反應(yīng)對磁鏈的影響進(jìn)而導(dǎo)致相電壓變化，由圖4(b)發(fā)現(xiàn)，故障相相電壓由于短路電流電樞反應(yīng)的影響，明顯比其他正常相低。

圖6是勵(lì)磁電流10 A、轉(zhuǎn)速240 r/min時(shí)A相繞組短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。

圖6 A相端部短路的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms of fault-phase

A相繞組端部短路，獨(dú)自構(gòu)成回路，不經(jīng)過整流橋，因此A相電壓的缺失導(dǎo)致輸出電壓在一個(gè)電周期存在兩個(gè)跌落，與仿真分析一致。

2.1.2 負(fù)載特性

電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)帶載發(fā)電，故障多發(fā)生于帶載運(yùn)行，研究電機(jī)的帶載故障狀態(tài)更能說明故障對電機(jī)的影響。

帶載同空載一樣，故障相不接入整流電路，不給負(fù)載供電，實(shí)際上其他三相繞組在整流發(fā)電。圖7是轉(zhuǎn)速240 r/min、厲磁電流5 A下正常和相繞組短路時(shí)的外特性曲線，相繞組短路時(shí)輸出特性略低于四相正常，在負(fù)載電流小于12 A時(shí)仍有較好的發(fā)電能力。

圖7 正常和端部短路的外特性曲線比較Fig.7 Curves of external characteristics

圖8(a)、圖8(b)分別是勵(lì)磁電流5 A、轉(zhuǎn)速240 r/min，負(fù)載10 Ω時(shí)正常情況和相繞組端部短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。A相繞組短路時(shí)，A相回路電流很大;短路故障的輸出電壓因?yàn)锳相電壓的缺失在一個(gè)電周期存在兩個(gè)跌落，與分析一致。

圖8 正常和端部短路的實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms

2.2 二極管短路

并聯(lián)單相橋發(fā)電方式二極管短路故障有多種，根據(jù)二極管短路數(shù)量有單管短路、雙管短路和多管短路。一相橋有四個(gè)二極管，每一個(gè)二極管短路情況都不一樣，單管短路又有4種情況，鑒于故障情況的多樣性，選取前橋上管短路和下管短路故障進(jìn)行分析。

2.2.1 空載特性

圖9為上管短路和下管短路在不同勵(lì)磁下地空載特性，空載情況相電流為零，無電樞反應(yīng)，上管短路、下管短路與四相正常空載特性一樣。

圖9 上管、下管短路的空載特性Fig.9 No-load characteristics of diode short

2.2.2 負(fù)載特性

雙凸極電機(jī)負(fù)載狀態(tài)下的電樞反應(yīng)影響電機(jī)的發(fā)電特性，為了精確分析并聯(lián)單相橋方式單管短路故障的工作過程，對電機(jī)帶載特性進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析。

上管短路的工作模態(tài)如圖10所示。

圖10 上管短路工作模態(tài)Fig.10 Operating mode of upper diode short circuit

a)階段，轉(zhuǎn)子極滑出故障相對應(yīng)的定子極，磁鏈下降，相電勢為正，經(jīng)D4整流發(fā)電。

b)階段，轉(zhuǎn)子極滑入故障相對應(yīng)的定子極，磁鏈上升，相電勢為負(fù)，但是經(jīng)D3短路，不發(fā)電。相比單相橋正常工作，該相電流更大，電樞反應(yīng)去磁效果更嚴(yán)重，降低磁鏈最大值。

下管短路的工作模態(tài)如圖11所示。

圖11 下管短路工作模態(tài)Fig.11 Operating mode of lower diode short circuit

a)階段，轉(zhuǎn)子極滑出故障相對應(yīng)的定子極，磁鏈下降，相電勢為正，但是經(jīng)D4短路，不發(fā)電。相比單相橋正常工作，該相電流更大，電樞反應(yīng)增磁效果更好，提高磁鏈最小值。

b)階段，轉(zhuǎn)子極滑入故障相對應(yīng)的定子極，磁鏈上升，相電勢為負(fù)，經(jīng)D3整流發(fā)電。

圖12(a)、12(b)分別為勵(lì)磁電流3A、負(fù)載16Ω時(shí)并聯(lián)單相橋A相上管短路和下管短路的參數(shù)仿真波形。

由圖可知，兩種短路故障的故障相A相與正常相B相相比，故障相電樞反應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致磁鏈發(fā)生明顯變化，進(jìn)而使相電壓變化。相同條件下，上管短路與下管短路相比，兩者帶載發(fā)電的輸出特性一致，但是故障相特性差別很大，下管短路故障相短路電流值更大，更危險(xiǎn)。正常發(fā)電，傳動軸轉(zhuǎn)矩為負(fù)。和正常工作相比，兩種故障的傳動軸轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化:上管短路，故障相經(jīng)二極管短路區(qū)間不發(fā)電，傳動軸的轉(zhuǎn)矩為正，造成轉(zhuǎn)矩脈動變大，但由于短路電流最大值和其他正常相電流最大值接近，最大轉(zhuǎn)矩絕對值略微增大;下管短路，短路區(qū)間不發(fā)電，對應(yīng)區(qū)間轉(zhuǎn)矩為正，由于短路電流很大，造成轉(zhuǎn)矩絕對值很大，對傳動抽損害較大。總之，下管短路故障比上管短路故障對電機(jī)影響更嚴(yán)重，在工作過程中更應(yīng)注意。

圖12 上管、下管短路的參數(shù)波形Fig.12 Simulation waveforms of diode short

圖13(a)、13(b)分別是負(fù)載為16.7 Ω，勵(lì)磁電流為3 A的上管短路和下管短路的實(shí)驗(yàn)波形，與仿真波形比較吻合。

圖13 二極管短路實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms of diode short

四相正常、上管短路和下管短路在勵(lì)磁電流3 A、轉(zhuǎn)速240 r/min下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出上管短路和下管短路的外特性曲線，如圖14，兩種短路情況下的外特性曲線基本重合，略低于四相正常情況，仍有較好的發(fā)電能力。

圖14 外特性曲線Fig.14 Curves of external characteristics

表2 二極管短路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of diode short circuit

3 結(jié)論

本文討論了四相電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)在并聯(lián)橋發(fā)電時(shí)的幾種較嚴(yán)重的短路故障情況，分析了發(fā)電機(jī)在故障時(shí)的特性，得到以下結(jié)論:

1)相繞組端部短路，空載時(shí)故障相自身構(gòu)成回路，不接入整流橋，輸出電壓略低于四相正常;上管短路或下管短路，空載時(shí)沒有電樞反應(yīng)的影響，輸出電壓和正常時(shí)一致。

2)相繞組端部短路，帶載同空載一樣，故障相不接入整流電路，不給負(fù)載供電，實(shí)際上其他三相繞組在整流發(fā)電，輸出特性略低于四相正常，仍有較好的發(fā)電能力;上管短路或下管短路，帶載時(shí)由于二極管短路存在短路區(qū)間，短路電流的電樞反應(yīng)對發(fā)電特性有一定影響，輸出特性有所下降，但仍有較好的發(fā)電能力。

3)上管短路和下管短路的短路區(qū)間不同，電樞反應(yīng)對磁鏈的影響不同，導(dǎo)致對發(fā)電特性的影響也不同。相比上管短路，相同條件時(shí)下管短路電流更大，轉(zhuǎn)矩脈動更大，轉(zhuǎn)矩值更大，對電機(jī)影響更嚴(yán)重，在工作過程中更應(yīng)引起注意，以免對電機(jī)造成損壞。

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