旋轉整流器故障在線診斷模塊設計

李江　丁繼成

摘 要：為保證無刷勵磁發電機的正常運行，提高發電模塊的壽命和可靠性，對旋轉整流器進行故障檢測是非常必要的。對此，借助MATLAB仿真軟件，對勵磁機勵磁電流的諧波成分進行仿真分析，并提出了采用數字電路和模擬電路這兩種在線、非侵入式的旋轉整流器故障檢測方案，實現了旋轉整流器故障在線診斷模塊，并展望了下一步工作。

關鍵詞：整流器；旋轉；勵磁系統；電路

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0101-02

隨著發電模塊單機容量大幅度的增加，發電模塊的壽命和可靠性顯得更為重要，而旋轉整流器是無刷勵磁系統（由旋轉整流器（功率二極管）、勵磁機、勵磁調節器等組成）中的重要環節，當遇到過電壓、過電流和其他非正常情況時，旋轉整流器中的功率二極管可能會出現開路或短路故障。當功率二極管開路時，勵磁調節器需要立即增加勵磁電流，來維持勵磁機的輸出，這就可能造成勵磁調節器過勵故障；當功率二極管短路時，有很高的電流流經勵磁機電樞，會導致勵磁機過熱甚至損壞。

為了保證無刷勵磁發電機的正常運行，提高發電模塊的壽命和可靠性，對旋轉整流器進行故障檢測是非常必要的。此外，在發電機運行時，無刷勵磁部分始終處于高速旋轉狀態，各種狀態信號難以直接獲取，使得旋轉整流器的在線故障檢測變得更加困難。因此，必須進行專題研究加以突破，研究出適合于艦用環境的、高可靠性的在線故障診斷模塊。

1 旋轉整流器

旋轉整流器是無刷勵磁同步電機的重要組成部分，它將與同步電機同軸的交流勵磁機發出的三相交流電整流成直流，為同步電機提供勵磁電源，實現同步電機的無刷勵磁。由于旋轉整流器是無刷同步電機內部唯一的電子器件，裝在電機轉軸上，當電機運行時，隨電機轉子一起旋轉，所以，它必須承受較大的離心力和一定的機械振動力；同時，還要承受元件整流所產生的熱應力。旋轉整流器失效，會導致同步電機不能正常運行，因此對旋轉整流器進行設計、對整流元件的性能進行選擇成為了無刷同步電機設計的一個關鍵環節。

2 仿真分析

根據同步發電機數學模型，應用MATLAB中的SimPower Systems庫的同步發電機的仿真模塊，它由一個包括阻尼繞組影響的6階狀態方程組來描述，可以較為精確地模擬勵磁機特性，并利用Powergui模塊進行諧波分析。

仿真結果如圖1所示，無刷勵磁系統在正常情況下，勵磁機勵磁電流除了直流分量外，還含有少量的6次諧波，其幅值約為直流分量的3.1%.該6次諧波由勵磁機電樞電流的基波電流產生的5次、7次諧波磁勢和5次、7次諧波電流產生的基波磁勢，通過氣隙在勵磁機勵磁繞組上感應而產生的。

旋轉整流器的故障初期表現為一管開路或一管短路。當一只功率二極管損壞后，勵磁機就處于不對稱運行狀態，每相電樞電流都含有大量不對稱的直流、基波、2次諧波和3次諧波等各次諧波分量；而三相電流的各次諧波分量又會在勵磁繞組上感應出相應的諧波分量。如果考慮到旋轉整流器的換相重疊角和發電機勵磁繞組阻抗角的影響，對故障情況下勵磁機勵磁電流的諧波分析則相當復雜。但利用無刷勵磁系統仿真模型進行故障情況下的仿真，可以簡捷、有效地得出諧波分析結果。

從圖1可以看出，一管開路時，勵磁機勵磁電流的2次諧波最大，約為直流分量的9.6%；1次諧波的幅值雖然比2次諧波小，但相差不大，約為直流分量的8.8%；6次諧波的幅值減小為直流分量的2.5%.一管短路時，勵磁機勵磁電流的1次諧波最大，約為直流分量的37.9%；2次諧波的幅值相對較小，約為直流分量的8.7%；6次諧波則減小到直流分量的0.4%.

分析上述數據可以得出以下兩點結論：①旋轉整流器發生故障后，1次諧波、2次諧波幅值增長明顯，6次諧波幅值減小；②當發生一管開路故障時，2次諧波幅值較大；而發生一管短路故障時，1次諧波幅值較大。

3 故障診斷模塊實現方案

通過以上內容可知，在旋轉整流器工作正常時，勵磁機勵磁電流中含高頻小幅紋波。當旋轉整流器出現一只管短路或開路時，勵磁機勵磁電流中含低頻大幅紋波，可以通過實時監測勵磁機勵磁電流中紋波的水平，來判斷旋轉二級管工作狀態；如果旋轉二級管故障，則輸出繼電器信號。該故障診斷模塊的實現有數字電路和模擬電路兩種方案。

3.1 數字電路方案

數字電路實現方案由基于TMS320F2812芯片的DSP最小系統、勵磁電流采樣電阻、信號調理、LED和繼電器等組成。通過采樣電阻、AD芯片采樣勵磁機勵磁電流，并用FFT軟件來計算勵磁電流中的諧波，根據其諧波大小，來判斷二級管的相應工作狀態，作出故障顯示和輸出繼電器信號。數字電路方案成本高、性能先進、通信性強，但開發難度大，開發周期較長。

3.2 模擬電路方案

模擬電路實現方案可由勵磁電流采樣電阻、濾波器、自動增益放大器、紋波放大器、LED和繼電器等組成。該方案通過采樣電阻采集勵磁機勵磁電流信號，通過濾波器、自動增益放大器、紋波放大器和精密整流器，來抽取旋轉整流器故障診斷用諧波。根據精密整流器輸出大小，來判斷旋轉二級管是否正常工作，并作出相應顯示和輸出繼電器信號。模擬電路方案成本低、性能一般，易于開發且開發周期短。

根據實際需求，考慮研制周期、模塊成本和開發難度等因素，本論文中故障診斷模塊采用模擬電路方案。

4 診斷方案設計

故障診斷模塊與發電機的連接如圖2所示，模塊與勵磁機勵磁繞組、勵磁調節器連接，通過實時監測勵磁機勵磁電流中紋波的水平來判斷其工作狀態。如果旋轉二級管故障，則輸出常開或常閉觸點信號。

故障診斷系統功能結構圖設計如圖3所示，并據此設計電路原路圖。各模塊設計方案如下：①輸入濾波器。采樣電阻R和發電機的勵磁機勵磁繞組相連，當發電機空載時，在采樣電阻上的電壓降經輸入濾波器放大為1 V；在發電機的各種負載情況時，該電壓的變化范圍為1～4 V。②自動增益放大器。由于輸入濾波器的輸出電壓范圍為1～4 V，相應的諧波也會變化，為了避免故障診斷模塊把這種電壓變化診斷為旋轉整流器故障，自動增益放大器根據信號變化自動調節放大器的信號偏置，來使監測電路檢測到的紋波為一固定幅度的信號。③紋波放大器。當旋轉整流器都正常工作時，磁場電流的紋波為小幅值高頻紋波； 當有二級管故障時，該紋波為大幅值低頻紋波（是二級管正常工作時的1/6～1/3）。因此，該紋波放大器起低頻高增益和高頻低增益放大的作用。同時，為了兼容不同的無刷勵磁發電機，該放大器提供了高頻增益的調節電位器，以備用戶調

節使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時限定時器。當二極管短路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器。立即驅動報警繼電器動作；當二極管開路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器延時一定時間后。驅動報警繼電器動作。⑥繼電器驅動。繼電器的驅動電路由晶體管等組成。⑦LED。自動增益放大器用于顯示勵磁機勵磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵磁電壓由脈沖組成，勵磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉二級管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經過濾波器，零點調節，AVR紋波放大器后，輸出信號到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結束語

本論文用MATLAB對勵磁機勵磁電流的諧波成分進行仿真研究，通過比較數字電路和模擬電路兩種方案，設計了模擬電路方案以檢測其諧波來實現旋轉二級管故障診斷，方案易于實現、成本低。在今后的研究中，還應該在現有MATLAB離線仿真模型的基礎上，建立在線仿真試驗平臺，用于故障診斷模塊的試驗和測試；同時，還可以利用小型發電機和二極管整流橋等試驗設備，來模擬旋轉整流器一管開路、一管短路等故障，以進行故障診斷模塊的動模試驗。

參考文獻

[1]龔春英，嚴仰光，胡寧麗.恒速運行時交流發電機勵磁系統電流線性放大器特性分析[J].南京航空航天大學學報，1994（02）.

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[4]李興源.交流勵磁機旋轉整流器故障檢測的新方法[J].電力系統自動化，1993（08）.

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[6]胡昌華，李國華，劉濤，等.基于MATLAB的系統分析與設計——小波分析[M].西安：西安電子科技學出版社，2004.

[7]劉念，蘇翼德，胡明正，等.無刷同步電機的交流勵磁機極間測量線圈磁場分析[J].東方電機，1995（04）.

〔編輯：李玨〕

節使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時限定時器。當二極管短路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器。立即驅動報警繼電器動作；當二極管開路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器延時一定時間后。驅動報警繼電器動作。⑥繼電器驅動。繼電器的驅動電路由晶體管等組成。⑦LED。自動增益放大器用于顯示勵磁機勵磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵磁電壓由脈沖組成，勵磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉二級管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經過濾波器，零點調節，AVR紋波放大器后，輸出信號到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結束語

本論文用MATLAB對勵磁機勵磁電流的諧波成分進行仿真研究，通過比較數字電路和模擬電路兩種方案，設計了模擬電路方案以檢測其諧波來實現旋轉二級管故障診斷，方案易于實現、成本低。在今后的研究中，還應該在現有MATLAB離線仿真模型的基礎上，建立在線仿真試驗平臺，用于故障診斷模塊的試驗和測試；同時，還可以利用小型發電機和二極管整流橋等試驗設備，來模擬旋轉整流器一管開路、一管短路等故障，以進行故障診斷模塊的動模試驗。

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〔編輯：李玨〕

節使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時限定時器。當二極管短路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器。立即驅動報警繼電器動作；當二極管開路故障時，精密整流器輸出的直流電壓經過反時限定時器延時一定時間后。驅動報警繼電器動作。⑥繼電器驅動。繼電器的驅動電路由晶體管等組成。⑦LED。自動增益放大器用于顯示勵磁機勵磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵磁電壓由脈沖組成，勵磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉二級管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經過濾波器，零點調節，AVR紋波放大器后，輸出信號到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結束語

本論文用MATLAB對勵磁機勵磁電流的諧波成分進行仿真研究，通過比較數字電路和模擬電路兩種方案，設計了模擬電路方案以檢測其諧波來實現旋轉二級管故障診斷，方案易于實現、成本低。在今后的研究中，還應該在現有MATLAB離線仿真模型的基礎上，建立在線仿真試驗平臺，用于故障診斷模塊的試驗和測試；同時，還可以利用小型發電機和二極管整流橋等試驗設備，來模擬旋轉整流器一管開路、一管短路等故障，以進行故障診斷模塊的動模試驗。

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〔編輯：李玨〕