旋转整流器的换相过程分析

孙 硕, 叶志浩，欧阳斌, 胡安琪



旋转整流器的换相过程分析

孙 硕, 叶志浩，欧阳斌, 胡安琪

（海军工程大学电气工程学院电力电子研究所，武汉 430033）

阐述了无刷励磁发电机的旋转整流器在正常工况下的工作原理和换相过程，根据换相电抗和负载电阻的关系将换相过程分类，并通过理论解析了旋转整流器在正常工况下的换相电流波形。通过仿真验证了理论分析的正确性，为无刷励磁发电机系统的相关研究提供一定的理论依据。

旋转整流器 换相过程 换相电抗 理论解析

0 引言

无刷励磁发电机采用与主发电机同轴的旋转电枢式励磁机励磁，励磁机电枢绕组产生的交流电流通过安装在同一转轴上的旋转整流器整流，输出直流电流供给主发电机的励磁绕组实现主发电机的励磁，构成了无刷励磁系统。旋转整流器是无刷励磁发电机的重要组成部分，取代了传统励磁机的集电环和电刷装置，提高了发电机的可靠性和运行效率。旋转整流器多为三相不控整流器，它的工作特性主要体现在换相过程分析上[1-3]。因为励磁机电枢绕组电阻和换相电抗存在，使旋转整流器的换相过程的理论解析较为复杂，现有的文献在涉及相关内容的研究中，如对旋转整流器的故障诊断、对励磁控制的算法等，[1]对换相过程少有详细的分析和计算，使相关研究缺少一定的理论依据，也难以保证研究的精确性[4]。本文在无刷励磁发电机稳态工作下，对旋转整流器在正常工况下的换相过程作详细的分类和分析，并通过仿真验证了理论分析的正确性，为旋转整流器的相关内容研究提供了重要的理论依据。

1 旋转整流器的工作模式

无刷励磁发电机励磁系统主要由励磁机和旋转整流器组成，主发电机的励磁绕组可等效为高感性负载，旋转整流器的等效电路模型可简化如图1 所示[5-7]。

旋转整流器根据导通二极管个数，可以分为三种不同的工作模式[6]，如图2：

1）导通运行模式：旋转整流器中有两只二极管同时导通，交流侧处于通路状态。

2）换相运行模式：旋转整流器中有三只二级管同时导通，交流侧处于通路状态。

3）短路运行模式：旋转整流器中有三只以上的二级管子导通，交流侧处于三相短路状态。

2 旋转整流器换相过程分类

无刷励磁发电机运行时，励磁机的励磁绕组和电枢绕组通过气隙磁场耦合产生换相电抗。换相电抗导致旋转整流器在换相过程中存在换相重叠角，根据换相重叠角范围和旋转整流器的运行模式，可以将换相过程分为三类[7]：

2.1第一种类型：导通模式+换相模式

2.2第二种类型：换相模式

增大第一类换相过程的换相电抗，则换相重叠角也随之增大。当换相重叠角增大至时，若仍无法完成换相，则换相过程会存在换相延迟角，使初始换相过程延迟一定角度，当换相延迟角时，换相重叠角仍为。与第一种类型的换相过程相比较，整流器只存在换相模式，不存在导通模式。换相过程中的导通二极管与第一种换相过程导通模式下的二极管完全一样。

2.3第三种类型：换相模式+短路模式

根据第二类的换相过程可知，若继续增大换相电抗，直至在换相延迟角仍没有完成一次换相过程，旋转整流器进入短路运行模式工作，直至换相结束后又立刻进入换相模式工作，并如此反复。换相周期为。换相过程的工作阶段和导通二极管如表2所示。

3 换相波形的理论解析

2）旋转整流器输出电流为直流电流。

3）旋转整流器在正常工况下工作，且发电机处于在稳态状态。

为便于求出不同类型的换相过程对应的换相电抗边界值，以第二种换过过程为例，解析求出换相电流表达式过程如下[7]：

负载直流电压的平均值可求得为：

又：

故可求出：

在旋转整流器正常运行工况下，根据三相电流的对称关系，可得出B、C相电流与A相电流波形相同，相位上分别超前和滞后。

4 仿真验证

同步发电机等效仿真模型可以用Simulink仿真库中的三相同步电机基本模型搭建，以三相同步电机基本模型为基础搭建旋转整流器等效电路仿真模型如图4：

可以看出仿真得到的波形与上文理论求出的波形表达式基本一致。对理论分析得到的波形解析方程和仿真得到的波形傅里叶变换，因主要包含低次谐波，所以取低次谐波做比较，谐波幅值大小如表4。通过比较可得旋转整流器正常运行工况下仿真得到的换相波形与理论求取的换相波形谐波含量相等，也验证了二极管断路状况下换相过程理论分析的正确性。

5 结论

本文阐述了旋转整理器的工作原理和工作特性，根据旋转整流器换相电抗与整流器直流负载的比值范围，将旋转整流器的换相过程分为三种不同类型。并以第二类换相过程为例，解析分析了旋转整流器在正常工况下的三相电流输入波形和输出电压和电流的表达式。建立了无刷励磁电机的仿真模型并验证了理论解析的正确性。通过对换相过程的理论解析，深化了对旋转整流器换相过程的认识，也为旋转整流器的二极管选型、旋转整流器的故障诊断和励磁机设计等相关研究工作提供了一定的理论依据。

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Analysis on the Commutation of the Rotating Rectifier

Sun Shuo，Ye Zhihao，Ouyang Bin, Hu Anqi

(Research Institute of Power Electronic Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

TM76

A

1003-4862（2015）01-0053-05

2014-08-16

国家973项目（2013CB035601）。

孙硕（1990-），男，硕士生。研究方向：电力集成。