无刷励磁系统灭磁发电机电压泵升分析

饶 金，崔小鹏，徐兴华

（武汉军事代表局驻四六一厂代表室，武汉 430033）

无刷励磁系统灭磁发电机电压泵升分析

饶 金，崔小鹏，徐兴华

（武汉军事代表局驻四六一厂代表室，武汉 430033）

为了研究发电机过电压保护设定值在灭磁过程中对发电机本体及其关联设备的影响，本文通过发电机端口电压得到发电机所需励磁电流，考虑发电机电感负载，分析了电机中旋转整流器的换相过程，得到励磁机励磁电流、励磁磁势及旋转整流直流侧电压表达式。在对无刷励磁机以及发电机的分析基础上，研究了发电机关联整流器晶闸管封脉冲，励磁机紧急灭磁的暂态过程，为发电机及关联整流器设计或相关保护器件的选择提供了理论指导。

同步发电机 过电压保护 灭磁

0 引言

在电机设计和器部件选型时，仅考虑正常运行工况下的正常状态是不够的，须考虑发电机出现极端故障时的情形。例如旋转整流器是发电机无刷励磁系统中的重要元件。由于经常处于高速旋转状态，并受到过电压、过流等非正常因素的影响，在选择旋转整流器部件时，短路故障的电流峰值是一个重要的参考依据，同时也是设计或选择相关保护器件的重要依据之一。

随着同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是电力系统稳定和安全运行的必要条件。当发电机关联整流器装置出现故障时，封锁驱动脉冲，并快速切断励磁电流，会造成发电机输出过电压。本节将对发电机稳态运行下发生该故障时的过电压进行计算，作为发电机定子绕组绝缘设计和整流器装置设计的一个依据。

1 基于稳态运行的参数计算

1.1 发电机数学模型

如图1所示，发电机电枢绕组交流侧端口线电压有效值Ur。端口相电压有效值为，输出电流有效值Irm。假设基波电压与基波电流（电枢绕组）同相位，等效负载电阻。等效电路如图2。其中

图1 励磁同步发电机组成

Ld_gen为发电机电枢绕组电感，Lfd_gen为发电机励磁绕组对电枢绕组互感，Rs_gen为发电机定子电阻，其中Ifd_gen为所需要的发电机励磁电流。

1.2 励磁机数学模型

如图3为励磁机电枢绕组与发电机励磁绕组的连接电气图，发电机励磁绕组为感性负载。

图3 励磁机电枢绕组与发电机励磁绕组连接

换相重叠角计算公式[2]：

根据公式（3）计算得到换相重叠角r=94°，根据判断r大于60°。当换相重叠角r＞60°，同时存在一个换相延迟角 α，这时三相整流桥的工况类比于：换相重叠角r=60°，控制角(换相延迟角)α的三相不控整流。根据式(4)得到换相延迟角α=34°。

根据发电机励磁绕组电流Ifd_gen求直流侧电压的直流分量（平均值）

同时

联立上述表达式，可得交流侧源电压幅值：

对于励磁机

其中Ifd_excit为求得励磁机励磁电流。

1.3 励磁机电枢电流参数计算

根据上述分析，计算励磁机电枢电流，在计算过程中需要考虑发电机负载，分析旋转整流器的换相过程。

a）当 0°≤wt＜60°+(α-30°)，a相处于退出换相过程，b相处于进入换相过程。可得励磁机输出三相电流为：

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其中id0为直流侧电流即发电机励磁电流Ifd_gen。经过旋转整流器后电压为：

b）当 60°+(α-30°)≤wt＜120°+(α-30°)，c相处于退出换相过程，a相处于进入换相过程。可得励磁机输出三相电流为：

c）当 120°+(α-30°)≤wt＜180°+(α-30°)，b相处于退出换相过程，c相处于进入换相过程。可得

可得励磁机输出三相电流为：

同理可得 180°+(α-30°)≤wt＜240°+(α-30°)，240°+(α-30°)≤wt＜300°+(α-30°) 换 相 过 程 和300°+(α-30°)≤wt＜360°+(α-30°)时的励磁机输出三相电流。

2 整流器封脉冲励磁机灭磁过程分析

在任意时刻，发电机绕组回路断电，动调整流器装置封脉冲，励磁机紧急灭磁。计算该时刻前后的动态过程。

a）t=0-时刻，励磁机电枢绕组与发电机励磁绕组的连接电气图。

图4 换向过程分区

0-时刻回路1磁链：

0-时刻回路2磁链：

t≥t0+时刻，磁链方程为

t=t0+与t=t0-时刻，回路1和回路2的磁链不变。

图5 t=0-时刻电气连接图

由式(24)中上式得：

由式(24)下式得：

由式(25)和式(26)可知

图6 t=0+时刻电气连接图

由式(29)中上下两式相加可得：

b）t=0-时刻，励磁机电枢绕组与主发励磁绕组的连接电气图。

图7 t=0-时刻电气连接图

t=0-时刻：ia＞0，ib＜0，ic＜0（以输出功率作为正方向基准）。同理可得：

c）t=0-时刻，励磁机电枢绕组与主发励磁绕组的连接电气图。

t=0-时刻：ia＜0，ib＞0，ic＜0（以输出功率作为正方向基准）。

综上所述，在任意时刻主发突然卸载，励磁机突然灭磁。

t=t0-与t=t0+时刻，根据励磁守恒推出得：

t＞t0+：ifd所满足的微分方程：

图9 t=0-时刻电气连接图

3 试验及其验证

通过计算，得到稳态运行时的励磁机电枢绕组电压、电流如图 11(a)、(b)所示，旋转整流器直流侧电压如图11(c)所示，在一个周期中任一时刻发生灭磁后的发电机最大输出电压如图11(d)所示。当额定电压为1260 V时，在不同时刻封脉冲过电压值在1480～1495 V之间，比额定值高出17.5%～18.6%。

图11 过电压仿真波形

4 结论

通过灭磁仿真分析可知，当整流器在任何时候故障封脉冲，切断励磁电流，过电压值不超过额定电压的 1.2倍。发电机稳态运行下发生故障时的过电压进行计算，作为发电机定子绕组绝缘设计和的一个依据。这时将会造成发电机定子过电压过电压保护整定值过高易导致定子过电压和灭磁电流过大。

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Insulation Fault Diagnosis Research of Synchronous Generator Based on Feature Similarity

Rao Jin，Cui Xiaopeng, Xu Xinghua
（Naval Representatives Office in No. 461 Factory, Wuhan 430060, China）

In order to study the influence of generator and its associated equipment by set value of generator overvoltage protection during de-excitation process, through the excitation current obtained by generator port voltage and considering the generator inductance load, rotary rectifier commutation process is analyzed and excitation current, excitation magnetic potential and rotating rectifier DC side voltage expression are gotten. Based on the analysis of the brushless exciter and the generator, the transient process of the thyristor seal and the excitation of the exciter are given, which provides the theory for the selection of generator and associated rectifier design or related protection device.

synchronous generator; over-voltage protection; de-excitation

TM359

A

1003-4862（2017）10-0017-05

2017-07-14

国家自然科学基金（51077129），国家高技术研究发展计划项目( 2010AA8091902)

饶金(1983-)，男，工程师，博士。研究方向：电气工程。E-mail: 693648543@qq.com。