六相无刷励磁系统的电枢电流谐波分析研究

程 琳， 姚方方， 谢 驰， 张雅雯， 邬舒群， 钱 文

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051; 2. 国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽 合肥 230022;3. 四川大学锦城学院，四川 成都 611731; 4. 合肥财经职业学院，安徽 合肥 230601;5. 国网安徽省电力有限公司亳州供电公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

无刷同步发电机励磁系统的主励磁机是转枢式同步电机，与转子同轴旋转的励磁机电枢绕组感应出的交流电流经与主轴一起旋转的二极管整流后，直接送到主同步发电机的转子励磁绕组。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，减少了大量的维护工作，消除了因为电刷与集电环的机械性接触摩擦造成的噪声、火花和发热等不安全因素,因此无刷励磁系统在大容量的核电机组中得到了广泛的应用[1-2]。

无刷同步发电机都有一套旋转整流器,它是无刷励磁系统中的主要部件,能否准确、及时地检测它的故障,是提高无刷发电机运行可靠性的重要措施之一。因此,旋转整流器故障预警是无刷励磁系统中必不可少的环节[3]。文献[4]基于三相桥式整流电路的无刷励磁系统旋转整流器,对目前发电机励磁系统旋转整流器的监测方法进行了总结,并对各种方法的适用性进行了分析。国内外针对无刷励磁系统旋转整流器故障诊断方面做了很多的研究，但多数研究的重点放在三相无刷励磁系统和11相无刷励磁系统，而研究六相无刷励磁系统却很少[5-9]。

六相无刷励磁系统由于不仅具有可以降低大功率励磁系统对单个二极管的容量要求，还能提高整流电压的质量、改善励磁系统的容错性特点，因此已得到了广泛的应用。本文针对六相无刷励磁系统励磁机旋转整流器在正常运行和一臂开路故障情况下的电枢电流进行谐波分析,并在Matlab中Simulink的环境下进行了仿真。

1 旋转整流器正常运行时的理论分析

大容量的核电机组的转子励磁电流由无刷交流励磁机的电枢电流经过旋转整流器整流后提供。该旋转整流器所接的负载可以认为是一个大电感负载，其六相无刷励磁同步电机励磁系统接线图,如图1所示。

图1 六相无刷励磁系统接线图

由于交流励磁机的电枢绕组存在电抗，导致电枢电流不能突变，所以电枢电流是非正弦的，存在一个换相重叠角。电枢电流在一个周期内的表达式可以用分段函数表示，则交流励磁机的旋转整流器在正常运行时A相的电枢电流为

其中Id为负载电流。

从电枢电流的波形和公式可以看出，电枢电流是周期函数且满足狄利克雷定理，故可以对电枢电流进行傅里叶分解，得到的分解后的电枢电流为

从电枢电流的傅里叶分解可以看出，交流励磁机的旋转整流器在正常运行时电枢电流不含有直流分量和偶次谐波，仅含有奇次谐波，3次、5次和7次奇次谐波的含量最多，且谐波含量随着谐波次数的增加而降低。

2 旋转整流器故障时的理论分析

同旋转整流器正常运行时的分析方法一样，为了简化计算，同样忽略电枢绕组的电抗，认为电枢电流是正弦波形，则A相一臂开路故障时的电枢电流波形如图2所示。

图2 A相一臂开路时电枢电流波形

图2所示的电枢电流同样用分段函数表示，则交流励磁机的旋转整流器在一臂开路故障时A相的电枢电流为

由于电机转动，电枢电流具有周期性，并且满足狄利克雷定理，同样在一个周期内的表达式可以用傅里叶分解，为电枢电流角频率，得到：

从一臂开路故障时的电枢电流的傅里叶分解可以看出，交流励磁机的旋转整流器在一臂开路故障时电枢电流不仅含有奇次谐波，还出现了直流分量和偶次谐波，其中2次和4次谐波含量很多并且谐波含量随着谐波次数增加而降低。

3 旋转整流器正常和故障时的仿真

在Matlab中的Simulink环境下建立三相、六相无刷励磁系统的仿真模型，通过仿真分析旋转整流器在正常运行和故障时电枢电流的波形及谐波成分。图3和图4分别是三相、六相交流励磁机旋转整流器在正常运行时的电枢电流波形和谐波成分。图5和图6分别是三相、六相交流励磁机旋转整流器发生一臂开路故障时的电枢电流波形和谐波成分。

图3 三相旋转整流器正常时电枢电流波形和谐波

由图3～图6可以看出，在正常运行、一臂开路故障情况下，六相无刷励磁系统励磁机旋转整流器电枢电流的谐波次数和含量与三相无刷励磁系统励磁机旋转整流器的基本相同。出现不同的地方是在旋转整流器正常运行时，三相励磁系统中的电枢绕组是星型连接，故3次及3的倍数的谐波不存在，而对于六相励磁系统则是6次及6倍数的谐波不存在。但是总体的故障特征并没有改变，例如正常运行时奇次谐波含量较多、一臂开路故障时直流分量、基波和二次、四次谐波含量较多。

图4 六相旋转整流器正常时电枢电流波形和谐波

图5 三相旋转整流器一臂开路时电枢电流波形和谐波

图6 六相旋转整流器一臂开路时电枢电流波形和谐波

因此，在六相交流励磁机电枢侧出现不对称电流时会在定子侧感应出相应的谐波电流，可在六相交流励磁机定子侧进行谐波电流的成分分析，从而进行故障诊断与预警。

4 结束语

在六相无刷励磁系统励磁机正常运行和一臂开路故障情况下，对励磁系统电枢电流进行了谐波理论分析和仿真计算，得出仿真结果与理论分析一致。与三相无刷励磁系统进行了比较，得出六相无刷励磁系统的故障特征与三相无刷励磁系统相似，因此三相无刷励磁系统故障诊断模式可以用于六相无刷励磁系统故障诊断与预警。