旋转二极管故障检测新技术在无刷励磁机上的应用分析

1、浙江大学硕士学位论文旋转二极管故障检测新技术在无刷励磁机上的应用分析姓名：朱晓瑾申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：潘再平；牟文彪20110913浙江人学顺：学位论文摘受摘要旋转整流桥是无刷励磁系统的关键设备，但是对旋转整流元件故障监测的困难是制约这种励磁方式发展的障碍之一。因此，旋转整流器故障在线故障诊断技术研究具有十分重要的现实意义，有着良好的工程应用前景。本文首先简要介绍了某电厂发电机组上使用的的旋转二极管非导通检测系统（）的概况，阐述旋转二极管故障检测新技术的工程应用研究的背景和重要意义。以某电厂无刷励磁机为研究对象，从理论角度分析了旋转二极管正常和故障情况下的电枢电流波形和励磁

2、绕组感应电势谐波，给出了波形的特征规律，与旋转整流器正常以及几种典型故障情况下的仿真结果对比完全一致。在此基础上，提出了基于励磁电流频谱分析的故障诊断方法。从硬件组成、软件原理和主要功能三个方面，详细介绍了基于励磁电流频谱分析的旋转二极管故障检测装置总体设计。该装置在某厂发电机组配套无刷励磁机进行了工程应用和试验，对试验数据进行了详细分析，验证了使用该装置能够准确判断旋转整流器的正常状态、一相开路和两相开路故障，性能优于现有检测系统，为机组的安全运行提供技术保障。关键词：无刷励磁旋转整流器故障诊断应用，（），：致谢在攻读工程硕士的三年里，我的点滴进步离不开老师的悉心指导、单位领导的全力支持和同

3、事的热情帮助。在此，向所有关心、指导和帮助过我的老师、领导和同事们致以最诚挚的谢意！我的校内导师潘再平教授无论在专业知识还是学术研究方法方面都给予我毫无保留的指导。在论文的研究过程中，潘老师在研究方向和关键问题上给我悉心的指点和有益的启发，使我少走很多弯路，达到事半功倍的效果。在论文的撰写过程中，潘老师仔细审阅文章的每一部分，对论文的结构、内容以及行文等各方面，都提出了很多建设性的修改意见，从而保证了论文的质量。潘老师审稿之细，是我没有料到的。由此深刻体会到，做学问必须严谨，一个符号都不能马虎。潘老师渊博的专业知识、严谨的治学态度和孜孜不倦的工作精神给我留下了深刻的印象，非常值得我学习。牟文彪

4、作为我的企业导师和单位领导，对我的影响亦是极为深刻。他在专业上的眼界非常开阔，十分善于组织团队进行协作，在研究工作遇到障碍时总能提出许多有价值的解决思路和建设性意见，使我在论文研究中受益匪浅。另外，在我攻读工程硕士的几年中，他自始至终给了我非常大的帮助和支持，使我有决心和毅力克服困难，做到了工作和学习两不误。感谢南瑞继保的刘为群、吴龙、牟伟等的真诚合作，共同讨论和解决了研究过程中的诸多问题，使课题得以顺利推进。感谢台州发电厂继保班各位同事在设备安装、试验、试运行研究中的支持和帮助。家人的默默支持，更不是语言所能报答的。朱晓瑾年月日第一章绪论本章说明了研究旋转二极管故障检测的现实意义，介绍国内外

5、在该领域研究和应用的现状，并对本文的目的、主要工作和内容作简要的阐述。研究旋转二极管故障检测的意义大容量发电机组的效率高、污染低、能耗低，成为今后的主流机型。随着发电机单机容量的增大，转子电流大大增加，有刷励磁系统的转子滑环需要通过大电流，会引起严重的发热问题和电刷磨损问题，从而使滑环成为系统中的薄弱环节。无刷励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，同样装在发电机轴上的旋转二极管整流将励磁机电枢绕组内的交流电转变为直流电输出，实现对发电机的励磁，非常适用于大容量机组。无刷励磁方式取消了静止励磁方式中的碳刷和滑环等转动接触元件，结构紧凑，不存在滑动接触导致的发热和磨损问题，也消除了碳粉、铜末引起的电

6、机绕组污染问题，可延长绝缘的使用寿命，不易产生火花，在大中型机组或工矿环境复杂的中小机组励磁中存在优势。但是由于旋转二极管整流装置处于高速转动状态，对其电压、电流等电气量不能直接测量，故不能采取常规的直接测量手段对其实现监测，旋转二极管的监视与保护比较困难。该问题一直阻碍着无刷励磁技术的发展。因此如何有效实现对旋转整流装置的监视与保护一直是无刷励磁技术发展中必须致力于解决的问题。旋转二极管故障诊断技术的研究现状开展旋转整流器故障在线故障诊断技术研究具有十分重要的现实意义，有着良好的工程应用前景，前辈们作了很多研究工作。目前国内外实现旋转二极管故障检测的主要技术方案有以下几种：一、在励磁机定子励

7、磁绕组与旋转电枢绕组极问加装感应电势探测线圈。旋转整流器在正常及故障运行情况下，均会在探测线圈中产生相应谐波次数及幅值的感应电势，通过对探测线圈感应电势信号的分析处理，识别旋转整流器处于正常或故障状态。但是探测线圈需嵌放在励磁机的内部，甚至需对励磁机进行改造。在安装探测线圈时，会比较困难，工艺要求较高，故在实际应用中较少采用。二、直接采用交流励磁机的定子励磁绕组作为探测线圈，其优点是省去了设计、安装和维护探测线圈的工作，而且便于现场采集信号数据，同时信号量较强，含转子故障信息量大。但由于励磁磁极铁心饱和影响，使信号具有一定的失真度，即出现模糊现象，难以实现旋转整流器的故障分类识别，该方法在实际

8、中也较少采用“引。三、国外机组旋转二极管非导通检测系统，存在维护工作量较大，设备更新价格昂贵，传感器长期运行有波形劣化畸变误发信号的可能。四、基于励磁机励磁电流频谱的旋转整流器故障特征识别方法，直接采集励磁机励磁电流，通过对旋转整流器不同工作状态下励磁电流频谱分布特征识别旋转整流器故障状态，此方法诊断结果准确、可靠。从方法实现上来看，不需对励磁机进行改造，只需提取出励磁电流的频谱特征即可。但是励磁电流中含有很大的直流分量，在正常运行时，高次谐波同直流分量的比值很小。当采取此方法进行故障诊断，对信号隔直采集处理等检测方法需细致研究。副。国内的旋转整流器故障在线故障诊断技术研究大部分以三相全波整流

9、桥为研究对象。但随着电力工业的发展，各种类型电机的单机容量日益增长，励磁电压和功率随之增大。实现大功率励磁对单个二极管的功率提出了更高的要求。为了降低单个整流管的负载，通常采用的方法是在三相整流桥臂上用多个二极管并联代替所需要的大容量二极管，但是这种电路对二极管的参数要求特别高。而多相整流不但可以减轻二极管的负载、降低二极管的容量，并且还有提高整流电压直流程度、大幅度减小电压纹波系数等优点。但多相无刷励磁机整流二极管换相频繁，过渡过程较为剧烈，这对旋转整流二极管的保护提出了新的要求。旋转整流元件故障诊断技术的研究经过多年的发展已达到一定水平，但目前仍存在一些问题，如：偏重理论分析、检测元件要求

10、高、工程实践少等，有待于新的技术升级。研究的背景台州发电厂、发电机系北重汽轮发电责任有限公司与法国阿尔斯通公司（）合作生产的发电机组。发电机励磁系统采用两机无刷励磁系统，由型相旋转二极管无刷励磁机、励磁电源变压器，数字励磁调节装置、功率柜组成。型旋转二极管无刷励磁机系相无刷励磁机，其转子同轴安装在发电机转子上，励磁机定子安装在发电机端盖上。由发电机机端的励磁变压器降压经励磁调节柜（）整流转换成可调节的直流电流供给励磁机定子的励磁电流；由励磁机转子发出的交流电流经旋转整流二极管整流后变为直流电流供给发电机转子励磁电流。孝、无刷励磁机原采用的旋转二极管非导通检测系统（）对旋转整流装置进行监视与保护

11、。该系统组成如图所示。安装在励磁机内定子侧的三个霍尔传感探头对流过旋转二极管支路的电流进行检测。这三个霍尔传感探头的捕获的信号经整形、放大、同步、比较后，按“三取二”的逻辑进行故障判断，两个以上的通道判断为相同类型的故障，经延时发出报警信号或出口跳闸。当发生一相二极管开路故障时，检测系统发出报警信号，两相二极管开路故障时出口跳机。相故障报警跳闸图系统不葸图（）霍尔传感探头（）整形器（）计数器（）比较器系统的检测方法较直接，但是机组长期运行时励磁机内部温度较高，对安装于其间的霍尔传感器的测量性能要求较高；励磁机端部振动较大，对检测通道的二次接线要求也较高。从长期的运行经验来看，的薄弱环节在于传感

12、器。投运时间较长的传感器输出信号波形会逐渐劣化畸变，我厂已多次发生因此造成的装置报警或误动。由于传感器安装在励磁机内部，在机组运行期间无法对其进行更换处理。目前采取的措施是另外再购买一套控制板卡，将“三取二”的逻辑改为“三取三”进行故障判断。因此有必要定期的对传感探头进行动态情况下的输出波形分析，以便及时发现和更换有波形劣化畸变趋势的传感器，防止检测系统误判。传感器探头的接头处有油污渗入时也会影响传感器输出信号质量，这也对传感器的维护检修提出较高的要求。并且，霍尔传感器的安装十分精密，间隙很小，在励磁机检修安装中，需要对传感器探头非常小心，否则在转子拉出和推进过程中很容易碰撞损坏探头。此外，进

13、口备品备件的价格昂贵，供货周期长，维护成本居高不下。浙江人学硕：学位论文第一章绪论鉴于该检测系统在运行中暴露的诸多问题，拟对此系统进行改造。年浙江省能源集团有限公司将旋转二极管故障检测技术在台州电厂十一相无刷整流机组上的应用研究列为年度科技项目。本课题结合该科技项目，研究旋转二极管故障检测技术的设计及工程应用。研究的内容和主要工作本文的研究工作是结合台州发电厂承担的浙江省能源集团公司年度科技项目“旋转二极管故障检测技术在台州电厂十一相无刷整流机组上的应用研究”进行的。具体来说是以多相无刷励磁同步发电机及其整流电路作为研究对象，对其旋转整流器故障诊断进行理论分析和仿真实验，提出基于励磁电流频谱分

14、析的故障诊断方法，并在台州发电厂、机相无刷励磁发电机组上进行工程应用研究。因此，本文的工作具有较强的实践性和工程性。本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容：（）编制旋转整流器故障检测的技术规范。从对台州发电厂、机原有检测系统状况的评估和目前这一领域的研究现状入手，研究和编制旋转整流器故障检测的技术规范。（）从理论上对旋转整流器正常运行和故障时励磁绕组感应电势谐波作定性分析。以旋转整流器正常运行以及故障运行情况下的多相励磁机电枢电流的波形分析为基础，对励磁绕组感应电势的进行谐波分析。（）采用多回路分析方法，建立多相无刷励磁机及旋转整流系统的数学模型及仿真分析。根据多回路理论计算方法的要求，结合

15、多相无刷励磁机及其旋转整流系统的组成结构及运行工况，计算各个线圈之间的自感系数及互感系数，建立多相无刷励磁机及旋转整流系统数学模型，并以此为基础，对多相无刷励磁机及旋转整流系统在正常以及旋转整流器故障情况下的进行仿真，并将仿真计算结果与第二章中电机理论分析结果相比照，为多相无刷励磁机旋转整流器的故障诊断提供依据。（）基于励磁电流频谱的旋转二极管故障检测的方法研究。根据多回路理论的计算结果及电机理论的分析结果，确定以励磁机励磁电流的频谱数据为旋转整流器故障识别的特征，编制基于励磁电流频谱分析的故障诊断程序，对样本进行模拟分析。浙江大学硕学位论文第一章绪论（）基于励磁机励磁电流频谱特征的旋转二极管

16、故障检测的工程实例研究。研制基于励磁机励磁电流频谱特征的旋转二极管故障微机检测装置，在台州发电厂挣、机上进行真机实验，研究各边界条件和阎值的整定，分析试验数据，验证仿真结果的正确性和故障诊断程序的有效性。本项目的承担单位为台州发电厂，协作单位为南京南瑞继保电气有限公司。作为项目负责人，本人具有多年的技术和项目管理经验，对设备的运行、操作、检修、维护相当了解，专业技术扎实。南京南瑞继保电气有限公司研发中心拥有多年的技术经验积累、专业配置齐全的研发团队和公司的全方位投入，包括资金、人力、设备等等，科研攻关能力雄厚。浙江人学硕：学位论义第一二章相尤刷励磁机的计算分析第二章相无刷励磁机的计算分析本章首

17、先对无刷励磁机进行简要介绍，然后从理论上分析比对旋转二极管在正常运行和故障情况下的电枢电流波形，以此为基础，对励磁绕组感应电势的进行谐波分析。相无刷励磁机简介¨无刷励磁机由以下三个部分组成：静止部分，包括外壳、定子、冷却器等；旋转部分，包括电枢绕组、二极管整流桥、集电环等；测量和保护部分。励磁机定子（励磁）绕组的作用是建立磁场，其展开图见图所示。图定子绕组展开图（）电极（）号线圈（）号线圈（）电极间连接（）线圈问连接（）输入（）输出励磁绕组由励磁调节系统供电。励磁调节系统主要由励磁电源变压器、微机励磁调节互为主从，互为备用的工作方式。调节器中两个通道从电源和模拟量输入到触发脉冲和信号

18、输出完全相互独立，一个通道故障时，调节器自动切换到另一通道运行，故障通道的维护和更换不会影响运行通道的正常运行，故障通道维护正常后，自动投入并作为备用通道。器、可控硅整流装置组成。励磁功率来自发电机机端励磁变，励磁变压器采用的联结方式是曲折连接。调节器采用的是调节计算规律，配置两台完全独立的自动调节通道，调节器中任一通道均包括自动电压调节（）和励磁电流调节（）两种方式，均能满足发电机各种运行和试验的要求，如发电机零起升压试验、发电机端或主变高压侧短路升流试验、发电机阶跃响应试验、发电机跟踪网压、发电机电压闭环、发电机恒无功调节，浙江人学硕：学位论文第一：章相尢刷曲磁机的计算分析发电机恒功率因数

19、、励磁电流闭环、附加控制及各种限制及保护功能等等。可控硅整流部分配置两套整流桥，两整流桥并列运行，整流方式为三相半波全控整流。励磁机转子（电枢）绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是产生电动势的部件。二极管整流桥将励磁机电枢绕组中的交流电转换为直流电，为发电机提供励磁。电枢绕组的每一相与两个并联的用于保护二极管组件的熔丝相连。当发生二极管故障时，熔丝熔断，断开故障元件，防止对励磁机产生危害。每个二极管组件包括一正一反两个二极管，固定在散热器中，由散热器将产生的热量消散出去。二极管组件的原理图见图所示。图二极管组件原理图（）接电枢的一相（）熔丝（）相连接（）阳极二极管（）阴极二极管（）

20、去汇流环励磁机及旋转整流系统示意图如图所示。本课题的研究就是以此为对象开展的。、胁【。芦瓢“一乙一陟念肾歹嶝菠。陛。念湃。芦厂”肌：汁一肌加【胁。图励磁机及旋转整流系统示意图浙江人学硕学化论文第二帝相无刷励磁机的汁算分析无刷励磁机的基本数据如表所示。表无刷励磁机基本数据旋转二极管型号额定整流电压额定励磁电压转速接线类型熔丝数量冷却方式额定整流功率额定整流电流额定励磁电流相数二极管数量极数绝缘等级（）（）（）（）多边形空一水对于相旋转整流无刷励磁机组，需要根据发电机原理、二极管整流原理及傅里叶分析方法，分析正常和故障情况下旋转电枢电流的基波及各次谐波成分，气隙磁场中的基波及各次谐波磁势成分，确定

21、励磁绕组中的基波及各次谐波电势的成分，从而寻找到各种故障情况下的谐波电势特征规律。对励磁绕组中谐波感应电势的理论分析及仿真研究，这部分工作牵涉到发电机原理、电机参数计算、仿真模型构建等，委托有较深厚的理论功底和项目研究基础的清华大学课题组进行。电枢电流波形分析旋转二极管正常时电枢电流波形分析无刷励磁系统的交流励磁机电枢绕组与旋转整流桥相连，旋转整流桥的输出通过汇流环接到发电机的励磁绕组，因此旋转整流桥的负载可以看作是一个大电感，直流电流可以看成是恒定的直流。旋转二极管作为整流器件时，如果忽略换相过程，在理想状况下，无刷励磁机的电枢电流是矩形波，宽度为丌，高度为。如图所示，对旋转二极管正常运行时

22、各相电枢电流进行分析，只对其中的、三相进行分析，其他相电流依次错开相同的角度。浙汀人学硕学位论文第一二章相无刷恸磁机的计算分析甜一燃燃擞西口万：；刀一：国于。州窟国万百国于图旋转二极管正常时各相电枢电流由图分析可得各相电枢电流表达式，、一相电流的表达式分别为：（万）生上（万缈万）一研一万一。一绷生上幼一¨¨一！防一一缈刀）（）（）锄一鱼饼。锄一¨生上眶耐祭，尚耐正常运行时，励磁机电枢电流波形对称于横轴，周期为丌，经傅立叶分解可知，不含偶次谐波分量以及直流分量。由于电枢绕组为对称的相绕组，电枢电流不合次谐波分量。因此正常运行时的励磁机电枢电流只存在基波以及除次以外的

23、奇数次谐波分量。旋转二极管故障时电枢电流波形分析在无刷励磁系统中，核心部分是旋转整流桥，其主要由整流元件（二极管）组成。由于长期处于高速旋转状态，旋转整流电路要承受强大的离心力和电磁作用，并可能受到过电压、过电流等异常因素的影响，旋转整流桥故障发生率相对较高。旋转整流桥常见的故障是旋转二极管出现短路或开路故障。当然它们又各自可以分为一管短路、两管短路和一管开路、两管开路、一相开路、两相开路等等。当旋转二极管发生故障时，交流励磁机就进入不对称运行状态，电枢电流不对称，经傅立叶分解可知电枢电流谐波的变化。无论是哪种故障，其电枢电流谐波分析方法都是一样的，下面以最典型一管开路故障作分析。如图励磁机及

24、旋转整流系统示意图所示，不失一般性，假设管发生开路故障，只会影响到、相的电枢电流，而对其余各相的电枢电流并无影响：、相电枢电流波形如图所示。彩西一口万；万彩于吃万玎图旋转二极管一管开路时各相电枢电流一管开路故障运行时、三相电流分别为：乇（）生上（万万）一耐一万一。一鳓生玉切一¨里，！坚¨一缈一万（）（）浙江人学顾学位论文第一二章相尤刷励磁机的汁算分析。生（旷研鲁）一鲁（。研普，鲁剑锄）励磁绕组感应电势谐波分析基于相绕组的多相电机磁势谐波特性分析（）由于无刷励磁机的特殊构造，对旋转整流器进行故障诊断时电枢电流不能直接测得。但是，旋转整流器故障造成的电枢电流畸变特征通过电机磁场

25、的作用，必将影响励磁机定子磁场绕组的感应电势和感应电流，这通过工程试验时实际测量结果得以验证，实际测量结果显示：交流励磁机电枢反应磁场在正常及故障情况下，都会在交流励磁机的定子励磁绕组中感应谐波电势。也就是说，这些谐波电势的产生，源自交流励磁机的电枢反应磁场，该磁场中的谐波成分及大小与旋转整流器工作状态密切相关。为了研究励磁机的励磁绕组感应电势谐波，首先必须分析清楚当电枢绕组流过非正弦电流时谐波磁势的性质。为获得通用的一般性结论，设多相电机在一对极内均匀分布着个相绕组（所谓均匀是指各相绕组在空间依次错开相同电角度）；各相绕组流过电流的有效值为，谐波次数为¨（可取、）；磁动势次数为（可

26、取、），定子电流的角频率为【）。图对称相绕组示意图如图所示，各相绕组依次在空间互差丝电弧度，因此各相绕组电流在时间上互差丝电弧度，则各相绕组电流。（，）为：皿，七）等（，聊）其中，。为“次谐波电流的有效值。协）各相绕组产生的磁势（，）为：五击州¨）爿其中，为每相绕组磁势幅值，根据电机学理论知：（）一，竖，兀（）其中，为相绕组串联匝数，为极对数。次谐波的每相绕组的绕组系数岫为：吨：等等。（其中，为每极每相槽数，为绕组短距比，为槽距电角度。取空间位置坐标轴与相绕组轴线重合，相绕组流过最大基波电流时刻为起始时刻，综合（）、（）两式得到各相绕组产生的磁势表达式为：石叫¨料七）鲁衅墟

27、，聊）（）从而合成磁势为：伽善石弘叫¨）孙叫小）鲁（）上式的意义为一对极内均匀分布着个相绕组的电机中，定子“次谐波电流产生的次合成磁势的表达式。各相绕组产生的磁势均为脉振磁势，利用积化和差公式进行变换，将各磁势分解为正、反转的两个磁势的合成：丘一十六二詈。（咄耐）当詈。（懈一研）。：砸（）产，知（懈删）（凇）针知（煅删）（炉）鲁先对反转分量进行分析：一詈（煅删，），习（）（为零的必要条件是分母因式型幽亦为零，即：，一由于“为整数，上式中的分子因式丌（）取值恒等于零，因此上式不在满足（）式必要条件的情况下，由法则，对（）式分子分母分别求导得到反转分量的大小：一詈。（眦耐）酱±

28、詈。（煅缈，）二万（）从上述分析中可知，只有当砌一（，）时合成磁势的反转分量才不为零。同样，只有当枷（，）时合成磁势的正转分量才不为零。从而，可以得到如下结论：“设多相电机在一对极内均匀分布着个相绕组；各相绕组流过电流的谐波次数为“（可取、）；磁动势次数为（可取、），则电枢绕组产生的合成磁动势中只存在砌一（，）次反转谐波分量和砌（，）次正转谐波分量。前面得到结论的前提是电机在一对极内均匀分布着个相绕组，分数槽绕组电机不满足此前提，需分别讨论。整数槽绕组一对极形成一个周期，但是对于分数槽绕组而言，一个单元电机才形成一个完整周期。当分数槽多相电机在一个单元电机内均匀分布着个相绕组时（如图所示为本文

29、所研究的相电机相绕组电势图），结论的推导同前文完全相同，因此在对分数槽多相电机的磁势谐波进行分析时首先应计算该电机的单元电机数，然后按照绕组排列分析单元电机内相绕组的分布情况，再应用本文的结论即可。丘图相无刷励磁机相绕组电势图旋转二极管正常时电枢反应磁动势谐波分析型相无刷励磁机为槽、对极、相、双层绕组，电枢绕组按波绕组连接，绕组的合成节距为，并联支路数为。各相线圈连接顺序如下：第相：第相：第相：第相：该电机的单元电机数为，单元电机内均匀分布着相带，每一相带构成了该电机的一相绕组。根据以上的结论，很容易得到磁动势的谐波含量如下式：±（，竹七±兄）（，）例如，求基波电流产生的磁

30、动势谐波次数，只需令，入，±（，卵七±见）±（±），一，浙江人学硕：学位论义第一二章相无刷肋磁机的汁算分析前已分析，正常运行时，励磁机电枢电流波形对称于横轴，为丌周期，经傅立叶分解后应当无偶次谐波分量以及直流分量，只存在基波以及奇数次谐波分量（但由于为相桥，所以不含次谐波分量）。即入可取，对各种情况按照所得到的一般性结论进行分析：兄：，±（，竹七±彳），一，一，兄：±（，卵七±五）±（），一，旋转二极管正常时励磁绕组感应电势谐波分析结合（）式分析，基波电流产生的基波磁动势，与定子保持相对静止，不在定子绕组

31、中感应电动势；基波电流还要产生谐波磁动势，其中次谐波磁势的极对数是基波的倍，但是转速为基波的熹，且与转子转向相反，所以其在定子绕组感应电庀为基波的士，且与转子转向相同，所以其在定子绕组感应电动势也为倍的基波频一动势为倍的基波频率；其中一次谐波磁势的极对数是基波的一，但是转速率。谐波电流也会产生基波磁动势，其中次谐波电流产生基波磁动势，其转速为倍的同步速，转向与转子旋转方向相反，因此其相对于定子为倍的同步速，所以在定子绕组感应倍基波频率的电动势；一次谐波电流产生基波磁动势，其转速为一倍的同步速，转向与转子旋转方向相同，因此其相对于定子为倍的同步速，所以在定子绕组也感应倍基波频率的电动势。但是转速

32、为基波的去，且与转子转向相反，所以其在定子绕组感应电动势为倍的彤以谐波电流还要产生谐波磁动势，其中入次谐波磁势的极对数是基波的入倍，基波频率；其中入次谐波磁势的极对数是基波的入倍，但是转速为基波的生，且与转子转向相同，所以其在定子绕组感应电动势为倍的基波频率。七一综合上面的分析可以得出结论：电势中主要含次谐波。”“相励磁机正常运行时，励磁机的励磁绕组的感应下面分析上述结论中的实际可取值。当取时，励磁绕组中的感应电势中所含的次谐波主要为气隙一欠以及次磁势感应产生。实际上，由于励磁绕组的线圈分布，偶数次磁势是不会在励磁绕组中产生感应电势的，下面做详细分析。在链及随时间变化的磁通时，匝线圈中感应电压

33、的瞬时值由公式给出：一塑其中：线圈磁通可表示为：，口（炒一电机轴线长度；卿一绕组节距对应圆周电角度，嘶芋，（）（）一气隙磁密。由于：（）（）从而：，卜（肛五，（肛对于整距线圈：，：三，可得：口口，：一：堡三：如图所示，为（）各次谐波示意图。（）（）（）（）（一），（一，）图（）各次谐波示意图由上图可以看出，（）的偶数次谐波在一个极距内正负变化相同的次数。因此，对于整距线圈有：（）（旯，（胁（）由（）式可知：一塑：讲（）因此，得到结论：“空间偶数次谐波磁势在整距线圈中的感应电动势为零。”而励磁绕组并非整距绕组，偶数次谐波磁势会在一极下的励磁绕组中产生感应电动势。但注意到，对于偶数次谐波磁动势有：

34、（）（）（）由（）式可知：偶数次谐波磁动势在电机圆周相距为的两个励磁线圈中产生的感应电动势相同，但由于电机相邻两极励磁线圈绕向相反，因此，可以得到结论：“空间偶数次谐波在励磁绕组中的感应电动势为零。”因此，对于相电机而言，气隙中的以及次谐波磁动势在励磁绕组中的感应电动势为零，故而：“相励磁机正常运行时，一极下励磁绕组感应电势中主要含次谐波，而励磁机励磁绕组两端的感应电势中主要含次谐波。”旋转二极管故障时电枢反应磁动势谐波分析浙江人学硕：学位论文第二章相尢刷场磁机的汁算分析本节对常见的一管开路状态下励磁绕组感应电势的谐波特征进行分析，其他故障状态的分析方法相似。一般采用对称分量法对三相励磁机故障

35、运行励磁绕组感应电势进行谐波分析，此方法在多相交流励磁机的分析中依然适用。仍假设管发生开路故障，前已分析故障只会影响到、相的电枢电流，而对其它各相的电枢电流并无影响。将故障发生后、相的电枢电流看做正常运行时、相的电枢电流同、。的叠加，即：办幽【庐斗（）若不考虑磁路饱和影响，由（）式知，故障运行时、的电枢反应磁动势是正常运行时、电流产生的电枢反应磁动势同讥产生的磁动势的叠加。由于只有、两相的电枢电流有变化，因此只需考虑如、无产生的合成磁动势即可完成管开路故障下电枢反应磁动势的分析。由式（）一（）可得：一厶（手纠署）馘。（缈百，百国，万。，丝一，厶。（。鲥百，百刎刁（）对进行傅立叶分析可得：办以。

36、）心（删粼言÷，障（可霄（磊丽取前项进行计算可得：挑）馘一去厶心。）心（研。），。）。）（）同样地：缸厶（纠一。厶（研一。）。）（。）（）可以看出电流、。中同时存在直流分量以及各次谐波分量。前已得到，开路故障情况下电枢反应磁动势是办、。产生的合成电枢反应磁动势与正常情况下的电枢反应磁动势的叠加。下面分析办、厶产生的电枢反应磁动势。电流如、矗中的直流分量产生的合成电枢反应磁动势为幅值不变的相对电枢绕组静止的磁动势，而其中的各次交流分量电流产生的磁动势为脉振磁动势。旋转二极管故障时励磁绕组感应电势谐波分析上一小节分析得到：电流、豇中同时存在直流分量以及各次谐波分量。下面分别分析它们对励磁

37、绕组感应电势的影响：（）直流分量产生的电枢磁势相对于转子静止，而转子相对于定子以同步速度旋转，因此直流分量产生的电枢磁势在励磁绕组中感应出基波频率的电动势；（）基波电流产生的基波磁动势，其中的与转子转向相反的分量，与定子保持相对静止，不在定子励磁绕组中感应电动势。与转子转向相同的分量，相对于定子的转速为二倍转子转速，所以在定子励磁绕组中感应二倍频率的电动势。基波电流还要产生谐波磁动势，并且前已分析偶次谐波不会在励磁绕组中产生电动势，因此只需考虑，次等谐波磁势。其中次谐波磁势的极对数是基波的倍，但是转速为基波的妻，其中与转子转向相反的分量在定子励磁绕组感应电动势为倍的基波频率，与转子转向相同的分

38、量在定子绕组感应电动势为倍的基波频率；其中次谐波磁势的极对数是基波的倍，但是转速为基波的：，其中与转子转向相反的分量在定子绕组感应电动势为倍的基波频率，与转子转向相同的分量在定子绕组感应电动势为倍的基波频率；其中次谐波磁势的极对数是基波的倍，但是转速为基波的圭，其中与转子转向相反的分量在定子绕组感应电动势为倍的基波频率，与转子转向相同的分量在定子绕组感应电动势为倍的基波频率；其他更高次谐波磁动势较小，忽略不计；（）入次谐波电流产生的基波磁动势，转速为入倍的同步速，其中与转子转向相反的分量在定子励磁绕组感应电动势为入一倍的基波频率，与转子转向相同的分量在定子绕组感应电动势为入倍的基波频率；（）入

39、谐波电流还要产生谐波磁动势，其中次谐波磁势的极对数是基波的倍，但是转速为基波的一，与转子转向相反的分量，在定子励磁绕组感应电动势为一入倍的，基波频率；与转子转向相同的分量，在定子绕组感应电动势为入倍的基波频率；上面分析可以得出结论：“旋转整流器一臂开路时励磁绕组感应电动势除含有正常运行时的次谐波外，还含有多种谐波成分，包括基波及、次等谐波。”第三章相无刷励磁机及旋转整流系统的仿真结果本章给出了相无刷励磁机及整流系统在旋转整流器正常以及几种典型故障情况下的仿真结果。多相无刷励磁机及其旋转整流系统涉及到空间磁场的相互作用，在整流管故障后电机绕组内部不对称的情况此时气隙磁场有较强的空间谐波，应用对称

40、分量法时，就有电抗修正和相序网络间相互关联等困难：以“相绕组”为基本单元的相坐标法也不能适应研究的需要，因此，拟采用清华大学高景德教授提出的多回路理论¨叼¨叫进行计算及仿真。交流电机根据使用要求的不同，分为各种容量、各种类型的同步电机和异步电机。各种电机，其结构原理和运行性能也多种多样，但就电机电枢绕组而言，主要是由一个个线圈元件联接而成的多相、三相或单相绕组；电机磁场绕组要复杂一些，有凸极或隐极两种结构形式，其绕组有用导条和端环形成，有用单个线圈联接形成，特别地，凸极转子的同步电机形成不均匀的气隙，总得说来，磁场回路可分为阻尼绕组和励磁绕组，各个张组均可以看作为一个个线圈

41、元件串联而成。总之，交流电机可以分解为多个线圈的相对运动，各个线圈有自感系数，线圈之间有互感系数¨。多回路方法以单个线圈为参数计算单元，根据多相无刷励磁机及旋转整流管的空间结构及工作状态，可以得到相应的回路方程，可以对磁场谐波进行比较准确的计算，适合作为计算机仿真的数学模型。利用电路的关联矩阵处理因整流桥换相引起的拓扑结构的变化，编制多相无刷励磁机及其旋转整流系统的仿真软件。使用仿真软件，对多相无刷励磁机及其旋转整流系统在正常以及旋转整流器故障情况下进行仿真。下面给出多相无刷励磁机及整流系统在旋转整流器正常以及几种典型故障情况下的仿真结果。旋转整流器正常运行时的仿真结果如图所示为旋转

42、整流器正常运行时的励磁机励磁电流波形；图为旋转整流器正常运行时第一相绕组电压波形；图为旋转整流器正常运行时负载电压波形；图为旋转整流器正常运行时负载电流波形。卯、，、，、，、”、，一，蚺一州、，、，图旋转整流器正常运行时的励磁机励磁电流波形八八、，。乏乡，；。图旋转整流器正常运行时的相绕组电压波形咖；枞洲洲；气图旋转整流器正常运行时的负载电压波形图旋转整流器正常运行时的负载电流波形从图卜图可以看出，在旋转整流器正常运行时，励磁机励磁电流波动非常小，相绕组电压波形接近正弦。负载电压为脉波，相比于三相整流系统，其电压纹波系数大大减小，这对励磁机本身以及主发电机励磁都有好处。旋转整流器一臂断路运行时的仿真结果如图所示，假设二极管被烧坏导致所在桥臂断开，对系统进行仿真。如图所示为旋转整流器一臂断路运行时的