一种多相无刷励磁整流器的谐波特性分析

一种多相无刷励磁整流器的谐波特性分析

多相无刷励磁不仅可以降低大型励磁系统独特部件的能力要求，而且可以提高整个电压的质量，并且可以改善系统的容错性。由于整流二极管处于高速旋转状态,在实际运行中二极管的损坏时有发生。在开路故障初期励磁机仍能给主发电机提供正常电流,但如果任由故障继续恶化将严重影响主发电机的正常运行,造成严重后果。因整流二极管是随励磁机电枢绕组一同旋转的,对其状态的监测十分困难。针对无刷励磁系统旋转整流器故障诊断这一课题,国内外专家学者进行了大量研究,但都是针对三相无刷励磁系统,而多相无刷励磁系统旋转整流器的故障特征与三相无刷励磁系统的相比有很大不同,并且拓扑结构复杂,加大了研究难度。文对多相无刷励磁系统的建模和仿真进行了研究,但未对整流管故障进行深入的理论分析,也未提出切实可行的诊断方法。本文以多相无刷励磁机及旋转整流系统为研究对象,对正常运行及旋转整流器一管开路时励磁机的定子电流谐波特性进行了深入的理论分析,揭示了旋转整流器的状态对励磁机定子电流谐波特性的影响,为旋转整流器的故障诊断提供了依据。1无刷励磁机的电阻电压分析1.1相电枢电流的确定图1所示为多相无刷励磁机旋转的电枢和整流系统。由于二极管的非线性,励磁机的输出电流将产生畸变,不再是正弦波。旋转整流器的负载是主发电机的励磁绕组,可以看成一个大电感,因此可认为负载侧电流为恒定直流。本文所研究的某330MW发电机组的无刷励磁机,相邻两相间相差4π/11电角度。如果忽略二极管换相过程,在理想状况下,交流励磁机的电枢电流是矩形波,宽度为π电角度,高度为Id/4(Id为整流器负载侧电流),任一时刻直流侧整流桥最大线电压对应的2个二极管导通。第1—3相电枢电流的表达式为(其他各相电流依次错开4π/11电角度):i1={Ιd4,0≤ωt＜π;-Ιd4,π≤ωt＜2π;(1)i2={Ιd4,4π11≤ωt＜15π11;-Ιd4,0≤ωt＜4π11,15π11≤ωt＜2π;(2)i3={Ιd4,8π11≤ωt＜19π11;-Ιd4,0≤ωt＜8π11,19π11≤ωt＜2π.(3)其中:ω为转子角频率,t为时间,ωt为电角度。1.2c各相电枢电流的拟合旋转整流器可能发生的故障种类较多,无论发生哪种故障,对电枢电流的分析方法都是类似的,本文仅以最典型的一管开路故障为例进行分析。不失一般性,假设D5管发生开路故障,只会影响到第2、3相的电枢电流,而其余各相的电枢电流与正常时相同。图2a为11相电枢电压波形,根据该电压波形结合图1的拓扑结构分析旋转整流器的换相情况,可得图2b、2c所示的第2、3相电枢电流。由图可知,第2、3相电枢电流的表达式为(其他各相电枢电流的表达式与正常运行时相同):i´2={Ιd4,6π11≤ωt＜15π11;-Ιd4,0≤ωt＜6π11,15π11≤ωt＜2π;(4)i´3={Ιd4,6π11≤ωt＜19π11;-Ιd4,0≤ωt＜6π11,19π11≤ωt＜2π.(5)2磁速机固定电流波形特性的理论分析2.1相串联密度法由于励磁机为旋转电枢式电机,不能通过直接测定电枢电流对旋转整流器进行故障诊断,但励磁机电枢反应磁场会在定子绕组中感应出谐波电势,进而在定子绕组中产生谐波电流,而电枢反应磁场的谐波成分及大小与旋转整流器的状态有关。为此首先分析当电枢绕组流过非正弦电流时电枢反应磁势的性质。由于各相绕组在空间依次互差4π/11电弧度,因此各相绕组电流在时间上依次互差4π/11电弧度,各相绕组电流ik(k=1,2,…,11)为ik=√2Ιμcos[μωt-(k-1)4π11]‚(6)第k相绕组产生的磁势为fk=Fμ-νik√2Ιμcosν[α-(k-1)4π11].(7)其中:α为沿电机定子周向的电角度;Fμ-ν为每相绕组磁势幅值,由电机学理论可知Fμ-ν=2√2πΝkdpννΡΙμ=2√2πΝΙμνΡsinqνθ2qsinνθ2sinνyπ2.(8)其中:Iμ为μ次谐波电流的有效值,ν为磁动势谐波次数,N为相绕组串联匝数,P为极对数,q为每极每相槽数,θ为槽距角,y为绕组短距比。由式(6)—(7)可得第k相绕组产生的磁势表达式为fk=Fμ-νcosν[α-(k-1)4π11]cosμ[ωt-(k-1)4π11].(9)各相绕组产生的磁势均为脉振磁势,可分解为反、正转磁势,把相同转向的磁势分别合成。其中反转磁势为f-νΣ=12Fμ-ν11∑k=1cos[(να+μωt)-(μ+ν)(k-1)4π11].(10)进一步推导可知,当且仅当ν=11m-μ(m∈N)时f-νΣ才不为零。因此,电枢反应磁势中只存在11m-μ次反转分量。同样,电枢反应磁势也只存在11m-μ次正转分量。2.2谐波电流能产生基波磁动势,其基本原理及特性可分以下几种基波的电动势;正常运行时,励磁机的电枢电流不含偶次谐波分量以及直流分量,并且由于负载为11相整流桥,电枢电流中不含11k1(k1∈N+)次谐波分量。基波电流产生的基波磁动势,与定子保持相对静止,不在定子绕组中感应电动势;基波电流还要产生谐波磁动势,其中11k1+1次的谐波磁势的极对数是基波的11k1+1倍,但是转速为基波的1/(11k1+1),且与转子转向相反,在定子绕组感应11k1倍基波频率的电动势;11k1-1次谐波磁势的极对数是基波的11k1-1倍,但是转速为基波的1/(11k1-1),且与转子转向相同,在定子绕组也感应11k1倍基波频率的电动势。谐波电流也会产生基波磁动势,其中11k1+1次的谐波电流产生基波磁动势,转速为11k1+1倍的同步速,转向与转子旋转方向相反,因此相对定子为11k1倍的同步速,在定子绕组感应11k1倍基波频率的电动势;11k1-1次的谐波电流产生基波磁动势,其转速为11k1-1倍的同步速,转向与转子旋转方向相同,因此相对于定子为11k1倍的同步速,在定子绕组也感应11k1倍基波频率的电动势。谐波电流还要产生谐波磁动势,其中11k1+λ(λ∈N+)次的谐波磁势的极对数是基波的11k1+λ倍,但是转速为基波的λ/(11k1+λ),且与转子转向相反,在定子绕组感应11k1倍基波频率的电动势;其中11k1-λ次的谐波磁势的极对数是基波的11k1-λ倍,但是转速为基波的λ/(11k1-λ),且与转子转向相同,在定子绕组也感应11k1倍基波频率的电动势。偶数次谐波磁动势在电机圆周相距一个极距的两个励磁绕组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,使得电枢反应磁动势偶次谐波分量在励磁绕组中的感应电动势为零。因此,旋转整流器正常运行时,11相无刷励磁机的定子电流除直流分量外主要含有22次谐波。2.3旋转整流器运行故障分析方法分析将D5管发生开路故障后2、3相的电枢电流看成正常运行时2、3相电枢电流与Δi2、Δi3的叠加,即{i´2=i2+Δi2,i´3=i3+Δi3.(11)若不考虑磁路饱和影响,由式(11)知,故障运行时2、3相的电枢反应磁动势是正常运行时2、3相电流产生的电枢反应磁动势与Δi2、Δi3产生的磁动势的叠加。由于只有2、3两相的电枢电流有变化,因此只需考虑Δi2、Δi3产生的合成磁动势即可完成D5管开路故障下电枢反应磁动势的分析。由式(2)—(5)、(11)可得Δi2={-Ιd2‚4π11≤ωt＜6π11;0‚0≤ωt＜4π11,6π11≤ωt＜2π;(12)Δi3={Ιd2‚6π11≤ωt＜8π11;0‚0≤ωt＜6π11,8π11≤ωt＜2π.(13)对Δi2进行Fourier分析,取前5项进行计算可得:Δi2=-122Ιd+0.1794Ιdsin(ωt+0.14)+0.1721Ιdsin(2ωt-1.29)+0.1604Ιdsin(3ωt+0.43)+0.1448Ιdsin(4ωt-1.00).(14)同样,有Δi3=-122Ιd+0.1794Ιdsin(ωt-0.43)+0.1721Ιdsin(2ωt+0.71)+0.1604Ιdsin(3ωt-1.29)+0.1448Ιdsin(4ωt-0.14).(15)从式(14)—(15)可以看出电流Δi2、Δi3中同时存在直流分量以及各次谐波分量。对旋转整流器一管开路时定子电流谐波特性分析同旋转整流器正常时的分析方法相似,限于篇幅不再论述。经分析可知:旋转整流器一管开路时励磁机定子电流除含有直流分量以及22次谐波外,还含有低次谐波成分,包括基波及2、3、4等次谐波。3仿真结果及分析为验证理论分析方法的正确,对包括旋转整流器在内的整个多相无刷励磁系统进行仿真。模式分类法和张量法是对同步发电机半导体整流系统进行仿真建模常用的方法。文用基本回路矩阵描述电机与整流系统的连接关系,物理意义明确且编程方便。本文采用该方法对系统进行仿真。励磁机的主要参数为:输出功率PEN=1353kW,输出电压UEN=542V,输出电流IEN=2495A,频率fEN=250Hz,励磁电压UEfN=66V,励磁电流IEfN=137A,极对数P=5,槽数Z=77。图3a和3b分别为旋转整流器正常运行及一管开路时励磁机定子电流的仿真波形。对故障前后励磁机定子电流进行谐波分析,结果按直流分量归一处理,如表1所示。从上表可以看出,11相无刷励磁机正常运行时定子电流除直流分量外,主要含22次谐波;而旋转整流器一管开路运行时定子电流除含直流分量和22次谐波以外,还含有较大的基波及2、3、4等次谐波,仿