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多相整流發(fā)電機提供的直流電源，具有直流脈動小、電磁干擾小、可靠性高和效率高等優(yōu)點，已廣泛應用于航空航天、船舶推進等移動平臺。作為各種移動體（如飛機、艦船）電源的核心部分，多相發(fā)電機帶整流系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。由于常用于移動體中，發(fā)電機運行的工況和外界環(huán)境都比較復雜，在這些復雜條件的作用下，系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障，不僅可能損壞電機，甚至可能直接威脅乘客或工作人員的安全，造成嚴重事故。

目前對多相同步發(fā)電機整流系統(tǒng)的故障研究主要集中在電勵磁電機。對于永磁同步發(fā)電機，雖然轉(zhuǎn)子上沒有繞組，結(jié)構(gòu)比電勵磁電機簡單，但各種材料、形狀和安裝位置的永磁體產(chǎn)生的磁場卻比電勵磁電機復雜，而且繞組內(nèi)部短路故障還會使磁場發(fā)生畸變，進一步增大了計算分析的難度。

此外，一旦檢測到短路故障，電勵磁電機在停機操作中可采取滅磁措施，以減小停機過程中對電機的損害；而永磁電機由于無法直接調(diào)節(jié)永磁體產(chǎn)生的磁場，只能逐漸降低轉(zhuǎn)速直至故障電機停機。在停機過程中繞組內(nèi)部一直存在較大的短路電流，可能燒毀電機，所以對短路故障檢測的快速性要求更高。因此，對永磁發(fā)電機定子內(nèi)部短路故障的研究更有必要。

發(fā)電機定子內(nèi)部短路故障包括匝間短路故障和相間短路故障。目前對三相永磁電機匝間短路故障的研究已經(jīng)比較深入，但這些研究僅針對傳統(tǒng)三相永磁電機的定子繞組匝間短路故障，缺乏對內(nèi)部相間短路故障的研究，并且基本不涉及整流負載。而相間短路故障比匝間短路故障的破壞性更強，所以本文將主要針對多相整流永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)定子內(nèi)部相間短路故障進行深入研究，為及時發(fā)現(xiàn)并排除故障提供依據(jù)。

現(xiàn)有文獻中對多相永磁同步發(fā)電機整流系統(tǒng)及其故障的研究還不夠全面，建立的數(shù)學模型僅限于某種特定的多相電機。為了具有更廣泛的適用性，本文將多回路分析法與有限元法相結(jié)合，建立了多相多分支永磁同步發(fā)電機帶整流負載系統(tǒng)定子繞組內(nèi)部相間短路故障的通用數(shù)學模型，不僅適用于每相單分支的十二相等多相電機，還適用于每相多分支的情況（比如六相雙分支電機）。

圖1 相間短路示意圖

圖2 數(shù)學模型的迭代仿真流程

圖3 故障前后電機內(nèi)部溫度場分布

本文在一臺六相雙分支永磁同步發(fā)電機樣機上進行了實驗，驗證了該數(shù)學模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，還分析了實驗樣機故障前后的溫度場分布。最后結(jié)合仿真和實驗，分析了樣機定子繞組相間短路的故障特點及危害，可為故障的及時檢測提供依據(jù)。

實驗和仿真結(jié)果表明，發(fā)生相間短路故障后，六相整流永磁同步發(fā)電機的相電流和分支電流中會出現(xiàn)正常時沒有的3次等諧波分量；短路回路中會出現(xiàn)較大的短路電流，主要包含基波、3次等奇數(shù)次諧波；直流側(cè)電壓、電流中除正常時存在的12次諧波外，還出現(xiàn)了2次等偶數(shù)次諧波，嚴重影響了供電品質(zhì)。發(fā)生在不同橋間的內(nèi)部相間短路，會在整流元件中產(chǎn)生過電流，將影響整流橋的使用壽命。

同時，故障后電機整體溫度會上升且不再均勻分布，特別是短路回路所在繞組，溫度明顯升高，可能使相間短路故障進一步惡化。所以有必要及時采取監(jiān)測或保護等措施，保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“多相整流永磁同步發(fā)電機繞組內(nèi)部相間短路的故障分析”，作者為田代宗、孫宇光、王善銘、杜威。