多相整流發(fā)電機(jī)提供的直流電源,具有直流脈動(dòng)小、電磁干擾小、可靠性高和效率高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶推進(jìn)等移動(dòng)平臺(tái)。作為各種移動(dòng)體(如飛機(jī)、艦船)電源的核心部分,多相發(fā)電機(jī)帶整流系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。由于常用于移動(dòng)體中,發(fā)電機(jī)運(yùn)行的工況和外界環(huán)境都比較復(fù)雜,在這些復(fù)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(jī),甚至可能直接威脅乘客或工作人員的安全,造成嚴(yán)重事故。
目前對(duì)多相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的故障研究主要集中在電勵(lì)磁電機(jī)。對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī),雖然轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,結(jié)構(gòu)比電勵(lì)磁電機(jī)簡(jiǎn)單,但各種材料、形狀和安裝位置的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)卻比電勵(lì)磁電機(jī)復(fù)雜,而且繞組內(nèi)部短路故障還會(huì)使磁場(chǎng)發(fā)生畸變,進(jìn)一步增大了計(jì)算分析的難度。
此外,一旦檢測(cè)到短路故障,電勵(lì)磁電機(jī)在停機(jī)操作中可采取滅磁措施,以減小停機(jī)過(guò)程中對(duì)電機(jī)的損害;而永磁電機(jī)由于無(wú)法直接調(diào)節(jié)永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng),只能逐漸降低轉(zhuǎn)速直至故障電機(jī)停機(jī)。在停機(jī)過(guò)程中繞組內(nèi)部一直存在較大的短路電流,可能燒毀電機(jī),所以對(duì)短路故障檢測(cè)的快速性要求更高。因此,對(duì)永磁發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障的研究更有必要。
發(fā)電機(jī)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(duì)三相永磁電機(jī)匝間短路故障的研究已經(jīng)比較深入,但這些研究?jī)H針對(duì)傳統(tǒng)三相永磁電機(jī)的定子繞組匝間短路故障,缺乏對(duì)內(nèi)部相間短路故障的研究,并且基本不涉及整流負(fù)載。而相間短路故障比匝間短路故障的破壞性更強(qiáng),所以本文將主要針對(duì)多相整流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)定子內(nèi)部相間短路故障進(jìn)行深入研究,為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障提供依據(jù)。
現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)多相永磁同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)及其故障的研究還不夠全面,建立的數(shù)學(xué)模型僅限于某種特定的多相電機(jī)。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(jī)帶整流負(fù)載系統(tǒng)定子繞組內(nèi)部相間短路故障的通用數(shù)學(xué)模型,不僅適用于每相單分支的十二相等多相電機(jī),還適用于每相多分支的情況(比如六相雙分支電機(jī))。
圖1 相間短路示意圖
圖2 數(shù)學(xué)模型的迭代仿真流程
圖3 故障前后電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布
本文在一臺(tái)六相雙分支永磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,還分析了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)故障前后的溫度場(chǎng)分布。最后結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn),分析了樣機(jī)定子繞組相間短路的故障特點(diǎn)及危害,可為故障的及時(shí)檢測(cè)提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)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(jī)的相電流和分支電流中會(huì)出現(xiàn)正常時(shí)沒(méi)有的3次等諧波分量;短路回路中會(huì)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(shí)存在的12次諧波外,還出現(xiàn)了2次等偶數(shù)次諧波,嚴(yán)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(huì)在整流元件中產(chǎn)生過(guò)電流,將影響整流橋的使用壽命。
同時(shí),故障后電機(jī)整體溫度會(huì)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(jìn)一步惡化。所以有必要及時(shí)采取監(jiān)測(cè)或保護(hù)等措施,保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“多相整流永磁同步發(fā)電機(jī)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。