基于場路耦合的永磁風力發(fā)電機匝間短路故障分析

孫 欣

(鄭州輕工業(yè)大學 電氣信息工程學院，鄭州 450002)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)型能源消耗急劇增加和環(huán)境污染問題的愈演愈烈，風能作為清潔無污染可再生能源，已不再是可有可無補充型能源，而在能源結構中扮演著重要角色[1]。永磁同步發(fā)電機與其他類型的風力發(fā)電機相比，因其無勵磁繞組，從而具有效率高、溫升低、噪聲小、質量輕、結構簡單、維護容易等優(yōu)點。因此，永磁同步發(fā)電機的研究和推廣受到國內外學者的重視，被廣泛地應用到風力發(fā)電中。其中，最能體現(xiàn)永磁同步發(fā)電機在風電機組中應用優(yōu)勢是其可以實現(xiàn)多級低轉速運行。目前，風力發(fā)電機組中的增速器增速比通常為50～120，如此大的增速比將會使得風機增速齒箱的壽命變短且運行維護費用激增。由于可以做到多級低轉速運行，因此永磁同步發(fā)電機應用在風力機組時可以將增速齒箱的增速比降低至5～8，從而大大減少了風力發(fā)電的運行成本，提升風力發(fā)電的綜合效益[2]。永磁同步發(fā)電機在風力發(fā)電機組中具有十分廣闊的發(fā)展應用前景。提高永磁同步發(fā)電機常見故障研究分析水平，對于風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行，具有十分重要的理論意義和實用價值。

永磁同步發(fā)電機常見故障大體可劃分成機械類故障和電磁類故障[3]。機械類故障大致包括轉子偏心故障以及軸承損壞故障；電磁類故障包括有定子繞組匝間短路故障和永磁體失磁故障[4]。其中，繞組匝間短路發(fā)生的概率在30%～40%，屬于發(fā)生概率較高的故障[5]。繞組匝間短路對永磁同步發(fā)電機正常運行造成的影響主要有：匝間短路使得繞組溫升增加，導致永磁體失磁故障；導致電機定子繞組絕緣進一步失效；引發(fā)氣隙磁場分布的不對稱，從而導致電機轉子偏心故障的發(fā)生。對繞組匝間短路進行分析與研究能夠改善永磁同步發(fā)電機運行狀況，提高運行的可靠性。

近年來，國內外諸多學者對永磁電機繞組發(fā)生匝間短路做了深入而有效的研究，取得了顯而易見的成果。文獻[3]通過有限元分析的方法對永磁電機的電磁場和溫度場進行了計算，得到結論：隨著匝間短路嚴重程度的加劇，電機渦流損耗大幅增加，三相電流不平衡情況變得嚴重。文獻[4]則從匝間短路對永磁體失磁的角度對永磁電機匝間短路故障做了研究，得到了不同故障程度對永磁體失磁的影響，提取了不同匝間短路故障時的電機電流的波形圖和氣隙磁密的分布圖。文獻[5]通過拆分定子槽的方法建立了永磁電機早期匝間短路仿真模型，應用小波函數(shù)對電機相電流信號進行分解重構，得到了高頻信號二層信號的變化規(guī)律，并結合PNN神經(jīng)網(wǎng)絡，得到了繞組匝間短路的診斷模型，通過故障樣本驗證了診斷模型的正確性。文獻[6-7]對永磁電機發(fā)生匝間短路時定子繞組電阻和定子漏感的數(shù)值變化做了計算研究，得到了定子繞組發(fā)生匝間短路的數(shù)學模型。文獻[8]在ANSYS中建立永磁無刷電機早期匝間短路仿真模型，通過對電機反電動勢信號進行分析處理，得出了隨著匝間短路故障嚴重程度的加劇，反電動勢信號3次諧波含量變低的結論。

本文首先根據(jù)給定的永磁同步發(fā)電機基礎額定參數(shù)，計算得到其他電磁參數(shù)和結構參數(shù)，再由這些參數(shù)在ANSYS中的RMxprt模塊完成永磁同步發(fā)電機初步仿真模型的建立；然后導入至ANSYS的Maxwell 2D模塊中，得到永磁同步發(fā)電機的仿真模型；在機電仿真軟件Simplorer中建立永磁同步發(fā)電機的外電路，然后進行場路協(xié)同仿真，分別得到了發(fā)電機正常運行和繞組發(fā)生匝間短路故障時的定子電流波形；將定子電流信號導入到MATLAB中，運用小波包函數(shù)對信號進行分解重構，對重構信號進行頻域分析，得到了永磁同步發(fā)電機繞組發(fā)生匝間短路故障時的特征頻率諧波，并對故障嚴重程度與特征頻率諧波含量之間的關系作出分析。

1 匝間短路故障理論分析

當發(fā)電機的定子繞組發(fā)生匝間短路故障時，定子繞組有效線圈數(shù)量減少。永磁同步發(fā)電機匝間短路示意圖如圖1所示。

圖1 永磁同步發(fā)電機匝間短路

當發(fā)電機繞組發(fā)生匝間短路時，在故障線圈內部會形成短路環(huán)路電流is，環(huán)路電流的存在將會增大電機繞組溫升，使電機運行在不對稱的狀態(tài)，產(chǎn)生相反的電磁轉矩[6]。

(1)

式中：ρ為漆包圓銅線電阻率；lef為線圈有效長度；a為并聯(lián)導體數(shù)；Nt為每槽并聯(lián)導體數(shù)；Sef為導體截面面積；R0,L0為正常運行時的定子繞組電阻和電感。

2 永磁風力發(fā)電機仿真模型

本文仿真用的永磁風力發(fā)電機基本參數(shù)：額定頻率50 Hz；額定功率1 000 W；額定電壓30 V；額定轉速300 r/min；極對數(shù)10。由以上的基本額定參數(shù)計算得到永磁風力發(fā)電機仿真模型的其他主要結構及電磁參數(shù)：定子外徑248 mm；定子內徑180 mm；轉子外徑178.2 mm；鐵心長度80 mm；定子槽數(shù)57；每相串聯(lián)導體126匝；每槽導體數(shù)7匝；并聯(lián)支路數(shù)1；繞組形式為雙層短節(jié)距；繞組節(jié)距3；定子繞組并繞支路數(shù)5；定子槽結構采用梨形等齒寬定子槽，定子槽齒寬3.2 mm、齒距9.96 mm，定子槽開口寬度3.6 mm。

本文建立發(fā)電機的仿真模型分為兩步進行。首先，根據(jù)已知的參數(shù)在電機設計模塊RMxprt中建立初步的仿真模型，在此模塊中可以完成發(fā)電機的額定電磁參數(shù)的設定以及定、轉子繞組結構參數(shù)設計。在RMxprt中建立的發(fā)電機的初步仿真模型如圖2所示。

圖2 RMxprt中發(fā)電機初步仿真模型

然后，將RMxprt中的電機模型導入到電磁分析模塊Maxwell 2D中自動進行邊界條件、激勵源添加、網(wǎng)格剖析、求解器參數(shù)設定等工作[8]，上述步驟完成之后，得到發(fā)電機的最終仿真模型。

將Maxwell 2D中仿真模型的激勵源設置為外部激勵源，則可以實現(xiàn)與機電仿真軟件Simplorer的協(xié)同仿真[9]，協(xié)同仿真模型如圖3所示。

圖3 Maxwell與Simplorer協(xié)同仿真模型

這種場路耦合的分析方法既可以準確地對發(fā)電機運行及繞組發(fā)生匝間短路故障時進行電磁場的計算分析，又能夠方便地實現(xiàn)發(fā)電機外電路的設置。因此，相比于數(shù)學模型分析方法，采用場路耦合分析方法既保證了發(fā)電機運行時復雜電磁狀態(tài)的準確反映，又可以通過改變外電路的參數(shù)，實現(xiàn)不同程度匝間短路故障模型的建立[10]。

本文分析數(shù)據(jù)來源于發(fā)電機正常運行和發(fā)生25%定子繞組(A相)匝間短路故障時的仿真結果，初步分析：正常運行以及25%匝間短路時的各相定子電流峰谷值如表1和表2所示。

表1 正常運行定子電流峰谷值

表2 25%匝間短路定子電流峰谷值

由表1和表2對比可知，在發(fā)生25%匝間短路故障時，發(fā)電機故障相(A相)定子電流幅值增大明顯，而非故障兩相的定子電流幅值有所增大，但增幅極小。然而，僅根據(jù)故障相定子電流幅值變化來判斷永磁風力發(fā)電機是否發(fā)生了匝間短路故障是遠遠不夠的，需要對仿真結果做進一步分析，才能正確診斷匝間短路故障。

3 仿真結果處理分析

3.1 故障特征頻率提取

本文選取易于監(jiān)測的發(fā)電機定子電流信號用于匝間短路故障分析。將監(jiān)測到的定子電流信號導入MATLAB中，采用小波包分析對電流信號進行處理，小波包分析是一種具有更高的時-頻域分辨精度信號處理分析方法。

本文采用dB5小波包對永磁風力發(fā)電機正常運行以及繞組發(fā)生不同程度匝間短路故障時的定子電流信號進行五層分解重構。對得到的重構信號進行分析，最終得到發(fā)電機匝間短路故障的定子電流特征頻率諧波。仿真信號的具體處理分析如下：

(1) 將經(jīng)Simplorer與Maxwell 2D協(xié)同仿真的定子電流波形導入到MATLAB中。

(2) 利用M函數(shù)將導入的定子電流信號進行分解重構，得到不同運行狀態(tài)下的重構信號。

(3) 對重構信號采用快速傅里葉變換，得到不同運行狀態(tài)下定子電流信號的頻域分析結果。

經(jīng)由以上步驟得到發(fā)電機正常運行和發(fā)生25%匝間短路故障時的定子電流重構信號，分別如圖4和圖5所示。

圖4 正常運行時定子電流重構信號

圖5 25%匝間短路定子電流重構信號

由圖4、圖5中的標注可得，正常運行和發(fā)生25%匝間短路時的定子電流重構信號峰值分別為112.4 A和117.6 A。對比表1、表2的數(shù)值可知，小波包分析對定子電流信號具有良好的去噪效果。但是，通過比較正常運行和發(fā)生25%匝間短路故障定子電流重構信號波形可知，兩者之間并沒有太大的區(qū)別，即當永磁風力發(fā)電機匝間短路故障時，定子電流信號除去幅值大小的變化之外，其波形并沒有十分明顯的畸變。為此，需要對正常運行時和發(fā)生匝間短路故障時得到的定子電流重構信號進行進一步的頻域分析，以得到匝間短路故障特征頻率諧波。

采用快速傅里葉變換，將時域形式的重構信號變換成頻域形式。正常運行以及發(fā)生25%匝間短路故障的定子電流頻域分析結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 正常運行定子電流幅值譜

圖7 25%匝間短路定子電流幅值譜

由圖6、圖7的標注可得，相比正常運行狀態(tài)，在發(fā)生25%匝間短路故障時，永磁風力發(fā)電機定子電流信號中的0.1、0.2、0.3次諧波幅值變化明顯。因此，可以由永磁風力發(fā)電機定子電流0.1、0.2、0.3次諧波幅值變化來判斷發(fā)電機是否發(fā)生定子繞組匝間短路故障。

3.2 故障嚴重程度與特征諧波含量的關系

為研究匝間短路特征頻率諧波含量與故障嚴重程度之間的關系，本文建立了正常運行以及故障程度分別為5%、10%、15%、20%、25%匝間短路的永磁風力發(fā)電機仿真模型。使用上一小節(jié)中的定子電流信號處理方法，得出不同運行狀態(tài)下定子電流信號中匝間短路特征頻率諧波幅值變化情況。表3為特征頻率諧波變化表。

表3 故障特征頻率諧波幅值變化表

通過表3中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著永磁風力發(fā)電機匝間短路故障嚴重程度的加劇，匝間短路故障特征頻率諧波幅值和基波電流幅值也隨之增加，表明了故障嚴重程度與故障特征頻率諧波幅值之間的變化關系。

為進一步說明0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風力發(fā)電機匝間短路故障特征頻率諧波的有效性，并結合圖6、圖7的頻域分析結果，永磁風力發(fā)電機在不同運行狀態(tài)下定子電流信號中其他主要諧波幅值的變化情況如表4、表5所示。

表4 奇數(shù)次諧波幅值變化表

表5 偶數(shù)次諧波幅值變化表

由表4、表5中的數(shù)據(jù)可知，不同運行狀態(tài)時定子電流信號中的整數(shù)次諧波含量小，而且?guī)缀醪淮嬖谧兓Ｒ虼诉M一步說明了定子電流0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風力發(fā)電機匝間短路故障的故障特征諧波的有效性。

4 結 語

本文針對永磁風力發(fā)電機中常見的定子繞組匝間短路故障，使用場路耦合方法進行分析，建立了Maxwell 2D和Simplorer的聯(lián)合仿真模型，得到發(fā)電機正常運行和不同程度匝間短路故障時永磁風力發(fā)電機的定子電流信號。利用小波包變換對正常和匝間短路故障時的定子電流信號進行分解重構，對得到的重構信號采用快速傅里葉變換，進行頻域分析?？傻贸鲆韵陆Y論：

1) 通過對定子電流重構信號頻域分析結果可知，定子電流信號中0.1、0.2、0.3次低頻諧波可以作為永磁風力發(fā)電機匝間短路故障的特征頻率諧波。

2) 對不同故障嚴重程度的定子電流信號的分析，表明了繞組匝間短路故障嚴重程度與故障特征頻率諧波之間的關系。

3) 對永磁風力發(fā)電機定子電流信號中的主要整數(shù)次諧波含量在不同運行狀態(tài)時的變化做了分析，通過分析進一步驗證了0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風力發(fā)電機匝間短路故障特征頻率諧波的有效性。