旋轉(zhuǎn)整流器的換相過程分析

孫 碩, 葉志浩，歐陽斌, 胡安琪

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旋轉(zhuǎn)整流器的換相過程分析

孫 碩, 葉志浩，歐陽斌, 胡安琪

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子研究所，武漢 430033）

闡述了無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在正常工況下的工作原理和換相過程，根據(jù)換相電抗和負(fù)載電阻的關(guān)系將換相過程分類，并通過理論解析了旋轉(zhuǎn)整流器在正常工況下的換相電流波形。通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，為無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)研究提供一定的理論依據(jù)。

旋轉(zhuǎn)整流器 換相過程 換相電抗 理論解析

0 引言

無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)采用與主發(fā)電機(jī)同軸的旋轉(zhuǎn)電樞式勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組產(chǎn)生的交流電流通過安裝在同一轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)整流器整流，輸出直流電流供給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，構(gòu)成了無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)整流器是無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的重要組成部分，取代了傳統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)的集電環(huán)和電刷裝置，提高了發(fā)電機(jī)的可靠性和運(yùn)行效率。旋轉(zhuǎn)整流器多為三相不控整流器，它的工作特性主要體現(xiàn)在換相過程分析上[1-3]。因?yàn)閯?lì)磁機(jī)電樞繞組電阻和換相電抗存在，使旋轉(zhuǎn)整流器的換相過程的理論解析較為復(fù)雜，現(xiàn)有的文獻(xiàn)在涉及相關(guān)內(nèi)容的研究中，如對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷、對(duì)勵(lì)磁控制的算法等，[1]對(duì)換相過程少有詳細(xì)的分析和計(jì)算，使相關(guān)研究缺少一定的理論依據(jù)，也難以保證研究的精確性[4]。本文在無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)工作下，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器在正常工況下的換相過程作詳細(xì)的分類和分析，并通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，為旋轉(zhuǎn)整流器的相關(guān)內(nèi)容研究提供了重要的理論依據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)整流器的工作模式

無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器組成，主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組可等效為高感性負(fù)載，旋轉(zhuǎn)整流器的等效電路模型可簡化如圖1 所示[5-7]。

旋轉(zhuǎn)整流器根據(jù)導(dǎo)通二極管個(gè)數(shù)，可以分為三種不同的工作模式[6]，如圖2：

1）導(dǎo)通運(yùn)行模式：旋轉(zhuǎn)整流器中有兩只二極管同時(shí)導(dǎo)通，交流側(cè)處于通路狀態(tài)。

2）換相運(yùn)行模式：旋轉(zhuǎn)整流器中有三只二級(jí)管同時(shí)導(dǎo)通，交流側(cè)處于通路狀態(tài)。

3）短路運(yùn)行模式：旋轉(zhuǎn)整流器中有三只以上的二級(jí)管子導(dǎo)通，交流側(cè)處于三相短路狀態(tài)。

2 旋轉(zhuǎn)整流器換相過程分類

無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組通過氣隙磁場耦合產(chǎn)生換相電抗。換相電抗導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)整流器在換相過程中存在換相重疊角，根據(jù)換相重疊角范圍和旋轉(zhuǎn)整流器的運(yùn)行模式，可以將換相過程分為三類[7]：

2.1第一種類型：導(dǎo)通模式+換相模式

2.2第二種類型：換相模式

增大第一類換相過程的換相電抗，則換相重疊角也隨之增大。當(dāng)換相重疊角增大至?xí)r，若仍無法完成換相，則換相過程會(huì)存在換相延遲角，使初始換相過程延遲一定角度，當(dāng)換相延遲角時(shí)，換相重疊角仍為。與第一種類型的換相過程相比較，整流器只存在換相模式，不存在導(dǎo)通模式。換相過程中的導(dǎo)通二極管與第一種換相過程導(dǎo)通模式下的二極管完全一樣。

2.3第三種類型：換相模式+短路模式

根據(jù)第二類的換相過程可知，若繼續(xù)增大換相電抗，直至在換相延遲角仍沒有完成一次換相過程，旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)入短路運(yùn)行模式工作，直至換相結(jié)束后又立刻進(jìn)入換相模式工作，并如此反復(fù)。換相周期為。換相過程的工作階段和導(dǎo)通二極管如表2所示。

3 換相波形的理論解析

2）旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流為直流電流。

3）旋轉(zhuǎn)整流器在正常工況下工作，且發(fā)電機(jī)處于在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

為便于求出不同類型的換相過程對(duì)應(yīng)的換相電抗邊界值，以第二種換過過程為例，解析求出換相電流表達(dá)式過程如下[7]：

負(fù)載直流電壓的平均值可求得為：

又：

故可求出：

在旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行工況下，根據(jù)三相電流的對(duì)稱關(guān)系，可得出B、C相電流與A相電流波形相同，相位上分別超前和滯后。

4 仿真驗(yàn)證

同步發(fā)電機(jī)等效仿真模型可以用Simulink仿真庫中的三相同步電機(jī)基本模型搭建，以三相同步電機(jī)基本模型為基礎(chǔ)搭建旋轉(zhuǎn)整流器等效電路仿真模型如圖4：

可以看出仿真得到的波形與上文理論求出的波形表達(dá)式基本一致。對(duì)理論分析得到的波形解析方程和仿真得到的波形傅里葉變換，因主要包含低次諧波，所以取低次諧波做比較，諧波幅值大小如表4。通過比較可得旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行工況下仿真得到的換相波形與理論求取的換相波形諧波含量相等，也驗(yàn)證了二極管斷路狀況下?lián)Q相過程理論分析的正確性。

5 結(jié)論

本文闡述了旋轉(zhuǎn)整理器的工作原理和工作特性，根據(jù)旋轉(zhuǎn)整流器換相電抗與整流器直流負(fù)載的比值范圍，將旋轉(zhuǎn)整流器的換相過程分為三種不同類型。并以第二類換相過程為例，解析分析了旋轉(zhuǎn)整流器在正常工況下的三相電流輸入波形和輸出電壓和電流的表達(dá)式。建立了無刷勵(lì)磁電機(jī)的仿真模型并驗(yàn)證了理論解析的正確性。通過對(duì)換相過程的理論解析，深化了對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器換相過程的認(rèn)識(shí)，也為旋轉(zhuǎn)整流器的二極管選型、旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷和勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)等相關(guān)研究工作提供了一定的理論依據(jù)。

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Analysis on the Commutation of the Rotating Rectifier

Sun Shuo，Ye Zhihao，Ouyang Bin, Hu Anqi

(Research Institute of Power Electronic Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

TM76

A

1003-4862（2015）01-0053-05

2014-08-16

國家973項(xiàng)目（2013CB035601）。

孫碩（1990-），男，碩士生。研究方向：電力集成。