無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁發(fā)電機(jī)電壓泵升分析

饒 金，崔小鵬，徐興華

（武漢軍事代表局駐四六一廠代表室，武漢 430033）

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁發(fā)電機(jī)電壓泵升分析

饒 金，崔小鵬，徐興華

（武漢軍事代表局駐四六一廠代表室，武漢 430033）

為了研究發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)設(shè)定值在滅磁過(guò)程中對(duì)發(fā)電機(jī)本體及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的影響，本文通過(guò)發(fā)電機(jī)端口電壓得到發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁電流，考慮發(fā)電機(jī)電感負(fù)載，分析了電機(jī)中旋轉(zhuǎn)整流器的換相過(guò)程，得到勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁磁勢(shì)及旋轉(zhuǎn)整流直流側(cè)電壓表達(dá)式。在對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)以及發(fā)電機(jī)的分析基礎(chǔ)上，研究了發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)整流器晶閘管封脈沖，勵(lì)磁機(jī)緊急滅磁的暫態(tài)過(guò)程，為發(fā)電機(jī)及關(guān)聯(lián)整流器設(shè)計(jì)或相關(guān)保護(hù)器件的選擇提供了理論指導(dǎo)。

同步發(fā)電機(jī) 過(guò)電壓保護(hù) 滅磁

0 引言

在電機(jī)設(shè)計(jì)和器部件選型時(shí)，僅考慮正常運(yùn)行工況下的正常狀態(tài)是不夠的，須考慮發(fā)電機(jī)出現(xiàn)極端故障時(shí)的情形。例如旋轉(zhuǎn)整流器是發(fā)電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中的重要元件。由于經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并受到過(guò)電壓、過(guò)流等非正常因素的影響，在選擇旋轉(zhuǎn)整流器部件時(shí)，短路故障的電流峰值是一個(gè)重要的參考依據(jù)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)或選擇相關(guān)保護(hù)器件的重要依據(jù)之一。

隨著同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增長(zhǎng)，快速切除故障電流是電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行的必要條件。當(dāng)發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)整流器裝置出現(xiàn)故障時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，并快速切斷勵(lì)磁電流，會(huì)造成發(fā)電機(jī)輸出過(guò)電壓。本節(jié)將對(duì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下發(fā)生該故障時(shí)的過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算，作為發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣設(shè)計(jì)和整流器裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)依據(jù)。

1 基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的參數(shù)計(jì)算

1.1 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，發(fā)電機(jī)電樞繞組交流側(cè)端口線電壓有效值Ur。端口相電壓有效值為，輸出電流有效值Irm。假設(shè)基波電壓與基波電流（電樞繞組）同相位，等效負(fù)載電阻。等效電路如圖2。其中

圖1 勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)組成

Ld_gen為發(fā)電機(jī)電樞繞組電感，Lfd_gen為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組對(duì)電樞繞組互感，Rs_gen為發(fā)電機(jī)定子電阻，其中Ifd_gen為所需要的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

1.2 勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型

如圖3為勵(lì)磁機(jī)電樞繞組與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的連接電氣圖，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組為感性負(fù)載。

圖3 勵(lì)磁機(jī)電樞繞組與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組連接

換相重疊角計(jì)算公式[2]：

根據(jù)公式（3）計(jì)算得到換相重疊角r=94°，根據(jù)判斷r大于60°。當(dāng)換相重疊角r＞60°，同時(shí)存在一個(gè)換相延遲角 α，這時(shí)三相整流橋的工況類比于：換相重疊角r=60°，控制角(換相延遲角)α的三相不控整流。根據(jù)式(4)得到換相延遲角α=34°。

根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流Ifd_gen求直流側(cè)電壓的直流分量（平均值）

同時(shí)

聯(lián)立上述表達(dá)式，可得交流側(cè)源電壓幅值：

對(duì)于勵(lì)磁機(jī)

其中Ifd_excit為求得勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流。

1.3 勵(lì)磁機(jī)電樞電流參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述分析，計(jì)算勵(lì)磁機(jī)電樞電流，在計(jì)算過(guò)程中需要考慮發(fā)電機(jī)負(fù)載，分析旋轉(zhuǎn)整流器的換相過(guò)程。

a）當(dāng) 0°≤wt＜60°+(α-30°)，a相處于退出換相過(guò)程，b相處于進(jìn)入換相過(guò)程。可得勵(lì)磁機(jī)輸出三相電流為：

大數(shù)據(jù)技術(shù)掀起了新的技術(shù)革命，目前在各行各業(yè)都有了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)是指大數(shù)據(jù)技術(shù)、理念和思維在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。從更深層次考慮，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)是智慧化、協(xié)作化、智能化、精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、先覺(jué)泛在的現(xiàn)代信息技術(shù)不斷發(fā)展而衍生的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的高級(jí)階段[4]。

其中id0為直流側(cè)電流即發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流Ifd_gen。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器后電壓為：

b）當(dāng) 60°+(α-30°)≤wt＜120°+(α-30°)，c相處于退出換相過(guò)程，a相處于進(jìn)入換相過(guò)程?？傻脛?lì)磁機(jī)輸出三相電流為：

c）當(dāng) 120°+(α-30°)≤wt＜180°+(α-30°)，b相處于退出換相過(guò)程，c相處于進(jìn)入換相過(guò)程?？傻?/p>

可得勵(lì)磁機(jī)輸出三相電流為：

同理可得 180°+(α-30°)≤wt＜240°+(α-30°)，240°+(α-30°)≤wt＜300°+(α-30°) 換 相 過(guò) 程 和300°+(α-30°)≤wt＜360°+(α-30°)時(shí)的勵(lì)磁機(jī)輸出三相電流。

2 整流器封脈沖勵(lì)磁機(jī)滅磁過(guò)程分析

在任意時(shí)刻，發(fā)電機(jī)繞組回路斷電，動(dòng)調(diào)整流器裝置封脈沖，勵(lì)磁機(jī)緊急滅磁。計(jì)算該時(shí)刻前后的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

a）t=0-時(shí)刻，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的連接電氣圖。

圖4 換向過(guò)程分區(qū)

0-時(shí)刻回路1磁鏈：

0-時(shí)刻回路2磁鏈：

t≥t0+時(shí)刻，磁鏈方程為

t=t0+與t=t0-時(shí)刻，回路1和回路2的磁鏈不變。

圖5 t=0-時(shí)刻電氣連接圖

由式(24)中上式得：

由式(24)下式得：

由式(25)和式(26)可知

圖6 t=0+時(shí)刻電氣連接圖

由式(29)中上下兩式相加可得：

b）t=0-時(shí)刻，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組與主發(fā)勵(lì)磁繞組的連接電氣圖。

圖7 t=0-時(shí)刻電氣連接圖

t=0-時(shí)刻：ia＞0，ib＜0，ic＜0（以輸出功率作為正方向基準(zhǔn)）。同理可得：

c）t=0-時(shí)刻，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組與主發(fā)勵(lì)磁繞組的連接電氣圖。

t=0-時(shí)刻：ia＜0，ib＞0，ic＜0（以輸出功率作為正方向基準(zhǔn)）。

綜上所述，在任意時(shí)刻主發(fā)突然卸載，勵(lì)磁機(jī)突然滅磁。

t=t0-與t=t0+時(shí)刻，根據(jù)勵(lì)磁守恒推出得：

t＞t0+：ifd所滿足的微分方程：

圖9 t=0-時(shí)刻電氣連接圖

3 試驗(yàn)及其驗(yàn)證

通過(guò)計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電壓、電流如圖 11(a)、(b)所示，旋轉(zhuǎn)整流器直流側(cè)電壓如圖11(c)所示，在一個(gè)周期中任一時(shí)刻發(fā)生滅磁后的發(fā)電機(jī)最大輸出電壓如圖11(d)所示。當(dāng)額定電壓為1260 V時(shí)，在不同時(shí)刻封脈沖過(guò)電壓值在1480～1495 V之間，比額定值高出17.5%～18.6%。

圖11 過(guò)電壓仿真波形

4 結(jié)論

通過(guò)滅磁仿真分析可知，當(dāng)整流器在任何時(shí)候故障封脈沖，切斷勵(lì)磁電流，過(guò)電壓值不超過(guò)額定電壓的 1.2倍。發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下發(fā)生故障時(shí)的過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算，作為發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣設(shè)計(jì)和的一個(gè)依據(jù)。這時(shí)將會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓過(guò)電壓保護(hù)整定值過(guò)高易導(dǎo)致定子過(guò)電壓和滅磁電流過(guò)大。

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Insulation Fault Diagnosis Research of Synchronous Generator Based on Feature Similarity

Rao Jin，Cui Xiaopeng, Xu Xinghua
（Naval Representatives Office in No. 461 Factory, Wuhan 430060, China）

In order to study the influence of generator and its associated equipment by set value of generator overvoltage protection during de-excitation process, through the excitation current obtained by generator port voltage and considering the generator inductance load, rotary rectifier commutation process is analyzed and excitation current, excitation magnetic potential and rotating rectifier DC side voltage expression are gotten. Based on the analysis of the brushless exciter and the generator, the transient process of the thyristor seal and the excitation of the exciter are given, which provides the theory for the selection of generator and associated rectifier design or related protection device.

synchronous generator; over-voltage protection; de-excitation

TM359

A

1003-4862（2017）10-0017-05

2017-07-14

國(guó)家自然科學(xué)基金（51077129），國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目( 2010AA8091902)

饒金(1983-)，男，工程師，博士。研究方向：電氣工程。E-mail: 693648543@qq.com。