核電站無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的電樞電流諧波分析研究

， ， (.四川大學(xué)錦城學(xué)院新能源工程系，四川 成都 673； .四川大學(xué)電氣工程系,四川 成都 60065)

0 引 言

無刷勵(lì)磁系統(tǒng)是核電站汽輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其基本功能是：向汽輪發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流；當(dāng)負(fù)載工況變化時(shí)，維持機(jī)端電壓穩(wěn)定；當(dāng)電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，保持發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常工況時(shí)，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)限制運(yùn)行工況，保護(hù)發(fā)電機(jī)。它的性能和可靠性直接影響到發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行和送電能力，是發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)中極其重要的一環(huán)[1]。

無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主勵(lì)磁機(jī)是轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)，與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的電樞繞組感應(yīng)出的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的二極管整流后，直接送到主同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)經(jīng)過靜止的晶閘管整流器后供給。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故稱為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。由于取消了電刷和集電環(huán)，減少了大量的維護(hù)工作并消除了因?yàn)殡娝⑴c集電環(huán)的機(jī)械性接觸摩擦造成的噪聲、火花和發(fā)熱等不安全因素,因此無刷勵(lì)磁同步電機(jī)在大容量核電機(jī)組中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，整流二極管處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)將承受十分強(qiáng)大的離心力，故發(fā)生故障的概率非常高。一旦發(fā)生故障，如一臂開路、一臂短路等，將造成二極管的損壞，嚴(yán)重時(shí)不能給主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流從而影響發(fā)電機(jī)的正常安全運(yùn)行，最后可能造成嚴(yán)重的后果。針對(duì)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷，國(guó)內(nèi)外做了很多的研究，多數(shù)研究的是三相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)和11相(或多相)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，而研究六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)卻很少[3-6]。

六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以降低大功率勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)單個(gè)二極管的容量要求，還能提高整流電壓的質(zhì)量，改善系統(tǒng)的容錯(cuò)性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。下面重點(diǎn)對(duì)六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行、一臂開路和一臂短路3種工況下進(jìn)行交流勵(lì)磁機(jī)電樞電流諧波分析,并在Matlab中Simulink的環(huán)境下進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)的理論分析

六相無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的主交流勵(lì)磁機(jī)的電樞電流由副交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)過可控硅整流之后提供，主同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由主交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流后輸出到主同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上提供。該旋轉(zhuǎn)整流器所接的負(fù)載可以認(rèn)為是大電感負(fù)載，負(fù)載電流Id為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流， 其六相無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

帶整流器負(fù)載的主交流勵(lì)磁機(jī)的電樞電流可以認(rèn)為是正弦波形，定子電樞每相感應(yīng)電壓均為正弦波，相角依次相差60°。但是由于交流勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組存在電抗，導(dǎo)致電樞電流不能突變，所以電樞電流是非正弦的，并存在一個(gè)換相重疊角γ。Uɑ相電樞電流波形如圖2所示。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里忽略電樞繞組的電抗，認(rèn)為電樞電流是正弦波形，則Uɑ相電樞電流波形如圖3所示。

圖3所示的電樞電流在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式可以用分段函數(shù)表示，則交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)Uɑ相的電樞電流為

圖2 實(shí)際的Uɑ相電樞電流波形

圖3 簡(jiǎn)化后的Uɑ相電樞電流波形

(1)

式中，Id為負(fù)載電流。從電樞電流的波形和公式可以看出，電樞電流是周期函數(shù)且滿足狄利克雷定理，故可以對(duì)電樞電流進(jìn)行傅里葉分解，得到分解后的電樞電流為

(2)

即

(3)

從電樞電流的傅里葉分解可以看出交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)電樞電流不含有直流分量和偶次諧波，僅含有奇次諧波，其中3次、5次和7次諧波的含量最多，且諧波含量隨著諧波次數(shù)的增加而降低。

2 旋轉(zhuǎn)整流器一臂開路時(shí)的理論分析

同旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)的分析方法一樣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同樣忽略電樞繞組的電抗，認(rèn)為電樞電流是正弦波形，則Uɑ相一臂開路時(shí)的電樞電流波形如圖4所示。

圖4 Uɑ相一臂開路時(shí)電樞電流波形

圖4所示的電樞電流同樣用分段函數(shù)表示，則交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開路時(shí)Uɑ相的電樞電流為

(4)

可以看出電樞電流還是周期函數(shù)并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式可以用傅里葉分解，得到

(5)

從一臂開路時(shí)電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器在一臂開路時(shí)電樞電流不僅含有奇次諧波，還出現(xiàn)了直流分量和偶次諧波，其中2次和4次諧波含量很多并且諧波含量隨著諧波次數(shù)增加而降低。

3 旋轉(zhuǎn)整流器一臂短路時(shí)的理論分析

用同樣的方法來分析整流旋轉(zhuǎn)器在一臂短路時(shí)的電樞電流，則Ua相一臂短路時(shí)的電樞電流波形如圖5所示。

圖5 Uɑ相一臂短路時(shí)電樞電流波形

圖5所示的電樞電流波形同樣還是周期函數(shù)并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式可以用傅里葉分解，但是由于短路時(shí)的電樞電流波形明顯不能用一個(gè)顯函數(shù)來表示并且也不易用分段函數(shù)來表示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里采用Matlab擬合工具箱將短路時(shí)的電樞電流波形進(jìn)行了擬合，得到一個(gè)擬合函數(shù)為

iɑ=a1sin(b1ωt+c1)+a2sin(b2ωt+c2)+a3sin(b3ωt+c3)+a4sin(b4ωt+c4)

(6)

由傅里葉分解可以知道一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)的分解除了直流分量以外，其奇次偶次諧波含量是隨著諧波次數(shù)的增加成冪數(shù)的減少，可見在短路發(fā)生時(shí)電樞電流的直流分量和低次諧波的含量較多，如2次諧波、3次諧波等。

4 旋轉(zhuǎn)整流器正常和故障時(shí)仿真分析

在Matlab中的Simulink環(huán)境下建立三相、六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型[7-8]，三相無刷勵(lì)磁機(jī)用Matlab的三相同步電機(jī)模塊來進(jìn)行仿真，如圖6所示；六相無刷勵(lì)磁機(jī)采用六相電壓源模塊進(jìn)行仿真，如圖7所示。

圖6 三相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型

圖7 六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型

表1 無刷勵(lì)磁機(jī)參數(shù)和同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)

通過仿真分析，分別獲得三相、六相交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行時(shí)的電樞電流波形和諧波成分，如圖8和圖9所示。而圖10和圖11分別是三相、六相交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生一臂開路時(shí)的電樞電流波形和諧波成分。另外，圖12和圖13分別是三相、六相交流勵(lì)磁機(jī)整流器發(fā)生一臂短路時(shí)電樞電流的波形和諧波成分。

圖8 正常運(yùn)行時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

從仿真結(jié)果可以看出，六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行、一臂開路和一臂短路三種情況下，電樞電流的諧波次數(shù)和含量與三相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器在正常運(yùn)行、一臂開路和一臂短路3種情況下基本相同。出現(xiàn)不同的地方在于旋轉(zhuǎn)整流器正常運(yùn)行時(shí)，三相勵(lì)磁系統(tǒng)中的電樞繞組是星型連接，故3次及3的整數(shù)倍諧波不存在，而對(duì)于六相勵(lì)磁系統(tǒng)則是6次及6的整數(shù)倍諧波不存在。但是總體的故障特征并沒有改變，例如：正常運(yùn)行時(shí)奇次諧波含量較多；一臂開路時(shí)直流分量、基波和2次、4次諧波含量較多；一臂短路時(shí)直流分量、基波和2次諧波含量較多。

圖9 正常運(yùn)行時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

圖10 一臂開路時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

圖11 一臂開路時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

圖12 一臂短路時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

圖13 一臂短路時(shí)Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

因此，根據(jù)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱電流可以在勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電流的原理，可在定子側(cè)進(jìn)行諧波電流的成分檢測(cè)(例如正常運(yùn)行時(shí)6次諧波含量最大、一臂開路時(shí)基波含量最大、一臂短路時(shí)2次諧波含量最大)達(dá)到故障診斷目的，或者檢測(cè)定子側(cè)電流基波含量與6次諧波含量的比值、基波含量與2次諧波含量的比值作為故障類型的判斷。

5 結(jié) 語

針對(duì)六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)在正常運(yùn)行、一臂開路和一臂短路3種情況下對(duì)電樞電流進(jìn)行諧波理論分析和仿真計(jì)算，得出仿真結(jié)果與理論分析一致；與三相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了比較，得出六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的故障特征與三相相似，三相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)故障檢測(cè)方法可以用于六相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

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