四相雙電樞繞組分布電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)短路故障研究

倪海濤，趙 耀，滕登輝，陸佳煜，鄧麗娜

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

作為定子勵(lì)磁型雙饋電機(jī)的代表，電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(Doubly Salient Electro-magnetic Machine，DSEM)因簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，靈活調(diào)節(jié)的磁場(chǎng)，可靠性高等優(yōu)勢(shì)而適用于航空航天[1-2]、風(fēng)力發(fā)電[3]以及電動(dòng)汽車[4]等高可靠性和特殊應(yīng)用場(chǎng)合。近些年來，隨著上述領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)電機(jī)可靠性的要求也越來越高，對(duì)電機(jī)容錯(cuò)性能的研究也越來越多。電機(jī)容錯(cuò)有兩方面的含義，一是在故障狀態(tài)下，電機(jī)能夠保持正?；蛘呦鄬?duì)良好的表現(xiàn)，比如采用兩個(gè)或者兩個(gè)以上的備份的方式；二是故障不對(duì)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，甚至損壞設(shè)備[5]。

文獻(xiàn)[6]研究了DSEM在直流輸出端短路和三相電樞繞組短路情況下的運(yùn)行規(guī)律。文獻(xiàn)[7] 研究了電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)在并聯(lián)橋發(fā)電時(shí)，單相繞組端部短路和二極管短路故障下的輸出特性。文獻(xiàn)[8]對(duì)比了三相12/8極雙繞組DSEM和五相20/16極單繞組DSEM的容錯(cuò)性能，表明三相12/8極雙繞組DSEM具有更好的容錯(cuò)性、更低的電壓脈動(dòng)和更高的功率密度。文獻(xiàn)[9]提出了一種針對(duì)開關(guān)管開路故障的容錯(cuò)控制策略，并用特定的PWM模式來抑制反電動(dòng)勢(shì)電流以提高輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]針對(duì)多端口雙定子DSEM驅(qū)動(dòng)提出了一種具有容錯(cuò)性能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在逆變器發(fā)生單相開路或者短路故障時(shí)仍可保持輸出性能。五相容錯(cuò)電機(jī)在外接單相橋條件下，二極管發(fā)生短路故障不會(huì)造成系統(tǒng)崩潰，負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍有較好容錯(cuò)能[11]。

由此可見大多數(shù)研究都是針對(duì)功率變換器與控制方法的研究，從本體的角度研究繞組短路故障對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響較少。DSEM可在短路發(fā)生時(shí)降低勵(lì)磁電流來減小短路電流，使得電機(jī)可以在故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行，降低故障對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的危害。

本文以四相12/9極雙電樞繞組分布電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(Dual Armature-winding Doubly Salient Electro-magnetic Machine with Distributed Magnetomotive Forces，DAW-DSEM-DF)為研究對(duì)象，進(jìn)行短路狀態(tài)下的理論、仿真與實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)DAW-DSEM-DF結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上研究其在短路故障下電樞繞組電流、磁鏈和端電壓等電磁特性，電樞反應(yīng)對(duì)各相繞組的影響，以及不同勵(lì)磁電流下的功率特性。最后，研制了一臺(tái)四相12/9極DAW-DSEM-DF樣機(jī)，進(jìn)行了繞組短路故障實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1是四相12/9極DAW-DSEM-DF電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。每相由三個(gè)定子極構(gòu)成，定子采用徑向極結(jié)構(gòu)，每個(gè)定子槽都置有一套勵(lì)磁繞組和上下排列分布的電樞繞組1(Armature winding 1)，簡(jiǎn)稱AW1，和電樞繞組2(Armature winding 2)，簡(jiǎn)稱AW2，共產(chǎn)生6對(duì)磁極, 文獻(xiàn)[12]為四相DSEM的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。相對(duì)于集中勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，該電機(jī)每個(gè)定子極上都有一套勵(lì)磁繞組，分布式勵(lì)磁方式各相電感對(duì)稱。勵(lì)磁繞組采用分布式勵(lì)磁，各相電感對(duì)稱，反電勢(shì)諧波含量少，輸出電壓脈動(dòng)小。

圖1 四相12/9 DAW-DSEM-DF結(jié)構(gòu)圖

四相12/9 DAW-DSEM-DF主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 四相12/9 DAW-DSEM-DF主要參數(shù)

1.2 工作原理

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同一時(shí)刻四個(gè)繞組磁鏈增加、四個(gè)繞組磁鏈減少，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。由于采用分布式勵(lì)磁，每個(gè)槽內(nèi)都有勵(lì)磁繞組，磁鏈計(jì)算時(shí)不僅要考慮自感磁鏈、與勵(lì)磁繞組互感產(chǎn)生的磁鏈，也要考慮同相兩套電樞繞組間以及不同相繞組的互感所產(chǎn)生的磁鏈。

電機(jī)的磁鏈方程為

[ψ]=[L][I]

(1)

式中，[ψ]為四相電樞繞組磁鏈以及勵(lì)磁繞組磁鏈矩陣，[L]為電感矩陣，包括相自感、相互感以及相繞組與勵(lì)磁繞組的互感電感矩陣，[I]為電流矩陣，包括電機(jī)各相繞組以及勵(lì)磁繞組電流。

空載磁密與磁力線圖如圖2所示。磁路主要從與其相鄰兩相定子極通過，磁路較短，降低了損耗。

圖2 空載磁密與磁力線

電機(jī)系統(tǒng)所采用的混合半波整流器如圖3所示，為了降低二極管損耗，向負(fù)載輸出低壓大電流的電能，兩套電樞繞組分別采用不同的二極管連接方式，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出時(shí)都能向負(fù)載輸出能量。圖3中A1繞組所加電流表與電壓表分別測(cè)得A1繞組輸出電流與端電壓。

圖3 混合半波整流器

發(fā)電運(yùn)行時(shí)，以A相為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)出A相定子極時(shí)，A1繞組匝鏈的磁鏈逐漸減少而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，DA1管導(dǎo)通；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)入A相定子極時(shí)，A2繞組匝鏈的磁鏈逐漸增加，DA2管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)入時(shí)電樞反應(yīng)為去磁，轉(zhuǎn)出時(shí)電樞反應(yīng)為增磁。相繞組的感應(yīng)電勢(shì)在電勢(shì)分別在負(fù)半周和正半周經(jīng)整流向負(fù)載供電，輸出電壓UO可以表示為

(2)

式中,UA1、UB1、UC1、UD1、UA2、UB2、UC2、UD2代表各繞組端電壓。

圖4為電機(jī)的電磁特性，正常工作時(shí)四相輪流導(dǎo)通，由于兩套繞組采用不同的整流方式，同相的兩套繞組的導(dǎo)通角相差180°。由于同一時(shí)間有多相繞組同時(shí)導(dǎo)通，可提高系統(tǒng)故障時(shí)的輸出能力，如A1繞組發(fā)生單繞組故障時(shí)，此時(shí)C2繞組繼續(xù)向負(fù)載供電，減小故障對(duì)輸出功率的影響。同時(shí)其他正常工作繞組不會(huì)因A1繞組單繞組的影響而停止工作。本文仿真是在勵(lì)磁電流為10 A，負(fù)載電阻為1 Ω，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min條件下進(jìn)行。

圖4 正常運(yùn)行時(shí)電磁特性

正常工作狀態(tài)下，以[t1，t2]區(qū)間為例，D2、B1、C2、A1四個(gè)繞組供電，在D2、B1電流達(dá)到最大值附近時(shí)，A1磁鏈從最小值上升，C2磁鏈從最大值下降，C2、A1開始導(dǎo)通。每個(gè)繞組的輸出電壓主要與勵(lì)磁產(chǎn)生的電勢(shì)和同時(shí)供電的其他繞組的互感有關(guān)，其狀態(tài)方程為

io=iD2+iB1+iC2+iA1

(3)

(4)

式中,UO為輸出電壓，同時(shí)導(dǎo)通的各繞組輸出電壓相同。P1和P2代表繞組名稱，efP1為勵(lì)磁繞組與P1繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，iP1為P1繞組相電流，rP1為P1繞組內(nèi)阻，LP1為P1繞組自感，LP1P2為P1與P2繞組互感。正常工作時(shí)，同一時(shí)刻有四套繞組在向負(fù)載供電，其他區(qū)間工作原理與此類似，不再贅述。

2 短路故障運(yùn)行分析

常見的短路故障最易發(fā)生在一個(gè)定子極上的電樞繞組間，本文為了和實(shí)驗(yàn)一致，選擇研究的短路為最嚴(yán)重的情況——電樞繞組端部短路。而實(shí)際電機(jī)運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生的是繞在一個(gè)定子極上的繞組發(fā)生短路故障。正常工作時(shí)各繞組電流僅占半個(gè)電周期，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流在一個(gè)電周期持續(xù)存在，且短路電流值較大。

單繞組短路電流表達(dá)式為

(5)

式中,isc為短路繞組電流，eP1為P1繞組反電勢(shì)。

兩繞組短路電流表達(dá)式為

(6)

式中,ifaw為故障繞組輸出電流。短路發(fā)生在同一套繞組間取“-”，不同套繞組間取“+”。

繞組發(fā)生短路故障時(shí)，不僅對(duì)其自身有影響，而且要考慮其短路電流對(duì)正常工作繞組的影響。本文短路電流正負(fù)所表示的電流方向與AW1電流方向一致。正常運(yùn)行時(shí)，AW1電流為正，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與勵(lì)磁磁場(chǎng)方向相反，與相鄰定子槽勵(lì)磁磁場(chǎng)方向相反。以A1單繞組短路為例，如圖5(a)所示，短路電流為正時(shí)對(duì)本相和相鄰相產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)，對(duì)非相鄰相產(chǎn)生增磁電樞反應(yīng)。如圖5(b)所示，短路電流為負(fù)時(shí)，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁密的影響與AW1短路電流為正時(shí)相反。

圖5 氣隙磁密分布

不同的短路類型其電路電流的大小和相位不同，并且繞組的位置也不同，會(huì)產(chǎn)生不同的電樞反應(yīng)，因此要分別分析。本文選取了同一槽內(nèi)繞組短路故障進(jìn)行研究，包括單繞組短路和繞組間短路兩類故障。以A、B兩相所在的槽為例，兩種故障混合半波整流短路電路如圖6所示，虛線表示發(fā)生了短路故障。

圖6 混合半波整流短路電路

2.1 單繞組短路故障分析

以A1單繞組短路為例，在短路狀態(tài)下，A1繞組中短路電流始終存在，其短路電流通過與其他繞組的互感對(duì)電機(jī)的輸出產(chǎn)生影響。圖7為單繞組短路電磁特性。

A1短路時(shí)，以[t1，t2]區(qū)間為例，其狀態(tài)方程為

io=iD2+iB1+iC2

(7)

(8)

圖7 單繞組短路電磁特性

A1繞組短路時(shí)，轉(zhuǎn)入時(shí)，短路電流電樞反應(yīng)為去磁，A相繞組磁鏈最大值下降；轉(zhuǎn)出時(shí)，短路電流電樞反應(yīng)為增磁，A相繞組最小值上升，其反電勢(shì)因此低于正常工作時(shí)，無法繼續(xù)向負(fù)載供電。

A1繞組采用滑入發(fā)電方式，當(dāng)短路電流為負(fù)時(shí)，與A相定子極上勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)方向一致；當(dāng)短路電流為正時(shí)，與A相定子極上勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)方向相反。t1時(shí)刻，C1開始轉(zhuǎn)入定子極，[t1，t2]區(qū)間，負(fù)載由D2、B1、C2三個(gè)繞組供電。A1繞組短路電流為負(fù)，與D相勵(lì)磁磁場(chǎng)一致，對(duì)D相起增磁作用，D2繞組輸出電流較正常情況有所增加，但缺少了A1繞組相負(fù)載供電，此時(shí)總功率下降。

[t3，t5]區(qū)間，由于A1與A2繞組繞制在同一定子極上，A1其短路電流在此區(qū)間對(duì)A2繞組的去磁作用最為嚴(yán)重，A2繞組較正常工作時(shí)功率下降。

短路情況下，A1繞組的短路電流在 [t1，t3]區(qū)間對(duì)D2與B2繞組都產(chǎn)生增磁作用。另一方面，由于A1繞組發(fā)生短路，無法繼續(xù)向負(fù)載供電，與其相鄰的互補(bǔ)繞組B1與D1代替其相負(fù)載供電，工作時(shí)間增加，但無法完全彌補(bǔ)A1繞組的功率缺額。

2.2 雙繞組短路故障分析

由于A1與A2繞組在同一定子極上，短路時(shí)電樞反應(yīng)強(qiáng)烈，磁鏈明顯變化，A1和A2繞組均無法向負(fù)載供電，每個(gè)工作區(qū)間只有三個(gè)繞組供電。由于相鄰相互感大于非相鄰相，短路電流對(duì)相鄰相的影響程度要大于非相鄰相。各繞組端電壓負(fù)半周幅值都有所增加，B2與D2繞組更為明顯。圖8為A1與A2繞組間短路電磁特性。

圖8 A1與A2繞組間短路電磁特性

對(duì)于A相與C相，電樞反應(yīng)在轉(zhuǎn)入時(shí)主要表現(xiàn)為去磁，轉(zhuǎn)出時(shí)主要表現(xiàn)為增磁，導(dǎo)致A相與C相磁鏈變化范圍減小，A相反電勢(shì)降低，無法向負(fù)載供電。短路電流電樞反應(yīng)的強(qiáng)弱與短路電流大小有關(guān)，t3時(shí)刻短路電流達(dá)到最小值附近，其對(duì)C相去磁作用最大，C相磁鏈最大值下降。

由于A1與A2繞組無法向負(fù)載供電，在A1與A2繞組電流正常工作時(shí)達(dá)到最大值的t2和t4時(shí)刻，功率下降較多，與其具有工作重合的B1、D1和B2、D2繞組供電功率提高，工作時(shí)間增加。

2.3 各短路情況下短路電流與功率特性

由式(5)、式(6)得，短路電流主要與反電勢(shì)與繞組內(nèi)阻有關(guān)。由于單繞組短路時(shí)，反電勢(shì)產(chǎn)生的電流僅作用在該繞組上，短路電流值大于A1A2繞組短路故障時(shí)。勵(lì)磁電流與短路電流關(guān)系曲線圖，如圖9所示，兩者基本成線性關(guān)系當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來降低短路電流，降低短路電流過大對(duì)電機(jī)造成損壞的可能性，同時(shí)電機(jī)可以維持運(yùn)行。

圖9 勵(lì)磁電流與短路電流關(guān)系

正常和故障運(yùn)行時(shí)功率特性曲線圖，如圖10所示。隨著勵(lì)磁電流的增大，輸出功率不斷增加，但是磁場(chǎng)飽和后功率的增加量明顯減少，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電流增加。如圖10(a)所示，勵(lì)磁電流為10 A時(shí)，磁場(chǎng)還未達(dá)到飽和，勵(lì)磁電流對(duì)AW1的去磁作用較弱，兩套繞組功率差別較小，此時(shí)兩套繞組間短路故障時(shí)功率下降較多。如圖10(b)所示，勵(lì)磁電流為20 A時(shí)，勵(lì)磁電流增大同時(shí)也會(huì)引起短路電流的增加，且A1A2短路電流更大，從而加重去磁電樞反應(yīng)，部分繞組輸出功率有所下降。并且A1A2繞組短路時(shí)，A1與A2繞組無法向負(fù)載供電，A1和A2繞組短路相當(dāng)于缺相運(yùn)行，A1與A2繞組間短路輸出功率明顯下降。

圖10 正常和故障運(yùn)行時(shí)功率特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析，設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)四相12/9極DAW-DSEM-DF樣機(jī)。本部分實(shí)驗(yàn)條件與前文仿真條件保持一致，在勵(lì)磁電流為10 A，負(fù)載電阻為1 Ω，轉(zhuǎn)速為1000 r/min條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

單繞組短路實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示，與仿真圖7吻合度較高。

圖12 單繞組短路實(shí)驗(yàn)波形

圖13為A1A2短路實(shí)驗(yàn)波形。由圖8仿真結(jié)果顯示，輸出電壓平均值為12.2 V；由圖14(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸出電壓平均值為11.9 V，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)兩次較大脈動(dòng)。

圖13 A1A2短路實(shí)驗(yàn)波形

勵(lì)磁電流為10 A時(shí)，正常與故障運(yùn)行時(shí)功率特性如圖14所示，正常和短路故障時(shí)變化趨勢(shì)與規(guī)律與仿真結(jié)果圖10(a)基本一致。

圖14 正常與故障運(yùn)行時(shí)功率特性

4 結(jié) 論

本文研究了四相12/9極DAW-DSEM-DF的正常和兩種短路故障下的電磁特性以及功率特性，得出以下結(jié)論：

(1)四相12/9極DAW-DSEM-DF因其勵(lì)磁磁場(chǎng)可靈活調(diào)整而具有良好的容錯(cuò)能力，且短路故障發(fā)生時(shí)不需要通過斷開勵(lì)磁電流就能夠達(dá)到容錯(cuò)目的。故障繞組的短路電流幅值大于AW1正常工作時(shí)電流幅值，而小于AW2正常工作時(shí)電流幅值。

(2)該電機(jī)同時(shí)具備相數(shù)冗余和通道冗余，故障時(shí)相鄰相輸出功率提高，同相繞組可以繼續(xù)工作。由于同相兩套繞組繞制在同一定子極上，互感較大，發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)同相繞組影響更為明顯。

(3)當(dāng)AW1短路電流為正時(shí)，它對(duì)相鄰相產(chǎn)生增磁作用，磁鏈上升速率提高，下降速率降低。非相鄰相產(chǎn)生去磁作用，磁鏈上升速率降低，下降速率提高；當(dāng)AW1短路電流為負(fù)時(shí)，它對(duì)相鄰相產(chǎn)生去磁作用，非相鄰相產(chǎn)生增磁作用。短路電流具備去磁的電樞反應(yīng)，進(jìn)一步降低了短路故障對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的影響。

(4)降低勵(lì)磁電流后磁場(chǎng)飽和程度降低，短路故障對(duì)功率特性影響降低。在輸出電流較小時(shí)，故障功率特性差別較小。