核电站无刷励磁系统的电枢电流谐波分析研究

， ， (.四川大学锦城学院新能源工程系，四川 成都 673； .四川大学电气工程系,四川 成都 60065)

0 引 言

无刷励磁系统是核电站汽轮发电机组的重要组成部分，其基本功能是：向汽轮发电机提供励磁电流；当负载工况变化时，维持机端电压稳定；当电力系统受到扰动时，保持发电机稳定运行；当发电机出现异常工况时，通过励磁调节限制运行工况，保护发电机。它的性能和可靠性直接影响到发电机组和电网的安全运行和送电能力，是发电机组和电网系统中极其重要的一环[1]。

无刷同步发电机励磁系统的主励磁机是转枢式同步电机，与转子同轴旋转的电枢绕组感应出的交流电流经与主轴一起旋转的二极管整流后，直接送到主同步发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经过静止的晶闸管整流器后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故称为无刷励磁系统。由于取消了电刷和集电环，减少了大量的维护工作并消除了因为电刷与集电环的机械性接触摩擦造成的噪声、火花和发热等不安全因素,因此无刷励磁同步电机在大容量核电机组中得到广泛的应用[2]。

在实际运行过程中，整流二极管处于高速旋转的状态将承受十分强大的离心力，故发生故障的概率非常高。一旦发生故障，如一臂开路、一臂短路等，将造成二极管的损坏，严重时不能给主发电机提供励磁电流从而影响发电机的正常安全运行，最后可能造成严重的后果。针对无刷励磁系统旋转整流器的故障诊断，国内外做了很多的研究，多数研究的是三相无刷励磁系统和11相(或多相)无刷励磁系统，而研究六相无刷励磁系统却很少[3-6]。

六相无刷励磁系统不仅可以降低大功率励磁系统对单个二极管的容量要求，还能提高整流电压的质量，改善系统的容错性，因此得到了广泛的应用。下面重点对六相无刷励磁系统励磁机旋转整流器在正常运行、一臂开路和一臂短路3种工况下进行交流励磁机电枢电流谐波分析,并在Matlab中Simulink的环境下进行仿真计算。

1 旋转整流器正常运行时的理论分析

六相无刷励磁同步发电机的主交流励磁机的电枢电流由副交流励磁机经过可控硅整流之后提供，主同步发电机的励磁电流由主交流励磁机经过旋转整流器整流后输出到主同步电机的转子绕组上提供。该旋转整流器所接的负载可以认为是大电感负载，负载电流Id为同步发电机转子励磁电流， 其六相无刷励磁同步电机励磁系统接线图如图1所示。

带整流器负载的主交流励磁机的电枢电流可以认为是正弦波形，定子电枢每相感应电压均为正弦波，相角依次相差60°。但是由于交流励磁机的电枢绕组存在电抗，导致电枢电流不能突变，所以电枢电流是非正弦的，并存在一个换相重叠角γ。Uɑ相电枢电流波形如图2所示。

为了简化计算，这里忽略电枢绕组的电抗，认为电枢电流是正弦波形，则Uɑ相电枢电流波形如图3所示。

图3所示的电枢电流在一个周期内的表达式可以用分段函数表示，则交流励磁机的旋转整流器在正常运行时Uɑ相的电枢电流为

图2 实际的Uɑ相电枢电流波形

图3 简化后的Uɑ相电枢电流波形

(1)

式中，Id为负载电流。从电枢电流的波形和公式可以看出，电枢电流是周期函数且满足狄利克雷定理，故可以对电枢电流进行傅里叶分解，得到分解后的电枢电流为

(2)

即

(3)

从电枢电流的傅里叶分解可以看出交流励磁机的旋转整流器在正常运行时电枢电流不含有直流分量和偶次谐波，仅含有奇次谐波，其中3次、5次和7次谐波的含量最多，且谐波含量随着谐波次数的增加而降低。

2 旋转整流器一臂开路时的理论分析

同旋转整流器正常运行时的分析方法一样，为了简化计算，同样忽略电枢绕组的电抗，认为电枢电流是正弦波形，则Uɑ相一臂开路时的电枢电流波形如图4所示。

图4 Uɑ相一臂开路时电枢电流波形

图4所示的电枢电流同样用分段函数表示，则交流励磁机的旋转整流器在一臂开路时Uɑ相的电枢电流为

(4)

可以看出电枢电流还是周期函数并且满足狄利克雷定理，同样在一个周期内的表达式可以用傅里叶分解，得到

(5)

从一臂开路时电枢电流的傅里叶分解可以看出，交流励磁机的旋转整流器在一臂开路时电枢电流不仅含有奇次谐波，还出现了直流分量和偶次谐波，其中2次和4次谐波含量很多并且谐波含量随着谐波次数增加而降低。

3 旋转整流器一臂短路时的理论分析

用同样的方法来分析整流旋转器在一臂短路时的电枢电流，则Ua相一臂短路时的电枢电流波形如图5所示。

图5 Uɑ相一臂短路时电枢电流波形

图5所示的电枢电流波形同样还是周期函数并且满足狄利克雷定理，同样在一个周期内的表达式可以用傅里叶分解，但是由于短路时的电枢电流波形明显不能用一个显函数来表示并且也不易用分段函数来表示。为了简化计算，这里采用Matlab拟合工具箱将短路时的电枢电流波形进行了拟合，得到一个拟合函数为

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

(6)

由傅里叶分解可以知道一个非标准正弦函数的分解除了直流分量以外，其奇次偶次谐波含量是随着谐波次数的增加成幂数的减少，可见在短路发生时电枢电流的直流分量和低次谐波的含量较多，如2次谐波、3次谐波等。

4 旋转整流器正常和故障时仿真分析

在Matlab中的Simulink环境下建立三相、六相无刷励磁系统的仿真模型[7-8]，三相无刷励磁机用Matlab的三相同步电机模块来进行仿真，如图6所示；六相无刷励磁机采用六相电压源模块进行仿真，如图7所示。

图6 三相无刷励磁系统的仿真模型

图7 六相无刷励磁系统的仿真模型

表1 无刷励磁机参数和同步发电机转子参数

通过仿真分析，分别获得三相、六相交流励磁机旋转整流器在正常运行时的电枢电流波形和谐波成分，如图8和图9所示。而图10和图11分别是三相、六相交流励磁机旋转整流器发生一臂开路时的电枢电流波形和谐波成分。另外，图12和图13分别是三相、六相交流励磁机整流器发生一臂短路时电枢电流的波形和谐波成分。

图8 正常运行时Uɑ相电枢电流波形和谐波(三相)

从仿真结果可以看出，六相无刷励磁系统励磁机旋转整流器在正常运行、一臂开路和一臂短路三种情况下，电枢电流的谐波次数和含量与三相无刷励磁系统励磁机旋转整流器在正常运行、一臂开路和一臂短路3种情况下基本相同。出现不同的地方在于旋转整流器正常运行时，三相励磁系统中的电枢绕组是星型连接，故3次及3的整数倍谐波不存在，而对于六相励磁系统则是6次及6的整数倍谐波不存在。但是总体的故障特征并没有改变，例如：正常运行时奇次谐波含量较多；一臂开路时直流分量、基波和2次、4次谐波含量较多；一臂短路时直流分量、基波和2次谐波含量较多。

图9 正常运行时Uɑ相电枢电流波形和谐波(六相)

图10 一臂开路时Uɑ相电枢电流波形和谐波(三相)

图11 一臂开路时Uɑ相电枢电流波形和谐波(六相)

图12 一臂短路时Uɑ相电枢电流波形和谐波(三相)

图13 一臂短路时Uɑ相电枢电流波形和谐波(六相)

因此，根据励磁机转子侧出现不对称电流可以在励磁机定子侧感应出相应的谐波电流的原理，可在定子侧进行谐波电流的成分检测(例如正常运行时6次谐波含量最大、一臂开路时基波含量最大、一臂短路时2次谐波含量最大)达到故障诊断目的，或者检测定子侧电流基波含量与6次谐波含量的比值、基波含量与2次谐波含量的比值作为故障类型的判断。

5 结 语

针对六相无刷励磁系统励磁机在正常运行、一臂开路和一臂短路3种情况下对电枢电流进行谐波理论分析和仿真计算，得出仿真结果与理论分析一致；与三相无刷励磁系统进行了比较，得出六相无刷励磁系统的故障特征与三相相似，三相无刷励磁系统故障检测方法可以用于六相无刷励磁系统。

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