多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法.pdf

1、多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法武玉才，孙淑琼(新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北保定071003)摘要：针对多相无刷励磁机旋转二极管开路故障不易检测的问题，以 39 相 11 对极无刷励磁机为例，从无刷励磁机正常运行和单管开路故障时的电枢电流特性入手，首先，分析了 2 种状态下电枢磁场的变化规律，根据励磁机的结构特点及电磁耦合关系，提出在励磁机内定子的任意磁极上安装一个磁场检测线圈用以检测旋转二极管开路故障。其次，结合无刷励磁机空间磁场的谐波特征，推导出检测线圈的磁通表达式，进而得到检测线圈的感应电压，发现二极管开路故障会引起感应电压中特定频率谐波幅值变化。最后，

2、通过有限元仿真，证明该检测线圈法可以有效识别出旋转二极管开路故障，且不影响无刷励磁机正常运行。关键词：无刷励磁机；二极管开路；感应电压；检测线圈；谐波特征DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2023030430 引言近年来，无刷励磁系统在大型核电机组上获得了较为广泛的应用1-3。发电机采用无刷励磁方式时，主励磁机的三相或多相电枢绕组与发电机同轴高速旋转，旋转整流桥将整流后的电流输出至发电机励磁绕组4-6。核电应用场合对励磁系统的工作可靠性要求极为严格，无刷励磁方式下，励磁机旋转体故障是在线检测的一个重要风险点，其中尤以旋转二极管开路故障较为多发7-8。例如，2014 年

3、某核电站 3 号机主变 C 相单相接地，导致 1 号机出现旋转二极管断相故障，机组抢修近 20 天，造成了严重经济损失。因此，实时检测多相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障具有重要价值9。对三相无刷励磁机，文献 10 提出无刷励磁机单管开路故障会使发电机端电压 5k+1（k 为正整数）次谐波幅值增加 50%以上。文献 11 根据二极管开路故障对励磁机气隙合成磁场对称度的影响，提出在无刷励磁机的定子铁轭上安装 2 个空间相距 180的磁场检测线圈，通过线圈电势差检测二极管开路故障。文献 12 分析了异步励磁机三相电枢电流特性，指出旋转二极管开路故障时正常相 3 次谐波电流幅值增加，故障相基波电流

4、幅值减小。文献 13 提取了无刷励磁机单个二极管开路故障的转子受力特征，得到电磁力中含有 r/2Hz、(P1)r/2Hz 特征谐波（P 为无刷励磁机的极对数；r为转子旋转的机械角速度）。文献 14 提出励磁机轴电压信号中 nPr/2Hz（n=1,2,3,）谐波可用于诊断二极管开路故障。对多相无刷励磁机，文献 15 发现 6 相无刷励磁机单个二极管开路时，电枢电流出现偶数次谐波，其中 2 次、4 次和 6 次谐波较为明显。文献 16 针对 39 相无刷励磁机旋转整流器二极管单管开路故障的磁场特征，提出将 Pr/2Hz 的定子电流谐波作为故障特征频率。文献 17-20 结合多回路法和张量法，建立了

5、多相无刷励磁机的数学模型，指出 m 相角形无刷励磁机旋转二极管单管开路时，定子电流含直流分量、基波分量和 2m 次谐波分量。文献 21 提出在 11 相无刷励磁机定子侧圆周各个位置分散安装 3 个霍尔传感器，通过传感器感应电压脉冲的缺失情况判断二极管开路故障。文献 22 研究了 24 脉冲整流器二极管开路故障，指出二极管开路故障时负载电压相对正常状态出现 2 次最小值，间隔/3。文献 23-24 仿真了 12 相整流发电机系统在旋转整流器二极管故障时的运行情况，指出单个二极管故障时发电机端电压出现脉冲缺失和小幅度电压降落。收稿日期收稿日期：20230308；修回日期修回日期：20230515。

6、基金项目基金项目：国家自然科学基金资助项目（52277048）；河北省自然科学基金资助项目（E2020502064）。第第 56 56 卷卷 第第 8 8 期期中国电力中国电力Vol.56,No.8Vol.56,No.82023 2023 年年 8 8 月月ELECTRIC POWERAug.2023Aug.202399多相无刷励磁机为旋转电枢式结构，励磁绕组处于静止状态，可以通过数据采集仪提取励磁侧电磁信号，且不影响励磁机正常运行。本文基于无刷励磁机的结构特点，以 Alstom 外转子式多相环形无刷励磁机为研究对象，分析旋转二极管开路故障的磁场特征，提出了一种在励磁机定子的任一磁极上安装一匝

7、检测线圈的旋转整流器二极管开路故障检测方法，推导并阐述了磁极线圈检测法的检测原理，并通过有限元仿真证明了该诊断方法的有效性。1 无刷励磁机的磁动势分析Alstom 外转子式 39 相无刷励磁系统的结构如图 1 所示，具体参数见表 1。励磁系统可以分为静止和旋转 2 个部分，静止部分包含励磁调节器和内置静止磁极，旋转部分包含外置旋转电枢、旋转整流器二极管和发电机转子。励磁机电枢绕组为环形结构，即第 1 相与第 39 相首尾连接，每相与一个整流桥臂连接，共 78 个二极管。电枢绕组连接示意如图 2 所示，其采用波绕组，每相绕组占 6 个槽，各相绕组的连接如下。第 1 相：1（上层绕组）-6（下层绕

8、组）-12-17-23-28；第 2 相：34-39-45-50-56-61；第3 相：67-72-78-83-89-94；第 39 相：85-90-96-101-107-112。自动励磁调节器可控硅整流器78 个整流二极管旋转电枢发电机电流互感器发电机励磁绕组电压互感器励磁绕组静止部分旋转部分GE39E1E2E3E38i1i2i3.D1D3D5D7D9D11D13D0D2D4D6D8D10D12D71D73D75D77D70D72D74D76图 1 39 相无刷励磁系统结构Fig.1 Structural of 39 phase brushless exciter11723394561678

9、3896122834505672789412356791011121314161718192021232425262728303132333435373839NNSSNSSNSNSNSNSNSNSNSNS4815222936951111171001068391639图 2 电枢绕组空间分布Fig.2 Spatial distribution of armature winding表 1 22 极 39 相无刷励磁机参数Table 1 Parameters of 22 pole 39 phasebrushless exciter基本参数数值基本参数数值额定电压/V507额定转速/rpm1500额

10、定电流/A6375频率/Hz275额定励磁电压/V129.2相数39额定励磁电流/A113.2磁极数22空载励磁电压/V53.8转子槽数117空载励磁电流/A46.9中国电力中国电力第第 56 56 卷卷10039 相电枢绕组在空间上均匀分布，每相电枢绕组感应的交变电动势幅值相同，均可用相量表示，如图 3a)所示，其中第 n 相电动势相位较第n-1 相滞后 8/39。根据二极管导通规律，环形电枢回路端线电压幅值最大时，对应桥臂二极管导通，将各相电动势依次首尾连接得到如图 3b)所示的电动势相量，5 相（34 相）串联时电压相量和最大，对应整流桥旋转二极管导通。E23839E33E32E22E1

11、2E31E21E11E30E30E29E38E37E27E27E36E26E16E6E36E26E16E6E5E35E34E24E14E4E34E24E14E4E25E15E5E35E25E15E17E28E18E8E7E38E37E17E28E18E8E7E19E9E20E10E30E29E39E19E9E20E10E1E31E21E11E1E13E3E23E13E3E2E32E22E12E2a)星形E33b)相量图 3 电枢绕组电动势分布Fig.3 Armature electromotive force star and phasoren以第 1 相电枢相量为基准，则第 n 相电枢绕组的

12、电势为en=2Usint(n1)839（1）式中：U 为每相电压有效值；为转子旋转的电角速度。ej2,j+2计算相邻 5 相串联时的总电势为ej2,j+2=2Usin(2039)sin(439)sint(j1)839（2）式中：j 为相邻 5 相的中间相。i1i2假设感应电压感应出的电枢电流为矩形波，第1 相电枢电流和电枢电压同相位，之后每相较前相滞后 8/39，第 1 相和第 2 相电枢电流 和 分别为i1=I,2k t2k+I,2k+t2k+2（3）i2=I,2k+839t2k+4739I,2k+4739t2k+8639（4）式中：k 为整数；I 为电枢电流幅值。电枢绕组沿圆周展开，正常情

13、况下转子各槽电流及电枢绕组产生的磁动势波形如图 4 所示。电枢绕组空间结构对称，任一时刻 39 相电枢电流作用合成磁场以同步速旋转，每经过一对磁极感应电动势变化一个周期，在励磁绕组中感应出 m/P次谐波。其中，图 4a)为 T1 时段，t(0,4/39)；图 4b)为 T2 时段，t(4/39,16/39)。s为定子空间机械角，Fa为电枢磁势，P1P22 是内定子的22 个磁极，电枢磁势呈阶梯分布，每经过一对磁极，磁势出现一个过零点。2 旋转二极管开路故障特征当多相无刷励磁机发生单管开路故障时，流经该二极管的电枢电流发生变化，感应电动势不发生变化。假设 39 相无刷励磁机中与第 1 相相连的二

14、极管上半桥臂发生开路故障，第 1 相和第2 相的感应电动势之和 e1,2为e1,2=e1+e2=2Usin(t)+2Usin(t839)=2Usin(839)sin(439)sin(t12839)=22Ucos(439)sin(t439)（5）第第 8 8 期期武玉才等：多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法101i1i2总的电动势相对正常时刻第 1 相的电动势滞后了 4/39，相对正常时刻第 2 相的电动势超前了4/39，下半桥臂二极管的工作状态保持不变。若第 1 相相连的二极管发生单管开路故障，第 1 相和第 2 相电流 和 分别为i1=I,2k+439 t2k+I,2k+t2k+(

15、2+439)（6）i2=I,2k+439t2k+4739I,2k+4739t2k+8239（7）i1i2由式（6）（7）可知，第 1 相电枢电流正向导通时间减少 4/39，负向导通时间增加 4/39，第 2 相与第 1 相变化相反。故障时，第 1 相和第2 相电流增量和分别为i1=2I,2kt2k+439（8）i2=2I,2k+439t2k+839（9）电枢绕组产生的磁动势增量，主要源自第1 相和第 2 相电流增量。旋转二极管开路故障时，转子各槽电流及电枢磁势分布如图 5 所示。2 个时段内，故障电枢磁势相对于正常电枢磁势的增量如图 6 所示。为便于推导磁势增量表达式，以 3 个异常磁势增量脉

16、冲的垂直平分线为纵轴建立独立的坐标系，横轴将转子槽数转化为定子空间机械角，如图 7 所示。F1F2在定子坐标下 T1 时段和 T2 时段电枢磁势增量和分别为F1=3r2NaIa,s?22?,?322?s?522?3r2NaIa,其他（10）F2=3r2NaIa,s?22?,?322?s?522?3r2NaIa,其他（11）式中：Na为电枢绕组总匝数；Ia为电枢电流有效值；r为转子空间机械角。式（10）（11）傅立叶分解后谐波次数含量相同，对式（10）电枢磁势增量进行傅立叶分解得Ff(s)=NaIa=1sin(322)sin(522)sin(22)cos(s)=NaIaj=1sin3(11)co

17、s(211)cos(s)=NaIaj=1sin3(11)cos(211)cos(Pse)（12）00电枢绕组定子磁极1234567891015252030354045505560707580859095100105110115 11776777879828384 86878889 91929394 96979899 101102103104 106107108109 1111121131141213141116171819 21222324 26272829323334 363738393141424344 4647484951525354 56575859 61626364656667686

18、9 71727374116811171162p4p6p10p14p18p26p30p34p38p42p32322P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22SNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSP1P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P122p4p6p10p14p18p26p30p34p38p42p22电枢绕组定子磁极1234567891015252030354045505560707580859095100105110115 117767

19、77879828384 86878889 91929394 96979899 101102103104 106107108109 1111121131141213141116171819 21222324 26272829323334 363738393141424344 4647484951525354 56575859 616263646566676869 7172737411681117116SNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSa)T1 时段 b)T2 时段 FaFass图 4 正常情况下转子各槽电流及电枢磁势分布Fig.4 Rotor slot current and arm

20、ature magnetic potential distribution under normal conditions中国电力中国电力第第 56 56 卷卷102式中：=1,2,3,；se为定子空间电角度。第 1 相上半桥臂二极管开路故障时，电枢磁势新出现/P 次谐波分量（本例为 25Hz）。0电枢绕组定子磁极1234567891015252030354045505560707580859095100105110115 11776777879828384 86878889 91929394 96979899 101102103104 106107108109 111112113114121

21、3141116171819 21222324 26272829323334 363738393141424344 4647484951525354 56575859 616263646566676869 7172737411681117116P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22SNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSP10电枢绕组定子磁极1234567891015252030354045505560707580859095100105110115 11776777879828384 86878889 91929

22、394 96979899 101102103104 106107108109 1111121131141213141116171819 21222324 26272829323334 363738393141424344 4647484951525354 56575859 616263646566676869 7172737411681117116P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22SNSNSNSNSNSNSNSNSNSP1NSNSss2p4p6p10p214p18p26p30p34p38p42p2322p4p6p1

23、0p214p18p26p30p34p38p42p232FaFaa)T1 时段 b)T2 时段 图 5 故障状态下转子各槽电流及电枢磁势分布Fig.5 Rotor slot current and armature magnetic potential distribution under fault state1161166121723283439455056611槽/个FaT1 时段；T2 时段图 6 电枢磁势增量Fig.6 Armature magnetic potential increment212522522322322522122122322522122322122Na Ia12N

24、a IaNa Ia(3r)2Na Ia(3r)2Na Ia3r2Na Ia3rFa1Fa2a)T1 时段b)T2 时段ss图 7 二极管开路故障电枢磁势增量分布Fig.7 Armature magnetic potential increment distribution of diode open circuit fault第第 8 8 期期武玉才等：多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法1033 磁极线圈检测法原理旋转二极管开路故障产生的特征磁场沿转子铁心气隙定子铁心形成的闭合主回路流通，并随转子旋转，因此，通过测取无刷励磁机励磁磁通即可诊断二极管开路故障。本文利用磁极间的空隙，提出

25、了一种磁极线圈检测方法，在励磁机的任一定子磁极上包绕一匝线圈（线圈包绕整个磁极），线圈采用可塑性导线，外敷绝缘层，其安装位置如图 8 所示。转子电枢绕组磁极检测线圈励磁绕组定子磁极图 8 检测线圈安装示意Fig.8 The detection coil installation引出线从定子机座引出，接数据采集和实时分 析 系 统，检 测 线 圈 出 口 处 并 联 高 阻 值 电 阻R（大于 1M），如图 9 所示。随着转子旋转，流经检测线圈的磁通随时间交变，产生感应电压，通过提取检测线圈的感应电压和谐波分量，可直观反映无刷励磁机励磁磁场的变化情况，借此诊断旋转整流器二极管开路故障。RYX磁极

26、+定子转子CH1CH2数据采集和实时分析系设备励磁绕组检测线圈端部_图 9 磁极检测线圈的检测电路Fig.9 Detection circuit for magnetic pole detection coilsB(r)磁极所在主磁场密度25为B(r)=i=1Bicos(mir)（13）(t)在无刷励磁机运行过程中，电枢磁场随时间交变在定子侧感应出交变磁通，通过磁极检测线圈的磁通为(t)=wrt+rtB(r)ld(rr)=lri=1wrt+rtBicos(mi)dr=lrmii=1Bisinmi(rt+)sin(mirt)（14）式中：r 为磁极检测线圈到转子几何中心的半径；l 为磁极的轴向长

27、度；为检测线圈轴向两边的空间机械角度差。E(t)线圈中产生的感应电压为E(t)=d(t)dt=lrri=1Bicosmi(rt+)cos(mirt)=2lrri=1Bisin(m2i)sin(mirt+m2i)=2lrPi=1Bisin(m2i)sin(mPit+m2i)（15）由式（15）可知，正常状态下检测线圈的感应电压中只含有 mi/P 次(39i25Hz)谐波。(t)E(t)旋转整流器二极管开路故障时，电枢磁势中主要增加了/P 次谐波，分数次谐波通过感应线圈的磁通量和电压分别为(t)=lrmii=1Bisini(rt)sinmi(rt+)sin(mirt)（16）E(t)=2lrri=

28、1Bisini(rt)sin(mirt+m2i)sin(m2i)+2lrrmii=1Bicosi(rt)cos(mirtm2i)sin(m2i)=2lrPi=1BisiniP(t)sin(m2i)sin(mPit+m2i)+2lrmPi=1BicosiP(t)sin(m2i)cos(mPitm2i)（17）由式（17）可知，当多相无刷励磁机单个二极管开路时，磁极检测线圈中除 mi/P 次（39i25Hz）谐波外，新出现 i/P 次谐波含量。因此，可将频率为 i/P 次谐波作为故障特征谐波（25iHz）。中国电力中国电力第第 56 56 卷卷1044 仿真验证以 Alstom 公司生产的 39

29、相无刷励磁机为例，进行仿真验证，励磁机的基本电气和尺寸参数见表 1。仿真模型在垂直于 x 轴的 S 极上设置磁场测量线圈，如图 10 所示，分别采集二极管正常和开路时检测线圈的磁场密度，通过计算得到检测线圈两端的感应电压。磁极检测线圈zxy图 10 39 相无刷励磁机的二维模型Fig.10 2D model of 39 phase brushless exciter无刷励磁机旋转二极管开路故障时气隙磁通密度幅值发生变化，相位不变，如图 11 所示。故障时，气隙磁通密度相对正常时气隙磁通密度的变化波形如图 12 所示，理论分析与图 6 保持一致。P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P10

30、306090120150180210240270300330正常；故障00.40.81.2T图 11 气隙磁通密度Fig.11 Air gap flux density二极管开路故障前后检测线圈中的磁通变化如图 13 所示。正常时检测线圈磁通呈周期变化趋势，二极管开路故障时，1 个周期内磁通量异常升高 3 次和降落 3 次。T1 时段，第 1 相上半桥臂二极管开路，第 1 相电枢电流正向导通时间缩短，第 2 相电枢电流正向导通时间延长引起电枢磁场畸变，电枢磁场相对定子以同步速相对运动，定子磁场磁通量随之增加。T2 时段，第 1 相电枢电流负向导通时间延长，第 2 相电枢电流负向导通时间缩短引起

31、电枢磁场磁通量降落。二极管开路故障前后磁极检测线圈内的感应0306090 120 150 180 210 240 270 300 330 3600.250.200.150.100.0500.050.100.150.20空间角度/气隙磁通密度变化量/T图 12 气隙磁通密度变化量Fig.12 Air gap flux density variation05101520253035400.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0601234567890.0880.0840.0800.0760.0880.0840.0800.076131415161718192021时间/ms磁

32、通/Wba)二极管正常05101520253035400.0960.0900.0840.0780.0720.0660.0600.0540.0480.0421234567890.0880.0840.0800.0760.0721314151617181920210.0920.0880.0840.0800.076时间/ms磁通/Wbb)旋转二极管开路图 13 二极管故障前后磁通变化Fig.13 Flux change before and after diode failure第第 8 8 期期武玉才等：多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法105电压波形如图 14 所示。正常情况下感应电压波

33、形展现较好的周期性和对称性，故障时感应电压发生畸变，电压幅值增加，其中在 1.8ms、5.3ms和 8.9ms 时刻增幅明显。05101520253035404020020406080100120140160123456789131415161718192021403020100102030400102030404020020406080100120140160180123456789403020100102030405013141516171819202140302010010203040时间/ms时间/msa)二极管正常检测线圈感应电压/V40302010010203040b)旋转二极管开

34、路检测线圈感应电压/V图 14 检测线圈上感应电压Fig.14 Induced voltage of detected coil对检测线圈上的感应电压做傅立叶分解，得到各次谐波含量，如图 15 和图 16 所示。故障前后 975Hz、1950Hz、2925Hz、3900Hz 等 2539iHz 谐波基本不改变，故障后检测线圈中出现25iHz 谐波，且谐波幅值明显增大。05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 0000246810120100 200 300 400 500 600 700 80000.51.01.52.0谐波电压幅值/V频率/Hz975 Hz1 9

35、50 Hz2 925 Hz3 900 Hz图 15 正常时感应电压谐波幅值Fig.15 Harmonic amplitude of induced voltage undernormal conditions05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 0000246810120100 200 300 400 500 600 700 8000.501.01.52.02.5谐波电压幅值/V频率/Hz975 Hz1 950 Hz2 925 Hz3 900 Hz图 16 二极管单管故障时感应电压谐波幅值Fig.16 Induced voltage harmonic ampl

36、itude in case ofdiode single tube fault5 结论本文以 Alstom 外转子式 39 相无刷励磁机为研究对象，分析了旋转二极管开路故障后电枢磁场的变化，提出了一种定子磁极探测线圈的故障检测法，得到如下结论。1）当无刷励磁机旋转整流器单个二极管故障时，相邻 2 相的磁动势重合，电枢电流导通时间发生变化。2）当无刷励磁机正常运行时，电枢电流合成磁场相对励磁磁场以同步速旋转，在定子磁极中感应出 mi/P 次谐波（39i25Hz）。3）磁极检测线圈两端感应电压中包含的特征谐波受电枢磁场影响。当无刷励磁机旋转整流二极管发生故障时，检测线圈的感应电压中将出现1/P的整

37、数倍特征谐波（本例中为 25iHz），可将其作为外转子式多相无刷励磁机单个二极管开路故障的判据。参考文献：APSLEY J,WILLIAMSON S.Analysis of multiphase inductionmachines with winding faultsJ.IEEE Transactions on IndustryApplications,2006,42(2):465472.1谷昱君,黄永章,杨鑫,等.新能源采用同步电机对(MGP)并网暂态稳定性研究 J.南方电网技术,2021,15(3):3238.GU Yujun,HUANG Yongzhang,YANG Xin,et al

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