直流无刷励磁系统中旋转整流器故障的分析与研究

直流无刷励磁系统中旋转整流器故障的分析与研究

周俭节

（阳光电源股份有限公司安徽合肥230088）

摘要：本文介绍了一种直流无刷同步电机的励磁方案，针对此方案阐述了在励磁电流与电机转速正常情况下，出现电机端电压异常时的故障分析思路，指出风力发电系统发生故障时对相互关联的参数进行汇总分析的方法，包括对励磁电流、电机转速、电机端电压及电机输出功率等参数的分析，结合励磁装置输出续流二极管多次被击穿的现象，对电机输出端电压异常现象进行了准确推测，并通过对励磁回路的MATLAB仿真，以及风场实测波形和数据对比，确定故障源头为电机内部旋转整流器出现开路。

关键词：DSP；无刷励磁；励磁电流；旋转整流器故障

1.风力发电励磁电源发展背景

发电机是风力发电系统中最重要的设备，实现风能到机械能、再到电能的转换，目前风力发电采用的电机基本有两种：异步电机、同步电机，风机变流器有双馈式和全功率式，以形成不同的风力发电机组。对于任何风力发电机而言，励磁控制的实现都是至关重要的部分[1]。目前广泛应用于风力发电的同步发电机又分为永磁和电励磁两种，而电励磁又可以分为直接励磁（带滑环、碳刷），属于一级励磁；一种是采用无刷励磁的方式，属于二级励磁（发电机内部包含主发电机和励磁机两部分绕组）[2]。对于永磁同步电机，存在电机端电压难以调节的问题，其励磁调节控制器设计比较复杂，需要考虑退磁、强励磁以及磁饱和等问题[3]；相比之下，电励磁控制器的设计简单、控制灵活。电励磁控制器经历了从模拟式到全数字式的发展，目前数字式励磁控制器设计也已经从单片机平台发展到DSP平台[4]。

2.励磁电源的实现方案及其在风场遇到的故障

2.1励磁电源的方案及指标

励磁电源是通过给发电机励磁线圈提供电源，用以稳定发电机端电压的一种装置。由于励磁电源直接控制发电机的输出端电压，其运行性能直接关系到风机变流器的运行安全，因此在风机变流器中占有非常重要的作用。目前，我司为某风力发电机提供的励磁电源控制器的拓扑结构如图2-1。

图2-1励磁电源的拓扑结构

其主要由DSP控制核心、发电机输出端口电压采样电路、励磁电压与电流采样电路、H桥逆变电路、通信接口电路等组成。系统采用电压外环、电流内环的双环控制策略，保证发电机的输出电压能够实时跟踪转速而发生变化，同时又能保证励磁电源的安全工作。此外，系统还增加了速度抗扰动部分，保证电机平稳运行。

2.2风场励磁电源故障

风场机组并网调试过程中，某台风机的励磁电源控制器频繁上传励磁电流传感器故障，经检查发现用于励磁机定子绕组续流的快恢复二极管被击穿。该二极管与励磁机的定子绕组并联，其位置如图2-1中的反向二极管D所示。正常运行时，励磁电压不超过150V，即使励磁电压超过150V，励磁电源控制器会自动进入恒压模式进行调节，而且选用的快恢复二极管的反向恢复电压为600V，如此高的反向击穿电压从何而来？

为了保证励磁电源控制器的安全，采用直流稳压电源提供励磁电源，稳压电源的输出电压大约95VDC，稳压电源显示电流约为1.1A~1.2A。对比正常与故障时参数发现，发电机转速大致相同的情况下，施加相同的励磁电压以及电流时，发电机的输出端电压相差很大，具体数据比较如表1-1。

表1-1：相同转数、励磁电压与励磁电流下发电机端电压比较

由表1-1可知，有故障风机端电压最大值比正常风机的低了361V，而频率则比较一致。推测在相同励磁电压与励磁电流的条件下，该风机的发电机转子上的励磁电流没有达到正常风机的相应值。由于发电机端电压的频率与正常风机的一致，所以排除主发电机的转子故障。由于励磁机的转子与主发电机的转子同轴，电机运行时旋转整流器随励磁机的转子一起旋转，所以旋转整流器的机械强度、绝缘强度将受到很大考验，所以推测是旋转整流器出现了故障。

3.旋转整流器发生故障的MATLAB仿真结果

如图3-1为旋转整流桥的仿真电路。图中L1相当于主发电机的转子绕组，L2相当于励磁机的转子绕组，交流电源相当于励磁机转子上的感应电动势，根据发生故障时的转速设置该电源频率为60Hz、幅度为85V的正弦交流电。仿真目的是为了观察当整流桥有一个桥臂短路或开路时对L2上电压/电流的影响，由此可以确定L2的电压/电流即励磁机的转子上的电压/电流会不会在励磁机的定子上感应出较大的电压脉冲，而造成续流二极管被击穿的后果[5]。

CH1：电源电压，CH2：L1的电流，CH3：L1的电压

图3-2整流桥正常工作时的仿真波形

可见，正常情况下，在电感L1和L2上的电压脉冲幅度不超过电源的幅度，L1上的电流为带有纹波的直流电流，其幅度与L2上的电流幅度一致。

3.2整流桥某桥臂开路时的波形

如图3-3所示，为整流桥有一个桥臂开路时的仿真波形（注：CH1—黄色，CH2—蓝色，CH3—粉红色）。

CH1：电源电压，CH2：L1的电流，CH3：L1的电压

图3-3整流桥一个桥臂开路时的仿真波形

可见，如果一个桥臂上的二极管被开路，在电感L1和L2上造成的电压脉冲幅度是电源电压幅度的4倍左右，这个电压是电源电压、以及L1和L2两个电感上感应电动势的叠加，它发生在电源电压从负半波向正半波过渡的时刻，即接近正向过零点处，相当于有刷电机在换向的时刻，由于L1、L2串联的电感量非常大，所以换向瞬间的di/dt也很大，造成很高的电压脉冲。L1上的电流为带有纹波的直流电流，其幅度很小。这与实际风场遇到的故障现象一致。

4.结论

基于风场风机的运行环境复杂，快速定位发生故障的源头极其重要。本文结合风场实测波形进行准确、合理的推测，并对各种推测进行仿真分析，逐一加以验证，最终准确定位故障发生原因，并完成故障排除，机组恢复发电。

参考文献：

[1]李基成.现代同步发电机整流器励磁系统[M].北京：水利电力出版社，1987：100-110

[2]耿华，杨耕，马小亮.并网型风力发电机组的控制技术综述[J].《电力电子技术》2006年06期

[3]杨建华，高军.考虑磁饱和影响的同步发电机励磁电流计算[J].《电力系统及其自动化学报》第21卷第2期2009年4月

[4]俞文钢.基于DSP的同步发电机励磁调节器，CN201869149U[P].20110615

[5]肖兰.无刷同步电机旋转整流器故障分析[J].四川水力发电，1996（6）：102-106

作者简介：

周俭节，男，安徽合肥人，硕士研究生，阳光电源股份有限公司，从事风力发电变流器相关技术、产品开发等方面的工作。