无刷励磁机旋转二极管开路故障的特征分析及检测方法研究

作     者：庞永林 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武玉才

授予年度：2021年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：无刷励磁机 旋转二极管 开路故障 转子振动 轴电压 

摘      要：无刷励磁系统具有输出励磁电流大、故障率低、污染小、维护简单等优点,近些年成为大型同步发电机组优选的励磁方式。旋转整流桥二极管是无刷励磁系统中较高的故障风险点,由于旋转整流器长时间随发电机高转速、高负荷工作,巨大的离心力、过高的电负荷和热负荷将催生二极管的开路故障,致使整个机组计划外停机,严重影响机组运行的安全性和可靠性。本文根据无刷励磁系统的结构特点,通过分析旋转二极管故障前后主磁场的变化特征,探索旋转二极管开路故障的检测方法,所做的主要工作如下:(1)旋转二极管开路故障转子振动特征研究。根据无刷励磁机电枢绕组的空间布局及其感应电动势特点分析了电枢绕组的导通规律,研究了旋转二极管故障前后电枢磁场的变化特征;利用气隙磁导法和麦克斯韦应力张量法解析计算了二极管故障后转子不平衡磁拉力,结合矢量分解原理和各相绕组通断规律预测了转子在X轴和Y轴的振动频率;通过有限元仿真得到了转子不平衡磁拉力与旋转二极管开路故障的关联特征,验证了二极管故障后转子基频、(P±1)倍基频以及(2P±1)倍基频等谐波幅值显著增大的预测。(2)旋转二极管开路故障轴电压特征研究。利用傅里叶分析法和气隙磁导法,分析了考虑励磁机固有的轻微动偏心、静偏心状态下旋转二极管开路故障前后的主磁场特征,基于特殊形态磁通推导了轴电压特征谐波,通过有限元仿真验证了理论推导结果。(3)提出了基于柔性线圈的无刷励磁机旋转二极管开路故障的在线检测方法。根据旋转二极管故障后电枢增量磁势特征,提出在励磁机定子铁轭上包绕柔性线圈,利用柔性线圈感应电压的转频分量检测旋转二极管开路故障。定制一台改造184B型6.8k W 3相5对极无刷励磁同步发电机组,根据机组实际电气结构参数,建立了励磁机的二维有限元仿真模型,通过有限元仿真和样机实验证明了所提方法的可行性。