四相雙電樞繞組分布電勵磁雙凸極電機短路故障研究

倪海濤，趙 耀，滕登輝，陸佳煜，鄧麗娜

(上海電力大學 電氣工程學院，上海 200090)

0 引 言

作為定子勵磁型雙饋電機的代表，電勵磁雙凸極電機(Doubly Salient Electro-magnetic Machine，DSEM)因簡單的結構，靈活調節的磁場，可靠性高等優勢而適用于航空航天[1-2]、風力發電[3]以及電動汽車[4]等高可靠性和特殊應用場合。近些年來，隨著上述領域的快速發展，對電機可靠性的要求也越來越高，對電機容錯性能的研究也越來越多。電機容錯有兩方面的含義，一是在故障狀態下，電機能夠保持正?；蛘呦鄬α己玫谋憩F，比如采用兩個或者兩個以上的備份的方式；二是故障不對電機產生嚴重的危害，甚至損壞設備[5]。

文獻[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行規律。文獻[7] 研究了電勵磁雙凸極發電機在并聯橋發電時，單相繞組端部短路和二極管短路故障下的輸出特性。文獻[8]對比了三相12/8極雙繞組DSEM和五相20/16極單繞組DSEM的容錯性能，表明三相12/8極雙繞組DSEM具有更好的容錯性、更低的電壓脈動和更高的功率密度。文獻[9]提出了一種針對開關管開路故障的容錯控制策略，并用特定的PWM模式來抑制反電動勢電流以提高輸出轉矩。文獻[10]針對多端口雙定子DSEM驅動提出了一種具有容錯性能的拓撲結構，在逆變器發生單相開路或者短路故障時仍可保持輸出性能。五相容錯電機在外接單相橋條件下，二極管發生短路故障不會造成系統崩潰，負載運行時仍有較好容錯能[11]。

由此可見大多數研究都是針對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電機運行的影響較少。DSEM可在短路發生時降低勵磁電流來減小短路電流，使得電機可以在故障時繼續運行，降低故障對電機系統的危害。

本文以四相12/9極雙電樞繞組分布電勵磁雙凸極電機(Dual Armature-winding Doubly Salient Electro-magnetic Machine with Distributed Magnetomotive Forces，DAW-DSEM-DF)為研究對象，進行短路狀態下的理論、仿真與實驗研究。首先對DAW-DSEM-DF結構與工作原理進行了分析，在此基礎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，電樞反應對各相繞組的影響，以及不同勵磁電流下的功率特性。最后，研制了一臺四相12/9極DAW-DSEM-DF樣機，進行了繞組短路故障實驗研究，對理論分析進行實驗驗證。

1 電機結構及工作原理

1.1 電機結構

圖1是四相12/9極DAW-DSEM-DF電機結構圖。每相由三個定子極構成，定子采用徑向極結構，每個定子槽都置有一套勵磁繞組和上下排列分布的電樞繞組1(Armature winding 1)，簡稱AW1，和電樞繞組2(Armature winding 2)，簡稱AW2，共產生6對磁極, 文獻[12]為四相DSEM的設計與優化提供了參考。相對于集中勵磁結構，該電機每個定子極上都有一套勵磁繞組，分布式勵磁方式各相電感對稱。勵磁繞組采用分布式勵磁，各相電感對稱，反電勢諧波含量少，輸出電壓脈動小。

圖1 四相12/9 DAW-DSEM-DF結構圖

四相12/9 DAW-DSEM-DF主要結構參數如表1所示。

表1 四相12/9 DAW-DSEM-DF主要參數

1.2 工作原理

轉子轉動時，同一時刻四個繞組磁鏈增加、四個繞組磁鏈減少，產生感生電動勢。由于采用分布式勵磁，每個槽內都有勵磁繞組，磁鏈計算時不僅要考慮自感磁鏈、與勵磁繞組互感產生的磁鏈，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生的磁鏈。

電機的磁鏈方程為

[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磁繞組的互感電感矩陣，[I]為電流矩陣，包括電機各相繞組以及勵磁繞組電流。

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

電機系統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，轉子在轉入和轉出時都能向負載輸出能量。圖3中A1繞組所加電流表與電壓表分別測得A1繞組輸出電流與端電壓。

圖3 混合半波整流器

發電運行時，以A相為例，當轉子轉出A相定子極時，A1繞組匝鏈的磁鏈逐漸減少而產生感應電動勢，DA1管導通；當轉子轉入A相定子極時，A2繞組匝鏈的磁鏈逐漸增加，DA2管導通。轉入時電樞反應為去磁，轉出時電樞反應為增磁。相繞組的感應電勢在電勢分別在負半周和正半周經整流向負載供電，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為電機的電磁特性，正常工作時四相輪流導通，由于兩套繞組采用不同的整流方式，同相的兩套繞組的導通角相差180°。由于同一時間有多相繞組同時導通，可提高系統故障時的輸出能力，如A1繞組發生單繞組故障時，此時C2繞組繼續向負載供電，減小故障對輸出功率的影響。同時其他正常工作繞組不會因A1繞組單繞組的影響而停止工作。本文仿真是在勵磁電流為10 A，負載電阻為1 Ω，電機轉速為1000 r/min條件下進行。

圖4 正常運行時電磁特性

正常工作狀態下，以[t1，t2]區間為例，D2、B1、C2、A1四個繞組供電，在D2、B1電流達到最大值附近時，A1磁鏈從最小值上升，C2磁鏈從最大值下降，C2、A1開始導通。每個繞組的輸出電壓主要與勵磁產生的電勢和同時供電的其他繞組的互感有關，其狀態方程為

io=iD2+iB1+iC2+iA1

(3)

(4)

式中,UO為輸出電壓，同時導通的各繞組輸出電壓相同。P1和P2代表繞組名稱，efP1為勵磁繞組與P1繞組產生的感應電勢，iP1為P1繞組相電流，rP1為P1繞組內阻，LP1為P1繞組自感，LP1P2為P1與P2繞組互感。正常工作時，同一時刻有四套繞組在向負載供電，其他區間工作原理與此類似，不再贅述。

2 短路故障運行分析

常見的短路故障最易發生在一個定子極上的電樞繞組間，本文為了和實驗一致，選擇研究的短路為最嚴重的情況——電樞繞組端部短路。而實際電機運行時容易發生的是繞在一個定子極上的繞組發生短路故障。正常工作時各繞組電流僅占半個電周期，當發生短路故障時，短路電流在一個電周期持續存在，且短路電流值較大。

單繞組短路電流表達式為

(5)

式中,isc為短路繞組電流，eP1為P1繞組反電勢。

兩繞組短路電流表達式為

(6)

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

繞組發生短路故障時，不僅對其自身有影響，而且要考慮其短路電流對正常工作繞組的影響。本文短路電流正負所表示的電流方向與AW1電流方向一致。正常運行時，AW1電流為正，產生的磁場方向與勵磁磁場方向相反，與相鄰定子槽勵磁磁場方向相反。以A1單繞組短路為例，如圖5(a)所示，短路電流為正時對本相和相鄰相產生去磁電樞反應，對非相鄰相產生增磁電樞反應。如圖5(b)所示，短路電流為負時，電樞反應對氣隙磁密的影響與AW1短路電流為正時相反。

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，會產生不同的電樞反應，因此要分別分析。本文選取了同一槽內繞組短路故障進行研究，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電機的輸出產生影響。圖7為單繞組短路電磁特性。

A1短路時，以[t1，t2]區間為例，其狀態方程為

io=iD2+iB1+iC2

(7)

(8)

圖7 單繞組短路電磁特性

A1繞組短路時，轉入時，短路電流電樞反應為去磁，A相繞組磁鏈最大值下降；轉出時，短路電流電樞反應為增磁，A相繞組最小值上升，其反電勢因此低于正常工作時，無法繼續向負載供電。

A1繞組采用滑入發電方式，當短路電流為負時，與A相定子極上勵磁繞組磁場方向一致；當短路電流為正時，與A相定子極上勵磁繞組磁場方向相反。t1時刻，C1開始轉入定子極，[t1，t2]區間，負載由D2、B1、C2三個繞組供電。A1繞組短路電流為負，與D相勵磁磁場一致，對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繞組相負載供電，此時總功率下降。

[t3，t5]區間，由于A1與A2繞組繞制在同一定子極上，A1其短路電流在此區間對A2繞組的去磁作用最為嚴重，A2繞組較正常工作時功率下降。

短路情況下，A1繞組的短路電流在 [t1，t3]區間對D2與B2繞組都產生增磁作用。另一方面，由于A1繞組發生短路，無法繼續向負載供電，與其相鄰的互補繞組B1與D1代替其相負載供電，工作時間增加，但無法完全彌補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，短路時電樞反應強烈，磁鏈明顯變化，A1和A2繞組均無法向負載供電，每個工作區間只有三個繞組供電。由于相鄰相互感大于非相鄰相，短路電流對相鄰相的影響程度要大于非相鄰相。各繞組端電壓負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

對于A相與C相，電樞反應在轉入時主要表現為去磁，轉出時主要表現為增磁，導致A相與C相磁鏈變化范圍減小，A相反電勢降低，無法向負載供電。短路電流電樞反應的強弱與短路電流大小有關，t3時刻短路電流達到最小值附近，其對C相去磁作用最大，C相磁鏈最大值下降。

由于A1與A2繞組無法向負載供電，在A1與A2繞組電流正常工作時達到最大值的t2和t4時刻，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與繞組內阻有關。由于單繞組短路時，反電勢產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。勵磁電流與短路電流關系曲線圖，如圖9所示，兩者基本成線性關系當發生短路故障時，可以通過調節勵磁電流來降低短路電流，降低短路電流過大對電機造成損壞的可能性，同時電機可以維持運行。

圖9 勵磁電流與短路電流關系

正常和故障運行時功率特性曲線圖，如圖10所示。隨著勵磁電流的增大，輸出功率不斷增加，但是磁場飽和后功率的增加量明顯減少，最大功率點對應的輸出電流增加。如圖10(a)所示，勵磁電流為10 A時，磁場還未達到飽和，勵磁電流對AW1的去磁作用較弱，兩套繞組功率差別較小，此時兩套繞組間短路故障時功率下降較多。如圖10(b)所示，勵磁電流為20 A時，勵磁電流增大同時也會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，部分繞組輸出功率有所下降。并且A1A2繞組短路時，A1與A2繞組無法向負載供電，A1和A2繞組短路相當于缺相運行，A1與A2繞組間短路輸出功率明顯下降。

圖10 正常和故障運行時功率特性曲線

3 實驗驗證

為驗證上述分析，設計并制造了一臺四相12/9極DAW-DSEM-DF樣機。本部分實驗條件與前文仿真條件保持一致，在勵磁電流為10 A，負載電阻為1 Ω，轉速為1000 r/min條件下進行，實驗測試平臺如圖11所示。

圖11 實驗測試平臺

單繞組短路實驗波形如圖12所示，與仿真圖7吻合度較高。

圖12 單繞組短路實驗波形

圖13為A1A2短路實驗波形。由圖8仿真結果顯示，輸出電壓平均值為12.2 V；由圖14(a)實驗結果顯示，輸出電壓平均值為11.9 V，輸出電壓在一個周期內出現兩次較大脈動。

圖13 A1A2短路實驗波形

勵磁電流為10 A時，正常與故障運行時功率特性如圖14所示，正常和短路故障時變化趨勢與規律與仿真結果圖10(a)基本一致。

圖14 正常與故障運行時功率特性

4 結 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，得出以下結論：

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

(2)該電機同時具備相數冗余和通道冗余，故障時相鄰相輸出功率提高，同相繞組可以繼續工作。由于同相兩套繞組繞制在同一定子極上，互感較大，發生短路故障時對同相繞組影響更為明顯。

(3)當AW1短路電流為正時，它對相鄰相產生增磁作用，磁鏈上升速率提高，下降速率降低。非相鄰相產生去磁作用，磁鏈上升速率降低，下降速率提高；當AW1短路電流為負時，它對相鄰相產生去磁作用，非相鄰相產生增磁作用。短路電流具備去磁的電樞反應，進一步降低了短路故障對電機系統的影響。

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