旋轉(zhuǎn)整流器故障在線診斷模塊設(shè)計(jì)

李江　丁繼成

摘 要：為保證無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，提高發(fā)電模塊的壽命和可靠性，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障檢測(cè)是非常必要的。對(duì)此，借助MATLAB仿真軟件，對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波成分進(jìn)行仿真分析，并提出了采用數(shù)字電路和模擬電路這兩種在線、非侵入式的旋轉(zhuǎn)整流器故障檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)整流器故障在線診斷模塊，并展望了下一步工作。

關(guān)鍵詞：整流器；旋轉(zhuǎn)；勵(lì)磁系統(tǒng)；電路

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）10-0101-02

隨著發(fā)電模塊單機(jī)容量大幅度的增加，發(fā)電模塊的壽命和可靠性顯得更為重要，而旋轉(zhuǎn)整流器是無刷勵(lì)磁系統(tǒng)（由旋轉(zhuǎn)整流器（功率二極管）、勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等組成）中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)遇到過電壓、過電流和其他非正常情況時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器中的功率二極管可能會(huì)出現(xiàn)開路或短路故障。當(dāng)功率二極管開路時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需要立即增加勵(lì)磁電流，來維持勵(lì)磁機(jī)的輸出，這就可能造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)故障；當(dāng)功率二極管短路時(shí)，有很高的電流流經(jīng)勵(lì)磁機(jī)電樞，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁機(jī)過熱甚至損壞。

為了保證無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，提高發(fā)電模塊的壽命和可靠性，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障檢測(cè)是非常必要的。此外，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，無刷勵(lì)磁部分始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，各種狀態(tài)信號(hào)難以直接獲取，使得旋轉(zhuǎn)整流器的在線故障檢測(cè)變得更加困難。因此，必須進(jìn)行專題研究加以突破，研究出適合于艦用環(huán)境的、高可靠性的在線故障診斷模塊。

1 旋轉(zhuǎn)整流器

旋轉(zhuǎn)整流器是無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的重要組成部分，它將與同步電機(jī)同軸的交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的三相交流電整流成直流，為同步電機(jī)提供勵(lì)磁電源，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的無刷勵(lì)磁。由于旋轉(zhuǎn)整流器是無刷同步電機(jī)內(nèi)部唯一的電子器件，裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，所以，它必須承受較大的離心力和一定的機(jī)械振動(dòng)力；同時(shí)，還要承受元件整流所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。旋轉(zhuǎn)整流器失效，會(huì)導(dǎo)致同步電機(jī)不能正常運(yùn)行，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)整流元件的性能進(jìn)行選擇成為了無刷同步電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 仿真分析

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB中的SimPower Systems庫的同步發(fā)電機(jī)的仿真模塊，它由一個(gè)包括阻尼繞組影響的6階狀態(tài)方程組來描述，可以較為精確地模擬勵(lì)磁機(jī)特性，并利用Powergui模塊進(jìn)行諧波分析。

仿真結(jié)果如圖1所示，無刷勵(lì)磁系統(tǒng)在正常情況下，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流除了直流分量外，還含有少量的6次諧波，其幅值約為直流分量的3.1%.該6次諧波由勵(lì)磁機(jī)電樞電流的基波電流產(chǎn)生的5次、7次諧波磁勢(shì)和5次、7次諧波電流產(chǎn)生的基波磁勢(shì)，通過氣隙在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上感應(yīng)而產(chǎn)生的。

旋轉(zhuǎn)整流器的故障初期表現(xiàn)為一管開路或一管短路。當(dāng)一只功率二極管損壞后，勵(lì)磁機(jī)就處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，每相電樞電流都含有大量不對(duì)稱的直流、基波、2次諧波和3次諧波等各次諧波分量；而三相電流的各次諧波分量又會(huì)在勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的諧波分量。如果考慮到旋轉(zhuǎn)整流器的換相重疊角和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組阻抗角的影響，對(duì)故障情況下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波分析則相當(dāng)復(fù)雜。但利用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行故障情況下的仿真，可以簡捷、有效地得出諧波分析結(jié)果。

從圖1可以看出，一管開路時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的2次諧波最大，約為直流分量的9.6%；1次諧波的幅值雖然比2次諧波小，但相差不大，約為直流分量的8.8%；6次諧波的幅值減小為直流分量的2.5%.一管短路時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的1次諧波最大，約為直流分量的37.9%；2次諧波的幅值相對(duì)較小，約為直流分量的8.7%；6次諧波則減小到直流分量的0.4%.

分析上述數(shù)據(jù)可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：①旋轉(zhuǎn)整流器發(fā)生故障后，1次諧波、2次諧波幅值增長明顯，6次諧波幅值減??；②當(dāng)發(fā)生一管開路故障時(shí)，2次諧波幅值較大；而發(fā)生一管短路故障時(shí)，1次諧波幅值較大。

3 故障診斷模塊實(shí)現(xiàn)方案

通過以上內(nèi)容可知，在旋轉(zhuǎn)整流器工作正常時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中含高頻小幅紋波。當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)一只管短路或開路時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中含低頻大幅紋波，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中紋波的水平，來判斷旋轉(zhuǎn)二級(jí)管工作狀態(tài)；如果旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障，則輸出繼電器信號(hào)。該故障診斷模塊的實(shí)現(xiàn)有數(shù)字電路和模擬電路兩種方案。

3.1 數(shù)字電路方案

數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方案由基于TMS320F2812芯片的DSP最小系統(tǒng)、勵(lì)磁電流采樣電阻、信號(hào)調(diào)理、LED和繼電器等組成。通過采樣電阻、AD芯片采樣勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，并用FFT軟件來計(jì)算勵(lì)磁電流中的諧波，根據(jù)其諧波大小，來判斷二級(jí)管的相應(yīng)工作狀態(tài)，作出故障顯示和輸出繼電器信號(hào)。數(shù)字電路方案成本高、性能先進(jìn)、通信性強(qiáng)，但開發(fā)難度大，開發(fā)周期較長。

3.2 模擬電路方案

模擬電路實(shí)現(xiàn)方案可由勵(lì)磁電流采樣電阻、濾波器、自動(dòng)增益放大器、紋波放大器、LED和繼電器等組成。該方案通過采樣電阻采集勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流信號(hào)，通過濾波器、自動(dòng)增益放大器、紋波放大器和精密整流器，來抽取旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷用諧波。根據(jù)精密整流器輸出大小，來判斷旋轉(zhuǎn)二級(jí)管是否正常工作，并作出相應(yīng)顯示和輸出繼電器信號(hào)。模擬電路方案成本低、性能一般，易于開發(fā)且開發(fā)周期短。

根據(jù)實(shí)際需求，考慮研制周期、模塊成本和開發(fā)難度等因素，本論文中故障診斷模塊采用模擬電路方案。

4 診斷方案設(shè)計(jì)

故障診斷模塊與發(fā)電機(jī)的連接如圖2所示，模塊與勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器連接，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中紋波的水平來判斷其工作狀態(tài)。如果旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障，則輸出常開或常閉觸點(diǎn)信號(hào)。

故障診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖3所示，并據(jù)此設(shè)計(jì)電路原路圖。各模塊設(shè)計(jì)方案如下：①輸入濾波器。采樣電阻R和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組相連，當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，在采樣電阻上的電壓降經(jīng)輸入濾波器放大為1 V；在發(fā)電機(jī)的各種負(fù)載情況時(shí)，該電壓的變化范圍為1～4 V。②自動(dòng)增益放大器。由于輸入濾波器的輸出電壓范圍為1～4 V，相應(yīng)的諧波也會(huì)變化，為了避免故障診斷模塊把這種電壓變化診斷為旋轉(zhuǎn)整流器故障，自動(dòng)增益放大器根據(jù)信號(hào)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器的信號(hào)偏置，來使監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到的紋波為一固定幅度的信號(hào)。③紋波放大器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器都正常工作時(shí)，磁場(chǎng)電流的紋波為小幅值高頻紋波； 當(dāng)有二級(jí)管故障時(shí)，該紋波為大幅值低頻紋波（是二級(jí)管正常工作時(shí)的1/6～1/3）。因此，該紋波放大器起低頻高增益和高頻低增益放大的作用。同時(shí)，為了兼容不同的無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，該放大器提供了高頻增益的調(diào)節(jié)電位器，以備用戶調(diào)

節(jié)使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時(shí)限定時(shí)器。當(dāng)二極管短路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器。立即驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作；當(dāng)二極管開路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器延時(shí)一定時(shí)間后。驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作。⑥繼電器驅(qū)動(dòng)。繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由晶體管等組成。⑦LED。自動(dòng)增益放大器用于顯示勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設(shè)定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵(lì)磁電壓由脈沖組成，勵(lì)磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉(zhuǎn)二級(jí)管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經(jīng)過濾波器，零點(diǎn)調(diào)節(jié)，AVR紋波放大器后，輸出信號(hào)到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵(lì)磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個(gè)模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結(jié)束語

本論文用MATLAB對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波成分進(jìn)行仿真研究，通過比較數(shù)字電路和模擬電路兩種方案，設(shè)計(jì)了模擬電路方案以檢測(cè)其諧波來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障診斷，方案易于實(shí)現(xiàn)、成本低。在今后的研究中，還應(yīng)該在現(xiàn)有MATLAB離線仿真模型的基礎(chǔ)上，建立在線仿真試驗(yàn)平臺(tái)，用于故障診斷模塊的試驗(yàn)和測(cè)試；同時(shí)，還可以利用小型發(fā)電機(jī)和二極管整流橋等試驗(yàn)設(shè)備，來模擬旋轉(zhuǎn)整流器一管開路、一管短路等故障，以進(jìn)行故障診斷模塊的動(dòng)模試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]龔春英，嚴(yán)仰光，胡寧麗.恒速運(yùn)行時(shí)交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電流線性放大器特性分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（02）.

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〔編輯：李玨〕

節(jié)使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時(shí)限定時(shí)器。當(dāng)二極管短路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器。立即驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作；當(dāng)二極管開路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器延時(shí)一定時(shí)間后。驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作。⑥繼電器驅(qū)動(dòng)。繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由晶體管等組成。⑦LED。自動(dòng)增益放大器用于顯示勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設(shè)定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵(lì)磁電壓由脈沖組成，勵(lì)磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉(zhuǎn)二級(jí)管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經(jīng)過濾波器，零點(diǎn)調(diào)節(jié)，AVR紋波放大器后，輸出信號(hào)到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵(lì)磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個(gè)模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結(jié)束語

本論文用MATLAB對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波成分進(jìn)行仿真研究，通過比較數(shù)字電路和模擬電路兩種方案，設(shè)計(jì)了模擬電路方案以檢測(cè)其諧波來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障診斷，方案易于實(shí)現(xiàn)、成本低。在今后的研究中，還應(yīng)該在現(xiàn)有MATLAB離線仿真模型的基礎(chǔ)上，建立在線仿真試驗(yàn)平臺(tái)，用于故障診斷模塊的試驗(yàn)和測(cè)試；同時(shí)，還可以利用小型發(fā)電機(jī)和二極管整流橋等試驗(yàn)設(shè)備，來模擬旋轉(zhuǎn)整流器一管開路、一管短路等故障，以進(jìn)行故障診斷模塊的動(dòng)模試驗(yàn)。

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〔編輯：李玨〕

節(jié)使用。④精密整流器。該精密整流器將紋波放大器輸出的紋波整流成直流輸出。⑤反時(shí)限定時(shí)器。當(dāng)二極管短路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器。立即驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作；當(dāng)二極管開路故障時(shí)，精密整流器輸出的直流電壓經(jīng)過反時(shí)限定時(shí)器延時(shí)一定時(shí)間后。驅(qū)動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作。⑥繼電器驅(qū)動(dòng)。繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由晶體管等組成。⑦LED。自動(dòng)增益放大器用于顯示勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流紋波水平、故障診斷模塊的用戶設(shè)定和故障顯示。⑧AVR紋波放大器。由于AVR輸出的勵(lì)磁電壓由脈沖組成，勵(lì)磁電流中含有大量紋波，這就使得診斷旋轉(zhuǎn)二級(jí)管的開路故障較為困難。為了消除AVR這種固有紋波的影響，在模塊中，AVR電壓輸出的F+端經(jīng)過濾波器，零點(diǎn)調(diào)節(jié)，AVR紋波放大器后，輸出信號(hào)到輸入濾波器，以消除由于AVR輸出的勵(lì)磁電流中固有紋波的影響。⑨電源。整個(gè)模塊的電源由變壓器-整流器-晶體管組成典型的供電電源。

5 結(jié)束語

本論文用MATLAB對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波成分進(jìn)行仿真研究，通過比較數(shù)字電路和模擬電路兩種方案，設(shè)計(jì)了模擬電路方案以檢測(cè)其諧波來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障診斷，方案易于實(shí)現(xiàn)、成本低。在今后的研究中，還應(yīng)該在現(xiàn)有MATLAB離線仿真模型的基礎(chǔ)上，建立在線仿真試驗(yàn)平臺(tái)，用于故障診斷模塊的試驗(yàn)和測(cè)試；同時(shí)，還可以利用小型發(fā)電機(jī)和二極管整流橋等試驗(yàn)設(shè)備，來模擬旋轉(zhuǎn)整流器一管開路、一管短路等故障，以進(jìn)行故障診斷模塊的動(dòng)模試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：李玨〕