旋转整流器二极管开路故障的励磁机槽漏磁场特征分析与检测

武玉才; 孔元袁; 马明晗

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504127

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6436-6444 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504127

电工技术

旋转整流器二极管开路故障的励磁机槽漏磁场特征分析与检测

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Analysis and Detection of Leakage Magnetic Field Characteristics of Exciter Slot for Diode Open-circuit Fault of Rotating Rectifier

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摘要

旋转整流器是无刷励磁发电机中较为脆弱的环节,易发生二极管开路故障,多管故障将导致发电机励磁电流的显著波动,诱发机组功率振荡,研究二极管开路故障的检测方法具有重要意义。探讨了励磁机旋转整流系统的二极管导通规律,基于旋转二极管正常和开路故障不同运行状态下的电枢槽漏磁场变化,提出在励磁机定子部分固定磁场探头,用以捕捉电枢槽漏磁通,二极管开路故障后探头感应电压将发生显著变化;随后建立了一台5.8 MW三相无刷励磁机的二维电磁仿真模型,通过有限元仿真表明电枢槽漏磁通信号中含有二极管开路故障特征。论文对无刷励磁机间断导通交流电枢绕组的槽漏磁场开展在线采集和特征提取,证明了电枢槽漏磁通信号可用于在线检测旋转二极管开路故障,为旋转整流器故障检测提供了新的技术手段。

Abstract

The rotating rectifier is a weak link in the brushless excitation generator and is susceptible to diode open-circuit faults. Multi-tube fault will lead to significant fluctuation of generator excitation current and induce power oscillation of the unit. It is of great significance to study the detection method of diode open-circuit fault. The diode conduction law of the rotating rectifier system of the exciter was investigated. Based on the change of the leakage magnetic field of the armature slot in different operating states of the normal and open-circuit faults of the rotating diode, it was proposed to fix the magnetic field probe in the stator of the exciter to capture the leakage flux of the armature slot. After the diode open-circuit fault, the induced voltage of the probe will change significantly. Then a two-dimensional electromagnetic simulation model of a 5.8MW three-phase brushless exciter was established. The finite element simulation shows that the armature slot leakage flux signal contains the diode open-circuit fault characteristics.The on-line acquisition and feature extraction of the slot leakage magnetic field of the discontinuous conduction AC armature winding of the brushless exciter were carried out. It is proved that the armature slot leakage flux signal can be used to detect the open circuit fault of the rotating diode on-line, which provides a new technical means for the fault detection of the rotating rectifier.

Graphical abstract

关键词

无刷励磁机 / 二极管开路故障 / 检测探头 / 感应电压 / 在线监测

Key words

brushless exciter / diode open-circuit fault / detect probe / induced voltage / on-line monitoring

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武玉才, 孔元袁, 马明晗. 旋转整流器二极管开路故障的励磁机槽漏磁场特征分析与检测[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6436-6444 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504127

WU Yu-cai, KONG Yuan-yuan, MA Ming-han. Analysis and Detection of Leakage Magnetic Field Characteristics of Exciter Slot for Diode Open-circuit Fault of Rotating Rectifier[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6436-6444 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504127

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随着发电机组容量的不断提高,励磁电流也越来越大,无刷励磁系统由于没有碳刷和集电环,避免了静止励磁系统的接触不良、电火花和过热等问题,在核电大容量发电机组、船舶动力等场景中得到了广泛应用^[1-4]。旋转整流器是无刷励磁系统的重要组成部分,在高负荷、高转速条件下工作,易诱发二极管开路故障,产生严重的经济损失和安全危害。目前在工程中广泛应用了二极管非导通检测系统(non-conduction detection,DNC)监测旋转整流器的二极管开路故障,在励磁机电枢出线与整流器之间的引线附近安装霍尔传感器,根据电压脉冲的数量判断旋转二极管的状态,但霍尔元件价格昂贵,探头稳定性差,信号畸变和误报警问题时有发生^[5-6]。

对无刷励磁机旋转整流器的状态监测和故障预警研究具有重要意义,研究者提出了不同的检测方案。文献[7]指出,当旋转二极管发生开路故障时,电枢绕组中电流的对称被破坏,进而在励磁机内部产生不同于正常时的谐波磁场,电枢绕组和励磁绕组中将感应出新的谐波电流。文献[8]利用转子电流重构,采集并分析了二极管故障时的励磁机电枢电流,通过电枢电流二次谐波与基波的比值变化判断是否发生故障。文献[9]构建了无刷励磁机等效分析模型,仿真和实验结果表明故障时励磁机电枢电流直流分量、基波和二次、四次谐波含量较多。

由于旋转整流器和励磁机电枢绕组处于同步旋转状态下,实际过程中很难获得电枢侧电气量。文献[10]推导了励磁机正常运行和二极管开路情况下的电枢电流表达式,获取了励磁电流的谐波特性,在二极管单管开路时,励磁电流中会出现基波和二次谐波。文献[11]根据无刷励磁机的结构特点,分析了旋转二极管单管开路对励磁电流的影响,将励磁电流中的275 Hz谐波作为二极管开路故障的判据。文献[12]研究了励磁机电枢断相故障情况下发电机机端电压的谐波含量变化,指出故障后200 Hz和300 Hz谐波分量具有更高的值,可用于检测励磁机是否发生故障。文献[13-14]分别将支持向量域和形状子特征变化算法应用在故障检测中,结合机器学习对励磁电流的故障特征进行分析,提高了故障检测的准确性。文献[15]根据励磁机的输出参数使用深度学习算法计算出理论励磁电流值,将计算电流与实测励磁电流进行对比,通过大量的训练判断故障。文献[16]发现当旋转整流器的二极管单管开路时,励磁机轴电压中200 Hz整数倍谐波的幅值显著增大。文献[17]在定子铁轭上安装一匝柔性线圈,二极管故障前后穿过线圈的磁通发生变化,可以将线圈感应电压的25 Hz谐波作为故障特征谐波。文献[18]将U形检测线圈安装在定子铁轭上,通过线圈感应电动势时域变化监测旋转整流器运行状态。文献[19]对电机附近漏磁通也有更深入的研究。文献[20]通过探测线圈对励磁机机器框架附近的杂散磁通进行测量,通过线圈感应电压的六次谐波幅值变化判断二极管故障情况。综上,目前部分二极管故障检测方法需要对电机本体结构进行改造,在现有运行设备上无法应用,励磁机附近磁场衰减严重,提升抗干扰能力具有一定的技术难度。

为此,首先介绍典型励磁机电枢绕组的结构特点,分析旋转整流器二极管单管开路后电枢槽漏磁通的时域变化规律,提出在励磁机气隙中安装磁场探头,通过探头感应电压变化判断二极管是否发生开路故障,随后搭建5.8 MW三相8对极无刷励磁机的二维电磁仿真模型,验证检测方法的有效性。该检测方法适用于无刷励磁机的二极管开路故障在线诊断,不影响电机的正常运行,降低了传感器安装难度,在便利性和低风险方面具有优势,为预防励磁机严重故障的发生提供技术支持。

1 无刷励磁系统正常运行特性分析

无刷励磁机为旋转电枢式结构,其中定子是凸极励磁磁极,转子是电枢部分。定子通入励磁电流,同步电动机带动励磁机电枢绕组旋转,会切割主磁场感应出交流电。电枢绕组引出直接与整流器连接,旋转整流器上均匀排布多个整流二极管,实现电流的交-直变换,供给主发电机励磁绕组。以上海发电机厂的5.8 MW三相无刷励磁机为例,如表1所示为励磁机主要参数,整体结构如图1所示。

无刷励磁机采用固定磁极结构,电枢绕组为三相结构,各相绕组采用16条支路并联的电气连接方式提高载流能力,每一相中所有并联支路的电流幅值、频率、相位完全相同。A、B、C三相电枢绕组每相邻两相绕组的感生电势之间存在2π/3的相位偏移,其导通逻辑遵循周期性切换规律,依次按照AB-AC-BC-BA-CA-CB的顺序进行相位组合切换,每个组合对应的导通角度严格为60°电角度,维持整流输出的稳定性。

当其中任意两相绕组导通时,与该绕组连接的整流桥臂中二极管导通,而第三相绕组由于未达触发条件,其对应的二极管处于反向截止状态,回路电流为零。如图2所示为A₁B₁C₁支路中二极管在AB-AC换相过程中的导通顺序变化。

假定电枢绕组的感应电势仅包含正弦基波,以某一相电枢绕组的感应电动势为例,表达式为

(1)e_n=$\sqrt{2}$Esin(ωt+γ)

式(1)中:E为感应电势有效值,V;ω为电枢旋转角速度,rad/s;t为时间,s;γ为不同相电势相位差,rad。

在换相过程中,由于不同相绕组之间的切换时间极短,且发电机励磁绕组具有显著的电感特性,电感对电流变化的抑制作用使得导通相的电流不会瞬时突变。在分析中可作下面近似处理:假设绕组导通的瞬间,电流即从零值跃升至稳态最大值,并在整个导通阶段保持恒定,直至该相进入关断阶段时,电流才会因回路断开而迅速衰减至零^[21]。将电枢电流视为矩形波进行分析,结果如图3所示。

则A相电流可以表示为

(2)i_A=$\left\{\begin{array}{ll}{\mathit{I}}_{\mathrm{d}},& \frac{\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\le \mathrm{\omega }\mathrm{t}\le \frac{5\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\\ -{\mathit{I}}_{\mathrm{d}}\mathrm{ },& \frac{7\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\le \mathrm{\omega }\mathrm{t}\le \frac{11\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\\ 0,& \frac{5\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\le \mathrm{\omega }\mathrm{t}\le \frac{7\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi },\\ \mathrm{ }& \frac{11\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\le \mathrm{\omega }\mathrm{t}\le \frac{13\mathrm{\pi }}{6}+2\mathrm{k}\mathit{\pi }\end{array}\right.$

式(2)中:k为整数。

励磁机电枢绕组采用双层波形绕制结构,每极每相槽数q₀为

(3)q₀=$\frac{{\mathit{Z}}_{0}}{2{\mathit{P}}_{0}{\mathit{m}}_{0}}$=2

式(3)中:Z₀为转子槽数;P₀为定子极对数;m₀为相数。

转子槽内线圈分为上下两层布置,同相绕组的感应电流大小和方向相同,在AB和AC导通时段,正常工况电枢绕组产生的磁动势波形如图4所示,受电枢电流换相的影响,电枢磁场整体发生60°的移位。

电枢绕组内流过电流所产生的磁通分为主磁通Φ₀和漏磁通Φ_σs、Φ_σe,即

(4) Φ=Φ₀+Φ_σs+Φ_σe

主磁通Φ₀与定子绕组交链,经过气隙、定子齿槽和定子轭部,再经气隙回到电枢转子,同时电枢绕组有端部漏磁Φ_σe,每个槽的槽口处有槽漏磁通Φ_σs,这两部分磁通不进入定子,仅与自身电枢绕组相交链,不参与机电能量转换^[22]。

电枢槽漏磁通Φ_σs的磁通密度与两个关键电气参数呈现正相关性:①槽内转子绕组的有效导体数;②绕组导体中流过的实际电流。由于电枢绕组流过的电流是随时间变化的,故电枢槽漏磁通也是周期性变化的。在二极管正常情况下,由于电枢绕组的空间重复性分布规律以及同相各分支电流相等的特点,使得任意时刻电枢槽漏磁通Φ_σs与电枢槽内绕组排布的几何周期性保持严格对应关系。任意瞬间,在各对磁极覆盖区域内,电枢槽漏磁通密度的分布呈现周期性特征。

2 二极管开路的电枢槽漏磁场分析

无刷励磁机电枢绕组的结构是对称的,各绕组导通规律一致,以A₃正半支路二极管开路为例说明气隙磁场的变化,如图5所示为A₃支路绕组连接及所在转子槽,实线和虚线分别表示上层、下层绕组。A₃正向导通时,受开路二极管影响,无法正常感应电流,如图6中红线所示,仅有负半区电流。即31号和44号槽的下层绕组、25号和38号槽的上层绕组电流为0。

A₃支路的电枢电流可以表示为

(5)i_A₃=$\left\{\begin{array}{ll}-{\mathit{I}}_{\mathrm{d}},& \frac{7\mathrm{\pi }}{6}+2\mathit{k}\mathrm{\pi }\le \mathit{\omega }\mathit{t}\le \frac{11\mathrm{\pi }}{6}+2\mathit{k}\mathrm{\pi }\\ 0,& \mathrm{其}\mathrm{他}\end{array}\right.$

当旋转整流器发生某二极管开路故障时,所在支路的电枢电流为0,支路所在槽绕组在气隙内产生的磁场会发生变化,破坏气隙磁场的正常分布,同时故障所在槽的漏磁通也会发生变化,槽绕组的有效安匝数减少,槽口漏磁通减小。因此,如果能实时监测测量槽漏磁通的变化,就有可能判断出旋转整流器二极管的开路故障。

基于上原理,在仿真中设计将一微分感应检测线圈放置于定转子气隙中模拟磁场检测探头,如图7所示。检测线圈可以捕捉到电枢槽漏磁通,线圈尺寸应尽量小,以小于转子齿槽宽度为宜,且尽量靠近转子槽口,避免气隙主磁势对结果的影响,测量的感应电压就越高,灵敏度也更高。

感应电动势e_σs(t)是对穿过线圈磁通的微分,线圈的感应电势可以表示为

(6)e_σs(t)=-N_σs

$\frac{\mathrm{d}{\mathit{\Phi }}_{\mathrm{\sigma }\mathrm{s}}\left(\mathit{t}\right)}{\mathrm{d}\mathit{t}}$

式(6)中:N_σs为检测线圈的匝数。

当转子处于高速旋转工况时,安装气隙中的检测线圈将周期性切割转子槽漏磁场,线圈导体会感应出时变感应电动势。通过对检测线圈输出端电压信号实施高频采样,可获得反映转子槽漏磁通动态分布的电压波形。

槽漏磁通的大小与槽内电流,绕组匝数,空间位置有关。转子每槽为上下两层绕组,分属于同相不同支路,发生单个二极管开路故障后,转子槽内的上下层绕组不会同时电流为0,槽漏磁通较正常工况时大幅减小,检测线圈上故障支路所在槽对应的感应电压幅值将小于正常时的感应电压幅值,电压波形出现明显下陷。

本文中8对极三相励磁机转子槽数为96,电枢槽距角为π/48,转子旋转周期为0.04 s,每旋转过一对极,检测线圈扫过6个转子槽,会感应出6个等间隔的电压脉冲。设初始0时刻时,检测线圈位于1号槽口,扫过一个转子槽的时间为5/12 ms,A₃支路所在槽为25、31、38、44号槽,当检测线圈扫过这些故障槽口时,感应电压可能会出现降低。

通过计算可知,扫过这些故障槽口的时间如下:

25号槽:(10+40λ₁) ms,λ₁为正整数。

31号槽:(12.5+40λ₂) ms,λ₂为正整数。

38号槽:(185/12+40λ₃) ms,λ₃为正整数。

44号槽:(215/12+40λ₄) ms,λ₄为正整数。

同时电枢电流换向也会对槽漏磁通有所影响,转子转速为1 500 r/min,电枢感应电流的频率为

(7)f=$\frac{\mathit{n}\mathit{P}}{60}$

式(7)中:n为无刷励磁机同步转速,r/min;P为无刷励磁机的极对数;f为无刷励磁机电枢电流频率,Hz。

可以计算出感应电流频率为200 Hz,每个变换周期为5 ms。检测线圈中会产生5 ms时间间隔的电压脉冲,检测线圈扫过25号槽与31号槽的时间间隔为2.5 ms,是感应电流的半个周期,两个槽在经过检测线圈时的二极管导通方向相反。即发生故障后,无法同时在25号槽和31号槽感应出电压变化,同理,也无法同时在38号槽和44号槽感应出电压变化。检测线圈会感应出两个明显的电压降落。

3 有限元仿真验证

3.1 单磁场探头

以表1所示的三相无刷励磁机作为研究对象,通过有限元仿真模拟整流器二极管开路故障,使用Ansys软件搭建励磁机二维有限元仿真,在气隙中放置检测线圈,并进行网格剖分,如图8所示。采用二阶三角单元进行剖分,对网格的中心节点也进行求解,保证了计算的精度和准确性。为了观察电枢电流在二极管发生开路故障后的变化情况,在外电路中使用定时开关设置某一时刻开关断开,模拟A₃上半支路二极管开路故障。可以得到A₃故障支路的电枢电流如图9所示。

励磁机正常工作时,各支路电枢电流相位幅值相同,发生故障后,正向电流无法导通,电流为0,负向电流正常导通,但会较正常有所增加,这是因为A相其他绕组正常,电感蓄能使其他支路电流换向更加困难,A₃支路需要承担更大的反向导通电流。如图10所示为正常时线圈感应电压。

取正常和开路故障工况下137.1 ms时励磁机的气隙径向磁通密度,如图11所示。此时励磁机稳定运行,A₃支路正向导通时段,可以看到故障后气隙磁场在局部会显著降低,这是因二极管开路,所在支路电枢绕组无法导通,槽内电枢电流减小,磁通密度变小。

取励磁机稳定运行后0.08~0.12 s所得的正常工况和故障工况时检测线圈感应电压,如图12所示。

由图12可知,发生故障后,故障电枢绕组在正半导通时段电流为0,所在槽的漏磁通就会降低,导致线圈的感应电压与二极管正常时会有明显不同,电压波形出现下陷,将正常时和故障时的探测线圈感应电压作差,波形如图13所示。

观察二极管正常与A₃上半支路二极管故障的探测线圈感应电压,两者出现了两次较大的差值。如图14所示为探测线圈扫过故障槽口时,A₃支路电流情况。探测线圈0.092 5 s扫过31号槽,0.097 9 s扫过44号槽,此时A₃支路是负半导通时段,电枢电流正常流通;0.09 s探测线圈扫过25号槽,0.095 4 s探测线圈扫过38号槽,图13中出现间隔5 ms出现的电压脉冲,这是因为这两个时刻电枢绕组上半支路应导通但受二极管故障影响无法导通,转子槽口漏磁通发生变化。

3.2 双磁场探头

3.1节从时域角度分析了二极管故障前后测量线圈的感应电压变化,基于电压差值判断故障,需要提前获取和存储正常时线圈感应电压波形。为了提高检测方法的实时性,在气隙中相隔一定距离安装两个检测线圈,线圈1安装在0°位置,线圈2安装在180°位置。

二极管正常时,线圈感应的电压是周期性变化的,上下两线圈感应电压在时间上相差半个周期,幅值相等。若发生二极管故障,当故障电枢绕组旋转至其中一个线圈时,另一个线圈此时感应的是正常电枢绕组,两个检测线圈的感应电压将产生区别。如图15所示为正常时两线圈感应电压。

由图15可知,正常时两检测线圈的感应电压基本一致。将线圈1和线圈2的感应电压作差,结果如图16所示,电压差基本为零。

当A₃支路二极管发生故障时,线圈的感应电压如图17所示。

将检测线圈1和检测线圈2的感应电压作差,结果如图18所示。

当故障电枢绕组扫过检测线圈时,感应电压波形的幅值出现显著变化,将感应电压作差后可以发现正负电压脉冲相差0.02 s,为半个周期,这是由于两个检测线圈在空间上相隔180°。

仿真结果与理论分析一致,可以通过气隙检测探头观察电枢槽漏磁通的变化来判断无刷励磁机旋转整流器二极管的开路故障。

4 结论

研究了三相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障的电枢槽漏磁场特征,通过在气隙中放置检测探头,测量转子槽漏磁通的变化来检测旋转整流器二极管开路故障,得出以下结论。

(1)无刷励磁机的电枢绕组导通状态与旋转整流器有关,当二极管正常时,电枢磁场在空间均匀分布,检测线圈会感应出周期变化的电压脉冲。

(2)当某一支路的二极管发生开路故障时,所在支路电枢电流在对应导通时段为0,支路附近电枢磁场局部降低,故障支路所在槽口漏磁通减少。

(3)利用发生二极管开路故障时,励磁机气隙磁场变化,通过磁场探头感应电压较正常时的差值,可以来检测旋转二极管的开路故障。气隙检测探头安装方便,不影响励磁机正常运行,实现了在线监测。

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