开关磁阻发电系统的故障分析及仿真

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开关磁阻发电系统的故障分析及仿真

2020-04-07

开关磁阻发电系统的故障分析及仿真刘　震,林　辉,司利云(西北工业大学自动化学院,西安710072)　　摘　要:对开关磁阻电机在发电运行模式下的各种典型故障进行了分析研究，利用Matlab/Simulink中的电力系统工具箱对开关磁阻发电机系统进行建模，通过对模型施加不同的故障条件，仿真了系统在负载故障、功率变换器故障、电枢绕组开路/短路等故障下的电压、电流输出波形。通过对结果的分析可以看出，开关磁阻发电系统具有较高的容错性能，当发生缺相故障时，系统仍能维持正常的电压输出。同时，这种故障的建模和仿真也为开关磁阻发电系统的故障诊断和容错研究提供了一种可行的方法。
　　关键词:发电机;开关磁阻;故障;仿真FaultAnalysisandSimulationfortheSwitched
ReluctanceGeneratorSystemLIUZhen,LINHui,SILiyun(SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi''an710072,China)　　Abstract:Thispaperstudiestheprincipleofaswitchedreluctancegenerator(SRG)system,andpresentsancomprehensiveanalysisoftheSRG''sfaults.Amodel,includingtheswitchedreluctancemachine,powerconverter,controller,excitationsource,andload,isestablishedusingMatlab/Simulink/PSBtoolboxtoinvestigatethesystem''soutputundervariousfaultconditionssuchasloadfault,converterswitchfault,phasewindingsfault,andsoon.ThesimulationresultsindicatethattheSRGhasabetterfaulttolerantcapability,sincethattheoutputvoltagecankeepanormalvaluewhentheSRGislackingaphase.ThemodelingandsimulationmethodusedinthispapercanalsobeappliedinfaultdiagnosisandfaulttolerantanalysisfortheSRG.
　　Keywords:generator;switchedreluctance;fault;simulation1前言
　　开关磁阻发电技术近年来得到了快速的发展。由于它采用了新颖的发电原理和灵活的控制方式，具有常规发电机所不具有的独特优势，如发电品质好、系统坚固、功率密度高、制造成本低等优点［1］。同时，由于它不采用永磁材料，在结构上没有极易产生故障的转子绕组，其热损耗大部分集中在定子上，易于冷却，很适合在恶劣的环境下工作。因此，无论在民用还是航空领域，这种电机都具有很高的实用价值和广阔的应用前景。
　　目前对这种新型发电系统的理论和工程应用研究较多，而对其故障模式进行分析研究相对较少，且主要集中在开关磁阻电机在电动运行模式下的故障分析。文献［2］指出了电动运行模式下的几种典型故障及其对输出转矩的影响。文献［3］讨论了故障下的容错控制；文献［4］则着重分析了绕组短路故障对系统输出转矩的影响。文献［5］给出了电动运行方式下绕组开路时采用的自适应模糊逻辑容错控制方法。文献［6］研究了开关磁阻发电机在绕组故障条件下的励磁需求问题，并通过仿真研究给出了发电机在初始建压时和故障情况下的励磁大小。文献［7］通过有限元分析和线性分析法研究了单相开关磁阻发电机在绕组开路/短路下的故障，提出了一种新的功率变换器拓扑结构的容错方法。笔者在综合国内外近几年文献［2~9］的基础上，对开关磁阻发电系统典型的电气故障进行总结、分析及仿真。文中首先简要地分析了开关磁阻发电系统的运行原理，给出了发电系统可能的电气故障，分析了这些故障对输出的影响，最后利用Matlab/Simulink/PSB工具箱对6/4结构的开关磁阻发电系统进行建模、仿真、分析，所得的分析结果同样适用于其它结构的开关磁阻发电机。2开关磁阻发电系统原理分析
　　三相6/4结构的开关磁阻发电系统原理如图1所示，由开关磁阻电机SRM（图中用定子绕组示意）、功率变换器、控制器和位置检测器几部分组成。磁阻电机的转子由发动机拖动旋转，其位置由转子位置检测器测定，并通过功率变换器和控制器将励磁功能和发电功能进行分时协调控制。开关磁阻电机的转矩由磁阻最小趋势产生，由于磁路的非线性，通常由磁场贮能来计算，可表达为
　　
式中：θ为转子位置角；i为相绕组的电流；W是由相电流建立起来的磁场贮能，其大小为
　　
上式是做了线性化处理后所得的结果。由此可见，磁场贮能的大小既取决于转子位置，也和绕组电流的瞬时值有关，忽略磁路饱和及边缘效应，对式（1）做线性化处理后可得
　　
由式（3）可以看到：若相绕组有电流，且电机工作在的区间内，电磁转矩为正值，说明电机向外输出机械能，工作在电动模式下；若相绕组有电流，且电机工作在_{[1][2]下一页}

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