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開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的故障分析及仿真

2019-12-31

開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的故障分析及仿真劉　震,林　輝,司利云(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,西安710072)　　摘　要:對開關(guān)磁阻電機在發(fā)電運行模式下的各種典型故障進行了分析研究，利用Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱對開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)進行建模，通過對模型施加不同的故障條件，仿真了系統(tǒng)在負載故障、功率變換器故障、電樞繞組開路/短路等故障下的電壓、電流輸出波形。通過對結(jié)果的分析可以看出，開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)具有較高的容錯性能，當(dāng)發(fā)生缺相故障時，系統(tǒng)仍能維持正常的電壓輸出。同時，這種故障的建模和仿真也為開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷和容錯研究提供了一種可行的方法。
　　關(guān)鍵詞:發(fā)電機;開關(guān)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
　　開關(guān)磁阻發(fā)電技術(shù)近年來得到了快速的發(fā)展。由于它采用了新穎的發(fā)電原理和靈活的控制方式，具有常規(guī)發(fā)電機所不具有的獨特優(yōu)勢，如發(fā)電品質(zhì)好、系統(tǒng)堅固、功率密度高、制造成本低等優(yōu)點［1］。同時，由于它不采用永磁材料，在結(jié)構(gòu)上沒有極易產(chǎn)生故障的轉(zhuǎn)子繞組，其熱損耗大部分集中在定子上，易于冷卻，很適合在惡劣的環(huán)境下工作。因此，無論在民用還是航空領(lǐng)域，這種電機都具有很高的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　目前對這種新型發(fā)電系統(tǒng)的理論和工程應(yīng)用研究較多，而對其故障模式進行分析研究相對較少，且主要集中在開關(guān)磁阻電機在電動運行模式下的故障分析。文獻［2］指出了電動運行模式下的幾種典型故障及其對輸出轉(zhuǎn)矩的影響。文獻［3］討論了故障下的容錯控制；文獻［4］則著重分析了繞組短路故障對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。文獻［5］給出了電動運行方式下繞組開路時采用的自適應(yīng)模糊邏輯容錯控制方法。文獻［6］研究了開關(guān)磁阻發(fā)電機在繞組故障條件下的勵磁需求問題，并通過仿真研究給出了發(fā)電機在初始建壓時和故障情況下的勵磁大小。文獻［7］通過有限元分析和線性分析法研究了單相開關(guān)磁阻發(fā)電機在繞組開路/短路下的故障，提出了一種新的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的容錯方法。筆者在綜合國內(nèi)外近幾年文獻［2~9］的基礎(chǔ)上，對開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)典型的電氣故障進行總結(jié)、分析及仿真。文中首先簡要地分析了開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的運行原理，給出了發(fā)電系統(tǒng)可能的電氣故障，分析了這些故障對輸出的影響，最后利用Matlab/Simulink/PSB工具箱對6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)進行建模、仿真、分析，所得的分析結(jié)果同樣適用于其它結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電機。2開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)原理分析
　　三相6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示，由開關(guān)磁阻電機SRM（圖中用定子繞組示意）、功率變換器、控制器和位置檢測器幾部分組成。磁阻電機的轉(zhuǎn)子由發(fā)動機拖動旋轉(zhuǎn)，其位置由轉(zhuǎn)子位置檢測器測定，并通過功率變換器和控制器將勵磁功能和發(fā)電功能進行分時協(xié)調(diào)控制。開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩由磁阻最小趨勢產(chǎn)生，由于磁路的非線性，通常由磁場貯能來計算，可表達為
　　
式中：θ為轉(zhuǎn)子位置角；i為相繞組的電流；W是由相電流建立起來的磁場貯能，其大小為
　　
上式是做了線性化處理后所得的結(jié)果。由此可見，磁場貯能的大小既取決于轉(zhuǎn)子位置，也和繞組電流的瞬時值有關(guān)，忽略磁路飽和及邊緣效應(yīng)，對式（1）做線性化處理后可得
　　
由式（3）可以看到：若相繞組有電流，且電機工作在的區(qū)間內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩為正值，說明電機向外輸出機械能，工作在電動模式下；若相繞組有電流，且電機工作在_{[1][2]下一頁}

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