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開關磁阻發電系統的故障分析及仿真

2020-04-10

開關磁阻發電系統的故障分析及仿真劉　震,林　輝,司利云(西北工業大學自動化學院,西安710072)　　摘　要:對開關磁阻電機在發電運行模式下的各種典型故障進行了分析研究，利用Matlab/Simulink中的電力系統工具箱對開關磁阻發電機系統進行建模，通過對模型施加不同的故障條件，仿真了系統在負載故障、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。通過對結果的分析可以看出，開關磁阻發電系統具有較高的容錯性能，當發生缺相故障時，系統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磁阻發電系統的故障診斷和容錯研究提供了一種可行的方法。
　　關鍵詞:發電機;開關磁阻;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
　　開關磁阻發電技術近年來得到了快速的發展。由于它采用了新穎的發電原理和靈活的控制方式，具有常規發電機所不具有的獨特優勢，如發電品質好、系統堅固、功率密度高、制造成本低等優點［1］。同時，由于它不采用永磁材料，在結構上沒有極易產生故障的轉子繞組，其熱損耗大部分集中在定子上，易于冷卻，很適合在惡劣的環境下工作。因此，無論在民用還是航空領域，這種電機都具有很高的實用價值和廣闊的應用前景。
　　目前對這種新型發電系統的理論和工程應用研究較多，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輸出轉矩的影響。文獻［5］給出了電動運行方式下繞組開路時采用的自適應模糊邏輯容錯控制方法。文獻［6］研究了開關磁阻發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磁阻發電機在繞組開路/短路下的故障，提出了一種新的功率變換器拓撲結構的容錯方法。筆者在綜合國內外近幾年文獻［2~9］的基礎上，對開關磁阻發電系統典型的電氣故障進行總結、分析及仿真。文中首先簡要地分析了開關磁阻發電系統的運行原理，給出了發電系統可能的電氣故障，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結構的開關磁阻發電系統進行建模、仿真、分析，所得的分析結果同樣適用于其它結構的開關磁阻發電機。2開關磁阻發電系統原理分析
　　三相6/4結構的開關磁阻發電系統原理如圖1所示，由開關磁阻電機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。磁阻電機的轉子由發動機拖動旋轉，其位置由轉子位置檢測器測定，并通過功率變換器和控制器將勵磁功能和發電功能進行分時協調控制。開關磁阻電機的轉矩由磁阻最小趨勢產生，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果。由此可見，磁場貯能的大小既取決于轉子位置，也和繞組電流的瞬時值有關，忽略磁路飽和及邊緣效應，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，且電機工作在的區間內，電磁轉矩為正值，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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