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基于場(chǎng)路耦合的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障分析

2020-11-24 07:45
微特電機(jī) 2020年11期
關(guān)鍵詞:永磁定子繞組

孫 欣

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)型能源消耗急劇增加和環(huán)境污染問(wèn)題的愈演愈烈,風(fēng)能作為清潔無(wú)污染可再生能源,已不再是可有可無(wú)補(bǔ)充型能源,而在能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色[1]。永磁同步發(fā)電機(jī)與其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比,因其無(wú)勵(lì)磁繞組,從而具有效率高、溫升低、噪聲小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。因此,永磁同步發(fā)電機(jī)的研究和推廣受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,被廣泛地應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中。其中,最能體現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是其可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。目前,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的增速器增速比通常為50~120,如此大的增速比將會(huì)使得風(fēng)機(jī)增速齒箱的壽命變短且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用激增。由于可以做到多級(jí)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行,因此永磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)組時(shí)可以將增速齒箱的增速比降低至5~8,從而大大減少了風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行成本,提升風(fēng)力發(fā)電的綜合效益[2]。永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中具有十分廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。提高永磁同步發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障研究分析水平,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

永磁同步發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障大體可劃分成機(jī)械類故障和電磁類故障[3]。機(jī)械類故障大致包括轉(zhuǎn)子偏心故障以及軸承損壞故障;電磁類故障包括有定子繞組匝間短路故障和永磁體失磁故障[4]。其中,繞組匝間短路發(fā)生的概率在30%~40%,屬于發(fā)生概率較高的故障[5]。繞組匝間短路對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行造成的影響主要有:匝間短路使得繞組溫升增加,導(dǎo)致永磁體失磁故障;導(dǎo)致電機(jī)定子繞組絕緣進(jìn)一步失效;引發(fā)氣隙磁場(chǎng)分布的不對(duì)稱,從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障的發(fā)生。對(duì)繞組匝間短路進(jìn)行分析與研究能夠改善永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況,提高運(yùn)行的可靠性。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)繞組發(fā)生匝間短路做了深入而有效的研究,取得了顯而易見(jiàn)的成果。文獻(xiàn)[3]通過(guò)有限元分析的方法對(duì)永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,得到結(jié)論:隨著匝間短路嚴(yán)重程度的加劇,電機(jī)渦流損耗大幅增加,三相電流不平衡情況變得嚴(yán)重。文獻(xiàn)[4]則從匝間短路對(duì)永磁體失磁的角度對(duì)永磁電機(jī)匝間短路故障做了研究,得到了不同故障程度對(duì)永磁體失磁的影響,提取了不同匝間短路故障時(shí)的電機(jī)電流的波形圖和氣隙磁密的分布圖。文獻(xiàn)[5]通過(guò)拆分定子槽的方法建立了永磁電機(jī)早期匝間短路仿真模型,應(yīng)用小波函數(shù)對(duì)電機(jī)相電流信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),得到了高頻信號(hào)二層信號(hào)的變化規(guī)律,并結(jié)合PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得到了繞組匝間短路的診斷模型,通過(guò)故障樣本驗(yàn)證了診斷模型的正確性。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)永磁電機(jī)發(fā)生匝間短路時(shí)定子繞組電阻和定子漏感的數(shù)值變化做了計(jì)算研究,得到了定子繞組發(fā)生匝間短路的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[8]在ANSYS中建立永磁無(wú)刷電機(jī)早期匝間短路仿真模型,通過(guò)對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行分析處理,得出了隨著匝間短路故障嚴(yán)重程度的加劇,反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)3次諧波含量變低的結(jié)論。

本文首先根據(jù)給定的永磁同步發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)額定參數(shù),計(jì)算得到其他電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),再由這些參數(shù)在ANSYS中的RMxprt模塊完成永磁同步發(fā)電機(jī)初步仿真模型的建立;然后導(dǎo)入至ANSYS的Maxwell 2D模塊中,得到永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真模型;在機(jī)電仿真軟件Simplorer中建立永磁同步發(fā)電機(jī)的外電路,然后進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真,分別得到了發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)的定子電流波形;將定子電流信號(hào)導(dǎo)入到MATLAB中,運(yùn)用小波包函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),對(duì)重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行頻域分析,得到了永磁同步發(fā)電機(jī)繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)的特征頻率諧波,并對(duì)故障嚴(yán)重程度與特征頻率諧波含量之間的關(guān)系作出分析。

1 匝間短路故障理論分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí),定子繞組有效線圈數(shù)量減少。永磁同步發(fā)電機(jī)匝間短路示意圖如圖1所示。

圖1 永磁同步發(fā)電機(jī)匝間短路

當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組發(fā)生匝間短路時(shí),在故障線圈內(nèi)部會(huì)形成短路環(huán)路電流is,環(huán)路電流的存在將會(huì)增大電機(jī)繞組溫升,使電機(jī)運(yùn)行在不對(duì)稱的狀態(tài),產(chǎn)生相反的電磁轉(zhuǎn)矩[6]。

(1)

式中:ρ為漆包圓銅線電阻率;lef為線圈有效長(zhǎng)度;a為并聯(lián)導(dǎo)體數(shù);Nt為每槽并聯(lián)導(dǎo)體數(shù);Sef為導(dǎo)體截面面積;R0,L0為正常運(yùn)行時(shí)的定子繞組電阻和電感。

2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型

本文仿真用的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù):額定頻率50 Hz;額定功率1 000 W;額定電壓30 V;額定轉(zhuǎn)速300 r/min;極對(duì)數(shù)10。由以上的基本額定參數(shù)計(jì)算得到永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的其他主要結(jié)構(gòu)及電磁參數(shù):定子外徑248 mm;定子內(nèi)徑180 mm;轉(zhuǎn)子外徑178.2 mm;鐵心長(zhǎng)度80 mm;定子槽數(shù)57;每相串聯(lián)導(dǎo)體126匝;每槽導(dǎo)體數(shù)7匝;并聯(lián)支路數(shù)1;繞組形式為雙層短節(jié)距;繞組節(jié)距3;定子繞組并繞支路數(shù)5;定子槽結(jié)構(gòu)采用梨形等齒寬定子槽,定子槽齒寬3.2 mm、齒距9.96 mm,定子槽開(kāi)口寬度3.6 mm。

本文建立發(fā)電機(jī)的仿真模型分為兩步進(jìn)行。首先,根據(jù)已知的參數(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)模塊RMxprt中建立初步的仿真模型,在此模塊中可以完成發(fā)電機(jī)的額定電磁參數(shù)的設(shè)定以及定、轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。在RMxprt中建立的發(fā)電機(jī)的初步仿真模型如圖2所示。

圖2 RMxprt中發(fā)電機(jī)初步仿真模型

然后,將RMxprt中的電機(jī)模型導(dǎo)入到電磁分析模塊Maxwell 2D中自動(dòng)進(jìn)行邊界條件、激勵(lì)源添加、網(wǎng)格剖析、求解器參數(shù)設(shè)定等工作[8],上述步驟完成之后,得到發(fā)電機(jī)的最終仿真模型。

將Maxwell 2D中仿真模型的激勵(lì)源設(shè)置為外部激勵(lì)源,則可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)電仿真軟件Simplorer的協(xié)同仿真[9],協(xié)同仿真模型如圖3所示。

圖3 Maxwell與Simplorer協(xié)同仿真模型

這種場(chǎng)路耦合的分析方法既可以準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行及繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)進(jìn)行電磁場(chǎng)的計(jì)算分析,又能夠方便地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)外電路的設(shè)置。因此,相比于數(shù)學(xué)模型分析方法,采用場(chǎng)路耦合分析方法既保證了發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)復(fù)雜電磁狀態(tài)的準(zhǔn)確反映,又可以通過(guò)改變外電路的參數(shù),實(shí)現(xiàn)不同程度匝間短路故障模型的建立[10]。

本文分析數(shù)據(jù)來(lái)源于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和發(fā)生25%定子繞組(A相)匝間短路故障時(shí)的仿真結(jié)果,初步分析:正常運(yùn)行以及25%匝間短路時(shí)的各相定子電流峰谷值如表1和表2所示。

表1 正常運(yùn)行定子電流峰谷值

表2 25%匝間短路定子電流峰谷值

由表1和表2對(duì)比可知,在發(fā)生25%匝間短路故障時(shí),發(fā)電機(jī)故障相(A相)定子電流幅值增大明顯,而非故障兩相的定子電流幅值有所增大,但增幅極小。然而,僅根據(jù)故障相定子電流幅值變化來(lái)判斷永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否發(fā)生了匝間短路故障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要對(duì)仿真結(jié)果做進(jìn)一步分析,才能正確診斷匝間短路故障。

3 仿真結(jié)果處理分析

3.1 故障特征頻率提取

本文選取易于監(jiān)測(cè)的發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)用于匝間短路故障分析。將監(jiān)測(cè)到的定子電流信號(hào)導(dǎo)入MATLAB中,采用小波包分析對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理,小波包分析是一種具有更高的時(shí)-頻域分辨精度信號(hào)處理分析方法。

本文采用dB5小波包對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行以及繞組發(fā)生不同程度匝間短路故障時(shí)的定子電流信號(hào)進(jìn)行五層分解重構(gòu)。對(duì)得到的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行分析,最終得到發(fā)電機(jī)匝間短路故障的定子電流特征頻率諧波。仿真信號(hào)的具體處理分析如下:

(1) 將經(jīng)Simplorer與Maxwell 2D協(xié)同仿真的定子電流波形導(dǎo)入到MATLAB中。

(2) 利用M函數(shù)將導(dǎo)入的定子電流信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),得到不同運(yùn)行狀態(tài)下的重構(gòu)信號(hào)。

(3) 對(duì)重構(gòu)信號(hào)采用快速傅里葉變換,得到不同運(yùn)行狀態(tài)下定子電流信號(hào)的頻域分析結(jié)果。

經(jīng)由以上步驟得到發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和發(fā)生25%匝間短路故障時(shí)的定子電流重構(gòu)信號(hào),分別如圖4和圖5所示。

圖4 正常運(yùn)行時(shí)定子電流重構(gòu)信號(hào)

圖5 25%匝間短路定子電流重構(gòu)信號(hào)

由圖4、圖5中的標(biāo)注可得,正常運(yùn)行和發(fā)生25%匝間短路時(shí)的定子電流重構(gòu)信號(hào)峰值分別為112.4 A和117.6 A。對(duì)比表1、表2的數(shù)值可知,小波包分析對(duì)定子電流信號(hào)具有良好的去噪效果。但是,通過(guò)比較正常運(yùn)行和發(fā)生25%匝間短路故障定子電流重構(gòu)信號(hào)波形可知,兩者之間并沒(méi)有太大的區(qū)別,即當(dāng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障時(shí),定子電流信號(hào)除去幅值大小的變化之外,其波形并沒(méi)有十分明顯的畸變。為此,需要對(duì)正常運(yùn)行時(shí)和發(fā)生匝間短路故障時(shí)得到的定子電流重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的頻域分析,以得到匝間短路故障特征頻率諧波。

采用快速傅里葉變換,將時(shí)域形式的重構(gòu)信號(hào)變換成頻域形式。正常運(yùn)行以及發(fā)生25%匝間短路故障的定子電流頻域分析結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 正常運(yùn)行定子電流幅值譜

圖7 25%匝間短路定子電流幅值譜

由圖6、圖7的標(biāo)注可得,相比正常運(yùn)行狀態(tài),在發(fā)生25%匝間短路故障時(shí),永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)中的0.1、0.2、0.3次諧波幅值變化明顯。因此,可以由永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流0.1、0.2、0.3次諧波幅值變化來(lái)判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)生定子繞組匝間短路故障。

3.2 故障嚴(yán)重程度與特征諧波含量的關(guān)系

為研究匝間短路特征頻率諧波含量與故障嚴(yán)重程度之間的關(guān)系,本文建立了正常運(yùn)行以及故障程度分別為5%、10%、15%、20%、25%匝間短路的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型。使用上一小節(jié)中的定子電流信號(hào)處理方法,得出不同運(yùn)行狀態(tài)下定子電流信號(hào)中匝間短路特征頻率諧波幅值變化情況。表3為特征頻率諧波變化表。

表3 故障特征頻率諧波幅值變化表

通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)可以明顯看出,隨著永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障嚴(yán)重程度的加劇,匝間短路故障特征頻率諧波幅值和基波電流幅值也隨之增加,表明了故障嚴(yán)重程度與故障特征頻率諧波幅值之間的變化關(guān)系。

為進(jìn)一步說(shuō)明0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障特征頻率諧波的有效性,并結(jié)合圖6、圖7的頻域分析結(jié)果,永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下定子電流信號(hào)中其他主要諧波幅值的變化情況如表4、表5所示。

表4 奇數(shù)次諧波幅值變化表

表5 偶數(shù)次諧波幅值變化表

由表4、表5中的數(shù)據(jù)可知,不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)定子電流信號(hào)中的整數(shù)次諧波含量小,而且?guī)缀醪淮嬖谧兓?。因此進(jìn)一步說(shuō)明了定子電流0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障的故障特征諧波的有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中常見(jiàn)的定子繞組匝間短路故障,使用場(chǎng)路耦合方法進(jìn)行分析,建立了Maxwell 2D和Simplorer的聯(lián)合仿真模型,得到發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和不同程度匝間短路故障時(shí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流信號(hào)。利用小波包變換對(duì)正常和匝間短路故障時(shí)的定子電流信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),對(duì)得到的重構(gòu)信號(hào)采用快速傅里葉變換,進(jìn)行頻域分析??傻贸鲆韵陆Y(jié)論:

1) 通過(guò)對(duì)定子電流重構(gòu)信號(hào)頻域分析結(jié)果可知,定子電流信號(hào)中0.1、0.2、0.3次低頻諧波可以作為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障的特征頻率諧波。

2) 對(duì)不同故障嚴(yán)重程度的定子電流信號(hào)的分析,表明了繞組匝間短路故障嚴(yán)重程度與故障特征頻率諧波之間的關(guān)系。

3) 對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)中的主要整數(shù)次諧波含量在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的變化做了分析,通過(guò)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了0.1、0.2、0.3次低頻諧波作為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障特征頻率諧波的有效性。

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