Investigation of Flux Regulation Performance and Experimental Validation of Novel Hybrid Excitation Brushless Claw-pole Alternators

针对电励磁爪极发电机效率低、永磁爪极发电机磁场调节困难等问题,提出一种新型的混合励磁无刷爪极发电机。介绍该电机的结构特点和磁场调节原理,采用三维有限元法对电机的空载磁场分布及磁场调节能力进行了分析,设计并制造了试验样机。样机试验结果验证了有限元分析的正确性,并表明在结构参数相同的情况下,与电励磁爪极发电机相比,新型混合励磁无刷爪极发电机具有气隙磁通密度高、功率密度高、低速输出性能好、励磁损耗低等特点。

Brushless Excitation System with Microcomputerbased Regulator for Turbogenerators

A new brushless excitation system with the modified microcomputer-based regulator developed by NARI was put into operation recently on a 300 MW #4 generator, Hanchuan plant, Hubei province. The hardware and software implementation of the regulator is briefly described in the paper. The onsite smooth operation of the generator with this excitation system proves that the system is quite

基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法

为了提升定子励磁无刷电机的冷却能力,提出了一种基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法.在电机端部绕组和定子铁芯叠片端部的间隙中插入端部绕组冷却(EWC)模块,以减小定子绕组热点区域和冷却介质之间的间隙,从而提高端部绕组的冷却能力.对非重叠式集中绕组长度计算模型进行改进,评估采用EWC模块前后电机定子电枢绕组长度的变化,分析EWC模块的电导率对电机定子损耗的影响.采用计算流体动力学(CFD)模型,对比EWC模块在不同铜耗和励磁源损耗密度下的冷却性能.结果表明,采用EWC模块可以使端部绕组的稳态温升降低约50%,热态时的绕组电阻降低7.51%,从而改善了定子的冷却条件.

无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障的轴电压特征研究

内转子式三相无刷励磁机旋转整流器二极管单管开路故障发生频率较高且不易直接监测,可能诱发多个二极管故障的连锁效应,严重影响发电机组的安全可靠运行,根据故障在轴电压中形成的特征谐波进行在线监测是一种新型检测方法。首先分析了旋转整流器二极管单管开路故障时励磁机电枢磁动势特征,利用气隙磁导法得到交链电枢转轴交变磁通表达式,进而预测二极管开路故障后,励磁机轴电压中将出现Pωr/2π整数倍频率的谐波。最后以一台5.8 MW的三相无刷励磁机为例进行有限元仿真,结果与理论预期相符,证明了轴电压信号可用于内转子式无刷励磁机的旋转整流桥二极管开路故障在线监测。

ROTOR FAULT DIAGNOSIS OF BRUSHLESS AC GENERATOR WITH ROTARY RECTIFIER

With a three-phase bridge type rectification, some typical rotor faults of a brushless AC generator with a rotary rectifier is analyzed in this paper by the help of computer digital simulation. It is also proPOsed that the rotor faults, whether exist or not, and the causes of the faults may be determined through the monitoring of the average value of the exciting current of the exciter and its principal harmonics.

转子槽数对无刷交流励磁机的空载噪声影响

为减少无刷交流励磁机的电磁噪声,提出一种无刷交流励磁机径向电磁力和交变弯曲力矩的解析模型。根据磁导法,得到空载气隙磁场的解析表达式,进而推导出径向电磁力和交变弯曲力矩的表达式,得到励磁机电磁噪声的主要阶次和转子槽数的关系。通过增加转子槽数可以有效削弱主极磁场和一阶齿谐波引起的噪声,多物理耦合有限元仿真和傅里叶方法验证了结果。

电推进飞机定子励磁型无刷电机应用研究

基于电推进飞机的发展需求,结合航空背景,研究一种定子励磁型无刷电机应用于飞机电驱动系统的性能指标。分析了该电机的拓扑结构特点,采用参数化建模方法,在ANSYS Maxwell中建立了电机的仿真模型。运用有限元分析,以转矩特性为主要参数,对该电机进行了仿真优化,得到了适合于电推进飞机场合的电机最优模型。对优化后的电机电磁特性进一步分析,包括转矩特性、电机效率、输出功率和磁场分布等。结果表明:优化后的电机永磁体用量减少了0.18 dm^(3),输出转矩提高了7.7%,转矩脉动系数下降了8.1%,输出功率密度达4.8 kW/kg,效率达96.1%。该电机具有结构简单、功率密度高、电机效率高的优点。

新型转子定子电励磁无刷同步电机特性分析

针对极端环境下因永磁体失磁导致电机性能下降,而不适宜采用永磁电机的情况,提出一种新型转子结构的定子侧电励磁无刷同步电机(stator electrically excited brushless synchronous motor, SEEBSM)。分别阐述绕组分布、转子结构和运行系统,设计一台额定功率为11 kW的样机,给出了主要参数和励磁绕组接线图,建立了电机二维物理模型,采用有限元方法分别对其空载和负载(轻载和额定负载)运行时的电磁特性进行了分析,研究结果表明所提出的新型转子结构能够改善起动性能,且能省去由励磁控制器向励磁绕组提供小直流电流使转速牵入同步的过程,可为后续样机的研制和实验研究提供参考。

核电多相环形无刷励磁系统故障分析及继电保护原理

多相环形无刷励磁机是目前在运百万千瓦级核电站广泛采用的励磁机型,因其未配备完善的继电保护,现场发生的多起故障带来了严重损失。实现该保护的难点在于励磁机为旋转电枢式电机,可量测的量仅为定子励磁电流,需用单一电气特征实现对多种故障的保护及区分。首先,文中从各种故障前后转子电枢电流及空间谐波磁场特性入手,对励磁机定、转子绕组及旋转整流器故障的特征及机理进行了深入研究,根据绕组结构不对称下定、转子电流的相互感应关系,得出各种故障暂态及稳态时的频谱分布特征及演变规律;其次,以十一相环形无刷励磁机为例,对动模样机进行了不同故障的实验和仿真,实验和仿真结果验证了理论分析的正确性;最后,提出了一种基于定子励磁电流的新型保护原理,动模样机实验及保护装置的现场运行及测试结果表明,该原理能够实现对故障的可靠灵敏保护,并能有选择性地区分故障。

混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究

为解决永磁发电机气隙磁场调节问题并保持其无刷化的优点,提出一种基于谐波磁场的混合励磁发电机无刷励磁原理,推导转子励磁绕组电流与定子谐波励磁绕组电流之间的关联关系。给出了谐波无刷励磁系统的设计原则和方法,包括输入直流电流和不同频率交流电流励磁时的定子谐波励磁绕组极对数、转子谐波绕组和励磁绕组节距,以及构成谐波无刷励磁系统的绕组匝数的确定方法。以一台48槽、2对极的混合励磁发电机为例,详细分析了定子谐波励磁绕组、转子谐波绕组和励磁绕组设计过程,得到了相应的绕组展开图和绕组布置示意图。针对定子谐波励磁绕组极对数分别为8、12和24三种情况进行了仿真计算,电枢绕组空载线电压谐波分析与转子谐波绕组感应的谐波电动势次数均与理论分析相符。研制了一台谐波无刷混合励磁同步发电机样机,测试结果验证理论分析和计算的正确性。

核电多相无刷励磁系统中旋转整流器不同开路故障模式的特征分析及诊断

对于核电站频繁发生的多相旋转整流器开路故障,实际现场不仅需要可靠诊断,还需要对故障模式进行准确区分。利用故障在励磁机定子励磁电流中反映的特征来诊断无法被直接测量到的旋转整流器故障是一种有效的途径,但是以往研究均仅关注故障励磁电流的频域特征,能识别故障的发生而无法进一步对故障模式进行分类。为此,该文对旋转整流器一管开路、一相开路以及不同位置的两相开路故障后励磁电流时域、频域及频谱分布特征进行研究。首先,对某11相环形无刷励磁系统的运行特性进行理论分析,基于二极管导通顺序及故障二极管在电机运行周期中所处的位置,对故障励磁电流时域特征进行分析;其次,基于故障对励磁电流的影响机理,对励磁电流故障分量进行解析,得到了旋转二极管不同模式故障下的频域及频谱分布特征,并通过某11相动模样机实验验证了理论分析的正确性;最后,结合励磁电流时域、频域以及频谱分布三者特征,提出了二极管不同模式故障的诊断方法。样机实验表明,该文提出的诊断方法能实现所有故障模式的区分,可为一般多相环形无刷励磁系统旋转整流系统故障的保护提供依据。

起动/发电技术在柴油发电机中的应用研究

舰船或陆用柴油发电机通常采用压缩空气、电起动和液压等专门的起动装置进行机组起动,起动成功后,这些装置停止运行,致使起动装置存在占用空间大、使用率低、效益不高等问题;鉴于无刷同步起动/发电一体化技术在国外航空发动机中的成功运用,本文在对多级无刷发电机电动模式和发电模式运行机理分析的基础上,通过梳理、对比当前国内外提出的单相交流励磁、两相交流励磁、三相交流励磁三种技术方案的优缺点,并对其在柴油发电机中的应用进行了可行性研究,得出了各方案所适用的领域,为后续研究提供借鉴。

多相无刷励磁机旋转二极管开路故障在线检测方法

针对多相无刷励磁机旋转二极管开路故障不易检测的问题,以39相11对极无刷励磁机为例,从无刷励磁机正常运行和单管开路故障时的电枢电流特性入手,首先,分析了2种状态下电枢磁场的变化规律,根据励磁机的结构特点及电磁耦合关系,提出在励磁机内定子的任意磁极上安装一个磁场检测线圈用以检测旋转二极管开路故障。其次,结合无刷励磁机空间磁场的谐波特征,推导出检测线圈的磁通表达式,进而得到检测线圈的感应电压,发现二极管开路故障会引起感应电压中特定频率谐波幅值变化。最后,通过有限元仿真,证明该检测线圈法可以有效识别出旋转二极管开路故障,且不影响无刷励磁机正常运行。

基于降阶动态相量模型的电感耦合式励磁系统间接励磁电流估计

电励磁同步电机(EESM)具有稀土永磁材料依赖性低、励磁磁场可控、调速范围广的优点,在新能源汽车驱动领域拥有良好的应用前景。利用电感耦合式无刷励磁技术可以有效降低传统有刷EESM的摩擦损耗和维护成本。但是,无刷励磁技术的引入导致励磁电流无法直接测量,因此提出一种基于降阶动态相量模型的间接式励磁电流估计方法。首先利用电感耦合关系将励磁电流的直接估计转换为间接估计,有效地提高了算法的鲁棒性;然后推导出励磁电流降阶动态相量估计模型,进一步提高间接估计方法的精度;接着考虑电流谐波影响,提出变系数改进方法;最后通过仿真和实验验证了估计方法的有效性。

基于卷积神经网络的核电多相无刷励磁系统旋转整流器故障诊断

多相无刷励磁系统广泛应用于大容量核电机组,对其旋转整流器故障的准确判断是保障机组安全稳定运行的重要前提,但是现有方法难以准确区分所有类型故障。为此,该文提出基于卷积神经网络的多相无刷励磁系统旋转整流器故障诊断方案。在给出故障诊断信号选取的理论基础上,将励磁电流作为输入特征,采用一维空洞卷积神经网络实现励磁电流的特征提取和故障模式分类,并结合置信度指标对诊断结果的可靠程度进行评价。进一步使用Score-CAM类激活映射算法分析模型的诊断机制,兼顾了准确性和可解释性。通过11相无刷励磁系统的动模实验进行验证,结果表明,所提方法能够准确区分旋转整流器的不同二极管开路故障模式,在含噪声情况下仍然有较高的准确率,具有良好的应用前景。

基于励磁电流时序特征的核电多相旋转整流器二极管开路故障诊断

实现多相旋转整流器的故障诊断对保障核电系统安全稳定运行至关重要。然而,现有方法难以准确识别旋转整流器的二极管开路故障模式。为此,该文首先分析将励磁电流作为诊断变量的理论依据;然后,引入形状子特征(Shapelet)变换算法,充分利用其在可解释性和局部差异识别准确性的优势,提取和挖掘不同故障模式下励磁电流最具有代表性和辨识度的特征子序列;最后,结合机器学习分类器得到故障模式分类结果,形成完整的故障诊断方案。通过11相无刷励磁系统仿真模型和动模样机实验进行验证。结果表明,所提方法能够直观并精细表征不同类别故障电流的局部特征,变换后不同故障数据分布的差异性明显提升,仅需结合简单分类器即可实现快速、准确的故障诊断,具有实际应用潜力。

发电机转子接地报警原因分析及智能接地保护探讨

发电机转子一点接地是汽轮发电机常见故障之一,严重影响机组和系统的安全。本文结合某650MW三机无刷励磁系统,介绍了智能发电机转子接地保护装置的结构及原理,分析了一起运行中发电机转子接地报警的现象及处理方法,便于同类型机组有序排查发电机转子接地保护动作,为现场运行维护工作提供借鉴指导,具有一定的参考意义。

三机无刷励磁系统建模和参数计算分析

发电机励磁系统性能是反映电力系统稳定性的重要指标,对励磁系统进行准确的建模和参数计算是保证电力系统稳定性分析结果真实可靠的前提。以北京某热电厂25MW汽轮机组的三机无刷励磁系统为研究对象,基于现场试验结果对励磁系统参数进行了计算,采用FM模型建立了励磁系统数学模型及参数进行稳定计算,并将三机无刷励磁汽轮发电机的空载阶跃响应特性仿真结果与试验结果进行对比分析,进而验证了所得励磁系统模型参数的准确性,可为电力系统稳定分析及电网日常生产调度提供可靠依据。

大型发电机励磁系统改造方案设计及选型

提高发电机励磁系统的设计水平,对保证发电机组及电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。本文针对三机无刷励磁系统,从系统设计、设备选型等角度出发,提出了某650 MW核电机组发电机励磁系统改造的整体配置方案,对关键元器件及设备的选型进行了详细分析及计算,为发电机励磁系统改造提供了借鉴,对大型发电机组励磁系统的设计具有参考作用。

无刷励磁机两点接地对DNC检测的影响研究

无刷励磁机DNC(Non-Conduction Detection)装置通过检测励磁机旋转电枢出线上的脉冲电流的方法检测旋转二极管不导通故障。当检测到断一相故障时发出报警信号,断两相故障时发出跳机信号。某核电站机组功率运行期间经受一个瞬态后,DNC装置先发出断一相故障报警信号,几秒后又发出断两相故障跳机信号,造成机组跳机。经停机后检查,励磁机未发生断两相故障,仅断一相,但磁极存在接地故障。本文通过分析无刷励磁机励磁绕组两点接地对DNC装置检测的影响,解释了DNC装置误发断两相故障跳机信号的原因。