电励磁双凸极发电机的短路运行分析戴卫力，严仰光。
江苏省输配电装备技术重点实验室，河海大学计算机及信息工程学院(常州)，常州213022；2南京航空航天大学自动化学院，南京2l0016)
摘要：文章给出了电励磁双凸极无刷直流发电机的两种短路故障运行情况：直流输出端短路和三相电枢绕组短路。对于直流输出端短路，利用有限元分析软件ANsOFT建模仿真和实验相结合的方法对不同发电方式短路运行下的发电机磁场，相磁链，短路电流以及电枢电流的换相情况进行了详细地理论和实验分析；揭示了发电机输出端短路时，不同发电方式下的电枢反应和电流换相特点。通过进一步研究表明：发电机输出端短路时，若无寄生参数，发电机一直工作在电流换相状态；否则，则还存在单相导电工作状态当发电机发生相间短路时，不存在换相重叠现象，其短路电流与输出端短路时相比要小．关键词：电励磁双凸极电机；电流换相；电枢反应；有限元分析
0 引 言
发电机的短路运行是发电机故障之一。发电机短路时，电机电枢电流急剧增加，电枢反应剧烈。由于发电机短路易带来危害，且短路时，发电机的外围电路最为简单，能更好地研究探知发电机内部的工作状况和相关物理量的变化规律，因此有必要对其进行深入地研究，从而得出发电机短路运行时的磁场变化、电枢反应和换相重叠的规律。
自上世纪90年代T A kpo教授提出双凸极结构电机以来。，世界各国学者均对其进行了广泛地研究，如静态磁场特性、电动运行控制策略、发电特性以及调压控制策略。等。纵观双凸极电机的研究文献可看出，关于电励磁双凸极发电机(DoublvsallentEectr0一magnetlc Generator，DsEG)的短路故障运行情况的研究极少。然而，随着双凸极发电机在航空、风能、电动车领域。得以研究应用，对DsEG在短路故障运行下的工况及物理规律的认知就显得日益重要和紧迫。探究DsEG的短路运行规律，可以使我们改善发电机的特性，使其能安全可靠运行．
1直流端输出短路分析
DsEG根据发电机三相绕组后接整流电路的不同有sRG、DsGl、DsG2三种发电方式，如图1所示。当DSEG在不同发电方式下运行，且直流输出端被短路时，流过电枢绕组的电流将急剧增加，整流二极管有可能因过流而被损坏，从而使电机发牛相间短路，甚至会烧毁电枢绕组。因此，有必要对DsEG不同发电方式下的直流输出端短路运行进行分析
。
1。l SRG发电短路
利用ANsOFT的瞬态磁场分析软件可以对发电机在直流输出端短路的情形进行仿真分析。图2是sRG发电方式下短路运行的仿真和实验波形。其中，图2(a)和同2(b)分别是无寄生参数和带有输出端线路寄生电阻和寄生电感的仿真波形，寄生电阻R。
=20 mΩ，寄生电感LS=5μH。比较图2(a)和图2(h)可看出：sRG发电方式下，励磁电流I=1 A时，发电机磁路不饱和。但输出端短路时，电枢电流却很大。从相磁链波形来看，电枢反应明显，电机相磁链与空载…。时相比，由对称变为严重不对称。
当转子极滑出定子极时(t∈[8．5—8 8]ms)，磁链增加，电枢反应表现为增磁，且相磁链下降区域时间延长，上升区域时间缩短。
从相电流波形来看，相电流出现两种情况：一是仅单相导通电流；二是两相同时导通电流，其中的一相电流减小，另一相电流增加，即出现换相重叠，电流换相引起的换相压降限制了短路电流的增长。观察相电压波形，图2(b)中虚线框内的电压凸起是单独导通所在相电压区间。若无寄生参数，sRG发电方式下输出端短路时，如图2(a)所示，单相导通区间消失，相电流处于连续换相，一直工作在两相导通模态，短路电流增加，电枢反应较强。；图2(c)是sRG发电方式下的试验波形：从波形可看出：由于实验中短路导线存在一定的接触电阻和寄生感，网此，实验波形与图2(b)较为一致。在a相单独导通区间，a相电压有一突起
1 2 DsGl发电短路
DsEG在DsGl发电方式下的直流输出端短路示意图如图1(b)。图3(a)和图3(b)为相应的仿真波形其中图3(b)中的寄生参数与SRC；发电方式下的仿真寄生参数一致。由图3(a)，当励磁电流，L-=2 A，DsGl发电方式下输出端短路时的相磁链****值大约为1×10。wb，而L=l A，sRc发电方式下输出端短路时的相磁链****值却约有2 5×10。wb，由此可知DSG1发电方式下输出端短路时的电枢反应带有明显的去磁作用。同样，DsGl发电短路时的相磁链波形与空载时相比严重不对称。与SRG发电短路不同的是，DsGl发电短路下的相磁链上升区域时间延长，而下降区域时间却反而缩短。
图3(b)中由于输出端有很小的寄生电阻，短路时存在单相导通和两相导通两种工作模态，但两相导通模态的工作时间远大于单相导通模态，换相重叠明显：换相重叠引起的压降有助于抑制短路电流的增长。无寄生参数时，DsGl发电方式下输出端短路时的相电流如图3(a)，一直工作在两相连续导通模态。图3(c)给出了DsGl发电方式输出直流端短路时的实验波形。由于实验中短路导线在连接整流输出端时存在接触电阻和寄生感，因此，实验中的电压波形与图3(b)中的波形非常一致。
1．3 DSG2电短路
图4和图5分别是DsG2发电方式下直流输出端短路时的仿真和实验波形。从图中相电流波形可看出：DsG2发电方式下，直流输出端短路时，发电机整流二极管一直丁作在3管导通换相状态。由于DsG2发电方式可看作sRc发电方式和DsGl发电方式两者的合成。，因此，当发电机工作在转子极滑出状态时，电枢反应的增磁作用明显，相电流很大，电机自感较小；而发电机工作在转子极滑入状态时，电枢反应的去磁作用明显，相电流较小，电机自感相对较大。因此，在短路运行时，相电流表现为正半部分电流值大，换相时间短；负半部分电流幅值较小，换相时间较长。
2交流短路分析
图6为电枢绕组交流短路示意图，是指发电机三相绕组，不经过整流单元在三相绕组非公共端进行短路。与直流短路不同的是，交流短路时，无换相重叠，任何时刻电机三相绕组中都存在短路由流
DsEG三相绕组发生短路时，各相绕组中的相电流和相电势满足式(1)～式(3)：
运用ANS()FT的2D瞬态仿真软件可得到图7(a)中的三相电枢绕组短路的仿真波形，图7(b)是相对应条件下的实验波形。对于相间短路而言，若电机相绕组很小，可忽略，则整个发电机等效电路就相当于电势与电感的串联：与发电机的输出端短路有很大的不同，相电枢电流和相电压之间就会存在相移，且电流落后于电压接近90°由于无整流二极管，因此相间短路时，无换相重叠(见图7(b))，不存在换相压降：但此时由于电机磁路不饱和，电感较大，短路电流与直流输出端短路相比要小。因此，对于DsEG发生相问短路而言，其危害性较小：
3 电枢反应和换相重叠
从前述分析可明显看出：在不同的发电方式下，DsEG发电机的电枢反应截然不同：sRc发电方式下表现为明显的增磁效应；Dscl发电方式表现为明显的去磁效应；而DsG2发电方式可看作为SR(；和Dscl两种发电方式的组合，但由于磁性材料的非线性，其电枢反应总的为去磁效应.三种发电短路下，电枢绕组流过的电流均很大，电枢反庖强烈显著。
DsEG直流端输出端短路时，均存在换相重叠。
若不考虑电路寄生参数，则发电机一直1二作在连续换相状态考虑寄生参数时，发电机则存在单相导电和电流换相两种状态。当DsEc发生相间短路时，发电机不存在换相重叠。
4结论
通过对不同短路情况下的DsEG进行有限元分析和实验验证，可从中得出如下规律：
(1)DsEc输出端短路时，相磁链严重不对称。
sRc发电方式下，磁链F降区域时间大于上升区域时同；而DsG1下相反。DsG2发电方式短路可看作sRG和DsGl两种发电l方式下短路的组合．(2)DsEG输出端短路时，电枢反应强烈。菪无寄生参数，发电机则一直处于电流换相状态：否则，则存在单相导电I：作状态。
(3)直流输出端短路时，相电压同相电流基本同相位，而交流短路时，无换相重叠，相电流滞后相电压90°，由于电机磁路不饱和，电感较大，因此与直流输出端短路相比，相同励磁电流和转速下的短路电流要小。
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