王悦，王志军，王少荣 （华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市 # 430074）

摘要： 无刷励磁系统中对励磁电流测量以及对旋转整流器故障监测困难是制约该励磁方式发展的一大障碍。本文设计了一个 DSP系统解决了旋转整流器正常及故障下励磁电流测量问题，实现了整流二极管故障时报警，显示以及严重情况下切机功能。该系统动态显示励磁电流和指示二极管工作状态，极大方便了运行人员作出判断，而且结构简单，对整个机组的保护意义重大。
关键词： DSP； 无刷励磁； 励磁电流测量； 旋转整流器故障检测

1 引言
    同步电机无刷励磁方式取消了原有励磁系统中滑动接触部分（滑环、电刷），消除了发热、噪声等问题，提高了可靠性，可长期运行；另外，由于取消了旋转接触导电部分，不会产生电火花，在石油化工、有易燃气体及粉尘等恶劣条件下很适用。因此近几年来无刷励磁技术在中小型发电机组上得到了广泛得应用。
    运行中旋转整流器的核心部件整流二极管承受很大的离心力作用，故障率也较高。一旦发生二极管损坏的情况就应立即报警，尤其是一个桥臂短路情况，可能造成励磁机烧毁，应立即停机。由于取消了滑环和电刷，旋转的励磁电路与外部无直接电接触，励磁电流、电压无法直接测量，也给整流器二极管的故障监控带来了难题。
    本文利用检测线圈法，分析了正常工作以及故障情况下励磁电流的测量问题，通过对检测线圈感应电势波形频谱分析解决了故障分类问题。设计了一个 DSP系统，实现了励磁电流测量、整流器故障显示报警以及严重故障下控制机组停机的功能。

2 无刷同步电机励磁电流测量

图 1 感应电势E与励磁电流 关系

    检测线圈法是在交流励磁机定子主磁极间安装一小磁极和检测线圈。利用励磁机电枢绕组空间横轴磁场中的高次谐波在检测线圈感应谐波电势，正常及故障情况下，此感应电势 E在饱和前都正比于励磁电流I d （见图1），因此通过测量检测线圈电势大小可得到励磁电流大小。
    2.1 正常运行时励磁电流测量
    励磁机电枢绕组为 Y联结，没有中线，故不存在3及其倍数次谐波电流。正常运行时，电枢电流中没有直流和偶数次谐波分量。因此，三相整流电路中只含有6K 1（K＝0、1、2……）次谐波电流。高次谐波电流同基波电流一起在绕组中产生基波磁势和5、7、11等高次谐波磁势。空间谐波磁势切割定子上测量线圈产生感应电势。正序基波磁势对定子极间探测线圈不感应电势，5次、7次谐波磁势感应较强的6次谐波电势，11次、13次谐波磁势感应12次谐波电势， 6K（K＝1、2、3……）次感应电势随着K增大逐渐减小。6倍频率的电势主要是由基波电流产生的五次、七次谐波磁势及五次、七次谐波电流产生的基波磁势所感应而产生的。检测线圈中总电势E为：
    （1）
    文献 [3]有推导： ＝ ， 为一常数，与励磁机参数有关； 为励磁电流。 、 远小于 ，所以可得检测线圈感应电势：
    ＝ （2）
    2.2 故障下励磁电流测量
    以一相断路为例，断路时电枢电流中同样不含 3倍数次谐波电流，有直流分量。基波正序、负序电流，二次谐波负序电流，四次谐波正序电流，还有五次、七次等奇次谐波电流。它们产生较强的直流磁势和5次、7次谐波磁势，这些磁势在检测线圈上感应基波电势、奇次谐波电势及偶次谐波电势。一相断路情况下，检测线圈中出现较高的f、2f、3f、4f等频率的谐波磁势，其中以2次谐波电势幅值最大，f为基波频率。
    文献 [4]分析认为各次频率的感应电势（ 、 、 等）都正比于励磁电流。则测量线圈上总的感应电势为：
    （3）
    那么可以推出测量线圈上总的感应电势同样正比于励磁电流 。即有：
    （4）
    综合正常、故障两种情况，检测线圈的感应电势与励磁电流的正比关系始终成立，不同的是不同情况下比率系数 不相同。调试时候可以通过辅助的滑环对励磁电流进行直接测量，从而得出各种情况下励磁电流和感应电势的比例关系。在知道励磁机电枢参数以及漏磁导情况下也可以通过上面电枢电流、谐波磁势及谐波电势间关系计算出各种情况下的比例系数 。利用 的比例关系，可变换测量电势在电流表或者数码管上直接显示励磁电流大小。

3 旋转整流器故障检测
    故障诊断原理：检测线圈中感应电势波形与整流器工作状态有关，正常、故障下电压谐波成分明显不同，而且不同故障下谐波成分也不相同。因此通过分析检测线圈感应电势谐波成分与大小就可以判别整流器正常还是发生故障，若是出现故障也能判别是哪种故障。
    引用文献[5]中不同状态下，感应电压的各次谐波含量分析的试验数据如表1所示。

表 1 探测线圈感应电压谐波分析结果

    试验数据表明：旋转整流器正常状态下感应电压信号中含有较强的 6次谐波，而故障下1次、2次谐波分量所占比重较大，因此可通过分析6次谐波分量所占比重是否最大来判断旋转整流器故障与否。一臂短路时基波频率的电压信号幅值最大，一臂开路时2次谐波电压信号最大，故在故障情况下通过比较1次、2次谐波电压信号大小又可继续判别是何种故障。

4 基于DSP的实现方案
    TMS320F206是德州仪器公司一种较新型的高性能数字信号处理器芯片，其结构简单，单周期指令的执行速度为50ns，片内具有32K×16位的闪速存储器和4.5K×16位的RAM。同时F206具有1个同步串行口SSP、1个异步串行口ASP、1个软件可编程定时器以及大量中断资源。
    4.1 硬件电路设计
    硬件电路系统结构如下图 2所示。探测线圈测得的模拟信号经过模拟处理电路后送模数转换芯片ADC0809，将模拟量转换为数字量并且存在DSP芯片TMS320F206的内部RAM中，DSP芯片定时读取该信号行进分析处理，确定运行状态并且显示状态（故障情况下报警），同时显示励磁电流。严重故障情况下，由DSP系统控制断路器切断同步电机和励磁机电源。励磁电流显示用移位寄存器74LS164，发光二极管LED组合，由于显示位数不多，用静态显示方式。报警显示电路是DSP芯片分析采集的信号后得出是运行正常，还是发生了故障，具体是哪种故障（一相开路、一相短路），分别点亮面板上各种状态下的指示灯。同时故障下发声报警。

图 2 系统结构图

    4.2 软件设计

（ a）主程序流程图

(b)中断程序流程图
图 3 程序流程图

    系统程序由主程序、采样分析处理中断程序组成，如图 3所示。主程序完成系统初始化、开中断、启动定时器等待定时中断到来。中断程序包含采样子程序、数据分析处理程序（进行频谱分析），判断运行状态种类，显示电流并报警。必要时运行切断主机、励磁机电源程序。

5 结束语
    现阶段大力发展电力装机容量建设，单机容量也进一步增大，无刷励磁方式应用也越来越普遍，因此对无刷励磁机的安全稳定性要求就特别高，所以能对无刷励磁机旋转整流器进行监测就对运行人员显得十分重要。本文设计的 DSP系统通过对检测线圈上感应电势采样，其大小正比与励磁电流，其波形反映整流桥工作状态，所以很好的解决了电流测量及故障判断这两个难点，并且严重故障下还可控制继电器关断励磁机及主机电源，对整个机组起到了保护作用。该系统结构简单，通用性强，对于无刷励磁系统都可采样该方案解决励磁电流测量以及故障判别报警问题，在中型小型无刷励磁同步电机中有广泛的应用前景。

参考文献：
    [1] 许实章.电机学.北京：机械工业出版社，1988
    [2] 何苏勤，王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及实用技术.北京：电子工业出版社，2003.
    [3] 肖兰.无刷同步电机转子电流测量的分析.水电站设计，1996（3）.
    [4]肖兰.无刷同步电机旋转整流器故障分析.四川水力发电，1996（6）.
    [5] 刘念.无刷励磁旋转整流器电流波形分析及其故障的微机识别.电力系统自动化，1994（4）.
    [5] 李基成.现代同步发电机整流器励磁系统.北京：水利电力出版社，1987.
    作者介绍：
    王悦（ 1979－），男，湖北英山人，硕士研究生，研究方向为电力系统高精度同步相量测量。
    王少荣（ 1960－），男，浙江丽水人，副教授，博士，主要从事电力系统运行与控制的研究工作。